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毕业论文参考文档（免费）—DHT11 温湿度传感器的硬件与软件系统设计

news 2025/7/26 10:14:27

毕业论文参考文档（免费）—DHT11 温湿度传感器的硬件与软件系统设计

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第一章硬件系统设计

1.1 硬件组成与接口设计

DHT11 采用 4 引脚封装（SOP-4），如图 1-1 所示。核心硬件由三部分构成：电阻式湿度检测元件、NTC 温度传感器及 8 位内置微控制器。电阻式湿度检测元件基于高分子材料的吸湿特性，通过电阻值变化反映环境湿度；NTC 热敏电阻则利用温度系数实现温度测量；内置微控制器负责信号调理、A/D 转换及数据校验，将模拟信号转换为数字量并通过单总线输出。

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图 1-1 DHT11 传感器实物图

传感器引脚定义如下：

VCC：供电端，支持 3.3-5.5V 直流电压，典型工作电压 5V；
GND：接地端，需与主机共地以确保信号稳定；
DATA：单总线数据引脚，兼具输入 / 输出功能，用于传输控制信号与数据；
NC：空脚，无实际电气连接。

硬件外围电路设计需注意：DATA 引脚必须外接 4.7kΩ 上拉电阻，确保总线空闲时维持高电平；传感器内部集成校准系数存储于 OTP（一次性可编程）内存，出厂前已完成标定，用户可直接使用无需二次校准。DHT11 模块如图 1-2 所示，DHT11 模块原理图如图 1-3 所示。

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图 1-2 DHT11 模块实物图

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图 1-3 DHT11 模块电路原理图

接口设计中，考虑到兼容性与易用性，常采用单排排母 3 引脚规格，引脚间距为 2.54mm 标准间距。该设计的核心优势在于：其一，2.54mm 间距与 STM32 开发板的 GPIO 引脚间距一致，可直接通过杜邦线或面包板连接，无需额外转接；其二，排母仅引出 VCC、GND、DATA 三个有效引脚（NC 引脚空置），减少冗余接线，降低误接风险；其三，排母采用黄铜镀锡材质，具备良好导电性与耐腐蚀性，工作温度范围 - 40℃~105℃，适配多数环境场景。本项目中，排母采用直插式安装，便于焊接在 PCB 板，安装位置靠近 PCB 板框边沿，便于模块的装卸。DHT11 模块接口原理图如图 1-4 所示。

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图 1-4 DHT11 模块接口电路原理图

在 DHT11 温湿度传感器的系统设计验证阶段，Proteus 仿真软件能够以低成本、高效率的方式模拟硬件电路与软件代码的协同工作。首先需在 Proteus 中搭建 DHT11 传感器的仿真电路，将传感器的 VCC 引脚连接到 5V 电源，GND 引脚接地，DATA 引脚与主控芯片 STM32 的 GPIO 端口相连，同时添加必要的上拉电阻（典型值 4.7K）以确保数据传输的稳定性。DHT11 模块仿真原理图如图 1-5 所示。

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图 1-5 DHT11 模块 Proteus 仿真原理图

1.2 工作原理与信号处理

DHT11 的测量过程由内置微控制器协调控制：湿度检测元件将环境湿度转换为电阻变化，经信号调理电路转换为电压信号；NTC 热敏电阻的阻值随温度变化，产生对应的电压信号；两路模拟信号经微控制器内置 A/D 转换器量化后，按照固定格式封装为数字数据帧，等待主机读取。

温度测量基于 NTC 热敏电阻的负温度系数特性，其阻值与温度的关系满足：

$RT=R25×eB(1/T−1/298)R_T = R_{25} \times e^{B(1/T - 1/298)}$

其中， $R_T$ 为温度 T 时的电阻值， $R_{25}$ 为 25℃时的标称电阻，B 为材料常数（典型值 3000-4000K），T 为绝对温度（单位 K）。微控制器通过测量 NTC 两端电压计算电阻值，再反演得到温度数据。

湿度测量采用电阻式原理，吸湿材料吸附空气中水分子后电阻降低，通过惠斯通电桥转换为电压信号，经 A/D 转换得到湿度量化值。

1.3 技术参数与性能特性

DHT11 的核心技术参数如下：

测量范围：温度 0-50℃，湿度 20-90% RH；
测量精度：温度 ±2℃（25℃时），湿度 ±5% RH（25℃时）；
分辨率：温度 1℃，湿度 1% RH；
供电电压：3.3-5.5V DC；
工作电流：测量时≤1mA，待机时≤0.06mA；
响应时间：温度≤30s（63% 响应），湿度≤5s（63% 响应）；
采样周期：≥2s。

第二章软件系统设计

2.1 单总线通信协议

DHT11 采用自定义单总线协议实现与主机的通信，数据传输由主机主动发起，通信流程包括初始化、响应、数据传输三个阶段：

初始化阶段：主机将 DATA 引脚拉低至少 18ms，随后释放总线（切换为输入模式），等待传感器响应。
响应阶段：传感器检测到起始信号后，拉低 DATA 引脚 80μs，再拉高 80μs，完成响应握手。
数据传输阶段：传感器发送 40 位数据帧，格式为：8 位湿度整数 + 8 位湿度小数 + 8 位温度整数 + 8 位温度小数 + 8 位校验和。校验和为前四字节数据之和的低 8 位，用于验证数据完整性。

数据位编码采用脉冲宽度调制：逻辑 0 对应 26-28μs 高电平，逻辑 1 对应 70μs 高电平。主机通过测量高电平持续时间解析二进制数据。

2.2 STM32 软件实现流程

STM32 控制 DHT11 的软件流程分为 GPIO 初始化和数据读取两部分，核心逻辑通过时序控制实现与传感器的通信，具体流程如图 2-1：

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图 2-1 STM32 软件实现流程图

（1）GPIO 初始化流程

定义 GPIO 初始化结构体（GPIO_InitTypeDef）
使能对应端口时钟（RCC_APB2PeriphClockCmd 使能 DHT11_GPIO_CLK）
配置引脚参数：

GPIO_Pin 设为 DHT11_GPIO_PIN（如 PG11）
模式设为推挽输出（GPIO_Mode_Out_PP）
速度设为 50MHz（GPIO_Speed_50MHz）

初始化 IO 口（GPIO_Init 函数配置 DHT11_GPIO_PORT）
置位 DATA 引脚为高电平（GPIO_SetBits）
调用 DHT11_Rst () 复位传感器
返回 DHT11_Check () 的检查结果（0 为成功，1 为失败）

（2）数据读取流程

定义 5 字节缓冲区（buf [5]）和循环变量 i
调用 DHT11_Rst () 发送复位信号
检查传感器响应（DHT11_Check () == 0 为正常）：

响应正常：循环读取 5 字节数据（buf [i] = DHT11_Read_Byte ()）
校验和验证：若 buf [0]+buf [1]+buf [2]+buf [3] == buf [4]，则提取：
- 湿度整数（humi1 = buf [0]）、湿度小数（humi2 = buf [1]）
- 温度整数（temp1 = buf [2]）、温度小数（temp2 = buf [3]）
延时 100ms 后返回 0（成功）