畢業論文參考文檔（免費）—DHT11 溫濕度傳感器的硬件與軟件系統設計

第一章 硬件系統設計

1.1 硬件組成與接口設計

DHT11 采用 4 引腳封裝（SOP-4），如圖 1-1 所示。核心硬件由三部分構成：電阻式濕度檢測元件、NTC 溫度傳感器及 8 位內置微控制器。電阻式濕度檢測元件基于高分子材料的吸濕特性，通過電阻值變化反映環境濕度；NTC 熱敏電阻則利用溫度系數實現溫度測量；內置微控制器負責信號調理、A/D 轉換及數據校驗，將模擬信號轉換為數字量并通過單總線輸出。

圖 1-1 DHT11 傳感器實物圖

傳感器引腳定義如下：

• VCC：供電端，支持 3.3-5.5V 直流電壓，典型工作電壓 5V；

• GND：接地端，需與主機共地以確保信號穩定；

• DATA：單總線數據引腳，兼具輸入 / 輸出功能，用于傳輸控制信號與數據；

• NC：空腳，無實際電氣連接。

硬件外圍電路設計需注意：DATA 引腳必須外接 4.7kΩ 上拉電阻，確保總線空閑時維持高電平；傳感器內部集成校準系數存儲于 OTP（一次性可編程）內存，出廠前已完成標定，用戶可直接使用無需二次校準。DHT11 模塊如圖 1-2 所示，DHT11 模塊原理圖如圖 1-3 所示。

圖 1-2 DHT11 模塊實物圖

圖 1-3 DHT11 模塊電路原理圖

接口設計中，考慮到兼容性與易用性，常采用單排排母 3 引腳規格，引腳間距為 2.54mm 標準間距。該設計的核心優勢在于：其一，2.54mm 間距與 STM32 開發板的 GPIO 引腳間距一致，可直接通過杜邦線或面包板連接，無需額外轉接；其二，排母僅引出 VCC、GND、DATA 三個有效引腳（NC 引腳空置），減少冗余接線，降低誤接風險；其三，排母采用黃銅鍍錫材質，具備良好導電性與耐腐蝕性，工作溫度范圍 - 40℃~105℃，適配多數環境場景。本項目中，排母采用直插式安裝，便于焊接在 PCB 板，安裝位置靠近 PCB 板框邊沿，便于模塊的裝卸。DHT11 模塊接口原理圖如圖 1-4 所示。

圖 1-4 DHT11 模塊接口電路原理圖

在 DHT11 溫濕度傳感器的系統設計驗證階段，Proteus 仿真軟件能夠以低成本、高效率的方式模擬硬件電路與軟件代碼的協同工作。首先需在 Proteus 中搭建 DHT11 傳感器的仿真電路，將傳感器的 VCC 引腳連接到 5V 電源，GND 引腳接地，DATA 引腳與主控芯片 STM32 的 GPIO 端口相連，同時添加必要的上拉電阻（典型值 4.7K）以確保數據傳輸的穩定性。DHT11 模塊仿真原理圖如圖 1-5 所示。

圖 1-5 DHT11 模塊 Proteus 仿真原理圖

1.2 工作原理與信號處理

DHT11 的測量過程由內置微控制器協調控制：濕度檢測元件將環境濕度轉換為電阻變化，經信號調理電路轉換為電壓信號；NTC 熱敏電阻的阻值隨溫度變化，產生對應的電壓信號；兩路模擬信號經微控制器內置 A/D 轉換器量化后，按照固定格式封裝為數字數據幀，等待主機讀取。

溫度測量基于 NTC 熱敏電阻的負溫度系數特性，其阻值與溫度的關系滿足：

$R_T=R_{25}\times e^{B(1/T?1/298)}$

其中，$R_T$為溫度 T 時的電阻值，$R_{25}$為 25℃時的標稱電阻，B 為材料常數（典型值 3000-4000K），T 為絕對溫度（單位 K）。微控制器通過測量 NTC 兩端電壓計算電阻值，再反演得到溫度數據。

濕度測量采用電阻式原理，吸濕材料吸附空氣中水分子后電阻降低，通過惠斯通電橋轉換為電壓信號，經 A/D 轉換得到濕度量化值。

1.3 技術參數與性能特性

DHT11 的核心技術參數如下：

• 測量范圍：溫度 0-50℃，濕度 20-90% RH；

• 測量精度：溫度 ±2℃（25℃時），濕度 ±5% RH（25℃時）；

• 分辨率：溫度 1℃，濕度 1% RH；

• 供電電壓：3.3-5.5V DC；

• 工作電流：測量時≤1mA，待機時≤0.06mA；

• 響應時間：溫度≤30s（63% 響應），濕度≤5s（63% 響應）；

• 采樣周期：≥2s。

第二章 軟件系統設計

2.1 單總線通信協議

DHT11 采用自定義單總線協議實現與主機的通信，數據傳輸由主機主動發起，通信流程包括初始化、響應、數據傳輸三個階段：

1. 初始化階段：主機將 DATA 引腳拉低至少 18ms，隨后釋放總線（切換為輸入模式），等待傳感器響應。

2. 響應階段：傳感器檢測到起始信號后，拉低 DATA 引腳 80μs，再拉高 80μs，完成響應握手。

3. 數據傳輸階段：傳感器發送 40 位數據幀，格式為：8 位濕度整數 + 8 位濕度小數 + 8 位溫度整數 + 8 位溫度小數 + 8 位校驗和。校驗和為前四字節數據之和的低 8 位，用于驗證數據完整性。

數據位編碼采用脈沖寬度調制：邏輯 0 對應 26-28μs 高電平，邏輯 1 對應 70μs 高電平。主機通過測量高電平持續時間解析二進制數據。

2.2 STM32 軟件實現流程

STM32 控制 DHT11 的軟件流程分為 GPIO 初始化和數據讀取兩部分，核心邏輯通過時序控制實現與傳感器的通信，具體流程如圖 2-1：

圖 2-1 STM32 軟件實現流程圖

（1）GPIO 初始化流程

1. 定義 GPIO 初始化結構體（GPIO_InitTypeDef）

2. 使能對應端口時鐘（RCC_APB2PeriphClockCmd 使能 DHT11_GPIO_CLK）

3. 配置引腳參數：

• GPIO_Pin 設為 DHT11_GPIO_PIN（如 PG11）

• 模式設為推挽輸出（GPIO_Mode_Out_PP）

• 速度設為 50MHz（GPIO_Speed_50MHz）

4. 初始化 IO 口（GPIO_Init 函數配置 DHT11_GPIO_PORT）

5. 置位 DATA 引腳為高電平（GPIO_SetBits）

6. 調用 DHT11_Rst () 復位傳感器

7. 返回 DHT11_Check () 的檢查結果（0 為成功，1 為失敗）

（2）數據讀取流程

1. 定義 5 字節緩沖區（buf [5]）和循環變量 i

2. 調用 DHT11_Rst () 發送復位信號

3. 檢查傳感器響應（DHT11_Check () == 0 為正常）：

• 響應正常：循環讀取 5 字節數據（buf [i] = DHT11_Read_Byte ()）

• 校驗和驗證：若 buf [0]+buf [1]+buf [2]+buf [3] == buf [4]，則提取：

  • 濕度整數（humi1 = buf [0]）、濕度小數（humi2 = buf [1]）

  • 溫度整數（temp1 = buf [2]）、溫度小數（temp2 = buf [3]）

• 延時 100ms 后返回 0（成功）

4. 響應異常：直接返回 1（失敗）

2.3 軟件設計關鍵要點

1. 時序精度控制：專用計時函數（delay_us）確保微秒級延時精度，避免因時序偏差導致數據錯誤。

2. 錯誤處理機制：校驗和驗證：拒絕校驗失敗的數據；

第三章 性能優化策略

針對 DHT11 的局限性，可通過以下方法優化：

3.1 硬件優化

• 電源濾波：在 VCC 與 GND 間并聯 100nF 陶瓷電容和 10μF 電解電容，抑制電源紋波；

• 信號增強：長距離傳輸（>5m）時，DATA 線采用屏蔽線并在末端并聯 100pF 電容。

3.2 軟件優化

• 溫度漂移補償：通過與高精度傳感器（如 SHT30）對比，建立誤差修正表；

• 濕度滯后補償：根據環境變化速率動態調整測量間隔。

• 超時檢測：設置響應超時閾值（如 100ms），避免程序阻塞；

• 重試機制：連續 3 次讀取失敗則觸發硬件檢查。

• 對連續測量值采用滑動平均濾波（如取 5 次有效值平均），降低環境干擾影響。

• 在嵌入式系統中，通過狀態機設計避免阻塞式延時，提高 CPU 利用率。