原标题：基于 DHT11 的温湿度检测（原理图+代码）

基于 DHT11 的温湿度检测系统

基于 DHT11 的温湿度检测系统是一种成本效益高且易于实现的方案，广泛应用于环境监测、智能家居、农业大棚等领域。它能够实时获取当前环境的温度和湿度数据，并通过微控制器进行处理和显示。本设计将详细阐述其工作原理、核心元器件的选择与功能、完整的硬件电路图以及相应的软件代码实现。

1. DHT11 温湿度传感器介绍

1.1 DHT11 传感器概述

DHT11 是一款常用的数字温湿度复合传感器，由一颗经过校准的数字信号输出的温湿度传感器和一个单片机连接。它采用专有的数字信号采集技术和温湿度传感技术，确保了产品的高可靠性与长期稳定性。DHT11 具有响应速度快、抗干扰能力强、性价比高等特点。

1.2 DHT11 工作原理

DHT11 内部集成了一个电容式湿度传感器和一个 NTC（负温度系数）热敏电阻。

• 湿度测量： DHT11 采用电容式湿度传感器。传感器的湿度敏感材料在吸收水蒸气后，介电常数会发生变化，导致电容值随之变化。DHT11 内部的 ASIC（专用集成电路）会将这个电容值的变化转换为数字信号输出。

• 温度测量： 温度测量则利用 NTC 热敏电阻的特性。NTC 热敏电阻的电阻值会随着温度的升高而降低。DHT11 内部的 ADC（模数转换器）会将热敏电阻的模拟电压信号转换为数字信号，进而得到温度值。

DHT11 传感器与微控制器之间采用单总线通信方式。传感器每次数据传输 40 位数据，高位在前，包括 16 位湿度数据（整数部分 8 位，小数部分 8 位）、16 位温度数据（整数部分 8 位，小数部分 8 位）以及 8 位校验和。校验和用于验证数据传输的正确性，即湿度整数部分 + 湿度小数部分 + 温度整数部分 + 温度小数部分 = 校验和。

1.3 DHT11 主要参数

• 供电电压： 3.3V - 5.5V

• 测量范围：

• 湿度：20% - 90% RH (±5% RH)

• 温度：0°C - 50°C (±2°C)

• 分辨率：

• 湿度：1% RH

• 温度：1°C

• 响应时间： 2秒

• 功耗： 测量时约 2.5mA，待机时 100μA - 150μA

• 引脚定义：

• VCC：供电电源

• DATA：数据引脚（需要接上拉电阻）

• NC：空引脚

• GND：接地

2. 系统硬件设计与元器件选型

一个完整的基于 DHT11 的温湿度检测系统通常包括微控制器、DHT11 传感器、显示模块以及必要的辅助电路。

2.1 微控制器（MCU）

微控制器是整个系统的核心，负责控制 DHT11 传感器的数据读取、处理、以及将数据显示到屏幕上。

• 优选元器件型号： STMicroelectronics STM32F103C8T6 或 Arduino UNO (基于 ATmega328P)。

• 为什么选择：

• STM32F103C8T6： 这是一款基于 ARM Cortex-M3 内核的 32 位微控制器，具有高性能、低功耗和丰富的外设资源，如多个定时器、UART、SPI、I2C、ADC 等。它适用于需要更高处理能力和更复杂功能的项目，且其开发生态系统成熟，资料丰富。

• Arduino UNO (ATmega328P)： 对于初学者和简单的项目，Arduino UNO 是一个极好的选择。它基于 ATmega328P 8 位 AVR 微控制器，易于上手，拥有庞大的社区支持和丰富的库函数，简化了开发过程。其集成开发环境 (IDE) 使得编程和上传代码变得非常方便。

• 元器件功能： 微控制器负责发送启动信号给 DHT11，等待并接收 DHT11 返回的温湿度数据。接收到数据后，它会进行数据解析和校验。如果校验通过，则将温湿度值转换为易于理解的格式，并驱动显示模块进行显示。此外，它还可以根据需要进行数据存储、通过串口发送数据到上位机等。

2.2 显示模块

显示模块用于直观地显示测量到的温度和湿度数据。

• 优选元器件型号： LCD1602 液晶显示屏 或 OLED 0.96 寸显示屏 (SSD1306)。

• 为什么选择：

• LCD1602： 这是一种经典的字符型液晶显示屏，价格低廉，易于驱动，适合显示简单的文本信息。它通常采用并行或 I2C 接口与微控制器连接。对于只显示温度和湿度数值的应用来说，LCD1602 足以满足需求。

• OLED 0.96 寸显示屏 (SSD1306)： OLED 显示屏具有自发光、高对比度、宽视角、低功耗的优点，显示效果更佳。0.96 寸的尺寸小巧，适合集成到紧凑型设备中。它通常采用 I2C 或 SPI 接口，其中 I2C 接口连接线更少，更方便。

• 元器件功能： 接收微控制器发送的待显示数据（如温度值、湿度值），并在屏幕上以字符或图形的形式显示出来，为用户提供直观的反馈。

2.3 DHT11 温湿度传感器

• 优选元器件型号： AM2302 (DHT22) 或 DHT11。

• 为什么选择：

• DHT11： 对于成本敏感或对精度要求不高的应用，DHT11 是一个经济实惠的选择。它足够用于日常环境监测。

• AM2302 (DHT22)： 如果对测量精度和范围有更高要求，AM2302 (DHT22) 是更好的选择。它的测量精度更高（温度 ±0.5°C，湿度 ±2% RH），测量范围更广（温度 -40°C ~ 80°C，湿度 0% ~ 99.9% RH），但价格略高于 DHT11。两者在通信协议上高度相似，代码兼容性好。

• 元器件功能： 作为核心传感器，负责实时采集环境的温度和湿度数据，并通过单总线协议将数字信号传输给微控制器。

2.4 上拉电阻

• 优选元器件型号： 10kΩ 电阻。

• 为什么选择： DHT11 的 DATA 引脚需要连接一个上拉电阻，通常为 4.7kΩ 到 10kΩ 之间。这是因为 DHT11 的数据线在不传输数据时是高电平，通过上拉电阻可以确保在数据线空闲时保持高电平状态，避免信号浮动，提高通信的稳定性。

• 元器件功能： 提供一个稳定的高电平，确保 DHT11 的 DATA 引脚在空闲状态下保持高电平，便于微控制器和传感器之间的正常通信。

2.5 其他辅助元器件

• 面包板或 PCB： 用于搭建电路和固定元器件。

• 跳线： 用于连接各个元器件。

• 电源： 提供系统所需的工作电压，通常为 5V 或 3.3V。

2.6 系统硬件电路图

下图展示了基于 Arduino UNO 和 DHT11 以及 LCD1602 的典型连接方式。如果使用 STM32，引脚连接方式类似，但需要根据 STM32 的具体 GPIO 定义进行调整。

              +-------------------+
              |    Arduino UNO    |
              |                   |
              |       5V   <----->   VCC (DHT11)
              |       GND  <----->   GND (DHT11)
              |    Digital Pin X <->   DATA (DHT11)  --+-- 10kΩ Resistor --+-- 5V
              |                   |
              |       5V   <----->   VCC (LCD1602)
              |       GND  <----->   GND (LCD1602)
              |    Digital Pin Y <->   RS (LCD1602)
              |    Digital Pin Z <->   EN (LCD1602)
              |    Digital Pin A <->   D4 (LCD1602)
              |    Digital Pin B <->   D5 (LCD1602)
              |    Digital Pin C <->   D6 (LCD1602)
              |    Digital Pin D <->   D7 (LCD1602)
              |       PWM Pin   <->   Backlight (LCD1602) (可选，通过电位器或数字引脚控制亮度)
              |       A0        <->   RW (LCD1602) (GND或VCC，根据LCD模块确定)
              |       A1        <->   VO (LCD1602) (连接电位器，调节对比度)
              +-------------------+

注释：

• DHT11 DATA 引脚的上拉电阻： DHT11 的 DATA 引脚必须连接一个 10kΩ 的上拉电阻到 VCC。这对于确保单总线通信的正确性至关重要。

• LCD1602 连接：

• 如果使用 I2C 模块的 LCD1602，则只需要连接 SDA 和 SCL 到 Arduino 的相应 I2C 引脚（UNO 上通常是 A4 和 A5），以及 VCC 和 GND。这将大大简化布线。

• 图示为并联模式下的连接，需要较多的 GPIO 引脚。

• 引脚分配： 数字引脚 X, Y, Z, A, B, C, D 均为示例，具体连接时请根据 Arduino UNO 的可用数字引脚进行选择，并在代码中相应配置。

3. 系统软件设计与代码实现

软件部分主要包括 DHT11 传感器的数据读取、解析、错误校验以及数据显示。这里以 Arduino 平台为例进行说明，因为它对 DHT11 和 LCD1602 都有成熟的库支持，非常便于开发。

3.1 引入必要的库文件

在 Arduino IDE 中，您需要安装 DHT sensor library 和 LiquidCrystal (或 LiquidCrystal_I2C 如果使用 I2C LCD) 库。

1. 打开 Arduino IDE。

2. 点击 工具 -> 管理库...。

3. 搜索 DHT sensor library 并安装 Adafruit 公司提供的库。

4. 搜索 LiquidCrystal (如果使用并联 LCD) 或 LiquidCrystal_I2C (如果使用 I2C LCD) 并安装。

3.2 代码示例（基于 Arduino UNO + DHT11 + I2C LCD1602）

此代码示例假设您使用 I2C 接口的 LCD1602，这样可以节省大量的 GPIO 引脚。

#include <Wire.h> 
// 引入I2C通信库#include <LiquidCrystal_I2C.h> 
// 引入I2C LCD库#include <DHT.h> 
// 引入DHT传感器库
// 定义DHT11传感器连接的数字引脚#define DHTPIN 2 
// 将DHT11的数据引脚连接到Arduino的数字引脚2
// 定义DHT传感器的类型 (DHT11, DHT22, DHT21)#define DHTTYPE DHT11 
// 如果使用DHT22，请改为DHT22// 初始化DHT传感器对象DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
// 初始化I2C LCD1602对象
// 第一个参数是LCD的I2C地址，通常为0x27或0x3F，具体取决于您的LCD模块
// 第二个参数是LCD的列数，第三个参数是LCD的行数LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); 
// 假设I2C地址为0x27，16列2行void setup() {
  Serial.begin(9600);
   // 启动串口通信，用于调试输出
  Serial.println("DHT11 I2C LCD 温湿度检测系统启动...");

  dht.begin(); // 初始化DHT传感器

  lcd.init(); // 初始化LCD
  lcd.backlight(); // 打开LCD背光

  // 在LCD上显示欢迎信息
  lcd.setCursor(0, 0); // 设置光标到第一行第一列
  lcd.print("正在初始化...");
  lcd.setCursor(0, 1); // 设置光标到第二行第一列
  lcd.print("请稍候...");
  delay(2000); // 延时2秒
  lcd.clear(); // 清空LCD屏幕}void loop() {  // DHT11传感器两次读数之间至少需要2秒间隔，
  否则可能会读到错误数据
  delay(2000);  // 读取湿度数据
  float h = dht.readHumidity();  // 读取温度数据（摄氏度）
  float t = dht.readTemperature();  // 读取温度数据（华氏度）
  // float f = dht.readTemperature(true); // 如果需要华氏度

  // 检查是否成功读取数据
  if (isnan(h) || isnan(t)) {
    Serial.println("DHT传感器读取失败！请检查接线。");
    lcd.clear();
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("读取失败!");
    lcd.setCursor(0, 1);
    lcd.print("请检查DHT11!");    return; // 退出当前循环，等待下次重试
  }  // 华氏度到摄氏度的转换示例 (如果需要)
  // float hic = dht.computeHeatIndex(t, h, false);
  // float hif = dht.computeHeatIndex(f, h, true);

  Serial.print("湿度: ");
  Serial.print(h);
  Serial.print(" %	");
  Serial.print("温度: ");
  Serial.print(t);
  Serial.println(" *C ");  // 在LCD上显示数据
  lcd.setCursor(0, 0); // 设置光标到第一行第一列
  lcd.print("湿度: ");
  lcd.print(h, 1); // 显示湿度，保留一位小数
  lcd.print("%   "); // 添加单位和空格，覆盖可能残留的字符

  lcd.setCursor(0, 1); // 设置光标到第二行第一列
  lcd.print("温度: ");
  lcd.print(t, 1); // 显示温度，保留一位小数
  lcd.print((char)223); // 显示度数符号 '°'
  lcd.print("C   "); // 添加单位和空格，覆盖可能残留的字符}

3.3 代码详解

1. #include <Wire.h>: 包含了 Arduino I2C 通信库，I2C LCD 模块需要使用此库进行通信。

2. #include <LiquidCrystal_I2C.h>: 包含了 I2C LCD 显示屏的库，提供了方便的函数来控制 LCD 显示内容。

3. #include <DHT.h>: 包含了 DHT 传感器库，提供了读取 DHT11/DHT22 等传感器数据的接口。

4. #define DHTPIN 2: 定义了 DHT11 传感器数据引脚连接到 Arduino 的数字引脚 2。您可以根据实际接线修改此值。

5. #define DHTTYPE DHT11: 定义了所使用的 DHT 传感器类型为 DHT11。如果您使用的是 DHT22，请将其修改为 DHT22。

6. DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);: 创建一个 DHT 对象，用于与 DHT 传感器进行通信。

7. LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);: 创建一个 LiquidCrystal_I2C 对象，用于控制 LCD 显示屏。

• 0x27 是 I2C LCD 模块的默认地址，有些模块可能是 0x3F。如果您的 LCD 不显示，请尝试更改此地址。

• 16 表示 LCD 有 16 列。

• 2 表示 LCD 有 2 行。

8. void setup() 函数：

• Serial.begin(9600);: 初始化串口通信，波特率为 9600 bps。这允许您通过 Arduino IDE 的串口监视器查看调试信息。

• dht.begin();: 初始化 DHT 传感器。

• lcd.init();: 初始化 LCD 屏幕。

• lcd.backlight();: 打开 LCD 的背光。

• lcd.setCursor(0, 0); 和 lcd.print();: 在 LCD 上显示初始欢迎信息。

9. void loop() 函数：

• delay(2000);: 这是非常重要的。DHT11 传感器在两次读数之间需要至少 2 秒的间隔，否则可能会返回无效数据。

• float h = dht.readHumidity();: 读取湿度值并存储在 h 变量中。

• float t = dht.readTemperature();: 读取温度值（摄氏度）并存储在 t 变量中。

• if (isnan(h) || isnan(t)): 检查读取到的数据是否为无效数字（Not-a-Number）。如果 dht.readHumidity() 或 dht.readTemperature() 返回 NaN，则表示读取失败，通常是由于接线错误或传感器故障。

• Serial.print(...) 和 Serial.println(...): 将温湿度数据打印到串口监视器，方便调试。

• lcd.setCursor(...) 和 lcd.print(...): 将温湿度数据显示到 LCD 屏幕上。

• lcd.print(h, 1);: h 是浮点数，, 1 表示保留一位小数。

• lcd.print((char)223);: (char)223 是 LCD 字符集中表示度数符号 ° 的 ASCII 值。

4. 系统测试与调试

在完成硬件连接和代码上传后，您需要进行测试和调试以确保系统正常工作。

1. 检查接线： 仔细核对所有元器件的接线是否正确，特别是 DHT11 的 DATA 引脚是否连接了上拉电阻。

2. 上传代码： 将上述代码通过 Arduino IDE 上传到您的 Arduino UNO 板。

3. 串口监视器： 打开 Arduino IDE 的串口监视器（工具 -> 串口监视器），观察是否有温湿度数据输出，以及是否有错误信息。

4. LCD 显示： 检查 LCD 屏幕是否正常显示温湿度数据。如果显示乱码或无显示，请检查 I2C 地址是否正确（对于 I2C LCD），或并联连接是否正确（对于并联 LCD）。可以尝试调整 LCD 上的电位器来调节对比度。

5. 数据准确性： 将 DHT11 传感器暴露在不同温度和湿度的环境中，观察数据的变化是否符合预期。例如，用手握住传感器会使温度升高。

5. 优化与扩展

• 数据存储与分析： 可以将温湿度数据存储到 SD 卡，或通过网络（例如 ESP8266/ESP32 Wi-Fi 模块）上传到云平台，进行长期的数据记录和分析。

• 报警功能： 根据预设的阈值，当温度或湿度超出范围时，可以触发蜂鸣器、LED 灯或发送短信/邮件进行报警。

• 供电优化： 对于电池供电的应用，可以考虑使用更低功耗的微控制器和传感器，并优化代码以进入低功耗模式。

• 用户界面： 可以添加按键，实现切换显示模式（例如显示最大/最小值）、校准等功能。

• 多传感器： 如果需要监测多个区域的温湿度，可以连接多个 DHT11 传感器，但需要注意每个 DHT11 都需要独立的 GPIO 引脚和数据读取逻辑。

• 显示升级： 如果需要更丰富的图形界面，可以考虑使用 TFT 彩色显示屏，但其驱动会更复杂。

6. 总结

基于 DHT11 的温湿度检测系统是一个典型的嵌入式应用案例，它结合了传感器技术、微控制器编程和人机交互。通过本设计，您不仅可以实现一个实用的温湿度监测设备，还能深入理解传感器数据采集、数字通信协议、微控制器编程以及外部设备驱动等核心概念。选择合适的元器件并理解其工作原理是构建稳定可靠系统的关键。此系统易于构建和扩展，为进一步的物联网项目奠定了基础。