DHT11自定义总线通信协议实例详解(附详细示波器实测波形图)
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DHT11详解
有的时候，外围器件与MCU之间的通信并不是常见通用的通信方式，而是厂家自定义的一种通信格式。所以，最重要的应该是掌握根据时序图编写驱动程序的能力，本文通过对一种利用厂家自定义的通信格式和MCU之间通信的详细讲解，以期让读者掌握这种能力。在本文就以DHT11数字温湿度传感器为例来讲解。
一、 DHT11与MCU的通信协议
首先需要得到DHT11的Datasheet，然后根据Datasheet编写程序。DHT11的Datasheet前面部分是该传感器的介绍和一些接口及其相关性能参数的说明，这部分读者可以自己去看，我们关注的是改手册的第4部分：串行接口（单线双向）。接下来详细讲解这一部分。
DHT11的DATA引脚用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线的数据格式，一次通信时间为4ms左右。先来看一下MCU发送开始信号和DHT11响应信号这部分的时序图：
图1 开始信号和响应信号时序图
从图1可以看出，总线空闲的时候为高电平（图1第1段的前面所示），MCU把总线拉低至少18ms（图1第1段），然后拉高总线（图1第2段）等待DHT11响应。DHT11接收到MCU的开始信号后，等待MCU开始信号结束，然后发送80us低电平响应信号（图1第3段），然后DHT11拉高总线80us（图1第4段）准备输出数据。图1第5段和图1第6段分别是数据1和数据0的格式。
根据图1编写的MCU开始信号如下：
#define DHT_IO PORTA_PA0
void DHT11_init(void)
{
DHT_IO=1;
DDRA_DDRA0=0xFF; //总线空闲高电平
DHT_IO = 0; //总线拉低
DDRA_DDRA0 = 0xFF; //设置为输出
Dlyms(18); //主机至少拉低18ms
DHT_IO = 1; //释放总线
delay_us(19); //主机拉高20~40us
DDRA_DDRA0 = 0x00; //设置为输入，等待DHT11响应
}
实测的MCU发出开始信号的波形如下：
图二 MCU发出开始信号
从图2可以看出，MCU把总线拉低18.2ms（图2中两光标之间的部分，对应于图1的第1部分），满足Datasheet中规定的数值。红框中的包括DHT11的响应信号和输出的40bit数据。接下来将红框中的波形放大进行详细的分析。先来看下Datasheet中对MCU发出的开始信号和DHT11的响应信号的详细说明，如图3所示：
图3 MCU开始信号和DHT11响应信号时序图
实测的波形为：
图4 MCU发出开始信号和DHT11响应信号实测波形
图4中下方的数字2、3、4是和图一中的数字一一对应的，上方的时间是实测的时间，和图三中的时间进行比较可以发现，图四中的数据并不是完全和Datasheet上的一致，实践表明，误差是允许的。
开始信号和响应信号结束后就是数据的传输，从DHT11的Datasheet上可以看出其对数据0和数据1的定义如下：
图5 数据0格式
图6 数据1格式
总线为低电平说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后再把总线拉高80us准备发送数据，没一bit数据都是以50us低电平时序开始，紧跟着的高电平的长短决定了数据是0还是1，格式如图5和图6，实测的如图7和图8。
图7 数据0格式 图8 数据1格式
从实测的2张波形图可以看出，跟Datasheet数据还是存在一定的误差的，但这个不影响正常的通信。
有了以上的知识就可以编写函数从DHT11中读取温湿度数据了。一次完整的数据传输为40bit，高位先出。
数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。数据传输正确是校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。先传输高位。当前小数部分用于以后扩展，现读出为0。
根据以上的说明编写的从DHT11读取数据的函数如下：
unsigned char get_DHT11_value(void)
{
(1) unsigned int bit;
unsigned char p=0,time_count=0;
temperature=0x0000;
humidity=0x0000;
bit=0x8000;
DHT_IO = 0; //总线拉低
DDRA_DDRA0 = 0xFF; //设置为输出
Dlyms(18); //主机至少拉低18ms
DHT_IO = 1; //释放总线
delay_us(19); //主机拉高20~40us
DDRA_DDRA0 = 0x00; //设置为输入，等待DHT11响应
delay_us(30);
//无应答信号,退出
if(DHT_IO!=0) return 0;
//等待电平变高,设置200us超时控制
time_count=0;
while(DHT_IO==0)
{
delay_us(10);
if(++time_count==20) return 0;
}
//等待电平变低,设置150us超时控制
time_count=0;
while(DHT_IO==1)
{
delay_us(10);
if(++time_count==15) return 0;
}
PORTA_PA1=~PORTA_PA1; //调试语句
(2) //数据开始
while(p!=2)
{
//低电平宽度50us
//等待电平变高,设置100us超时控制
(3) time_count=0;
while(DHT_IO==0)
{
delay_us(10); if(++time_count==10) return 0;
}
(4) time_count=0;
do //计算高电平持续的时间
{
delay_us(10);
time_count++;
if(time_count==10) return 0;
}while(DHT_IO==1);
PORTA_PA1=~PORTA_PA1; //调试语句
//若高电平超过30us,说明数据位为1,否则为0
(5) if(time_count>=3)
{
if(p==0) humidity|=bit;
if(p==1) temperature|=bit;
}
bit>>=1; //为接收下一位做准备
//2字节(16位)结束
if(bit==0x0000)
{
p++;
bit=0x8000;
}
}
return 1;
}
其中的temperature和humidity定义为unsigned int型全景变量。程序中已经有了详细的中文注释，为了让读者对整个读函数的结构有一个更为清晰的认识，在这里将这个函数分成5部分，每一部分的功能如下：（1）：MCU发出开始信号，DHT11响应开始信号，等待响应信号结束，数据部分开始。（2）：从这部分开始就是MCU从DHT11中读数据的过程。（3）：每1bit数据都是以50us低电平开始的，这部分的功能是等待50us低电平过去。（4）：计算50us后面所跟的高电平程序的时间，该时间以time_count的值来表征。（5）根据time_count的值来（是否大于等于3）判断数据位为1还是为0。这里需要注意的一点是，程序中的注释里说“若高电平超过30us,说明数据位为1,否则为0”，30us这个值是根据time_count的阈值（>=3）乘以延时函数delay_us(10);延时的10us得出的，实际测试中发现delay_us(10)的值略大于10us，再加上其中的 time_count++;
if(time_count==10) return 0; 两个语句，实际上其值不止30us的，实测的为40us。也就是说当高电平持续的时间大于40us时既认定其数据为1.其中的调试语句是为了确定采样的点是否正确而设置的。程序运行的截图如图：
图9 程序运行结果
由于波形图一共有40bit，一个屏幕放不了，所以这里分为分为三部分逐一进行介绍：
第一个字节的值（湿度值，对于图图九中的humidity变量）如下图所示：
图10 读出的第一个字的值
图10中，两个光标之间的为第一个字的实测波形图，从图上可以看出，其值为：0011 1010 0000 0000（0x3a00）,跟图9中的humidity变量的值是一样的。至于如何根据图10的波形图中读出数据，读者可以这样看，低电平持续的时间都是一样的，所以只要看高电平的长短，短的为数据0，长的为数据1。
第二个字节的值（温度值，对于图9中的temperature变量）如下图所示：
图11 读出的第二个字的值
从图11可以看出，其值为0001 1100 0000 0000（0x1c00）,跟图9中的temperature变量的值是一样的。
上面的get_DHT11_value（）函数只是读出前32位的值，最后的8bit校验和没有读出。但是我们可以从示波器上看出其结果：
图12 校验和
从图12可以看出其校验和为0101 0110，读者可以按照前面给出的说明进行计算验证下，可以证明其数据传输过程是正确的。
