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

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。

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。

图 1-2 DHT11 模块实物图

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。

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。

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：

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

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：

1. 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。

2. 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。

3. 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：

图 2-1 STM32 软件实现流程图

（1）GPIO 初始化流程

1. 定义 GPIO 初始化结构体（GPIO_InitTypeDef）

2. 使能对应端口时钟（RCC_APB2PeriphClockCmd 使能 DHT11_GPIO_CLK）

3. 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）

4. 初始化 IO 口（GPIO_Init 函数配置 DHT11_GPIO_PORT）

5. 置位 DATA 引脚为高电平（GPIO_SetBits）

6. 调用 DHT11_Rst () 复位传感器

7. 返回 DHT11_Check () 的检查结果（0 为成功，1 为失败）

（2）数据读取流程

1. 定义 5 字节缓冲区（buf [5]）和循环变量 i

2. 调用 DHT11_Rst () 发送复位信号

3. 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）

4. 响应异常：直接返回 1（失败）

2.3 软件设计关键要点

1. 时序精度控制：专用计时函数（delay_us）确保微秒级延时精度，避免因时序偏差导致数据错误。

2. 错误处理机制：校验和验证：拒绝校验失败的数据；

第三章 性能优化策略

针对 DHT11 的局限性，可通过以下方法优化：

3.1 硬件优化

• 电源滤波：在 VCC 与 GND 间并联 100nF 陶瓷电容和 10μF 电解电容，抑制电源纹波；

• 信号增强：长距离传输（>5m）时，DATA 线采用屏蔽线并在末端并联 100pF 电容。

3.2 软件优化

• 温度漂移补偿：通过与高精度传感器（如 SHT30）对比，建立误差修正表；

• 湿度滞后补偿：根据环境变化速率动态调整测量间隔。

• 超时检测：设置响应超时阈值（如 100ms），避免程序阻塞；

• 重试机制：连续 3 次读取失败则触发硬件检查。

• 对连续测量值采用滑动平均滤波（如取 5 次有效值平均），降低环境干扰影响。

• 在嵌入式系统中，通过状态机设计避免阻塞式延时，提高 CPU 利用率。