Das DHT11-Modul: Funktionsweise und Programmierung
Verfasst: Sa 5. Jun 2021, 10:22
Das DHT11-Modul dient zur Messung von Temperatur- und Luftfeuchtigkeitswerten. Dabei können Temperaturen zwischen 0̊C und 50̊C und Luftfeuchtigkeitswerte zwischen 20% und 90% gemessen werden. Nach Datenblatt ist die Auflösung dabei 1̊C bzw. 1%; die Genauigkeit liegt bei ca. 1̊C bzw. 4%. Betrieben wird der Baustein mit einer Spannung zwischen 3,0 V und 5,5 V. Weitere Informationen - insbesondere zur Genauigkeit - findet man unter https://www.mouser.com/datasheet/2/758/ ... 143054.pdf.
Der eigentliche Sensor-Baustein ist häufig auf einer kleinen Platine (KY-015) montiert; auf dieser befindet sich meist eine Beschriftung für die Anschlüsse sowie ein Pullup-Widerstand für die Datenleitung (vgl. Abb. 1). Tatsächlich besitzt das Modul nur eine einzige Datenleitung; über diese werden die gemessenen Werte Bit für Bit übertragen. Dabei wird allerdings nicht das standartisierte 1-Wire-Protokoll benutzt. Das vom DHT11 eingesetzte Protokoll ist aber recht einfach und lässt sich mit wenig Aufwand in ein entsprechendes Mikrocontroller-Programm umsetzen.
Funktionsweise
Im Leerlauf ist der Pegel der Datenleitung auf High. Um Messwerte abzufragen, zieht der Mikrocontroller die Datenleitung für mindestens 18 ms auf Low (Phase A, vgl. Abb. 2). Danach stellt der Mikrocontroller seinen Port vom Ausgabemodus in den Eingangsmodus um; von jetzt an überwacht der Mikrocontroller den Pegelzustand. Nun wird der Pegel vom oben erwähnten Pull-Up-Widerstand bzw. vom DHT11 wieder auf High gezogen. Gemäß Datenblatt zieht der DHT11 innerhalb von 20 - 40 us den Pegel wieder auf Low (Phase B); meine Messung ergab für diese Phase nur eine Dauer von 13 us. Es schließt sich eine Low-Phase mit ca. 80 us und eine High-Phase mit ca. 90 us an (Phasen C und D). Diese beiden Signale kann der Mikrocontroller als Quittierung seiner Anfrage deuten. Mit der Phase D ist die Startsequenz beendet.
Nun werden die Daten übertragen, insgesamt 5 Bytes: In dieser Datensequenz wird zunächst ein Byte für den ganzzahligen Teil der Luftfeuchtigkeit übertragen, danach ein Byte für die Stellen hinter dem Komma; dieses Byte ist für uns allerdings wegen der Messungenauigkeit irrelevant (s. o.). Es folgen zwei Bytes für die Temperatur, das erste für den ganzzahligen Teil, das zweite für die Nachkommastellen; auch hier ist das zweite Byte wieder irrelevant. Das letzte Byte beinhaltet eine Prüfsumme: Die ersten 4 Bytes werden vom DHT11 addiert; die rechten 8 Bits dieser Summe bilden dann die Prüfsumme. Diese Prüfsumme kann ggf. benutzt werden, um Übertragungsfehler zu entdecken.
Bild 2 zeigt, wie die Datensequenz im Detail aussieht: Die einzelnen Bits eines Bytes werden mit dem höchstwertigen Bit beginnend der Reihe nach übertragen. Dabei wird jedes Bit durch eine Low- und eine anschließende High-Phase dargestellt. Die Low-Phasen (in Abb. 2 mit E gekennzeichnet) dauern immer ca. 50 us lang; die Highphasen sind bei einem Bit 0 ca. 24 us lang (Phasen F und H in Abb. 2) und bei einem Bit 1 ca. 70 us lang (Phase G in Abb. 2). An der Länge der High-Phasen kann der Mikrocontroller also feststellen, welches Bit - 1 oder 0 - gerade übertragen wird.
Insgesamt werden auf diese Weise alle 5 ⋅ 8 = 40 Bits übertragen; an die High-Phase des allerletzten Bits wird noch einmal eine Low-Phase (E) angeschlossen. Danach geht der Baustein wieder in den Leerlauf (s. o.) über.
Für die Abb. 3 wurde eine solche Datenübertragung mit einem Logik-Analysator festgehalten. Von der Phase A der Startsequenz ist allerdings nur ein kleiner Teil zu sehen; mit ihren 18 ms ist sie um ein Vielfaches länger als die Datensequenz.
Programm für das Nano-Board
Es folgt ein bewusst einfach gehaltenes BASCOM-Programm für den Atmega328p. Nach den ausführlichen Erörterungen aus dem letzten Abschnitt sollte es mit Hilfe der zahlreichen Kommentare gut nachzuvollziehen sein. Die LEDs an PortD.2 - PortD.5 wurden eingesetzt, um (in der Testphase) den Fortschritt von Start- und Datensequenz verfolgen zu können. Sie können bei Bedarf entfernt werden.
Wer möchte, kann das Programm auch durch einen Prüfsummentest ergänzen.
Der große Bruder DHT22
Der DHT22 hat nahezu dieselben Eigenschaften wie der DHT11. Allerdings liefert er genauere Messwerte: Die Auflösung ist 0,1 ̊C bzw. 0,1 %, die Genauigkeit liegt bei 0,5 °C bzw. 2 %.
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- Abb. 1: DHT11-Modul
- dht11_Modul.jpg (24.81 KiB) 37339 mal betrachtet
Der eigentliche Sensor-Baustein ist häufig auf einer kleinen Platine (KY-015) montiert; auf dieser befindet sich meist eine Beschriftung für die Anschlüsse sowie ein Pullup-Widerstand für die Datenleitung (vgl. Abb. 1). Tatsächlich besitzt das Modul nur eine einzige Datenleitung; über diese werden die gemessenen Werte Bit für Bit übertragen. Dabei wird allerdings nicht das standartisierte 1-Wire-Protokoll benutzt. Das vom DHT11 eingesetzte Protokoll ist aber recht einfach und lässt sich mit wenig Aufwand in ein entsprechendes Mikrocontroller-Programm umsetzen.
Funktionsweise
Im Leerlauf ist der Pegel der Datenleitung auf High. Um Messwerte abzufragen, zieht der Mikrocontroller die Datenleitung für mindestens 18 ms auf Low (Phase A, vgl. Abb. 2). Danach stellt der Mikrocontroller seinen Port vom Ausgabemodus in den Eingangsmodus um; von jetzt an überwacht der Mikrocontroller den Pegelzustand. Nun wird der Pegel vom oben erwähnten Pull-Up-Widerstand bzw. vom DHT11 wieder auf High gezogen. Gemäß Datenblatt zieht der DHT11 innerhalb von 20 - 40 us den Pegel wieder auf Low (Phase B); meine Messung ergab für diese Phase nur eine Dauer von 13 us. Es schließt sich eine Low-Phase mit ca. 80 us und eine High-Phase mit ca. 90 us an (Phasen C und D). Diese beiden Signale kann der Mikrocontroller als Quittierung seiner Anfrage deuten. Mit der Phase D ist die Startsequenz beendet.
- Abb. 2
- signal_schema_1.jpg (40.2 KiB) 37338 mal betrachtet
Nun werden die Daten übertragen, insgesamt 5 Bytes: In dieser Datensequenz wird zunächst ein Byte für den ganzzahligen Teil der Luftfeuchtigkeit übertragen, danach ein Byte für die Stellen hinter dem Komma; dieses Byte ist für uns allerdings wegen der Messungenauigkeit irrelevant (s. o.). Es folgen zwei Bytes für die Temperatur, das erste für den ganzzahligen Teil, das zweite für die Nachkommastellen; auch hier ist das zweite Byte wieder irrelevant. Das letzte Byte beinhaltet eine Prüfsumme: Die ersten 4 Bytes werden vom DHT11 addiert; die rechten 8 Bits dieser Summe bilden dann die Prüfsumme. Diese Prüfsumme kann ggf. benutzt werden, um Übertragungsfehler zu entdecken.
Bild 2 zeigt, wie die Datensequenz im Detail aussieht: Die einzelnen Bits eines Bytes werden mit dem höchstwertigen Bit beginnend der Reihe nach übertragen. Dabei wird jedes Bit durch eine Low- und eine anschließende High-Phase dargestellt. Die Low-Phasen (in Abb. 2 mit E gekennzeichnet) dauern immer ca. 50 us lang; die Highphasen sind bei einem Bit 0 ca. 24 us lang (Phasen F und H in Abb. 2) und bei einem Bit 1 ca. 70 us lang (Phase G in Abb. 2). An der Länge der High-Phasen kann der Mikrocontroller also feststellen, welches Bit - 1 oder 0 - gerade übertragen wird.
Insgesamt werden auf diese Weise alle 5 ⋅ 8 = 40 Bits übertragen; an die High-Phase des allerletzten Bits wird noch einmal eine Low-Phase (E) angeschlossen. Danach geht der Baustein wieder in den Leerlauf (s. o.) über.
Für die Abb. 3 wurde eine solche Datenübertragung mit einem Logik-Analysator festgehalten. Von der Phase A der Startsequenz ist allerdings nur ein kleiner Teil zu sehen; mit ihren 18 ms ist sie um ein Vielfaches länger als die Datensequenz.
- Abb. 3: Luftfeuchtigkeit: 66%; Temperatur: 26°C
- Messung_1_invertiert.jpg (19.4 KiB) 37337 mal betrachtet
Programm für das Nano-Board
Es folgt ein bewusst einfach gehaltenes BASCOM-Programm für den Atmega328p. Nach den ausführlichen Erörterungen aus dem letzten Abschnitt sollte es mit Hilfe der zahlreichen Kommentare gut nachzuvollziehen sein. Die LEDs an PortD.2 - PortD.5 wurden eingesetzt, um (in der Testphase) den Fortschritt von Start- und Datensequenz verfolgen zu können. Sie können bei Bedarf entfernt werden.
Wer möchte, kann das Programm auch durch einen Prüfsummentest ergänzen.
Code: Alles auswählen
' Nano-Board
' Temperatur- und Luftfeuchtigkeit messen
' DHT11 an PortB.4
' Ausgabe der Werte als Byte über die serielle Schnittstelle
' LEDs an PortD.2-PortD.5; sie dienen lediglich zur Kontrolle
' Version 1.1, getestet am 03.06.2021
'------------------------------------------------------------------------------------
$regfile = "m328pdef.dat"
$crystal = 16000000
$framesize = 32
$swstack = 32
$hwstack = 64
$baud = 9600
'**********************************************************
'******************* Deklarationen ************************
Dim Bitarray(40) As Byte 'Alle Bits werden in einem einzigen Array gespeichert.
Dim Hum As Byte
Dim Temp As Byte
Dim I As Byte
Dim Nr As Byte
Declare Sub Startsignal
Declare Sub Empfange_bits
Declare Sub Feuchtigkeit_ausgabe
Declare Sub Temperatur_ausgabe
'****************** Initialisierung ***********************
Ddrd = &B111100 'D.2-D.5 zur Kontrolle
Ddrb.4 = 0 'PortB.4 als Datenleitung
Tccr1b = &B00000010 'Start von Timer1 mit Prescale = 8
'd. h. 1 Timer-Takt = 1/2 us
'**********************************************************
'******************** Hauptprogramm ***********************
Portd = &B111100 'Zeigt Programm-Start an
Wait 1
Portd = 0
Do
Call Startsignal
Call Empfange_bits
Call Feuchtigkeit_ausgabe
Call Temperatur_ausgabe
Wait 1
Portd = 0
Wait 1
Loop
'**********************************************************
'******************* Unterprogramme ***********************
Sub Startsignal
Ddrb.4 = 1 'PortB.4 als Ausgang und...
Portb.4 = 0 '... Signalleitung auf Low ziehen
Waitms 20 'mindestens 18 ms
Ddrb.4 = 0 'PortB.4 als Eingang
Portb.4 = 1 'Signalleitung durch (internen und externen)
'Pullup-Widerstand auf High
Waitus 30 'Danach: Mitten in Low-Signal von DHT11
If Pinb.4 = 0 Then 'Wenn Signalleitung von DHT11 auf Low gezogen,
'dann OK und weiter ...
Portd.2 = 1 'Kontroll-LED (D.2) an
Do
Loop Until Pinb.4 = 1 'Warten bis Signalleitung wieder auf High
Portd.3 = 1 'Kontroll-LED (D.3) an
Timer1 = 0 'Zeitmesser auf 0; läuft permanent
Waitus 5 'Etwas Zeit für Flankenanstieg
Do 'Warten bis Signalleitung vom DHT11...
Loop Until Pinb.4 = 0 '... auf Low gezogen wird
If Timer1 > 120 Then Portd.4 = 1 'Highzeit > 60 us? Dann zur Kontrolle LED (D.4) an
End If
End Sub
Sub Empfange_bits
For I = 1 To 40
Ddrb.4 = 0
Do
Loop Until Pinb.4 = 1 'Warten bis Signalleitung ansteigt
Timer1 = 0 'Zeitmesser auf 0; läuft permanent
Do 'Warten bis Signalleitung auf Low geht
Loop Until Pinb.4 = 0
'Dauer des High-Zustands > 50 us -> Bitwert = 1, sonst 0...
If Timer1 > 100 Then Bitarray(i) = 1 Else Bitarray(i) = 0
Next I
Portd.5 = 1 'zur Kontrolle LED (D.5) an
End Sub
Sub Feuchtigkeit_ausgabe
For I = 1 To 8
Nr = 8 - I
Hum.nr = Bitarray(i)
Next I
Printbin Hum
End Sub
Sub Temperatur_ausgabe
For I = 17 To 24
Nr = 24 - I
Temp.nr = Bitarray(i)
Next I
Printbin Temp
End Sub
Der große Bruder DHT22
Der DHT22 hat nahezu dieselben Eigenschaften wie der DHT11. Allerdings liefert er genauere Messwerte: Die Auflösung ist 0,1 ̊C bzw. 0,1 %, die Genauigkeit liegt bei 0,5 °C bzw. 2 %.
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