2021年07月27日 | 51单片机DHT11温湿度ESP8266WiFi手机APP显示设计

温湿度检测设计。基于51单片机、ESP8266WiFi模块、温湿度DHT11传感器、Android APP完成。首先先展示一下设计好的实物，接下来将从系统方案、硬件设计、软件设计这三个方面来阐述。

1、系统方案 

DHT11温湿度传感器采集数据传送给单片机，单片机将数据处理之后通过ESP8266WiFi模块将数据发送给手机App。WiFi模块有两个作用：一是串口转WiFi，单片机通过串口将数据发送给Wifi模块，对于单片机编程而言，与Wifi模块通信就相当于与串口通信，不必知道WiFi协议；二是WiFi模块当做WiFi 热点AP，手机搜索8266建立的WiFi名称就能与其连接。显然这种方式只是局域网通信，不能进行远程连接，远程连接需要服务器端的支持，现在常采用的方法是通过阿里云、机智云等，远程连接比较复杂，我们以后再研究。

2、硬件设计

整个设计电路图如下所示：

ESP8266WiFi模块我们采用的是ESP-01S模组，安信可公司出品的，注意ESP-01S的电源是3.3V，而单片机电源是5V，所以需要一个5V转3.3V的模块，我们选用的是LM1117T-3.3V这个器件， LM1117这个器件管脚一定不要接错，否则会发热非常严重然后烧毁。我第一次焊接的时候把LM1117管脚焊错了，上电后用手触碰了一下差点把手烫伤，赶紧把电源拔掉。LM1117的接线如下所示：

ESP8266的接线如下图所示：

RX:模块串口通信的接收引脚，接到单片机的TX引脚。

GND：接地

TX：模块的发射端，接单片机的RX接口。

CH_PD / EN：接3.3v高电平。

VCC：接3.3V的高电平。

DHT11温湿度传感器负责采集环境中的温湿度数据，在单片机软件设计部分会详细的介绍该传感器的使用步骤。

引脚说明：

VDD 供电3.3～5.5V DC

DATA 串行数据，单总线

NC 空脚

GND 接地，电源负极

3.单片机软件设计

单片机程序主要是两个点，一是读取DHT11传感器的温湿度数据，二是串口通信。DHT11的官方文档写的很规范，有关于读取数据的详细步骤，文档更新也比较及时，最新的更新日期是2017年3月31号，官网的下载地址：http://www.aosong.com/products-21.html

DHT11采用单总线通信，单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制均由单总线完成。

传送数据位定义

DATA 管脚用于DHT11与单片机之间的通讯和同步,采用单总线数据格式，一次传送40 位数据，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 校验位。

注：其中湿度小数部分为0。

校验位数据定义

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 校验位

如果以上等式成立，则本次传感器采集的数据有效，否则无效。

先看采集数据有效的示例，接收到的40 位数据为：

0011 0101     0000 0000     0001 1000     0000 0100      0101 0001

湿度高8 位     湿度低8 位     温度高8 位     温度低8 位    校验位

计算： 0011 0101 + 0000 0000 + 0001 1000 + 0000 0100 = 0101 0001，接收数据正确。

湿度：0011 0101(整数)=35H=53%RH 0000 0000(小数)=00H=0.0%RH =>53%RH + 0.0%RH = 53.0%RH

温度：0001 1000(整数)=18H=24℃ 0000 0100(小数)=04H=0.4℃ =>24℃ + 0.4℃ = 24.4℃

采集数据无效的示例，接收到的40 位数据为：

0011 0101     0000 0000     0001 1000    0000 0100     0100 1001

湿度高8 位    湿度低8 位     温度高8 位    温度低8 位    校验位

计算： 0011 0101 + 0000 0000 + 0001 1000 + 0000 0100 不等于0100 1001，本次接收的数据不正确，放弃，重新接收数据。

通过以上两个示例可以清楚DHT11数据格式以及数据如何去校验有效性。

数据时序图

用户主机（MCU）发送一次开始信号后，DHT11 从低功耗模式转换到高速模式，待主机开始信号结束后，DHT11 发送响应信号，送出40bit 的数据，并触发一次信采集。信号发送如图所示。这里的主机是指单片机，从机是指DHT11传感器。

下面这个图表罗列了时序图相关的参考时间，在读取数据的详细步骤中会用到这些数值。

根据时序图和表中的参考时间，我们可以得出读取传感器数据的步骤。

step1：单片机输出低电平保持20ms

step2：单片机拉高电平保持13us等待DHT11传感器的低电平响应信号

step3：判断DHT11是否给出低电平响应，如果有低电平响应则进入步骤4，否则等待下一轮的尝试。

step4：通过while语句等待83us的低电平响应时间结束

step5：通过while语句等待87us的高电平响应时间结束

step6：计算温湿度数据

step7：单片机输出高电平结束一次数据采集的读取

step8：校验数据

在时序图中可以看到，数据读取是每次一位进行的，数据0位和数据1位的低电平时间是相同的，即54us。数据0位的高电平时间是24us，而数据1为的高电平时间是71us，通过高电平时间的差异我们就可以判断出是数据0还是数据1。所以单独写了一个函数用来计算数据0位和1位，由于温湿度的整数和小数部分分别是由8位表示的，我们定义该函数得到8位数据之后给出返回值。步骤6对应的函数computeData() 用来完成上述工作。我们对步骤6进行详细的描述：

step 6.1：等待54us低电平结束

step 6.2：延时30us判断高电平是否结束，因为数据0位的电平最大时长是27us，如果超过27us之后高电平结束，则为数据0位，否则为数据1位。

step 6.3：通过while语句等待高电平结束

step 6.4：通过移位和或与的方式保存一个数据位

step 6.5：循环6.1到6.4步骤8次，得到一个字节的数据

//--------------------------------

//-----湿度读取子程序 ------------

//--------------------------------

//----以下变量均为全局变量--------

//----温度高8位== temperature_H------

//----温度低8位== temperature_L------

//----湿度高8位== humidity_H-----

//----湿度低8位== humidity_L-----

//----校验 8位 == checkdata-----

//--------------------------------

void readData()

{

    U8  humidity_H_temp,humidity_L_temp,temperature_H_temp,temperature_L_temp,checkdata_temp;

    //step1：单片机输出低电平保持20ms

    P2_0=0;

    delayms(20);

    //step2：单片机拉高电平保持13us等待DHT11传感器的低电平响应信号

    P2_0=1;

    delay13us();

    //step3：判断DHT11是否给出低电平响应，如果有低电平响应则进入步骤4，否则等待下一轮的尝试。

    if(P2_0==0)

    {

        //step4：通过while语句等待83us的低电平响应时间结束

        while(P2_0==0);

        //step5：通过while语句等待87us的高电平响应时间结束

        while(P2_0==1);

        //step6：计算温湿度数据

        humidity_H_temp = computeData();

        humidity_L_temp = computeData();

        temperature_H_temp = computeData();

        temperature_L_temp = computeData();

        checkdata_temp = computeData();

        //step7：单片机输出高电平结束一次数据采集的读取

        P2_0 = 1;

        //step8：校验数据

        if(checkdata_temp == humidity_H_temp + humidity_L_temp + temperature_H_temp + temperature_L_temp)

        {

            humidity_H = humidity_H_temp;

            humidity_L = humidity_L_temp;

            temperature_H = temperature_H_temp;

            temperature_L = temperature_L_temp;

            checkdata = checkdata_temp;

        }

    }

}

/**

*根据时序计算温湿度值

*/

U8 computeData()

{

    U8 i,U8comdata;

    for(i=0; i<8; i++)

    {

        //step 6.1：等待54us低电平结束

        while(P2_0==0);

        //step 6.2：延时30us判断高电平是否结束

        Delay_10us();

        Delay_10us();

        Delay_10us();

        U8temp=0;

        if(P2_0==1)

        {

            U8temp=1;

        }

        //step 6.3：通过while语句等待高电平结束

        while(P2_0==1);

        //step 6.4：通过移位和或与的方式保存一个数据位

        U8comdata<<=1;

        U8comdata|=U8temp;

    }

    return U8comdata;

}

温湿度数据读取完毕，接下来就是通过串口发送出去，串口发送数据的代码相对简单了，我们在主函数中对串口通信进行初始化，然后在一个while语句中每隔2s读取数据然后发送。

//----------------------------------------------

//main()功能描述:  STC89C52RC  11.0592MHz   串口发送温湿度数据,波特率 9600

//----------------------------------------------

void main()

{

    U8  i;

    TMOD=0x20; //定时器1工作在方式2

    TH1 = 0xfd; //波特率9600

    TL1 = 0xfd;

    SM0=0; //串口工作在方式1

    SM1=1;

    EA = 1; //开总中断

    REN = 1; //使能串口

    TR1 = 1; //定时器1开始计时

    delayms(1000);

sendString("AT+CWMODE=2rn"); //ap模式

delayms(1000);

sendString("AT+CIPMUX=1rn"); //允许多连接

delayms(1000);

sendString("AT+CIPSERVER=1rn"); //建立TCP Server

delayms(1000);

    ES = 1; //开串口中断

    while(1)

    {

        //调用温湿度读取子程序

        readData();

        str[0]=humidity_H;

        str[1]=humidity_L;

        str[2]=temperature_H;

        str[3]=temperature_L;

        str[4]=checkdata;

        //发送到串口

        delayms(2); //发送温度数据

        sendString( "AT+CIPSTART=1,"TCP","192.168.4.2",5000rn");

        delayms(2);

        sendString("AT+CIPSEND=1,5rn");

        delayms(2);

        for(i=0; i<5; i++)

        {

            sendOneChar(str[i]);

        }

        //读取模块数据周期不易小于 2S

        delayms(2000);

    }

}

至此，单片机端的主要代码就讲解完了，可以看到核心代码是如何读取DHT11的数据。

4.手机APP软件设计

APP是用Android Studio（AS）开发的，不建议初学者学习Eclipse结合ADT（Android Eclipse Tools）插件的方式开发Android APP，这种方式已经过时并且以后会被淘汰，Google在2016年底已经停止了对ADT的更新，我之前所在的公司已经将Eclispe的代码全部迁移到AS平台了，推荐使用Google自家的AS集成开发环境。AS有很多优点，但是在使用时也有问题，AS借助gradle进行项目构建，至于为什么Google利用gradle进行Android app项目构建，读者可以自行上网搜索。gradle插件版本要和AS版本相对应，不同的开发者的gradle版本可能不同，所以当你拿到另外一个开发者的代码在自己的AS运行时时有可能会构建失败。这个现象对于国外开发者而言不是一个问题，AS可以自动去下载所需要的gradle插件版本，但是在国内，由于众所周知的原因，如果不会科学上网那么AS直接尝试下载gradle插件时会失败，会令很多初学者不知所措。在以后有时间我会单独写一篇blog来讲解如何去解决这个问题。最近听到Google要重返中国市场，如果能回归成功，对于国内的很多开发者和学术研究者而言是个好消息。

言归正传，本设计APP的代码主要分成两个部分，一是WiFi数据的接收，二是图表显示。

在OnCreate()方法中进行控件的初始化，并开启一个温度数据接收线程来接收数据。

 @Override

    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {

        super.onCreate(savedInstanceState);

        setContentView(R.layout.activity_main);

        //实例化控件

        mTemperatureTv = findViewById(R.id.tv_temperature);

        mHumidityTv = findViewById(R.id.tv_humidity);

        mTemperatureAlert = findViewById(R.id.tv_temperature_alert);

        mHumidityAlert = findViewById(R.id.tv_humidity_alert);

        mTemperatureRangeTv = findViewById(R.id.tv_temperature_range);

        mHumidityRangeTv = findViewById(R.id.tv_humidity_range);

        mTemperatureRangeTv.setText("(" + mTempLow + " - " + mTempHigh + "℃)");

        mHumidityRangeTv.setText("(" + mHumidityLow + " - " + mHumidityHigh + "%)");

        mLineChart = findViewById(R.id.chart);

        //初始化图表属性

        initChart();

        //开启温度显示线程

        new ReceiveDataThread().start();

    }

单独开辟一个线程用来循环读取WiFi模块传输过来的数据，对于App而言单片机通过Wifi模块传输的数据相当与网络数据，用网络编程相关的就可以，线程的相关定义如下所示：

/**

     * 温湿度数据接收线程

     */

    private class ReceiveDataThread extends Thread {

        private DataInputStream in;

        private byte[] receive;

        @Override

        public void run() {

            try {

                //在手机端建立一个ServerSocket，负责接收ESP8266发送的数据，端口为5000

                serverSocket = new ServerSocket(5000);