5.5.2　温湿度采集器设计

1.任务要求

利用STM32F1控制器、DHT22传感器（温湿度传感器）、LCD1602等设计一个温湿度采集器，要求在LCD1602第1行显示湿度，第2行显示温度，请设计硬件电路图，设计程序，并通过Proteus完成仿真和调试。

2.LCD1602的结构及功能

（1）LCD1602的结构。

LCD有数显笔段型、点阵字符型、点阵图形型。LCD1602属于点阵字符型，可以显示2行，每行可以显示16个ASCII码。模块内有80字节数据显示RAM（DDRAM），除显示192个字符（5×7点阵）的字符库ROM（CGROM）外，还有64字节的自定义字符RAM（CGRAM），用户可自行定义8个5×7点阵字符。LCD1602内置控制器和MCU I/O接口，可以直接连接，其外形和结构如图5.10所示。

图5.10　LCD1602外形和结构

LCD1602有标准的14引脚（无背光）或16引脚（有背光），工作电压为4.5～5 V，工作电流为2 mA，引脚由8条数据线、3条控制线和3条电源线组成，其功能如表5.9所示。

表5.9　LCD1602引脚及功能

（2）LCD1602字符的显示及指令字。

对LCD1602的初始化、读、写、光标设置、显示数据设置等，均通过MCU向LCD1602写入指令来实现。LCD1602字符的显示及指令功能表如表5.10所示。

表5.10　LCD1602字符的显示及指令功能表

续表

具体说明如下。

指令1：清屏，光标返回地址00H位置（显示屏的左上方）。

指令2：光标返回地址00H位置（显示屏的左上方）。

指令3：光标和显示模式设置。

I/D为地址指针加1或减1选择位。I/D=1表示，读或写一个字符后地址指针加1；I/D=0表示，读或写一个字符后地址指针减1。

S为屏幕上所有字符移动方向是否有效的控制位。S=1表示，当写入一字符时，整屏显示左移（I/D=1）或右移（I/D=0）；S=0表示，整屏显示不移动。

指令4：显示开/关及光标设置。

D为屏幕整体显示控制位，D=0表示关显示，D=1表示开显示。

C为光标有无控制位，C=0表示无光标，C=1表示有光标。

B为光标闪烁控制位，B=0表示光标不闪烁，B=1表示光标闪烁。

指令5：光标或字符移位。

S/C为光标或字符移位选择控制位，S/C=0表示移动光标，S/C=1表示移动显示的字符。

R/L为移位方向选择控制位，R/L=0表示左移，R/L=1表示右移。

指令6：功能设置。

DL为传输数据的有效长度选择控制位，DL=1表示8位数据线接口，DL=0表示4位数据线接口。

N为显示器行数选择控制位，N=0表示单行显示，N=1表示两行显示。

F为字符显示的点阵控制位，F=0表示显示5×7点阵字符，F=1表示显示5×10点阵字符。

指令7：CGRAM地址设置。

指令8：DDRAM地址设置。LCD1602内部有一个数据地址指针，用户可通过它访问内部全部80字节的数据显示RAM。

指令格式：80H+地址码，其中80H为指令代码。

指令9：读忙标志或地址。

BF为忙标志。BF=1表示LCD1602忙，此时LCD1602不能接受指令或数据；BF=0表示LCD1602不忙。

指令10：写数据。

指令11：读数据。

例如，将显示设置为“16×2显示，5×7点阵，8位数据接口”，只需要向LCD1602写入功能设置指令（指令6）“00111000B”，即38H即可。

（3）字符显示位置的设置。

80字节的DDRAM与显示屏上字符显示位置一一对应，LCD1602内部显示DDRAM的地址映射如图5.11所示。当向DDRAM的00H～0FH（第1行）、40H～4FH（第2行）地址的任意一处写数据时，LCD1602立即显示出来，该区域也被称为可显示区域。而当写入10H～27H或50H～67H地址处时，字符不会显示出来，该区域也被称为隐藏区域。

图5.11　LCD1602内部显示DDRAM的地址映射

需说明的是，在向DDRAM写入字符时，首先要设置DDRAM定位数据指针，此操作可通过指令8完成。例如，要写字符到DDRAM的40H处，则指令8的格式为80H+40H=C0H，其中80H为指令代码，40H是要写入字符处的地址。

（4）LCD1602基本操作。

①初始化步骤。

写指令38H，即功能设置（16×2显示，5×7点阵，8位接口）。

写指令08H，显示关闭。

写指令01H，显示清屏，数据指针清0。

写指令06H，写一个字符后地址指针加1。

写指令0CH，设置开显示，不显示光标。

②读写操作。

MCU读写LCD1602的操作规范如表5.11所示。(https://www.daowen.com)

表5.11　MCU读写LCD1602的操作规范

3.DHT22传感器的结构及功能

（1）DHT22传感器的结构。

DHT22传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，内部由一个8位MCU控制一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。其采用单总线协议与外部MPU等通信，具有能耗超低、传输距离远、全部自动化校准、采用电容式湿敏元件等特点，可用于暖通空调、除湿器、调试及检测设备、气象站及其他相关温湿度检测控制。其温度测量范围为-40～80℃，精度为±0.5℃；湿度测量范围为0～99.9%RH，精度为±2%RH（25℃）。其外形如图5.12所示，①脚为电源VDD（3.3～5.5 V），②脚为串行数据线（Serial Data，SDA），双向口，③脚为空脚，④脚为地。

图5.12　DHT22传感器外形

（2）DHT22传感器总线通信时序。

由于DHT22传感器采用单总线协议通信，所以MPU通过一个漏极开路或三态接口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线；单总线通常要求外接一个约5.1 kΩ的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。由于它们是主从结构，只有当主机呼叫传感器时，传感器才会应答，所以主机访问传感器必须严格遵循单总线时序，如果出现时序混乱，传感器将不响应主机。DHT22传感器通信时序图如图5.13所示。

图5.13　DHT22传感器通信时序图

DHT22传感器的通信过程如下：主机发送一次起始信号（把SDA拉低至少800μs）后，传感器从休眠模式转换到高速模式；待主机起始信号发送结束后，传感器发送响应信号，从SDA串行送出40比特的数据，先发送字节的高位；发送的数据依次为湿度高位、湿度低位、温度高位、温度低位、校验位，发送数据结束后触发一次信息采集，采集结束后传感器自动转入休眠模式，直到下一次通信来临，两次读取传感器最小间隔时间为2 s。图5.13中的各时序信号特性如表5.12所示。

表5.12　时序信号特性

续表

DHT22传感器上电后，调试环境温湿度数据，并记录数据，此后传感器自动转入休眠状态。SDA由上拉电阻拉高，一直保持高电平，此时SDA引脚处于输入状态，时刻检测外部信号。

MPU的I/O设置为输出，输出低电平，保持低电平时间不能小于800μs，典型值是1 ms。然后MPU的I/O设置为输入状态，释放总线，由于上拉电阻，MPU的I/O随之变高。等主机释放总线后，DHT22传感器发送响应信号，输出80μs的低电平作为响应信号，紧接着输出80μs的高电平，通知MPU接收数据。

DHT22传感器发送完响应信号后，随后由SDA连续串行输出40位数据，MPU根据I/O电平的变化接收40位数据。位数据0的格式为50μs的低电平加26～28μs的高电平；位数据1的格式为50μs的低电平加70μs的高电平。

（3）DHT22传感器数据格式

DHT22传感器输出的40位数据分别是湿度高8位、湿度低8位、温度高8位、温度低8位和校验8位，如图5.14所示。

图5.14　数据结构

例如有数据：

湿度：0000 0010 1001 0010=0292H（十六进制）=2×256+9×16+2=658→湿度=65.8%RH。

温度：0000 0001 0000 1101=10DH（十六进制）=1×256+0×16+13=269→温度=26.9℃。

注：当温度低于0℃时温度数据的最高位置1，例如：-10.1℃=1 000000001100101。最高位为1，表示负温度；其余的温度数值：0000000001100101=0065H（十六进制）=6×16+5=101，可推出该温度为-10.1℃。

4.硬件设计

硬件电路图如图5.15所示，LCD1602的8位数据端与STM32F1的PC0～PC7引脚相连，寄存器选择端RS与PC8相连，读写操作端R/W与PC9相连，使能信号端E与PC10相连。接地端VSS与电路的地线相接，电源端VCC与电路的5 V电源相连，BLA和BLK为背光调节端，VO为对比度调节端。DHT22传感器的数据线SDA与STM32F1系列MCU的PC11相连。