[ESP8266系列] 玩转DHT11温湿度和DS18B20温度模块(lua编程)

DS18b20 DHT11模块 esp8266

wybliw

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发布时间: 2020-09-22

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[TOC]

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**难度：**★★

**读者：**熟悉lua脚本语言编程。

**上期文章：**[ESP8266之NodeMCU固件编译](https://www.icxbk.com/article/preview?astatus=1&aid=1705)

介绍了如何编译NodeMCU固件，以及如何启用各类模块，本文及后期文章都将在此版本的固件上进行示例编程。

**注：** NodeMCU V3.0.x和V0.5.x的部分API接口**有差异**(比如：定时器的使用)，具体看官方文档。

**NodeMCU官方文档地址：**https://nodemcu.readthedocs.io/en/master/

最近有网友请教ESP8266如何连接DHT11温湿度模块的问题。本文将介绍2款使用单总线协议的模块：DHT11温湿度模块和DS18B20温度模块。

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## DHT11温湿度模块

### 模块概述

DHT11数字温湿度传感器是一款温湿度复合传感器。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准，校准系数储存在OTP内存中，传感器在检测信号时会调用这些校准系数。采用单总线接口使系统集成变得简易快捷，信号传输距离可达20米以上。

从DHT11的规格书可以看到，模块的温、湿度分辨率都是1，所以DHT11获取数值的小数部分都为0（规格书上说当前小数部分用于以后扩展，现读出为零）。据说新版本DHT11温度分辨率是0.1度，有小数部分。笔者购买的DHT11模块是没有小数部分的。

笔者使用的DHT11模块：

![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202009/e273524d64cf699776379e0754f79803.jpg)

### 数据通信格式

模块的DATA引脚用于和微控制器通信，通过单总线协议，每次通讯时间4ms左右，具体数据格式如下：

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 + 8bi温度整数数据 + 8bit温度小数数据+ 8bit校验和

**注：** 规格书指出：当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。

若想了解单总线通信过程中信号的电平状态，详见DHT11规格书，这里就不再叙述了，网上也有很多讲解单总线协议的文章。

**注：**在编程时，采样周期间隔不得低于1秒钟。

### 模块编程示例

#### DHT模块接口介绍

先让NodeMCU固件开启对DHT模块的支持，具体操作见 [ESP8266之NodeMCU固件编译](https://www.icxbk.com/article/preview?astatus=1&aid=1705) 篇。

```c
#define LUA_USE_MODULES_DHT    // 启用DHT模块
```

启用该模块后，我们就可以直接使用DHT的相关接口调用，完成对模块的操作。

查看NodeMCU的官方文档，找到DHT模块部分，如下图：
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202009/fb493149f9b97819a849db634b2dbe95.png)

* dht.read()    读取各种DHT传感器，包括DHT11、21、22、33、44湿度温度传感器。
* dht.read11()  读取DHT11湿度温度传感器。
* dht.readxx()  读取除DHT11之外的所有DHT传感器。

这里笔者使用`dht.read11()` 来获取DHT11模块的数据。

#### dht.read11() 接口详解

**语法：**dht.read11(pin)

**参数：**DHT11传感器的引脚号（不能为0），类型为数字。

**返回：**

* `status` 返回操作的状态信息
* `temp` 温度
* `humi` 湿度
* `temp_dec` 温度小数部分
* `humi_dec` 湿度小数部分

**注：** 如果使用浮点固件，则temp和humi是浮点数。若果使用的是整数固件，则最终值必须从temp和temp_dec / humi和hum_dec连接在一起。

#### 程序示例

##### 如何获取DHT温湿度数据

将以下代码保存为`dht11.lua`文件（文件名也可以是其他，后缀一定要是.lua）。

-- 定义DHT11模块通信引脚为D4，对应ESP8266的GPIO2
pin = 4

-- 函数：DHT11模块获取数据
function mydht11()
	-- 获取DHT数据
	status, temp, humi, temp_dec, humi_dec = dht.read11(pin)
	
	-- 判断状态
	if status == dht.OK then
		-- 整型固件示例
		print(string.format("FW:Integer, DHT Temperature:%d.%03d; Humidity:%d.%03d",
			  math.floor(temp),
			  temp_dec,
			  math.floor(humi),
			  humi_dec
		))

-- 浮点型固件示例
		print("FW:Float, DHT Temperature:"..temp.."; ".."Humidity:"..humi.."\n\r")
	
	-- checksum错误
	elseif status == dht.ERROR_CHECKSUM then
		print( "DHT Checksum error." )

-- 数据读取超时错误
	elseif status == dht.ERROR_TIMEOUT then
		print( "DHT timed out." )
	end -- if()
end -- mydht11()

-- 主函数
function main()
	-- 每2秒获取一次数据。V3.0.x版本和V0.5.x版本在定时器使用上有差异。
	local dht_timer = tmr.create()
	dht_timer:alarm(2000, tmr.ALARM_AUTO, function() mydht11() end)
end	-- main()

-- 执行主函数
main()

```

打开ESPlorer工具，连接ESP8266模块（或者NodeMCU开发板），上传`dht11.lua`文件，点击`reload`按钮，刷新一下，就可以看到`dht11.lua`文件已经上传到ESP8266里了，点击`dht11.lua`，效果如下图。

![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202009/b1ae90f6b3b8190b7a7ccccf94aedf15.png)

可以看到，不论是使用整型还是浮点型，最终结果小数部分始终为0。

实物接线图如下：

![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202009/b219a39d0c2b059d411b62c322c54801.png)

##### 在WEB页面上显示温湿度信息

要想在web页面上显示温湿度信息，首先我们的ESP8266必须得连上网络。

1） ESP8266模块联网

将一下代码保存为 `connect_wifi.lua` 文件，其中的wifi名 `WIFI_NAME` 和密码 `WIFI_PASSWD`，改为自己的wifi名和密码。

```lua

-- 连接到指定的wifi (这里不将配置保存到flash)
print("Connecting WIFI...")
wifi.setmode(wifi.STATION)		-- 设置wifi模式为客户端模式
station_cfg={}
station_cfg.ssid = "WIFI_NAME"		-- 设置wifi名
station_cfg.pwd  = "WIFI_PASSWD"	-- 设置wifi密码
station_cfg.save = false			-- 不将配置保存到flash
wifi.sta.config(station_cfg)		-- 开始配置wifi

wifi.sta.connect()					-- 连接wifi

mytimer = tmr.create()				-- 创建一个定时器，检测连接wifi是否成功
mytimer:alarm(1000, tmr.ALARM_AUTO, function() 
    if wifi.sta.getip() == nil then -- 没有获取到IP，连接失败，1s后继续检测
        print("IP unavaiable, Waiting...") 
    else
        mytimer:stop()   			-- 连接成功，停止定时器
        print("Config done, IP is "..wifi.sta.getip())  -- 打印IP地址
    end 
end)

```

将 `connect_wifi.lua` 文件上传到ESP8266中，刷新文件，点击 `connect_wifi.lua` 开始连接wifi，如下图。

![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202009/e4fe8a5eb4df0624ed3cd1e97bf3acd6.png)

可以看到，成功获取了IP地址，表示ESP8266已经接入网络中。

2）实现web界面显示的代码

将一下代码到存到 `dht-web.lua` 文件，并上传到esp8266中。

```lua

-- 定义DHT11通信引脚。
pin = 4

-- 实现一个简单地 HTTP服务器
srv = net.createServer(net.TCP)
-- 监听80端口
srv:listen(80, function(conn)
    conn:on("receive", function(sck, payload)
        print(payload)
        -- 获取温湿度信息
        local status, temp, humi, temp_dec, humi_dec = dht.read11(pin)
        -- 创建一个buf，用于存放web端的代码
        local buf = "";
		-- 让页面每3秒自动刷新一次
        buf = buf.."<meta http-equiv=\"refresh\" content=\"3\">";
-- 设置页面编码，防止中文乱码
buf = buf.."<meta charset=\"utf-8\">";
buf = buf.."<h2>HELLO DHT11</h2>";
buf = buf.."<p>当前温度: "..temp.."."..temp_dec.."'C</p>";
buf = buf.."<p>当前湿度: "..humi.."."..humi_dec.."%</p>";
sck:send(buf)
end)
conn:on("sent", function(sck) sck:close() end)
end)
```
**注：** 新建文本是utf-8，代码中的编码就改为utf-8，保持编码一致性，否则中文显示会乱码。
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202009/4bf3e458c48491e2b45bbcb15006cbd3.png)
上传 `dht-web.lua` 文件后，点击刷新，再点击 `dht-web.lua`，执行脚本。
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202009/eff34dc3bfe698b7a39adb7c797c2aa6.png)
打开浏览器，在地址栏输入esp8266的IP地址，就可以看到温湿度信息了，如下图。
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202009/5f6300bd9e9ba8141c1e010bf165a412.png)
由于笔者web端不熟，在此只能给一个简单的示例。至此，DHT11模块编程就介绍完了。
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## DS18B20温度模块
### 模块概述
DS18B20数字温度计提供9位至12位摄氏温度测量，并具有报警功能，具有非易失性用户可编程的上、下触发点。DS18B20通过1-Wire总线通信，根据定义只需要一条数据线(和GND)与中央微处理器通信。此外，DS18B20可以直接从数据线获得功率(“寄生功率”)，消除了外部电源的需要。
每个DS18B20都有一个独特的64位串行代码，它允许多个DS18B20在同一单线总线上运行。因此，使用一个微处理器来控制分布在一个大区域的许多DS18B20s是很简单的。可以从该特性获益的应用包括暖通空调环境控制、建筑内部温度监控系统、设备或机械，以及过程监控和控制系统。
DS18B20的核心功能是它的直接数字温度传感器。温度传感器的分辨率可由用户配置为9位、10位、11位或12位，分别对应0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃的增量。开机时的默认分辨率是12位。
**笔者的DS18B20模块：**
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202009/52d6c7ff2246ca9474e89e91bde63dbe.jpg)
### 内存数据格式介绍
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202009/a50dbbdde24e005621476c3c91448822.png)
上图中：
* BYTE0和BYTE1分别包含温度寄存器的LSB和MSB。这些字节是只读的。
* BYTE2和BYTE3提供对TH和TL寄存器的访问，对应用户字节1和2。
* BYTE4是配置寄存器，用来配置转换精度，9~12 位。
* BYTE5~7保留。
* BYTE8是CRC校验。
下图是温度LSB和MSB格式信息。
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202009/fa218f850e06be657e7a2845805cfff4.png)
比如温度为+85度，计算如下：
* BYTE0: 50H (LSB)
* BYTE1: 05H (MSB)
温度计算：MSB左移8位，再或上LSB，最后乘以对应的分辨率（默认12bit，对应0.0625）。
```c
Temp = ((BYTE1 << 8) | BYTE0) * 0.0625;
```
或者：
```c
Temp = (BYTE1 * 256 + BYTE0) * 0.0625;
```
温度的正负号，由bit11 ~ bit15位确定，比如温度为-55度，计算如下：
* BYTE0: 90H (LSB)
*　BYTE1: FCH (MSB)
```c
unsigned short T=0; // 16bit临时变量
unsigned flag = 0; // 符号标志
float Temp = 0; // 存放最终温度结果
if (BYTE1 & 0xF8) { // 负数
flag = 1;
T = (BYTE1 << 8) | BYTE0;
T = (~T) + 1;
Temp = T * 0.0625;
} else { // 正数
flag = 0;
Temp = ((BYTE1 << 8) | BYTE0) * 0.0625;
}
// 最后由flag标志，来确定温度的正负号。
if (flag) {
Temp = -Temp;
}
```
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202009/0f861078fd2b9f6b1cd940dfab26ef1a.png)
上图是不同转换精度，对应所需的转换时间。默认12bit转换精度，转换一次温度需要750ms，即编程时，温度采样时间间隔必须大于750ms，否则读取的温度数据可能会有误。
### 模块编程示例
#### 模块接口介绍
首先NodeMCU固件开启对DS18B20模块的支持，具体操作见 [ESP8266之NodeMCU固件编译](https://www.icxbk.com/article/preview?astatus=1&aid=1705) 篇。
```c
#define LUA_USE_MODULES_OW // 为啥是OW，见下文。
```
和DHT模块一样，启用该模块后，我们就不用自己编写单总线协议的驱动代码，直接使用DS18B20的相关接口调用就能完成对模块的操作。
查看NodeMCU的官方文档，找到DS18B20模块部分，如下图：
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202009/bc34a6cb6fddc07f3d104cb38d056984.png)
如上图，官方将DS18B20归在OW模块中，所以在配置固件时，要开启OW模块，才能支持DS18B20。
#### 接口应用介绍
1）require() 创建对象
请求一个DS18B20对象。
```lua
ds18b20 = require("ds18b20")
```
2) 释放对象
```lua
ds18b20 = nil
package.loaded["ds18b20"] = nil
```
3) ds18b20.read_temp() 获取温度
**语法：**
```lua
read_temp(callback, pin, unit, force_search, save_search)
```
**参数：**
* callback 在所有转换完成时接收所有结果。回调函数有一个参数：一个由传感器地址和一个温度值(字符串表示整数版本)寻址的数组。
* pin 单线总线通信的引脚。如果为nil，则默认使用GPIO0 (D3)。
* unit 单位可以是摄氏(“C”或ds18b20.C)、开尔文(“K”或ds18b20.K)或华氏度(“F”或ds18b20.F)。如果没有指定(nil)，则是最后使用过单位。
* force_search 如果不是nil，总线搜索设备在读出之前被执行。如果为nil，则使用内存中现有的传感器列表。如果还没有对总线进行搜索，也会执行搜索。
* save_search 如果没有nil，则将传感器保存到文件`ds18b20_save.lc`。当`read_temp`被调用时，内存中的传感器列表为空并且文件`ds18b20_save.lc`出现，然后传感器地址从文件加载-当从电池和深度睡眠运行时-立即读出执行可用(没有总线扫描)。
#### 程序实例
##### 获取DS18B20温度数据
1） 方法1：使用ds18b20官方文档的示例，需要先下载 `ds18b20.lua` 文件，上传到esp8266。
| Since | Origin / Contributor | Maintainer | Source |
| ---------- | --------------------------------------- | --------------------------------------- | ------------------------------------------------------------ |
| 2014-12-08 | [Huang Rui](https://github.com/vowstar) | [Huang Rui](https://github.com/vowstar) | [ds18b20.lua](https://github.com/nodemcu/nodemcu-firmware/tree/dev/lua_modules/ds18b20/ds18b20.lua) |
将以下代码保存到`ds18_test.lua` 文件，上传到esp8266中。代码来自官方示例，稍作修改，用于连续读取温度。
```lua
local t = require("ds18b20")
local pin = 4 -- 设置ds18b20数据引脚
function readout(temp)
if t.sens then
print("Total number of DS18B20 sensors: ".. #t.sens)
for i, s in ipairs(t.sens) do
print(string.format(" sensor #%d address: %s%s", i, ('%02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X'):format(s:byte(1,8)), s:byte(9) == 1 and " (parasite)" or ""))
end
end
for addr, temp in pairs(temp) do
print(string.format("Sensor[%s] Temp: %s °C", ('%02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X'):format(addr:byte(1,8)), temp))
end
-- Module can be released when it is no longer needed
--[[ 用定时器连续读取，所以注释以下代码
t = nil
package.loaded["ds18b20"] = nil
--]]
end
-- 每隔1秒读取一次温度
local dht_timer = tmr.create()
dht_timer:alarm(1000, tmr.ALARM_AUTO, function()
t:read_temp(readout, pin, t.C)
end)
```
刷新文件，直接点击 `ds18_test.lua` ，即可看到温度获取成功。
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202009/cec47b61d20d343e74eed811f409fe62.png)
2） 方法2：使用ow单总线模块，实现ds18b20的温度获取，代码来自官方ow模块示例，如下。
将以下代码保存到`ds.lua`文件，上传到esp8266中。
```lua
-- 18b20 Example
pin = 4 -- 设置ds18b20数据引脚
ow.setup(pin)
addr = ow.reset_search(pin)
addr = ow.search(pin)
if addr == nil then
print("No device detected.")
else
print(addr:byte(1,8))
local crc = ow.crc8(string.sub(addr,1,7))
if crc == addr:byte(8) then
if (addr:byte(1) == 0x10) or (addr:byte(1) == 0x28) then
print("Device is a DS18S20 family device.")
tmr.create():alarm(1000, tmr.ALARM_AUTO, function()
ow.reset(pin)
ow.select(pin, addr)
ow.write(pin, 0x44, 1) -- convert T command
tmr.create():alarm(750, tmr.ALARM_SINGLE, function()
ow.reset(pin)
ow.select(pin, addr)
ow.write(pin,0xBE,1) -- read scratchpad command
local data = ow.read_bytes(pin, 9)
print(data:byte(1,9))
local crc = ow.crc8(string.sub(data,1,8))
print("CRC="..crc)
if crc == data:byte(9) then
local t = (data:byte(1) + data:byte(2) * 256) * 625
local sgn = t<0 and -1 or 1
local tA = sgn*t
local t1 = math.floor(tA / 10000)
local t2 = tA % 10000
print("Temperature="..(sgn<0 and "-" or "")..t1.."."..t2.." 'C")
end
end)
end)
else
print("Device family is not recognized.")
end
else
print("CRC is not valid!")
end
end
```
刷新文件，点击`ds.lua`，即可看到成功获取温度。如下图。
![](https://cf02.ickimg.com/bbsimages/202009/6b08ad685068d8f06f8a58820617d794.png)
至此，DS18B20模块编程就介绍完了。
---
## 附录
### DHT11和DS18B20数据手册
百度云：
链接：https://pan.baidu.com/s/1WkGQuPs1vKT7T1X5CB5tqg
提取码：i6fe

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Fily1983 206天前...

ow单总线模块对应是哪个固件呀？谢谢

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wybliw 回复 Fily1983 199天前...

看 “ESP8266固件编译” 篇，附件里面有配置好的SDK，自己按照教程编译一下，固件文件就生成了，常用模块都开启了。

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