1、DHT11数字温湿度传感器

本文将使用三段式状态机（Moore型）来对DHT11进行读取温湿度的操作，以便了解DHT11和熟悉三段式状态机的写法。

1.1、概述

DHT11数字温湿度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。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保 、产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

1.2、DHT11 外形及参数

DHT11 外形如下：

引脚说明 ：

1. VDD 供电3.3～5.5V DC
2. DATA 串行数据，单总线
3. NC 空脚
4. GND 接地，电源负极

 1.3、通讯方式

从上面的引脚说明可以看出来，DHT11是采用单总线（DATA脚）的方式来与上位机通讯，一次通讯时间4ms左右。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。设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线， 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 4.7kΩ 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，只有主机呼叫从机 时，从机才能应答，因此主机访问器件都必须严格遵循单总线序列，如果出现序列混乱， 器件将不响应主机。

1.3.1、数据组成

数据分为整数部分和小数部分，数据格式如下：

        一次完整的数据传输为40bit，高位在前。

        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校验和数据

        数据传送正确时：校验和数据等于“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”所得结果的末8位

示例一：

        接收到的40位数据为： 00110101         00000000         00011000         00000100         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：00110101+00000000+00011000+00000100=01010001

                接收数据正确：

                    湿度：00110101(整数)=35H=53%RH00000000(小数)=00H=0.0%RH=>53%RH+0.0%RH=53.0%RH

                    温度：00011000(整数)=18H=24℃00000100(小数)=04H=0.4℃=>24℃+0.4℃=24.4℃

1.3.2、通信时序

主机发送一次开始信号后，DHT11 从低功耗模式转换到高速模式，待主机发送的开始信号结束后，DHT11 发送响应信号，送出 40bit 的数据，并触发一次信息采集。信号发送如下图：

 主机和从机之间的通信可以通过以下几个步骤完成（主机读取 DHT11 温湿度数据的步 骤）：

        步骤一： DHT11 上电后（DHT11 上电后要等待 1S 以越过不稳定状态在此期间不能发送任何指令），测试环境温湿度数据，并记录数据，同时 DHT11 的 DATA 数据线由上拉电阻拉高 一直保持高电平；此时 DHT11 的单总线引脚处于输入状态，时刻检测外部信号。

        步骤二： 主机发送开始信号：输出低电平，持续时间不小于18ms 且不超过 30ms。发送完之后释放总线等待 DHT11 应答。发送信号如图所示：

        步骤三： DHT11 的 DATA 引脚检测到外部信号有低电平时，等待外部信号低电平结束，延迟后 DHT11 的 DATA 引脚输出 83us 的低电平作为应答信号，紧接着输出 87us 的高电平通知外设准备接收数据，发送信号如图所示：

        步骤四： 由 DHT11 的 DATA 引脚输出 40 位数据，主机根据 I/O 电平的变化接收 40 位数据，位 数据 “0” 的格式为：54us 的低电平后 23~27us 的高电平，位数据 “1” 的格式为：54us 的低 电平后 68~74us 的高电平。位数据“0”、“1”格式信号如图所示：

        结束信号： DHT11 的 DATA 引脚输出 40 位数据后，继续输出低电平 54us 后转为输入状态，由于上拉电阻随之变为高电平。DHT11 内部重测环境温湿度数据，并记录数据，等待外部信号的到来。

        注意：每两次采样应间隔2s。 

 各信号的电平持续时间范围应满足下表，我们进行设计时建议将下表的时间都用parameter给参数化，调试的时候再结合实际内容更改，这样会方便一点。 

2、采用三段式状态机测试

2.1、整体说明 

使用三段式状态机（Moore型）来对DHT11进行读取温湿度的操作。三段式状态机的概念可以参考：状态机（一段式、二段式、三段式）、摩尔型（Moore）和米勒型（Mealy）

因为本文只写DHT11的驱动，不涉及到其他模块（如数码管），所以模块框图如下：

 信号说明如下：

• sys_clk：系统时钟，50M
• rst_n：低电平有效的复位信号
• dht11：单总线（双向信号）
• data_valid：输出的有效数据，位宽32

2.2、状态机设计

根据 DHT11 的数据时序图可以画出状态跳转图来进一步了解如何控制 DHT11，以及读出 DHT11 的湿度温度值。如图所示：

下面对各状态说明：

        WAIT_1S：上电后就进入这个状态，因为上电后需要1s的是时间稳定DHT11的状态。在这个状态使用计数器计时，满足1s就跳转到下一个状态START，并且计数清零；不满足就停留在这个状态一直计数

        START：在这个状态DHT11进入工作状态。主机将总线拉低18ms~30ms（一开始参数化一个值）后再拉高。在这个状态仍使用计数器计时，拉低总线后计数开始，计数满足条件后清零并跳转到下一个状态DELAY_10us；不满足就停留在这个状态一直计数

         DELAY_10us：在这个状态主机应拉高10us后释放总线进入等待状态等待从机（DHT11）拉低作为回应。主机将总线拉低10us，然后释放总线。在这个状态仍使用计数器，拉低总线后计数开始，计数满足条件后清零并跳转到下一个状态DELAY_10us；不满足就停留在这个状态一直计时

         REPLY：这个状态是检查从机是否回应以及回应是否符合时序。一旦主机检测到上升沿且此时计数器介于70us~100us，则说明从机回应了一个70us~100us的低电平信号，就跳转到下一个状态DELAY_75us；一旦主机检测到上升沿但此时计数器大于100us或者计数器大于500us时仍没有检测到上升沿，则说明从机的应答是不符合时序的，那么状态机跳转到START状态（不跳转到WAIT_1S状态，是因为只有在每次上电后才需要延迟1s）并将计数器清零，在这个状态计数器一直计数知道跳转到另一个状态才清零（边沿检测可以参考：边沿检测电路（上升沿、下降沿））

         DELAY_75us：这个状态是从机输出87us高电平通知主机准备接收数据。因为后续发送数据时一定是以低电平开始，所以在这里一定会检测到数据线上的一个下降沿。所以一旦检测到下降沿且计数器大于70us，那么跳转到下一个状态REV_data并将计数器清零；不然就停留在这个状态一直计时

需要注意以下：

• 信号线DHT11是一个双向信号，所以使用时要用使用三态门的方法来操作，具体方法参考：如何规范地使用双向（inout）信号？
• 之前说到，每两次采样之间应该间隔2s，所以在REPLY状态时，一旦从机响应不满足时序则会跳转到状态WAIT_1S重新开始整个流程，直到满足时序要求为止。这样做的好处是不用每次接受完数据后延时两秒，能省掉不少时间

2.3、Verilog代码

根据上面的状态分析图，编写Verilog代码如下：（这里就不写分析了，注释已经写得很详细了，如果你看到了这边文章且这段代码又不懂的地方，可以评论给我）

//==================================================================
//--3段式状态机（Moore）实现的DHT11驱动
//==================================================================
 
//------------<模块及端口声明>----------------------------------------
module dht11_drive(
	input 				sys_clk		,		//系统时钟，50M
	input				rst_n		,		//低电平有效的复位信号	
	inout				dht11		,		//单总线（双向信号）
	
	output	reg	[31:0]	data_valid			//输出的有效数据，位宽32
);
 
//------------<参数定义>----------------------------------------------
//状态机状态定义，使用独热码（onehot code）
localparam	WAIT_1S		= 6'b000001 ,
			START       = 6'b000010 ,
			DELAY_10us  = 6'b000100 ,
			REPLY       = 6'b001000 ,
			DELAY_75us  = 6'b010000 ,
			REV_data	= 6'b100000 ;
//时间参数定义
localparam	T_1S = 999_999	,				//上电1s延时计数，单位us
			T_BE = 17_999	,				//主机起始信号拉低时间，单位us
			T_GO = 12		;				//主机释放总线时间，单位us
 
//------------<reg定义>----------------------------------------------									
reg	[6:0]	cur_state	;					//现态
reg	[6:0]	next_state	;					//次态
reg	[4:0]	cnt			;					//50分频计数器，1Mhz(1us)
reg			dht11_out	;					//双向总线输出
reg			dht11_en	;					//双向总线输出使能，1则输出，0则高阻态
reg			dht11_d1	;					//总线信号打1拍
reg			dht11_d2	;					//总线信号打2拍
reg			clk_us		;					//us时钟
reg [21:0]	cnt_us		;					//us计数器,最大可表示4.2s
reg [5:0]	bit_cnt		;					//接收数据计数器，最大可以表示64位
reg [39:0]	data_temp	;					//包含校验的40位输出
 
//------------<wire定义>----------------------------------------------		
wire		dht11_in	;					//双向总线输入
wire		dht11_rise	;					//上升沿
wire		dht11_fall	;					//下降沿
 
//==================================================================
//===========================<main  code>===========================
//==================================================================
 
//-----------------------------------------------------------------------
//--双向端口使用方式
//-----------------------------------------------------------------------
assign	dht11_in = dht11;							//高阻态的话，则把总线上的数据赋给dht11_in
assign	dht11 =  dht11_en ? dht11_out : 1'bz;		//使能1则输出，0则高阻态
//-----------------------------------------------------------------------
//--us时钟生成，因为时序都是以us为单位，所以生成一个1us的时钟会比较方便
//-----------------------------------------------------------------------
//50分频计数
always @(posedge sys_clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		cnt <= 5'd0;
	else if(cnt == 5'd24)				//每25个时钟500ns清零
		cnt <= 5'd0;
	else
		cnt <= cnt + 1'd1;
end
//生成1us时钟
always @(posedge sys_clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		clk_us <= 1'b0;
	else  if(cnt == 5'd24)				//每500ns
		clk_us <= ~clk_us;				//时钟反转
	else
		clk_us <= clk_us;
end
//-----------------------------------------------------------------------
//--上升沿与下降沿检测电路
//-----------------------------------------------------------------------
//检测总线上的上升沿和下降沿
assign	dht11_rise = ~dht11_d2 && dht11_d1;			//上升沿
assign	dht11_fall = ~dht11_d1 && dht11_d2;			//下降沿
//dht11打拍，捕获上升沿和下降沿
always @(posedge clk_us or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)begin
		dht11_d1 <= 1'b0;				//复位初始为0
		dht11_d2 <= 1'b0;				//复位初始为0
	end
	else begin
		dht11_d1 <= dht11;				//打1拍
		dht11_d2 <= dht11_d1;			//打2拍
	end
end
//-----------------------------------------------------------------------
//--三段式状态机
//-----------------------------------------------------------------------
//状态机第一段：同步时序描述状态转移
always @(posedge clk_us or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)		
		cur_state <= WAIT_1S;			
	else
		cur_state <= next_state;
end
//状态机第二段：组合逻辑判断状态转移条件，描述状态转移规律以及输出
always @(*)begin
	next_state = WAIT_1S;
	case(cur_state)
		WAIT_1S		:begin
			if(cnt_us == T_1S)				//满足上电延时的时间	
				next_state = START;			//跳转到START
			else	
				next_state = WAIT_1S;		//条件不满足状态不变
		end	
		START       :begin	
			if(cnt_us == T_BE)				//满足拉低总线的时间
				next_state = DELAY_10us;	//跳转到DELAY_10us
			else
				next_state = START;			//条件不满足状态不变
		end
		DELAY_10us  :begin					
			if(cnt_us == T_GO)				//满足主机释放总线时间
				next_state = REPLY;			//跳转到REPLY
			else
				next_state = DELAY_10us;	//条件不满足状态不变
		end
		REPLY       :begin
			if(cnt_us <= 'd500)begin		//不到500us
				if(dht11_rise && cnt_us >= 'd70 
				  && cnt_us <= 'd100)				//上升沿响应，且低电平时间介于70~100us
					next_state = DELAY_75us;		//跳转到DELAY_75us
				else
					next_state = REPLY;				//条件不满足状态不变
			end	
			else	
				next_state = START;					//超过500us仍没有上升沿响应则跳转到START
		end	
		DELAY_75us  :begin	
			if(dht11_fall && cnt_us >= 'd70)		//上升沿响应，且低电平时间大于70us
				next_state = REV_data;				//跳转到REV_data
			else 	
				next_state = DELAY_75us;			//条件不满足状态不变
		end	
		REV_data	:begin	
			if(dht11_rise && bit_cnt == 'd40)		//接收完了所有40个数据后会拉低一段时间作为结束
													//捕捉到上升沿且接收数据个数为40				
				next_state = START;					//状态跳转到START，重新开始新一轮采集
			else 	
				next_state = REV_data;				//条件不满足状态不变
		end	
		default:next_state = START;					//默认状态为START
	endcase
end	
 
//状态机第三段：时序逻辑描述输出
always @(posedge clk_us or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)begin										//复位状态下输出如下						
		dht11_en <= 1'b0;
		dht11_out <= 1'b0;
		cnt_us <= 22'd0;
		bit_cnt <=  6'd0;
		data_temp <= 40'd0; 	
	end
	else 	
		case(cur_state)
			WAIT_1S		:begin
				dht11_en <= 1'b0;						//释放总线，由外部电阻拉高
				if(cnt_us == T_1S)						
					cnt_us <= 22'd0;					//计时满足条件则清零
				else
					cnt_us <= cnt_us + 1'd1;			//计时不满足条件则继续计时
			end
			START		:begin
				dht11_en <= 1'b1;						//占用总线
				dht11_out <= 1'b0;						//输出低电平
				if(cnt_us == T_BE)		
					cnt_us <= 22'd0;					//计时满足条件则清零
				else		
					cnt_us <= cnt_us + 1'd1;			//计时不满足条件则继续计时
			end		
			DELAY_10us	:begin		
				dht11_en <= 1'b0;						//释放总线，由外部电阻拉高
				if(cnt_us == T_GO)
					cnt_us <= 22'd0;					//计时满足条件则清零
				else                                    
					cnt_us <= cnt_us + 1'd1;            //计时不满足条件则继续计时
			end	
			REPLY		:begin
				dht11_en <= 1'b0;						//释放总线，由外部电阻拉高
				if(cnt_us <= 'd500)begin				//计时不到500us
					if(dht11_rise && cnt_us >= 'd70 
					  && cnt_us <= 'd100)				//上升沿响应，且低电平时间介于70~100us
						cnt_us <= 22'd0;				//计时清零
					else
						cnt_us <= cnt_us + 1'd1;		//计时不满足条件则继续计时
				end
				else 
					cnt_us <= 22'd0;					//超过500us仍没有上升沿响应，则计数清零 
			end	
			DELAY_75us  :begin
				dht11_en <= 1'b0;						//释放总线，由外部电阻拉高
				if(dht11_fall && cnt_us >= 'd70)		//上升沿响应，且低电平时间大于70us
					cnt_us <= 22'd0;					//计时清零
				else 	
					cnt_us <= cnt_us + 1'd1;			//计时不满足条件则继续计时
			end
			REV_data	:begin
				dht11_en <= 1'b0;						//释放总线，由外部电阻拉高，进入读取状态
				if(dht11_rise && bit_cnt == 'd40)begin	//数据接收完毕
					bit_cnt <=  6'd0; 					//清空数据接收计数器
					cnt_us <= 22'd0;					//清空计时器
				end
				else if(dht11_fall)begin				//检测到低电平，则说明接收到一个数据
					bit_cnt <= bit_cnt + 1'd1;			//数据接收计数器+1
					cnt_us <= 22'd0;					//计时器重新计数
					if(cnt_us <= 'd100)					
						data_temp[39-bit_cnt] <= 1'b0;	//总共所有的时间少于100us,则说明接收到“0”
					else 
						data_temp[39-bit_cnt] <= 1'b1;	//总共所有的时间大于100us,则说明接收到“1”
				end
				else begin								//所有数据没有接收完，且正处于1个数据的接收进程中
					bit_cnt <= bit_cnt;				
					data_temp <= data_temp;
					cnt_us <= cnt_us + 1'd1;			//计时器计时
				end
			end
			default:;		
		endcase
end
 
//校验读取的数据是否符合校验规则
always @(posedge clk_us or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		data_valid <= 32'd0;
	else if((data_temp[7:0] == data_temp[39:32] + data_temp[31:24] +
	data_temp[23:16] + data_temp[15:8]))
		data_valid <= data_temp[39:8]; 		//符合规则，则把有效数据赋值给输出
	else
		data_valid <= data_valid;			//不符合规则，则舍弃这次读取的数据，输出仍保持上次的状态不变
end
		
endmodule

 2.4、调试

因为通讯过程涉及到从机的响应，我又找不到相应的器件模型，仿真就不搞了。

直接使用signaltap抓下波形：

上图中：

• 状态机从WAIT_1S跳转到START状态
• cnt_us计数到999999后清零，说明时间过了1s
• dht11_en拉高同时dht11_out为0，说明主机拉低了总线
• 捕获到了一个下降沿

上图中：

• 在①处状态机从状态START跳转到状态DELAY_10us
• 在①处cnt_us计数到17999后清零，说明时间过了18ms
• 进入状态DELAY_10us后dht11_en拉低，说明主机释放了总线
• 在②处状态机从状态DELAY_10us跳转到状态REPLY
• 在②处cnt_us计数到12后清零，说明时间过了13us，此时总线被从机拉低，开始发送响应信号

 上图中：

• 状态机从状态REPLY跳转到状态DELAY_75us
• cnt_us计数到83后清零，说明时间过了84us
• cnt_us计数到81后dht11从0变为1，说明响应信号的低电平持续了82us，符合时序要求

  上图中：

• 状态机从状态DELAY_75us跳转到状态REV_data
• cnt_us计数到85后清零，说明时间过了86us
• cnt_us计数到83后dht11从1变为0，说明响应信号的高电平持续了84us，符合时序要求

上图中：

• 在①处状态机进入状态REV_data
• 在接收数据期间，每接收一个数据bit_cnt+1，直到40，一共40个数据加最后的拉低停止
• 在②处状态机从状态REV_data进入状态START，开始新一轮的信息采集

3、上板调试

添加数码管显示模块，和按键控制模块（每次只单独显示温度或者湿度，每次按下按键即切），编译工程，板卡显示如下：

温度：

湿度：

码字真的很费时间，麻烦您给个点赞或者关注！

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 4、参考

温湿度模块 DHT11 产品手册--ASAIR

FPGA Verilog 开发实战指南--基于 Intel Cyclone IV--野火电子