2020年9月22日 星期二

六、6-4 溫溼度感測器(DHT11/22)實習

 在日常生活中我們在測量周遭的溫度時，也常會連濕度一起測量，而在Arduino的世界中有一款名為DHT系列的感測器，就同時具有量測溫度與濕度的能力，只是溫度量測的範圍與精確度沒有前面介紹那兩種那麼好而已。

接著就讓我們看一下這個DHT系列的感測器的種類及特性：


圖六、6-4_1  DHT11/22數位式溫/濕度感測器特性與規格比較


在DHT的家族系列中共有DHT11/21/22三個成員，不過常用的是上面【圖六、6-4_1】中的DHT11/22兩種，其中的DHT22的性能與精確度比較好，但是與DHT11的價格也差距較大！一般如果不是太要求準確度的地方，或者只是要練習一下，DHT11還是可以湊合著用。在本範例中就是以DHT11為測試標的，如果要改用DHT22，那麼我們的範例程式只要稍作修改就可以適用了！

從【圖六、6-4_1】所列的特性與規格中可知，DHT11的溫度測量範圍是0~50∘C，而誤差為+/-2∘C，至於濕度的測量範圍是0~80%，誤差為+/-5%，看起來就不是很準；不過由於人類對溫度與濕度的感覺並不是很靈敏，所以在一般的室內環境應該還算夠用。由於受限於所使用的感測器材料，再加上濕度本來就不可能變化得很劇烈所以DHT11量測的速度最快一秒中只能一次，在實際使用時建議2秒鐘測量一次會比較可靠。

下面的【圖六、6-4_2】左邊是DHT11的外觀與接腳，它對外有4根接腳，但其中有一隻是空接腳(Pin 3)；由於他對外只有一支介面接腳(DATA)，所以和DS18B20一樣在實際使用時必須在外面加上一個接到VCC的提升電阻。在Arduino的世界中當然也有許多廠商把它做成可直接使用的擴充模組，由於沒有一定的標準，所以各做各的結果就是對外的接腳排列很亂；在【圖六、6-4_2】中間與右邊的模組板就是不同廠商所製造的產品，很明顯看的出來兩者的腳位完全相反，因此讀者在使用時一定要看清楚到底接腳的名稱與排列為何﹖否則無法正常動作還事小，把零件都燒了就麻煩了！

圖六、6-4_2  DHT11數位式溫/濕度感測器及模組外觀接腳


◎ 功能與動作說明：

1、以ESP8266建立一無線WiFi AP存取點(即Soft—AP模式)，這個AP存取點的SSID名稱為『ESP_softAP01』，而且不使用連線密碼。

2、此AP存取點內建伺服器的IP位址為：[ 192.168.4.1 ]。

3、當有客戶端(Client：手機、平板或筆電)裝置以瀏覽器連線上此伺服器時，會將接在模組板上的DHT11數位式溫/濕度感測器所量測到的溫度與濕度訊息，回傳給連線客戶端，顯示在瀏覽器的螢幕上。

4、如果客戶端裝置持續的連線，則系統會以固定的時間(在此為3秒)重新測量溫度感測器所量測到的溫/濕度值，並主動傳送給客戶端裝置。


圖六、6-4_3  DHT11數位式溫/濕度感測器客戶端瀏覽器連線後預期畫面


  上面的【圖六、6-4_3】是本範例程式在客戶端瀏覽器連線後預期出現的畫面，和前面幾個範例都很類似，差別只在標記1實習名稱的提示訊息部分改成了『DHT11數位式溫/濕度測量實習』而已。而標記2的內容則是DHT11數位式溫/濕度感測器所量測到的溫度與濕度的結果，為了方便使用者閱讀，所以同時以中英文的方式呈現出來；在此還是加上了一個量測次數計數器(Count)，好讓使用者可以得知目前已經量測過多少次了。


◎電路圖：

圖六、6-4_4 數位式DHT11溫/濕度感測器測量電路


在【圖六、6-4_4】的電路中，DHT11的正電源腳接在ESP8266模組板的5V電源上(在NodeMCU模組上為Vin腳)；因為DHT11的資料介面腳(Data)具有雙向性，可以同時並接許多個元件，只是在使用時必須在外面並接上一個共用的提升電阻，一般這個電阻的大小以4.7K為宜。基本上這支資料介面腳只要接在ESP8266上具有雙向的數位腳即可，不過GPIO15這隻腳在開機時如果有信號出現在上面的話，會造成開機啟動失敗！因此在此就比照目前市面上常可看到的ESP-01/DHT11模組(【圖六、6-4_5】)的方式，還是接在GPIO02這隻腳上，這樣當DHT11在傳輸料時，便可看見那顆內建在ESP8266模組上的LED在閃爍。

圖六、6-4_5 ESP-01/DHT11模組外觀圖


◎ 程式列表與說明：

 

  1. #include <ESP8266WiFi.h>

  2. #include "index.h"

  3. #include "DHT.h"

  4.  

  5. #define DHTPIN  2

  6. #define DHTTYPE DHT11

  7. //#define DHTTYPE DHT22   // DHT 22  (AM2302), AM2321

  8. DHT dht(DHTPIN,DHTTYPE);

  9.  

  10. String softSsid = "ESP_softAP01";

  11. //String softSsid = "ESP"+String(ESP.getChipId());

  12. const char* softPassword = "12345678";

  13.  

  14. WiFiServer server(80);

  15.  

  16. String tmpString = "";    // html網頁程式字串變數

  17. unsigned int count = 0;   // 測輛次數值

  18. int rTime=3;              // 網頁更新時間

  19.  

  20.   // 初始化程式區setup()開始 :

  21. void setup() 

  22. {

  23.     Serial.begin(115200);

  24.     Serial.println();

  25.  

  26.   Serial.println("Setting soft-AP Mode... ");

  27.  

  28.   boolean result=WiFi.softAP(softSsid);

  29.   if(result==true)

  30.   {

  31.     Serial.println("soft-AP ready!");

  32.     Serial.print("softAP = ");

  33.     Serial.println(softSsid);

  34.     Serial.print("softIP = ");

  35.     Serial.println(WiFi.softAPIP());

  36.   server.begin();

  37.   }  

  38.   else

  39.     Serial.println("soft-AP failed"); 

  40.   dht.begin();

  41.  

  42. } // setup()結束

  43.  

  44. // 主迴圈 loop()開始 :

  45. void loop() 

  46. {

  47.     // Check if a client has connected

  48.     WiFiClient client = server.available();

  49.     if (!client)    

  50.       return;  

  51.   count++;

  52.     tmpString = MAIN_page;    // 取出html網頁回應程式

  53.     tmpString.replace("%rTime%", String(rTime) ); // 帶入測量的時間值到網頁html程式中

  54.  

  55.   float h=dht.readHumidity();

  56.   float t=dht.readTemperature();

  57.   Serial.print("Humidity = ");

  58.   Serial.print(h);

  59.   Serial.print("%\t");

  60.   Serial.print("Temperature = ");

  61.   Serial.print(t);

  62.   Serial.println("*C");

  63.     tmpString.replace("%temper%", String(t) );    // 帶入測量的溫度值到網頁html程式中

  64.     tmpString.replace("%humidity%", String(h) );  // 帶入測量的溼度值

  65.     tmpString.replace("%count%", String(count) ); // 帶入測量次數

  66.  

  67.     client.flush();

  68.     client.print( tmpString );

  69.       

  70.     delay(5);

  71. } // loop() 結束

  72.  

  73. const char MAIN_page[] PROGMEM = R"=====(

  74. HTTP/1.1 200 OK

  75. Content-Type:text/html

  76. Connection: close

  77.  

  78. <!DOCTYPE html>

  79. <html>

  80.  <head>

  81.  <meta name='viewport' content='width=device-width, initial-scale=1.0'/>

  82.  <meta charset='utf-8'>

  83.  <meta http-equiv='refresh' content='%rTime%'>

  84.  <style>

  85.    body {font-size:100%;} 

  86.    #main {display: table; margin: auto;  padding: 0 10px 0 10px; } 

  87.  </style>

  88.    <title>Soft AP模式-DHT11溫/濕度測量</title>

  89.  </head>

  90.  

  91.  <body> 

  92.    <div id='main'>

  93.      <h2><center>[Soft AP模式] <br>

  94.          DHT11溫/濕度測量實習<br></center><br>

  95.        溫度 =  %temper% 'C<br>

  96.        濕度 =  %humidity% %<br>

  97.        Temperature =  %temper% 'C<br>

  98.        Humidity =  %humidity% %<br>

  99.       Count = %count%<br>

  100.       </h2>

  101.    </div> 

  102.  </body>

  103. </html>

  104. )=====";



程式名稱：ESP_CH6_6_4_DHT11.ino


由於DHT11在Arduino中並不是標準的內建元件，所以必須另外加裝相關的函示庫之後才能引用，下面程式中第3行是使用DHT11時必須因引用到的函式庫(即”DHT.h”)，而第5行則是宣告DHT11的Dada腳使用的腳位，在此為GPIO2。至於第6行是定義程式所使用的DHT系列種類，如果要改用DHT22，只要把這行註解掉，然後取消第7行的註解即可！至於第8行則是宣告程式中DHT11所使用的物件變數名稱(即”dht”)。


3. #include "DHT.h"

4.

5. #define DHTPIN  2

6. #define DHTTYPE DHT11

7. //#define DHTTYPE DHT22   // DHT 22  (AM2302), AM2321

8. DHT dht(DHTPIN,DHTTYPE);


要按裝”DHT.h”這個函示庫，請先在Arduino IDE中點選上方的【草稿碼】🡺【匯入程式庫】🡺【管理程式庫】，在看到下面的【圖六、6-4_5】程式庫管理員視窗後，在標記1的欄位輸入『dht』搜尋字串，便可以找到標記2的目標函式庫，然後在標記3的地方選擇所需的版本(一般都會選擇最新的版本)，並按下[安裝]鍵，便可安裝成功。

圖六、6-4_5 『DHT.h』函式庫安裝畫面


有些較舊版本的Arduino IDE可能還會需要「Adafruit_Sensor.h」這個Adafruit公司所有感測器都必須用到的通用函式庫，可以到下列這個網址去下載後，再到Arduino IDE中點選上方的【草稿碼】🡺【匯入程式庫】🡺【加入 .ZIP程式庫】後，把下載的函式庫加入Arduino IDE即可。


 “Adafruit Unified Sensor Lib: https://github.com/adafruit/Adafruit_Sensor”


本範例程式的初始化程式區(setup())內容和前面幾個幾乎一模一樣，差別只在多了下面這行用來初始化DHT11的指令而已：


40.   dht.begin();


在主迴圈(loop())程式中一開始是在等待客戶端連線(48~50行)，當有客戶端裝置連線之後，便把網頁首頁程式MAIN_page[]傳送到tmpString這個字串變數中同時也把測量的時間值(即'rTime')帶入到網頁html程式中：


52.    tmpString = MAIN_page;    // 取出html網頁回應程式

53.    tmpString.replace("%rTime%", String(rTime) ); 


接著我們用下面這兩行程式分別取讀取DHT11的濕度(h)與溫度(t)轉換值：


55.  float h=dht.readHumidity();

56.  float t=dht.readTemperature();


至於57~62行程式會把溫溼度轉換的結果顯示在Arduino IDE的序列監控視窗中，以便我們偵錯之用。


63.    tmpString.replace("%temper%", String(t) );    // 帶入測量的溫度值到網頁html程式中

64.    tmpString.replace("%humidity%", String(h) );  // 帶入測量的溼度值

65.    tmpString.replace("%count%", String(count) ); // 帶入測量次數


上面的3行程式會把溫度的轉換結果(t)、濕度(h)與量測次數值(count)分別帶入「tmpString」這個字串變數中的「temper」、「humidity」、「count」3個變數中，最後執行下列程式，便可以把從DHT11的溫/溼度測量結果回應給連線的客戶端瀏覽器。


69.    client.println( tmpString );  


程式列表的74~103行是ESP8266內建伺服器的網頁首頁程式碼，是放在Arduino程式中的「index.h」分頁上，整個html程式的字串變數名稱跟之前一樣命名為「MAIN_page[]」。為了能讓客戶端的瀏覽器能更快的自動定時讀取更新的量測結果，在行程式中一樣把更新時間加快到3秒鐘；不過為了能讓程式更有彈性，所以在此是以參數(即'%rTime%')的方式去定義，這樣我們在主程式中或者說使用者，就可以更方便的去更改系統測量刷新時間了！


83. <meta http-equiv='refresh' content='%rTime%'>


【圖六、6-4_3】的中標記1也就是本實習名稱的提示訊息部分，事由下面兩行程式完成：


93.     <h2><center>[Soft AP模式] <br>

94.         DHT11溫/濕度測量實習<br></center><br>


而網頁中溫度和濕度顯示的部分，則是由下面幾行程式去實現：


95.       溫度 =  %temper% 'C<br>

96.       濕度 =  %humidity% %<br>

97.       Temperature =  %temper% 'C<br>

98.       Humidity =  %humidity% %<br>

99.      Count = %count%<br>

其中的「temper」代表溫度的測量結果，而「humidity」則是濕度的置換變數，「count」則一樣代表DHT11測量的結果與網頁刷新的次數，這三個字串置換變數都是由前面63~65行的程式所傳送過來的。


◎ 執行結果：

圖六、6-3_6  使用DHT11的溫/溼度感測器客戶端瀏覽器連線後量測畫面


【圖六、6-3_6】是客戶端瀏覽器與系統連線後系統上DHT11的溫/溼度開始量測的畫面，一般我們周遭溫度改變的速度本來就很慢，至於濕度那就更不用說了！當我們設計了一些感測器電路時，最麻煩的部分就是測試的信號來源如何取得﹖以本範例來說最簡單的方法就是對著DHT11吹氣，這時可以升高量測的濕度與溫度，但是吹得過程中要注意嘴巴不要太靠近DHT11，以免口水噴到了DHT11內部的感測材料，造成元件的失常或故障∘
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