FPGA的学习：DHT11数字温湿度传感器
Posted 石小舟
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了FPGA的学习：DHT11数字温湿度传感器相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
实验目标：控制 DHT11，读出湿度温度数据显示在数码管中，通过按键使湿度和温度在数码管中切换显示。
系统的整体框图和工程模块如下。
编写代码：
`timescale 1ns/1ns
module dht11_ctrl
(
input wire sys_clk , //系统时钟，频率50MHz
input wire sys_rst_n , //复位信号，低电平有效
input wire key_flag , //按键消抖后标志信号
inout wire dht11 , //控制总线
output reg [19:0] data_out , //输出显示的数据
output reg sign //输出符号位，高电平显示负号
);
//parameter define
parameter S_WAIT_1S = 3'd1 , //上电等待1s状态
S_LOW_18MS = 3'd2 , //主机拉低18ms，发送开始信号状态
S_DLY1 = 3'd3 , //等待20-40us状态
S_REPLY = 3'd4 , //DHT11响应80us状态
S_DLY2 = 3'd5 , //拉高等待80us状态
S_RD_DATA = 3'd6 ; //接收数据状态
parameter T_1S_DATA = 999999 ; //1s时间计数值
parameter T_18MS_DATA = 17999 ; //18ms时间计数值
//reg define
reg clk_1us ; //1us时钟，用于驱动整个模块
reg [4:0] cnt ; //时钟分频计数器
reg [2:0] state ; //状态机状态
reg [20:0] cnt_us ; //us计数器
reg dht11_out ; //总线输出数据
reg dht11_en ; //总线输出使能信号
reg [5:0] bit_cnt ; //字节计数器
reg [39:0] data_tmp ; //读出数据寄存器
reg data_flag ; //数据切换标志信号
reg dht11_d1 ; //总线信号打一拍
reg dht11_d2 ; //总线信号打两拍
reg [31:0] data ; //除校验位数据
reg [6:0] cnt_low ; //低电平计数器
//wire define
wire dht11_fall; //总线下降沿
wire dht11_rise; //总线上升沿
//当使能信号为1是总线的值为DATA_out的值，为0时值为高阻态
assign dht11 = (dht11_en == 1 ) ? dht11_out : 1'bz;
//检测总线信号的上升沿下降沿
assign dht11_rise = (~dht11_d2) & (dht11_d1) ;
assign dht11_fall = (dht11_d2) & (~dht11_d1) ;
//对dht11信号打拍
always@(posedge clk_1us or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
begin
dht11_d1 <= 1'b0 ;
dht11_d2 <= 1'b0 ;
end
else
begin
dht11_d1 <= dht11 ;
dht11_d2 <= dht11_d1 ;
end
//cnt:分频计数器
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
cnt <= 5'b0;
else if(cnt == 5'd24)
cnt <= 5'b0;
else
cnt <= cnt + 1'b1;
//clk_1us：产生单位时钟为1us的时钟
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
clk_1us <= 1'b0;
else if(cnt == 5'd24)
clk_1us <= ~clk_1us;
else
clk_1us <= clk_1us;
//bit_cnt：读出数据bit位数计数器
always@(posedge clk_1us or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
bit_cnt <= 6'b0;
else if(bit_cnt == 40 && dht11_rise == 1'b1)
bit_cnt <= 6'b0;
else if(dht11_fall == 1'b1 && state == S_RD_DATA)
bit_cnt <= bit_cnt + 1'b1;
//data_flag:数据变换标志信号的产生，按一次键变换一次
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
data_flag <= 1'b0;
else if(key_flag == 1'b1)
data_flag <= ~data_flag;
else
data_flag <= data_flag;
//状态机状态跳转
always@(posedge clk_1us or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
state <= S_WAIT_1S ;
else
case(state)
S_WAIT_1S:
if(cnt_us == T_1S_DATA) //上电1s后跳入起始状态
state <= S_LOW_18MS ;
else
state <= S_WAIT_1S ;
S_LOW_18MS:
if(cnt_us == T_18MS_DATA)
state <= S_DLY1 ;
else
state <= S_LOW_18MS ;
S_DLY1:
if(cnt_us == 10) //等待10us后进入下一状态
state <= S_REPLY ;
else
state <= S_DLY1 ;
S_REPLY: //上升沿到来且低电平保持时间大于70us，则跳转到下一状态
if(dht11_rise == 1'b1 && cnt_low >= 70)
state <= S_DLY2 ;
//若1ms后，dht11还没响应，则回去继续发送起始信号
else if(cnt_us >= 1000)
state <= S_LOW_18MS ;
else
state <= S_REPLY ;
S_DLY2: //下降沿到来且计数器值大于70us，则跳转到下一状态
if(dht11_fall == 1'b1 && cnt_us >= 70)
state <= S_RD_DATA ;
else
state <= S_DLY2 ;
S_RD_DATA: //读完数据后，回到起始状态
if(bit_cnt == 40 && dht11_rise == 1'b1)
state <= S_LOW_18MS ;
else
state <= S_RD_DATA ;
default:
state <= S_WAIT_1S ;
endcase
//各状态下的计数器赋值
//cnt_us:每到一个新的状态就让该计数器重新计数
always@(posedge clk_1us or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
begin
cnt_low <= 7'd0 ;
cnt_us <= 21'd0 ;
end
else
case(state)
S_WAIT_1S:
if(cnt_us == T_1S_DATA)
cnt_us <= 21'd0 ;
else
cnt_us <= cnt_us + 1'b1;
S_LOW_18MS:
if(cnt_us == T_18MS_DATA)
cnt_us <= 21'd0 ;
else
cnt_us <= cnt_us + 1'b1;
S_DLY1:
if(cnt_us == 10)
cnt_us <= 21'd0 ;
else
cnt_us <= cnt_us + 1'b1;
S_REPLY:
if(dht11_rise == 1'b1 && cnt_low >= 70)
begin
cnt_low <= 7'd0 ;
cnt_us <= 21'd0 ;
end
//当dht11发送低电平回应时，计算其低电平的持续时间
else if(dht11 == 1'b0)
begin
cnt_low <= cnt_low + 1'b1 ;
cnt_us <= cnt_us + 1'b1 ;
end
//若1ms后，dht11还没响应，则回去继续发送起始信号
else if(cnt_us >= 1000)
begin
cnt_low <= 7'd0 ;
cnt_us <= 21'd0 ;
end
else
begin
cnt_low <= cnt_low ;
cnt_us <= cnt_us + 1'b1 ;
end
S_DLY2:
if(dht11_fall == 1'b1 && cnt_us >= 70)
cnt_us <= 21'd0 ;
else
cnt_us <= cnt_us + 1'b1;
S_RD_DATA:
if(dht11_fall == 1'b1 || dht11_rise == 1'b1)
cnt_us <= 21'd0 ;
else
cnt_us <= cnt_us + 1'b1;
default:
begin
cnt_low <= 7'd0 ;
cnt_us <= 21'd0 ;
end
endcase
//各状态下的单总线赋值
always@(posedge clk_1us or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
begin
dht11_out <= 1'b0 ;
dht11_en <= 1'b0 ;
end
else
case(state)
S_WAIT_1S:
begin
dht11_out <= 1'b0 ;
dht11_en <= 1'b0 ;
end
S_LOW_18MS: //拉低总线18ms
begin
dht11_out <= 1'b0 ;
dht11_en <= 1'b1 ;
end
//后面状态释放总线即可，由DHT11操控总线
S_DLY1:
begin
dht11_out <= 1'b0 ;
dht11_en <= 1'b0 ;
end
S_REPLY:
begin
dht11_out <= 1'b0 ;
dht11_en <= 1'b0 ;
end
S_DLY2:
begin
dht11_out <= 1'b0 ;
dht11_en <= 1'b0 ;
end
S_RD_DATA:
begin
dht11_out <= 1'b0 ;
dht11_en <= 1'b0 ;
end
default:;
endcase
//data_tmp:将读出的数据寄存在data_tmp中
always@(posedge clk_1us or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
data_tmp <= 40'b0;
else if(state == S_RD_DATA && dht11_fall == 1'b1 && cnt_us<=50)
data_tmp[39-bit_cnt] <= 1'b0;
else if(state == S_RD_DATA && dht11_fall == 1'b1 && cnt_us>50)
data_tmp[39-bit_cnt] <= 1'b1;
else
data_tmp <= data_tmp;
//data_out:输出数据显示，按一次按键切换一次数据
always@(posedge clk_1us or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
data <= 32'b0;
else if(data_tmp[7:0] == data_tmp[39:32] + data_tmp[31:24] +
data_tmp[23:16] + data_tmp[15:8])
data <= data_tmp[39:8]; //若检验位正确，则数据值有效
else
data <= data;
//data_out:对数码管显示的湿度和温度进行赋值
always@(posedge clk_1us or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
data_out <= 20'b0;
else if(data_flag == 1'b0 )
data_out <= data[31:24] * 10; //湿度小数位为0
else if(data_flag == 1'b1)
//温度低四位显示温度小数数据
data_out <= data[15:8] * 10 + data[3:0];
//sign:符号位的显示
always@(posedge clk_1us or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
sign <= 1'b0;
else if(data[7] == 1'b1 && data_flag == 1'b1)
//当温度低八位最高位为1时，显示负号
sign <= 1'b1;
else
sign <= 1'b0;
endmodule
接着是顶层模块
`timescale 1ns/1ns
module dht11
(
input wire sys_clk , //系统时钟，频率50MHz
input wire sys_rst_n , //复位信号，低电平有效
input wire key_in , //按键信号
inout wire dht11 , //数据总线
output wire stcp , //输出数据存储寄时钟
output wire shcp , //移位寄存器的时钟输入
output wire ds , //串行数据输入
output wire oe
);
//wire define
wire [19:0] data_out; //需要显示的数据
wire key_flag; //按键消抖后输出信号
wire sign ; //输出符号
//-------------dht11_ctrl_inst--------------
dht11_ctrl dht11_ctrl_inst
(
.sys_clk (sys_clk ), //系统时钟，频率50MHz
.sys_rst_n (sys_rst_n), //复位信号，低电平有效
.key_flag (key_flag ), //按键消抖后标志信号
.dht11 (dht11 ), //控制总线
.data_out (data_out ), //输出显示的数据
.sign (sign ) //输出符号
);
//-------------key_fifter_inst--------------
key_filter key_filter_inst
(
.sys_clk (sys_clk ) , //系统时钟50Mhz
.sys_rst_n (sys_rst_n) , //全局复位
.key_in (key_in ) , //按键输入信号
.key_flag (key_flag ) //按键消抖后输出信号
);
//-------------seg_595_dynamic_inst--------------
seg_595_dynamic seg_595_dynamic_inst
(
.sys_clk (sys_clk ), //系统时钟，频率50MHz
.sys_rst_n (sys_rst_n), //复位信号，低有效
.data (data_out ), //数码管要显示的值
.point (6'b000010), //小数点显示,高电平有效
.seg_en (1'b1 ), //数码管使能信号，高电平有效
.sign (sign ), //符号位，高电平显示负号
.stcp (stcp ), //输出数据存储寄时钟
.shcp (shcp ), //移位寄存器的时钟输入
.ds (ds ), //串行数据输入
.oe (oe ) //输出使能信号
);
endmodule
然后得到对应的RTL视图。
然后SignalTap 波形抓取
跟上一个实验类似。
以上是关于FPGA的学习：DHT11数字温湿度传感器的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
STM32读取温湿度传感器DHT11和DHT21（AM2301）系列问题