Arduino: utilizzo del sensore di umidità e temperatura DHT11

Proseguo con le sperimentazioni di laboratorio di Sistemi dedicate alla progettazione di una semplice stazione meteorologica. In questa lezione i miei allievi di 5 Automazione dovranno gestire un sensore di umidità e temperatura DHT 11 e svolgere successivamente i tre esercizi proposti al termine di questa guida.

Il DHT11 è un sensore digitale di umidità e temperatura dell’aria costituito da una parte resistiva che si occupa della rilevazione dell’umidità e da un NTC che rileva la temperatura, queste due parti sono gestite da un microcontrollore che è parte integrante del sensore. Il DHT 11 viene pre-calibrato in fabbrica e i dati di calibrazione vengono memorizzati all’interno di una memoria di sola lettura (OPT Memory).

Caratteristiche del sensore

  • Intervallo di temperatura: da 0 a 50 ºC +/-2 ºC
  • Intervallo di umidità: da 20 a 90% +/-5%
  • Risoluzione:
    • Umidità: 1%
    • Temperatura: 1ºC
  • Tensione di alimentazione: 3 – 5.5 V DC
  • Corrente assorbita: 0.5 – 2.5 mA
  • Periodo di campionamento: 1 sec

Le dimensioni ridotte, il basso consumo energetico e la possibilità di trasmettere il segnale su cavo fino a 20 metri lo rendono interessante per diverse applicazioni sia in campo hobbistico che semiprofessionale.

Quando la lunghezza del cavo di collegamento è inferiore a 20 metri è consigliabile inserire una resistenza di pull-up da 4,7 Kohm sulla linea dati (pin 2).

Il sensore può essere acquistato in due configurazioni:

Componente singolo a 4 pin su stessa linea

Componente montato su breakout board a 3 pin (in questo caso la resistenza di pull-up interna sul pin 2 è già presente)

Pinout

Nel caso in cui si utilizzi il componente a 4 pin la corrispondenza è la seguente

  • pin 1: Vcc
  • pin 2: Out
  • pin 3: non connesso
  • pin 4: GND

Per filtrare i segnali di disturbo provenienti dall’alimentazione è consigliabile inserire un condensatore da 100nF tra Vcc e GND.

Modalità di comunicazione

La lettura dei dati rilevati dal sensore può avvenire solo dopo un tempo di 1 secondo dall’atto dell’accensione del sensore.

La comunicazione con il sensore avviene utilizzando una connessione seriale che utilizza un solo filo (Single-Wire Two-Way). Il pacchetto informativo che include i dati di temperatura ed umidità inviati dal sensore ha una lunghezza di 40 bit ed una durata di 4 ms.

Il DHT11 quando alimentato si pone in una modalità a basso consumo. Quando il microcontrollore invia un segnale di start, il DHT11 passa dalla modalità a basso consumo alla modalità di funzionamento nell’attesa che il Microcontrollore completi la fase di avvio. Completata la fase di avvio il sensore invia un pacchetto informativo di risposta al microcontrollore costituito da 40 bit al cui interno si trovano le informazioni relative a umidità e temperatura rilevate. Senza il segnale di start proveniente dal microcontrollore il DHT11 non fornirà mai i dati. Conclusa la fase di invio dati il DHT11 ritorna in una modalità a basso consumo fino a quando non rileva un nuovo segnale di start proveniente dal microcontrollore.

Schema di collegamento

Per poter utilizzare il sensore è indispensabile utilizzare una libreria specifica, utilizzeremo  la libreria DHT di Adafruit

Per poter installare la libreria andare in Sketch > Library > Include Library > Manage Libraries

Inserite nel campo di ricerca “DHT” e selezionate la libreria di Adafruit:

Procedere successivamente all’installazione della libreria “Adafruit Unified Sensor”, procedendo seguendo la medesima procedura adottata per la libreria precedente:

Per verificare il funzionamento del sensore aprite lo sketch: File > Examples > DHT Sensor library > DHTtester

Lo sketch DHTtester permetterà di stampare temperatura e umidità sulla Serial Monitor

// Example testing sketch for various DHT humidity/temperature sensors
// Written by ladyada, public domain

// REQUIRES the following Arduino libraries:
// - DHT Sensor Library: https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library
// - Adafruit Unified Sensor Lib: https://github.com/adafruit/Adafruit_Sensor

#include "DHT.h"

#define DHTPIN 2     // Digital pin connected to the DHT sensor
// Feather HUZZAH ESP8266 note: use pins 3, 4, 5, 12, 13 or 14 --
// Pin 15 can work but DHT must be disconnected during program upload.

// Uncomment whatever type you're using!
#define DHTTYPE DHT11   // DHT 11
//#define DHTTYPE DHT22   // DHT 22  (AM2302), AM2321
//#define DHTTYPE DHT21   // DHT 21 (AM2301)

// Connect pin 1 (on the left) of the sensor to +5V
// NOTE: If using a board with 3.3V logic like an Arduino Due connect pin 1
// to 3.3V instead of 5V!
// Connect pin 2 of the sensor to whatever your DHTPIN is
// Connect pin 4 (on the right) of the sensor to GROUND
// Connect a 10K resistor from pin 2 (data) to pin 1 (power) of the sensor

// Initialize DHT sensor.
// Note that older versions of this library took an optional third parameter to
// tweak the timings for faster processors.  This parameter is no longer needed
// as the current DHT reading algorithm adjusts itself to work on faster procs.
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println(F("DHTxx test!"));

  dht.begin();
}

void loop() {
  // Wait a few seconds between measurements.
  delay(2000);

  // Reading temperature or humidity takes about 250 milliseconds!
  // Sensor readings may also be up to 2 seconds 'old' (its a very slow sensor)
  float h = dht.readHumidity();
  // Read temperature as Celsius (the default)
  float t = dht.readTemperature();
  // Read temperature as Fahrenheit (isFahrenheit = true)
  float f = dht.readTemperature(true);

  // Check if any reads failed and exit early (to try again).
  if (isnan(h) || isnan(t) || isnan(f)) {
    Serial.println(F("Failed to read from DHT sensor!"));
    return;
  }

  // Compute heat index in Fahrenheit (the default)
  float hif = dht.computeHeatIndex(f, h);
  // Compute heat index in Celsius (isFahreheit = false)
  float hic = dht.computeHeatIndex(t, h, false);

  Serial.print(F("Humidity: "));
  Serial.print(h);
  Serial.print(F("%  Temperature: "));
  Serial.print(t);
  Serial.print(F("°C "));
  Serial.print(f);
  Serial.print(F("°F  Heat index: "));
  Serial.print(hic);
  Serial.print(F("°C "));
  Serial.print(hif);
  Serial.println(F("°F"));
}

Analisi del codice

Inclusione della libreria DHT

#include "DHT.h"

Definizione del pin digitale di Arduino a cui collegheremo il pin dati del DHT 11

#define DHTPIN 2     // Digital pin connected to the DHT sensor

Definizione di quale tipo di sensore DHT deve essere utilizzato, nel nostro caso il DHT 11.

#define DHTTYPE DHT11   // DHT 11

Se state utilizzando un altro sensore DHT, dovrete commentare la riga precedente e rimuovere il commento da una delle seguenti linee di codice:

//#define DHTTYPE DHT22   // DHT 22  (AM2302), AM2321
//#define DHTTYPE DHT21   // DHT 21 (AM2301)

Inizializza un oggetto DHT chiamato dht con il pin e digitale che avete definito in precedenza

DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

Nel setup() inizializziamo la Serial Monitor con un baud rate di 9600 caratteri e scriviamo un testo per avere percezione che il sistema è avviato

  Serial.begin(9600);
  Serial.println(F("DHTxx test!"));

Inizializziamo il sensore DHT con il metodo .begin()

dht.begin();

Nel loop() viene aggiunto un ritardo di 2 secondi affinché il sensore si stabilizzi ed abbia il tempo di effettuare la lettura dei dati. La frequenza di campionamento massima è di due secondi per il DHT22 e un secondo per il DHT11.

delay(2000);

Per ottenere l’umidità, è sufficiente utilizzare il metodo readHumidity() sull’oggetto dht. Nello scketck viene salvato il valore nella variabile. Si noti che il metodo readHumidity() restituisce un valore di tipo float.

float h = dht.readHumidity();

Per ottenere leggere la temperatura bisogna utilizzare il metodo readTemperature()

float t = dht.readTemperature();

Nel caso in cui si voglia leggere la temperatura in gradi Fahrenheit è sufficiente passare il valore true al metodo readTemperature()

  float f = dht.readTemperature(true);

La libreria include anche metodi per calcolare l’indice di calore in Fahrenheit e Celsius

  // Compute heat index in Fahrenheit (the default)
  float hif = dht.computeHeatIndex(f, h);
  // Compute heat index in Celsius (isFahreheit = false)
  float hic = dht.computeHeatIndex(t, h, false);

Il codice che segue stampa sulla Serial Monitor i dati letti

  Serial.print(F("Humidity: "));
  Serial.print(h);
  Serial.print(F("%  Temperature: "));
  Serial.print(t);
  Serial.print(F("°C "));
  Serial.print(f);
  Serial.print(F("°F  Heat index: "));
  Serial.print(hic);
  Serial.print(F("°C "));
  Serial.print(hif);
  Serial.println(F("°F"));

Effettuato l’upload dello sketch sulla scheda aprendo la Serial Monitor vedere i dati letti dal sensore

Noterete che il sensore risulta molto lento nel fornire la temperatura e l’umidità reale, ha necessità di qualche minuto affinché la misura si stabilizzi su quella realmente presente nell’ambiente.

Di seguito lo sketch semplificato in più parti che fornisce solo la lettura di umidità e temperatura:

// Libreria DHT
#include "DHT.h"

// Pin digitale di arduino connesso al DHT
#define DHTPIN 2

// tipo del sensore: DHT 11
#define DHTTYPE DHT11

DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println(F("DHTxx test!"));

  dht.begin();
}

void loop() {
  // Attesa di 2 secondi prima di fornire la misura.
  delay(2000);

  // Lettura dell'umidità
  float h = dht.readHumidity();
  // Lettura della temperatura in gradi Celsius
  float t = dht.readTemperature();

  // Verifica se le si presenta un errore di lettura (e riprova nuovamente)
  if (isnan(h) || isnan(t)) {
    Serial.println(F("Impossibile leggere dal sensore DHT!"));
    return;
  }

  Serial.print(F("Umidità: "));
  Serial.print(h);
  Serial.print(F("%  Temperatura: "));
  Serial.print(t);
  Serial.println(F("°C "));
}

Nota

Avrete sicuramente notato che l’istruzione Serial.print contiene al suo interno come parametro F(“testo”). La “F” indica che la stringa non utilizza la RAM della scheda.

Quando compilate uno sketch Arduino alla fine della compilazione viene indicata la quantità di memoria occupata dal programma (memorizzata nella memoria flash) che state utilizzando e la quantità di RAM dinamica che state utilizzando.

Nel caso si utilizzi un gran quantità di testo costante potreste incorrere in un messaggio di errore di “memoria insufficiente”, ciò vuol dire che si è esaurita la RAM a disposizione.

Ciò dipende dal fatto che le stringhe di testo costanti presenti nello sketch vengono sempre allocate in RAM.

Per risolvere il problema è sufficiente indicare al compilatore che tutte le stringhe di testo costanti contenute nelle Serial.print non dovranno essere allocate nella RAM.

Attenzione che ciò non potrete essere fatto per le Serial.print che contengono variabili.

Quindi

  Serial.print("Umidità: ");

può essere sostituita con

  Serial.print(F("Umidità: "));

e così anche per le altre Serial.print che contengono un testo costante.

Esercizi

Esercizio 1: inviare temperatura e umidità su un display 16×2 I2C

Esercizio 2: utilizzare due pulsanti che permetteranno rispettivamente di mostrare temperatura e pressione sul display

Esercizio 3: All’avvio dello sketch con retroilluminazione attiva, appare un messaggio di benvenuto che dura 2 secondi, successivamente un messaggio che mostra l’help di utilizzo, ad esempio:

  • P1 temperatura
  • P2 umidità

questo messaggio persiste per 5 secondi, dopo di che la retroilluminazione viene disattivata (il testo help rimane presente sul display).

Non appena si preme uno dei due pulsanti si attiva la retroilluminazione del display e compare il dato richiesto per 5 secondi, allo scadere del tempo ricompare l’help e la retroilluminazione si disattiva.

Buon making a tutti 🙂

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