STM32 环境监测项目笔记（一）：DHT11 温湿度传感器原理与驱动实现

本系列笔记是笔者学习 B 站 up 主 “技术探索者” STM32 系列视频所作的记录，不理解的地方推荐观看视频~

目录

• 一、前言
• 二、DHT11 模块核心认知
  • 2.1 模块特性与接线
  • 2.2 单总线协议时序图解析
• 三、CubeMX 工程配置
  • 3.1 基础配置（芯片 / 时钟 / Debug）
  • 3.2 TIM1 配置（1μs 高精度延时）
  • 3.3 串口 1 配置（数据打印）
• 四、DHT11 驱动代码实现（带详细注释）
  • 4.1 头文件（dht11.h）：宏定义与结构体
  • 4.2 核心函数：延时 / IO 模式切换 / 数据读取
  • 4.3 串口重定向（usart.c）
• 五、测试验证与结果分析
• 六、总结

一、前言

大家好，我是 Hello_Embed。上一系列我们完成了智能垃圾桶项目，从模块驱动到功能整合，掌握了嵌入式开发的基础流程。本次开启新系列 ——环境监测项目，核心目标是实现 “温湿度 + 光照强度” 的实时采集与 OLED 显示，既复习定时器、串口等旧知识，也将学习单总线、ADC、IIC 等新协议。

本系列第一篇聚焦 DHT11 温湿度传感器—— 这是嵌入式开发中最常用的入门级温湿度模块，通过单总线协议实现数据传输，接线简单但对时序精度要求高。本次将从模块原理、时序分析、CubeMX 配置到驱动代码，完整实现 DHT11 的温湿度采集功能。

二、DHT11 模块核心认知

2.1 模块特性与接线

2.1.1 核心参数

DHT11 是低成本数字式温湿度传感器，性能满足日常环境监测需求，关键参数如下：

参数	规格	说明
温度测量	范围 0~50℃，精度 ±2℃	无负温测量能力，适合常温场景
湿度测量	范围 20%~80% RH，精度 ±5% RH	低湿 / 高湿环境精度会下降
通信协议	单总线（1-Wire）	仅需 1 根数据线实现双向通信
供电电压	3.3V~5V	兼容 STM32 3.3V/5V 供电
响应时间	≤2s	每次采集间隔建议 ≥2s

2.1.2 接线说明

DHT11 共 3 个引脚（部分模块带 4 引脚，其中 1 个为空脚），接线原则如下（本次选用 PA7 作为数据线）：

DHT11 引脚	功能	连接对象（STM32）	备注
VCC	电源正极	3.3V/5V 引脚	勿接反，否则可能烧毁模块
GND	电源负极	GND 引脚	必须与 STM32 共地
DATA	单总线数据	PA7 引脚	需配置为双向 IO（输入 / 输出切换）

2.2 单总线协议时序图解析

DHT11 与 STM32 的通信完全依赖 “时序”，需严格遵循 “起始信号→应答信号→数据传输” 三步流程，时序图如下：

2.2.1 1. 起始信号（STM32 → DHT11）

STM32 主动发送起始信号，告知 DHT11 “准备采集数据”，时序要求：

1. 数据线（PA7）拉低 18ms（必须≥18ms，否则 DHT11 不响应）；
2. 数据线拉高 20~40μs（等待 DHT11 应答）；
3. 此时 STM32 需将数据线切换为 输入模式，准备接收 DHT11 的应答信号。

2.2.2 2. 应答信号（DHT11 → STM32）

DHT11 检测到起始信号后，主动发送应答信号，时序特征：

1. 数据线拉低 80μs（表示 “已收到起始信号”）；
2. 数据线拉高 80μs（表示 “准备发送数据”）；
3. 应答信号结束后，进入数据传输阶段。

2.2.3 3. 数据传输（DHT11 → STM32）

DHT11 一次传输 40 位二进制数据（共 5 字节），数据格式与解析规则如下：

• 数据格式：8 位湿度整数 → 8 位湿度小数 → 8 位温度整数 → 8 位温度小数 → 8 位校验和；
  • 例：若 5 字节为 0x40, 0x00, 0x19, 0x00, 0x59，则湿度 = 64% RH，温度 = 25℃，校验和 = 64+0+25+0=89=0x59（校验通过）；
• 位数据区分：DHT11 通过 “高电平持续时间” 区分 0 和 1：
  • 数据 0：低电平 50μs → 高电平 26~28μs；
  • 数据 1：低电平 50μs → 高电平 70μs；
• 校验规则：前 4 字节之和 = 第 5 字节（校验和），若不相等则数据无效。

三、CubeMX 工程配置

本次使用 STM32F103C8T6 最小系统板，新建 CubeMX 工程，配置步骤如下：

3.1 基础配置（芯片 / 时钟 / Debug）

1. 芯片选择：搜索并选择 STM32F103C8T6；
2. Debug 配置：进入 System Core → SYS，Debug 选择 Serial Wire（必须设置，否则无法烧录）；
3. 时钟配置：
   • 进入 System Core → RCC，High Speed Clock（HSE）选择 Crystal/Ceramic Resonator（外部晶振）；
   • 进入 Clock Configuration，将 HCLK 配置为 72MHz（STM32F103 最高主频），配置如下：
     
     

3.2 TIM1 配置（1μs 高精度延时）

DHT11 时序对时间精度要求到 μs 级，需用定时器实现 1μs 延时，选择 TIM1（16 位定时器，满足延时需求）：

1. 进入 Timers → TIM1，模式选择 Internal Clock；
2. 参数配置：
   • Prescaler（预分频值）：72 - 1（72MHz 时钟 / 72 = 1MHz，即 1 次计数 = 1μs）；
   • Counter Period（ARR）：65535（16 位定时器最大计数，避免频繁溢出）；
3. 配置截图如下：
   

3.3 串口 1 配置（数据打印）

通过串口 1 打印温湿度数据，配置如下：

1. 进入 Connectivity → USART1，模式选择 Asynchronous（异步通信）；
2. 基本参数：波特率 115200，数据位 8，停止位 1，校验位 None（默认配置，无需修改）；
3. 引脚：默认 PA9（TX）、PA10（RX），无需手动调整。

工程生成

1. 进入 Project Manager → Code Generator，勾选 Generate peripheral initialization as a pair of .c/.h files per peripheral；
2. 选择工程路径，Toolchain/IDE 设为 MDK-ARM，点击 Generate Code 生成工程。

四、DHT11 驱动代码实现（带详细注释）

新建 driver 文件夹，创建 dht11.c 和 dht11.h，并将 driver 文件夹添加到 Keil 工程路径（Options for Target → C/C++ → Include Paths）。

4.1 头文件（dht11.h）：宏定义与结构体

定义数据线引脚、数据类型别名、存储温湿度的结构体，声明核心函数：

#ifndef __DHT11_H
#define __DHT11_H#include "main.h"// 数据类型别名（简化代码）
#define u8  unsigned char
#define u16 unsigned short
#define u32 unsigned int// ------------- DHT11 数据线引脚宏定义 -------------
#define DATA_PIN        GPIO_PIN_7    // 数据线对应引脚：PA7
#define DATA_GPIO_Port  GPIOA         // 数据线对应端口：GPIOA// 数据线电平控制宏（简化代码）
#define DATA_SET()      HAL_GPIO_WritePin(DATA_GPIO_Port, DATA_PIN, GPIO_PIN_SET)   // 拉高数据线
#define DATA_RESET()    HAL_GPIO_WritePin(DATA_GPIO_Port, DATA_PIN, GPIO_PIN_RESET) // 拉低数据线
#define DATA_READ()     HAL_GPIO_ReadPin(DATA_GPIO_Port, DATA_PIN)                  // 读取数据线电平// ------------- 温湿度数据存储结构体 -------------
typedef struct
{u8 Data[5];    // 存储 DHT11 传输的 40 位数据（5 字节）u8 index;      // 数据计数标志（可选，用于统计采集次数）u8 temp;       // 解析后的温度值（整数部分）u8 humidity;   // 解析后的湿度值（整数部分）
} DHT11_DATA;// 全局变量声明（供外部文件调用，如 main.c）
extern DHT11_DATA DHT11_data;// 函数声明
void DHT11_Task(void);  // DHT11 采集任务（对外接口）#endif

4.2 核心函数：延时 / IO 模式切换 / 数据读取

在 dht11.c 中实现 5 个核心函数：μs 延时、数据线输入 / 输出模式切换、位数据读取、完整数据采集、采集任务封装。

4.2.1 1μs 高精度延时函数（基于 TIM1）

#include "dht11.h"// 声明 TIM1 句柄（CubeMX 自动生成在 tim.c 中）
extern TIM_HandleTypeDef htim1;
// 定义全局结构体变量（存储温湿度数据）
DHT11_DATA DHT11_data;/*** @brief  1μs 高精度延时函数* @param  us：目标延时时间（单位：μs，最大 65530μs，避免溢出）* @retval 无* @note   基于 TIM1 实现，通过设置计数起始值补偿代码执行时间*/
void Delay_us(uint16_t us)
{u16 differ = 0xffff - us - 5;  // 计数起始值：-5 用于补偿函数调用耗时__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim1, differ);  // 设置 TIM1 计数起始值HAL_TIM_Base_Start(&htim1);  // 启动 TIM1 计数// 等待计数到接近 0xffff（避免定时器溢出）while (differ < 0xffff - 5){differ = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim1);  // 实时读取计数值}HAL_TIM_Base_Stop(&htim1);  // 停止 TIM1 计数
}

4.2.2 数据线输出模式切换（STM32 发送信号）

/*** @brief  设置数据线为输出模式，并控制电平* @param  flag：0=拉低数据线，1=拉高数据线* @retval 无* @note   单总线需频繁切换 IO 模式，此函数封装输出模式配置*/
static void DATA_OUTPUT(u8 flag)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};  // GPIO 初始化结构体// 配置 PA7 为推挽输出模式GPIO_InitStruct.Pin = DATA_PIN;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;  // 推挽输出GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;          // 无上下拉（输出模式无需）GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;// 高速模式HAL_GPIO_Init(DATA_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);// 根据 flag 控制电平if (flag == 0){DATA_RESET();  // 拉低数据线}else{DATA_SET();    // 拉高数据线}
}

4.2.3 数据线输入模式切换（STM32 接收信号）

/*** @brief  设置数据线为输入模式，并读取电平* @param  无* @retval 0=数据线低电平，1=数据线高电平* @note   配置为上拉输入，避免引脚悬空导致误判*/
static u8 DATA_INPUT(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};u8 flag = 0;  // 存储读取到的电平状态// 配置 PA7 为上拉输入模式GPIO_InitStruct.Pin = DATA_PIN;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;     // 输入模式GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;         // 上拉电阻（防止悬空）HAL_GPIO_Init(DATA_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);// 读取数据线电平并返回if (DATA_READ() == GPIO_PIN_RESET){flag = 0;  // 低电平}else{flag = 1;  // 高电平}return flag;
}

4.2.4 读取 1 字节数据（8 位）

/*** @brief  读取 DHT11 发送的 1 字节数据（8 位二进制）* @param  无* @retval 读取到的 1 字节数据* @note   通过高电平持续时间区分 0 和 1，加入超时机制防止程序卡死*/
static u8 DHT11_Read_Byte(void)
{u8 ReadDat = 0;  // 存储最终读取的字节数据u8 temp = 0;     // 存储每一位的二进制值（0/1）u8 retry = 0;    // 超时计数（防止死循环）u8 i = 0;        // 循环变量（8 位数据）// 循环 8 次，读取 8 位数据for (i = 0; i < 8; i++){// 1. 等待 DHT11 拉低数据线（每一位数据前先拉低 50μs）while (DATA_READ() == 0 && retry < 100){Delay_us(1);retry++;}retry = 0;  // 重置超时计数// 2. 延时 40μs：数据 0 的高电平（26~28μs）会在此期间结束，数据 1 仍为高电平Delay_us(40);// 3. 判断当前电平：高电平则为 1，低电平则为 0if (DATA_READ() == 1){temp = 1;}else{temp = 0;}// 4. 等待 DHT11 拉低数据线（当前位数据传输结束）while (DATA_READ() == 1 && retry < 100){Delay_us(1);retry++;}retry = 0;  // 重置超时计数// 5. 数据封装：左移 1 位空出最低位，将当前位值存入ReadDat <<= 1;ReadDat |= temp;}return ReadDat;  // 返回读取到的 1 字节数据
}

4.2.5 完整数据采集（起始→应答→读取→校验）

/*** @brief  完整的 DHT11 数据采集函数* @param  无* @retval 1=采集成功，0=采集失败（校验不通过或无应答）* @note   整合起始信号、应答信号、数据读取、校验逻辑*/
static u8 DHT11_Read(void)
{u8 retry = 0;  // 超时计数u8 i = 0;      // 循环变量（5 字节数据）// 1. 发送起始信号（STM32 → DHT11）DATA_OUTPUT(0);  // 数据线输出模式，拉低HAL_Delay(18);   // 拉低 18ms（必须≥18ms）DATA_OUTPUT(1);  // 拉高数据线Delay_us(20);    // 拉高 20μs（等待应答）// 2. 切换为输入模式，接收应答信号（DHT11 → STM32）DATA_INPUT();Delay_us(20);    // 等待应答信号稳定// 3. 判断是否收到应答（先低后高）if (DATA_READ() == 0){// 3.1 等待应答低电平结束（80μs）while (DATA_READ() == 0 && retry < 100){Delay_us(1);retry++;}retry = 0;// 3.2 等待应答高电平结束（80μs）while (DATA_READ() == 1 && retry < 100){Delay_us(1);retry++;}retry = 0;// 4. 读取 5 字节数据（40 位）for (i = 0; i < 5; i++){DHT11_data.Data[i] = DHT11_Read_Byte();}Delay_us(50);  // 数据读取后延时，确保稳定}// 5. 校验数据（前 4 字节之和 = 第 5 字节）u32 sum = DHT11_data.Data[0] + DHT11_data.Data[1] + DHT11_data.Data[2] + DHT11_data.Data[3];if (sum == DHT11_data.Data[4]){// 校验通过，解析温湿度（仅取整数部分，小数部分通常为 0）DHT11_data.humidity = DHT11_data.Data[0];  // 湿度整数DHT11_data.temp = DHT11_data.Data[2];      // 温度整数return 1;  // 采集成功}else{return 0;  // 校验失败，数据无效}
}

4.2.6 采集任务封装（对外接口）

/*** @brief  DHT11 采集任务（供 main.c 调用）* @param  无* @retval 无* @note   简化外部调用，加入采集次数统计（可选）*/
void DHT11_Task(void)
{if (DHT11_Read())  // 若采集成功{DHT11_data.index++;  // 采集次数+1if (DHT11_data.index >= 128)  // 防止 index 溢出{DHT11_data.index = 0;}}
}

4.3 串口重定向（usart.c）

在 usart.c 中实现 fputc 函数，让 printf 通过串口 1 打印温湿度数据：

#include <stdio.h>  // 包含 printf 所需头文件/*** @brief  串口1 重定向函数，printf 输出到串口* @param  ch：要输出的字符* @param  f：文件指针（标准输出，无需关注）* @retval 输出的字符*/
int fputc(int ch, FILE *f)
{// 发送 1 个字符到串口1，超时时间 1000msHAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)&ch, 1, 1000);return ch;
}

Keil 配置（支持 printf）

1. 打开工程 Options for Target → Target，勾选 Use MicroLIB（启用微库）；
2. 进入 Debug → Settings → Flash Download，勾选 Reset and Run（下载后自动运行）。

五、测试验证与结果分析

在 main.c 中调用 DHT11 采集任务，周期性打印温湿度数据：

#include "dht11.h"int main(void)
{//主循环：每 3 秒采集并打印一次温湿度while (1){DHT11_Task();  // 采集温湿度// 打印数据（仅整数部分，DHT11 小数部分通常为 0）printf("Temp is %d ℃\r\n", DHT11_data.temp);printf("Hum is %d %%RH\r\n", DHT11_data.humidity);printf("------------------------\r\n");HAL_Delay(3000);  // 间隔 3 秒（≥DHT11 响应时间 2s）}
}

测试结果

1. 硬件接线：DHT11 VCC→3.3V、GND→GND、DATA→PA7；
2. 串口工具设置：波特率 115200、数据位 8、停止位 1、校验位 None；
3. 预期结果：串口每 3 秒打印一次温湿度，示例如下：
   

六、总结

本次笔记完整实现了 DHT11 温湿度传感器的驱动开发，核心收获包括：

1. 理解单总线协议的时序逻辑：起始信号、应答信号、数据传输的时间要求是采集成功的关键；
2. 掌握 IO 模式动态切换：单总线需频繁在 “输出（发信号）” 和 “输入（收信号）” 之间切换；
3. 学会数据校验与异常处理：通过校验和判断数据有效性，加入超时机制防止程序卡死。

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