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Day66 DHT11温湿度传感器驱动开发与单总线通信协议

news 2025/10/21 7:23:00

day66 DHT11温湿度传感器驱动开发与单总线通信协议

一、DHT11传感器基础认知

  • 名称：DHT11（Digital Humidity & Temperature Sensor）
  • 功能：可同时测量环境中的温度（Temperature）和相对湿度（Relative Humidity, RH）
  • 通信方式：单总线（Single Bus）——仅需1根数据线（除VCC、GND外）
  • 工作模式：异步半双工（Asynchronous Half-duplex）通信
  • 成本与普及度：
    • 市场价格约 5～10元
    • 属于入门级传感器，广泛用于教学和基础IoT项目
  • 供电要求：
    • 支持 3.3V 或 5V 电源
    • 建议在数据线加 10kΩ 上拉电阻 以提升信号稳定性

✅ 提示：DHT11输出的温湿度均为整数，小数部分固定为0。

二、DHT11通信协议核心要点

1. 数据传输流程（三步走）

步骤动作说明
① 主机发起请求单片机发送起始信号拉低总线 ≥18ms，再拉高20–40μs
② DHT11响应DHT11返回响应信号80μs低电平 + 80μs高电平
③ 数据输出DHT11连续发送40bit数据高位在前，含校验位

2. 数据格式（共40 bit = 5字节）

字节序内容说明
Byte 0湿度高8位整数部分（如 53 表示 53% RH）
Byte 1湿度低8位DHT11固定为 0
Byte 2温度高8位整数部分（如 24 表示 24℃）
Byte 3温度低8位DHT11固定为 0
Byte 4校验位= (Byte0 + Byte1 + Byte2 + Byte3) 的低8位

✳️ 校验规则：若校验位 ≠ 前四字节之和的低8位 → 数据无效，应丢弃

✅ 正确示例：

接收数据：[0x35][0x00][0x18][0x00] → 和 = 0x35 + 0x00 + 0x18 + 0x00 = 0x4D
校验位 = 0x4D → 匹配 → 有效
→ 湿度 = 53% RH，温度 = 24℃

❌ 错误示例：

若校验位 ≠ 计算值（如校验位是 0x4C 而计算值是 0x4D），则放弃数据

3. 位（bit）时序区分

数据位低电平高电平判断依据
0~50μs~26–28μs高电平短
1~50μs~70μs高电平长

⚠️ 关键：通过测量高电平持续时间判断 bit 值，而非电压高低。

三、驱动开发关键步骤与代码实现

1. 设备树（Device Tree）配置

mydht11 {#address-cells = <1>;#size-cells = <1>;compatible = "mydht11";pinctrl-0 = <&pinctrl_mydht11>;gpio-dht11 = <&gpio1 1 1>;  // 使用 GPIO1_1 引脚status = "okay";
};

📌 操作指令：

vim arch/arm/boot/dts/pt.dts        # 编辑设备树
make pt.dtb                         # 编译设备树
cp arch/arm/boot/dts/pt.dtb ~/tftpboot  # 拷贝到TFTP目录

2. 内核驱动代码（drivers/char/dht11_1.c）

（1）头文件与宏定义
#include <linux/init.h>
#include <linux/printk.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/string.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/delay.h>#define DEV_NAME "dht11"
static int gpio_dht11;  // 存储从设备树获取的GPIO编号

✅ 说明：包含必要头文件，定义设备名和全局GPIO变量。

（2）发送起始信号 dht11_start()
static void dht11_start(void)
{gpio_direction_output(gpio_dht11, 1);  // 设置为输出模式，初始高电平msleep(10);                            // 稳定高电平（可选）gpio_set_value(gpio_dht11,  0);        // 拉低总线msleep(20);                            // 保持低电平 ≥18ms（实际20ms）gpio_set_value(gpio_dht11, 1);         // 拉高总线udelay(40);                            // 保持高电平 20–40μs（此处40μs）gpio_direction_input(gpio_dht11);      // 切换为输入模式，准备接收
}

🔧 功能：严格按照DHT11协议发送起始信号，并切换GPIO为输入以接收响应。
⏱️ 注意：msleep(20) 满足 ≥18ms 要求；udelay(40) 在20–40μs范围内。

（3）等待DHT11响应 dht11_wait_respon()
static int dht11_wait_respon(void)
{// 等待高电平结束（初始状态应为高，但保险起见）int time = 10;while(gpio_get_value(gpio_dht11) && time--){udelay(2);	}if(time <= 0){printk("wait_respon  1..\n");return -1;  // 超时：未检测到低电平开始}// 等待低电平结束（DHT11拉低80μs）time = 120;  // 最多等待120μswhile((!gpio_get_value(gpio_dht11)) && time--){udelay(1);	}if(time <= 0){printk("wait_respon  2..\n");return -2;  // 超时：低电平过长}// 等待高电平结束（DHT11拉高80μs）time = 120;while(gpio_get_value(gpio_dht11) && time--){udelay(1);	}if(time <= 0){printk("wait_respon  3..\n");return -3;  // 超时：高电平过长}return 0;  // 响应成功
}

🔍 功能：检测DHT11的80μs低 + 80μs高响应信号，每步设超时防止死循环。
🛑 错误码：-1/-2/-3 分别对应三阶段超时。

（4）读取单个bit dht11_get_bit()
static inline char dht11_get_bit(void) 
{ // 等待低电平结束（约50μs）int time = 80; while((!gpio_get_value(gpio_dht11)) && time--){udelay(1);	}if(time <= 0){printk("wait_respon  4..\n");return -4;  // 低电平超时}udelay(35);  // 延时35μs，此时若为"0"则已变低，"1"仍为高if(!gpio_get_value(gpio_dht11))return 0;  // 高电平短 → bit=0// 等待高电平结束（为"1"时需等待70μs高电平结束）time = 55;while(gpio_get_value(gpio_dht11) && time--){udelay(1);	}if(time <= 0){printk("wait_respon  5..\n");return -5;  // 高电平超时}return 1;  // bit=1
}

📏 原理：在低电平结束后延时35μs采样——

  • 若此时为低 → 高电平仅26–28μs → bit=0
  • 若此时为高 → 高电平将持续70μs → bit=1
    ✅ 此方法避免精确计时，提高鲁棒性。
（5）读取完整40bit数据 dht11_read_data()
static int dht11_read_data(unsigned char * data)
{int i = 0;int j = 0;for(i = 0; i < 5; i++)        // 5字节{for(j = 0; j < 8; j++)    // 每字节8位，高位在前{char tmp  = dht11_get_bit();if(tmp < 0)return -6;        // 读取bit出错data[i] <<= 1;        // 左移腾出最低位data[i] |= tmp;       // 将新bit填入最低位}}return 5;  // 成功读取5字节
}

🧩 功能：按高位在前顺序组装5字节数据到 data[5] 数组。
⚠️ 若任一bit读取失败（返回负值），立即返回错误码 -6。

（6）文件操作接口（file_operations）
static int open(struct inode * node, struct file * file)
{printk("kernel dht11 open  ...\n");return 0;
}static ssize_t read(struct file * file, char __user * buf, size_t len, loff_t * loff)
{unsigned char data[5] = {0};int ret = 0;dht11_start();                // 发送起始信号ret = dht11_wait_respon();    // 等待响应if(ret < 0)return ret;               // 响应失败，返回错误码ret = dht11_read_data(data);  // 读取40bit数据if(ret < 0)return ret;               // 读取失败ret = copy_to_user(buf, data, sizeof(data));  // 拷贝到用户空间printk("kernel dht11 read  ...\n");return ret;  // 返回未拷贝字节数（0表示成功）
}static ssize_t write(struct file * file, const char __user * buf, size_t len, loff_t * loff)
{return 0;  // 不支持写操作
}static int close(struct inode * node, struct file * file)
{printk("kernel dht11 close  ...\n");return 0;
}

📤 read函数流程：

  1. 发起通信
  2. 等待响应
  3. 读取数据
  4. 拷贝到用户空间
    ✅ 注意：未在校验失败时丢弃数据（需用户层校验）
（7）平台驱动与设备注册
static struct file_operations fops = 
{.owner = THIS_MODULE,.open = open,.read = read,.write = write,.release = close
};static struct miscdevice misc = 
{.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,.name = DEV_NAME,.fops = &fops
};static int probe(struct platform_device * pdev)
{struct device_node * node;int ret = misc_register(&misc);  // 注册misc设备if(ret < 0)goto err_misc_register;node = of_find_node_by_path("/mydht11");  // 查找设备树节点if(NULL == node){ret = PTR_ERR(node);goto err_dts;}gpio_dht11 = of_get_named_gpio(node, "gpio-dht11", 0);  // 获取GPIO编号if(gpio_dht11 < 0){ret = gpio_dht11;goto err_dts;}gpio_request(gpio_dht11, "gpiodht11");        // 申请GPIOgpio_direction_output(gpio_dht11, 1);         // 初始化为输出高电平printk("dht11 probe  ############################ ***\n");return 0;err_dts:
err_misc_register:misc_deregister(&misc);return ret;
}static int remove(struct platform_device * pdev)
{gpio_free(gpio_dht11);misc_deregister(&misc);printk("dht11 remove  ############################\n");return 0;
}static const struct of_device_id dht11_table[] = 
{{.compatible = "mydht11"},{}
};static struct platform_driver drv = 
{.probe = probe,.remove = remove,.driver = {.name = DEV_NAME,.of_match_table = dht11_table}
};static int __init dht11_driver_init(void)
{int ret = platform_driver_register(&drv);	if(ret < 0)goto err_driver_register;printk("dht11 platform_driver_register ...\n");return 0;err_driver_register:platform_driver_unregister(&drv);return ret;
}static void __exit dht11_driver_exit(void)
{platform_driver_unregister(&drv);printk("dht11 platform_driver_unregister ...\n");
}module_init(dht11_driver_init);
module_exit(dht11_driver_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

🧱 架构说明：

  • 使用 miscdevice 简化设备注册（自动分配次设备号）
  • 通过 设备树 获取GPIO引脚
  • 标准 platform_driver 框架，支持热插拔

3. 编译与加载驱动

vim drivers/char/Makefile
# 新增：
obj-m += dht11_1.omake modules
cp drivers/char/dht11_1.ko ~/nfs/imx6/rootfs

📦 说明：将驱动编译为模块（.ko），拷贝到目标文件系统。

4. 用户空间测试程序（dht11_app.c）

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>int main(int argc, const char *argv[])
{int fd = open("/dev/dht11", O_RDWR);  // 打开设备节点if(fd < 0){perror("open dht11 ");return -1;}int i = 0;unsigned char data[5] = {0};while(1){int ret = read(fd, data, sizeof(data));  // 读取5字节printf("ret = %d\n", ret);perror("read dht11");for(i = 0; i < 5; i++){printf("%x\t", data[i]);  // 打印十六进制}printf("\n");sleep(2);  // DHT11要求 ≥1秒间隔，此处2秒更安全}close(fd);return 0;
}

🖥️ 编译与运行：

arm-linux-gnueabihf-gcc dht11_app.c -o dht11_app
# 目标板操作：
tftp 0x80800000 zImage
tftp 0x83000000 pt.dtb
bootz 0x80800000 - 0x83000000
insmod dht11_1.ko
./dht11_app
💡 理想运行结果：
kernel dht11 open ...
kernel dht11 read ...
ret = 0
read dht11: Success
32        0        18        5        4f
kernel dht11 read ...
ret = 0
read dht11: Success
32        0        18        8        52
...

📊 数据解析示例：

  • 32 0 18 5 4f → 湿度=0x32=50% RH，温度=0x18=24℃，校验=0x32+0+0x18+5=0x4F → 有效
  • 32 0 18 8 52 → 湿度=50%，温度=24℃，校验=0x32+0+0x18+8=0x52 → 有效

⚠️ 注意：驱动未做校验，需用户程序自行验证第5字节。

四、使用注意事项与调试建议

  1. 采样频率：DHT11最大采样率 1Hz，两次读取间隔 ≥1秒
  2. 超时机制：所有等待循环必须设超时，防止死锁
  3. GPIO模式切换：
    • 发送起始信号 → 输出模式
    • 接收响应和数据 → 输入模式
  4. 校验处理：驱动层未校验，用户程序必须验证校验位
  5. 常见问题排查：
    • 返回 -1/-2/-3：检查GPIO连接、上拉电阻、时序
    • 数据全0或固定值：可能未正确切换输入模式
    • 校验频繁失败：检查电源稳定性或读取间隔是否太短

五、上下文使用规范（Linux驱动）

上下文类型允许操作禁止操作
中断上下文
（ISR, softirq, tasklet）		自旋锁、udelay休眠、msleep、copy_to_user、printk（部分）
进程上下文
（open/read/write/workqueue）		互斥锁、信号量、msleep、copy_to_user、printk—

✅ 本驱动中 read 属于进程上下文，可安全使用 msleep/udelay/printk。

✅ 总结

本日学习涵盖：

  • DHT11单总线通信协议（起始信号、响应、数据格式、校验）
  • bit时序判别原理（高电平长短区分0/1）
  • Linux平台驱动开发（设备树、miscdevice、GPIO控制）
  • 用户空间测试程序编写
  • 驱动编译、加载与调试流程

💡 核心思想：硬件通信依赖精确时序，驱动需严格遵循协议，并加入超时保护与错误处理。

http://www.dtcms.com/a/506820.html

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