DHT11温湿度传感器详解

DHT11 是一款价格低廉、易于使用的数字温湿度传感器。它能够测量环境的温度和相对湿度，并将数据以数字信号的形式输出。由于其简单性、成本效益和易于集成到微控制器项目中，DHT11 在业余爱好者项目、DIY 智能家居以及一些非关键性物联网 (IoT) 应用中非常流行。

核心思想： DHT11 通过单总线 (Single-Wire) 接口与微控制器通信，提供经过校准的温度和湿度数字读数。

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一、DHT11 概述

DHT11 传感器内部包含一个电阻式湿敏元件和一个 NTC 热敏电阻（用于温度测量），并集成了一个 8 位微控制器来处理模拟信号转换为数字信号，并进行校准和输出。

1.1 主要特性

• 供电电压：3V ~ 5.5V DC
• 电流消耗：
  • 测量时：约 2.5mA
  • 待机时：100uA ~ 150uA
• 湿度测量范围：20% ~ 90% RH (相对湿度)
  • 精度：±5% RH
  • 分辨率：1% RH
• 温度测量范围：0°C ~ 50°C
  • 精度：±2°C
  • 分辨率：1°C
• 输出信号：单总线数字信号 (Single-Wire Digital Signal)
• 采样周期：最低 1 秒（建议不要少于 2 秒，以保证传感器完全稳定）
• 封装：通常是 4 引脚或 3 引脚的 SIP (Single In-line Package) 模块。

1.2 优点与缺点

优点：

• 价格低廉：非常经济实惠。
• 接口简单：只需一根数据线与微控制器连接。
• 数字输出：直接输出数字信号，无需额外 ADC 转换。
• 集成度高：内置校准，方便使用。

缺点：

• 精度较低：湿度 ±5%RH，温度 ±2°C，对于需要高精度测量的应用可能不够。
• 响应速度慢：采样周期较长，不适合快速变化的环境。
• 测量范围窄：尤其是温度和湿度的高端/低端限制。
• 稳定性一般：长期稳定性不如更高端的传感器。
• 通信协议比较严格：对时序要求较高，否则可能读取失败。

1.3 引脚定义

标准的 DHT11 模块通常有 3 个或 4 个引脚：

引脚名称	功能描述
VCC	供电电源 (3V ~ 5.5V)
Data	单总线数据输入/输出引脚
NC	(Not Connected) 未连接 (4 引脚版本有此引脚)
GND	接地

连接注意事项：

• 上拉电阻：DHT11 的数据线 (Data Pin) 必须连接一个 4.7KΩ ~ 10KΩ 的上拉电阻到 VCC。这是因为 DHT11 的数据线是开漏 (Open-Drain) 输出，需要外部上拉才能输出高电平。
• 电源稳定性：确保 VCC 供电稳定。

二、DHT11 通信协议 (单总线)

DHT11 采用一种独特的单总线协议进行通信，微控制器通过控制数据线的电平变化来与传感器进行交互。整个通信过程可以分为以下几个步骤：

1. 主机发送开始信号 (Start Signal)
2. DHT11 响应信号 (Response Signal)
3. DHT11 发送数据 (40 位数据)

整个通信过程对时序要求非常严格，需要微控制器精确控制数据线的电平保持时间。

2.1 协议详解

关键时序点：

• 主机发送开始信号：
  • 拉低数据线至少 18ms (DHT11 内部检测到总线由高到低，并持续 18ms 以上，判断为开始信号)。
  • 拉高数据线 20-40us (释放总线，等待 DHT11 响应)。
• DHT11 响应信号：
  • 拉低数据线 80us。
  • 拉高数据线 80us。
• DHT11 发送数据 (40 位)：
  • 每位数据开始：DHT11 先拉低数据线 50us。
  • 数据 ‘0’：紧接着拉高数据线 26-28us。
  • 数据 ‘1’：紧接着拉高数据线 70us。
  • MCU 采样：微控制器在 DHT11 拉低 50us 后，等待一小段时间（如 20us），然后读取数据线的电平。如果此时为低电平，则为 ‘0’；如果为高电平，则为 ‘1’。

2.2 40 位数据格式

DHT11 每次发送 40 位数据，分为 5 个字节：

字节序号	数据内容	位数	范围
Byte 1	湿度整数部分	8	0~99%RH
Byte 2	湿度小数部分	8	始终为 0
Byte 3	温度整数部分	8	0~50°C
Byte 4	温度小数部分	8	始终为 0
Byte 5	校验和	8	(Byte1+Byte2+Byte3+Byte4) 的低 8 位

校验和验证：
读取完 40 位数据后，将前 4 个字节相加，如果其低 8 位与第 5 个字节（校验和）相等，则说明数据传输正确。

三、DHT11 在微控制器中的实现

实现 DHT11 驱动程序需要精确控制 IO 口的时序，通常会用到微控制器内部的定时器或简单的延时函数。

3.1 伪代码示例 (C 语言)

以下是一个简化的伪代码，展示了与 DHT11 交互的核心逻辑：

// 假设 DATA_PIN 是连接到 DHT11 数据线的微控制器引脚
// 假设 delay_us() 和 delay_ms() 是微秒和毫秒延时函数
// 假设 set_pin_output() 和 set_pin_input() 设置引脚方向
// 假设 write_pin() 和 read_pin() 设置/读取引脚电平

func read_dht11_data() (temperature int, humidity int, err error) {
    // 1. MCU 发送开始信号
    set_pin_output(DATA_PIN) // 设置为输出模式
    write_pin(DATA_PIN, LOW) // 拉低数据线
    delay_ms(18)             // 保持至少 18ms
    write_pin(DATA_PIN, HIGH) // 拉高数据线 (释放总线)
    delay_us(40)             // 保持 20-40us

    // 2. MCU 切换为输入模式，等待 DHT11 响应
    set_pin_input(DATA_PIN) // 设置为输入模式
  
    // 等待 DHT11 拉低 (响应开始)
    timeout_count := 0
    for read_pin(DATA_PIN) == HIGH {
        delay_us(1)
        timeout_count++
        if timeout_count > 100 { // 超过 100us 仍未拉低，表示无响应
            return 0, 0, errors.New("DHT11 no response (low)")
        }
    }

    // 等待 DHT11 拉高 (响应结束)
    timeout_count = 0
    for read_pin(DATA_PIN) == LOW {
        delay_us(1)
        timeout_count++
        if timeout_count > 100 { // 超过 100us 仍未拉高，表示无响应
            return 0, 0, errors.New("DHT11 no response (high)")
        }
    }

    // 3. 读取 40 位数据
    var data [5]byte
    for i := 0; i < 5; i++ { // 循环读取 5 个字节
        for j := 0; j < 8; j++ { // 循环读取每个字节的 8 位
            // 等待 DHT11 拉低 50us (数据起始信号)
            timeout_count = 0
            for read_pin(DATA_PIN) == HIGH {
                delay_us(1)
                timeout_count++
                if timeout_count > 100 { return 0, 0, errors.New("DHT11 data start timeout (low)") }
            }
            timeout_count = 0
            for read_pin(DATA_PIN) == LOW { // 持续拉低 50us
                delay_us(1)
                timeout_count++
                if timeout_count > 60 { return 0, 0, errors.New("DHT11 data start timeout (high from low)") } // 50us + 10us 裕量
            }
          
            // 采样数据电平 (等待约 20-30us，在拉高期间采样)
            // 拉低 50us 结束后，DHT11会拉高数据线
            // 如果拉高持续 26-28us 是 '0'，如果拉高持续 70us 是 '1'
            // 我们在拉高开始后，等待一个合适的时间点 (如 30us) 进行采样
            delay_us(30) // 等待进入数据电平高位段的稳定区域

            if read_pin(DATA_PIN) == HIGH { // 此时仍为高电平，说明拉高持续时间长，为 '1'
                data[i] = (data[i] << 1) | 1 // 写入 '1'
            } else { // 此时已变为低电平 (或者在 30us 后依然是低电平，理论上不应该发生)，为 '0'
                data[i] = (data[i] << 1) | 0 // 写入 '0'
            }

            // 等待当前数据位完全结束 (对于 '1' 需要等待 70us，'0' 需要等待 28us)
            // 这里可以直接等待到下一个拉低信号的开始，或者简单等待一个最大时间
            // 更稳健的做法是等待拉低信号出现，表示本位结束
            timeout_count = 0
            for read_pin(DATA_PIN) == HIGH { // 等待拉高结束，总线变为低电平 (或等待下一个数据位的起始拉低)
                delay_us(1)
                timeout_count++
                if timeout_count > 100 { return 0, 0, errors.New("DHT11 data bit end timeout") } // 防止卡死
            }
        }
    }

    // 4. 校验数据
    checksum := (data[0] + data[1] + data[2] + data[3]) & 0xFF
    if checksum != data[4] {
        return 0, 0, errors.New("DHT11 checksum error")
    }

    // 5. 解析数据
    humidity = int(data[0])
    temperature = int(data[2])
    return temperature, humidity, nil
}

注意事项：

• 精确延时：delay_us() 函数的精度至关重要。在不同的微控制器上，实现精确延时可能需要查阅手册，或者使用定时器中断等机制。
• 中断禁用：在读取 DHT11 数据时，为了保证时序的精确性，通常建议禁用中断或使用中断安全的方式进行 IO 操作。
• 多次尝试：由于环境干扰或时序偶然性，偶尔读取失败是正常的。可以在主程序中加入重试机制。
• 采样间隔：严格遵守 DHT11 建议的至少 1-2 秒的采样间隔。

四、常见问题与排查

1. 传感器无响应 (始终读高或读低)：
   • 检查上拉电阻是否连接，阻值是否合适 (4.7KΩ ~ 10KΩ)。
   • 检查供电 VCC 和 GND 是否正确连接且稳定。
   • 检查微控制器 IO 口是否损坏。
   • DHT11 是否损坏。
2. 读数错误或校验和错误：
   • 时序问题：这是最常见的问题。检查你的延时函数是否精确，是否符合 DHT11 协议的时序要求。确保在读取数据期间没有其他中断或耗时操作干扰。
   • 数据线连接问题：虚焊、接触不良等。
   • 电源波动：电源不稳可能导致传感器工作异常。
   • 采样间隔不足：DHT11 两次采样之间需要至少 1 秒的稳定时间。
3. 读数固定不变或为 0/负值：
   • 通常是传感器未正确初始化或数据传输失败。
   • 检查代码逻辑，确保所有 40 位数据都被正确读取。
   • DHT11 损坏。

五、总结

DHT11 是一款非常适合初学者和非关键性应用的温湿度传感器。尽管其精度和响应速度有限，但其低成本和简单的数字接口使其成为许多 DIY 项目的理想选择。成功驱动 DHT11 的关键在于精确地遵循其单总线通信协议的时序要求。通过理解其工作原理和协议细节，并注意一些常见的坑，你可以轻松地将 DHT11 集成到你的微控制器项目中，实现环境数据的监测。对于需要更高精度、更快响应或更宽测量范围的应用，则应考虑 DHT22 (AM2302)、SHT30 等更高级的传感器。