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~

一、前言
[二、DHT11 模块核心认知](#二、DHT11 模块核心认知)
- [2.1 模块特性与接线](#2.1 模块特性与接线)
- [2.2 单总线协议时序图解析](#2.2 单总线协议时序图解析)
[三、CubeMX 工程配置](#三、CubeMX 工程配置)
- [3.1 基础配置（芯片 / 时钟 / Debug）](#3.1 基础配置（芯片 / 时钟 / Debug）)
- [3.2 TIM1 配置（1μs 高精度延时）](#3.2 TIM1 配置（1μs 高精度延时）)
- [3.3 串口 1 配置（数据打印）](#3.3 串口 1 配置（数据打印）)
[四、DHT11 驱动代码实现（带详细注释）](#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](#4.1 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](#4.2 核心函数：延时 / IO 模式切换 / 数据读取)
- [4.3 串口重定向（usart.c）](#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：

数据线（PA7）拉低 18ms（必须≥18ms，否则 DHT11 不响应）；
数据线拉高 20~40μs（等待 DHT11 应答）；
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：

数据线拉低 80μs（表示 "已收到起始信号"）；
数据线拉高 80μs（表示 "准备发送数据"）；
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）

芯片选择 ：搜索并选择 STM32F103C8T6；
Debug 配置 ：进入 System Core → SYS，Debug 选择 Serial Wire（必须设置，否则无法烧录）；
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）：

进入 Timers → TIM1，模式选择 Internal Clock；
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）；
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：

进入 Connectivity → USART1，模式选择 Asynchronous（异步通信）；
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）；
引脚：默认 PA9（TX）、PA10（RX），无需手动调整。

工程生成

进入 Project Manager → Code Generator，勾选 Generate peripheral initialization as a pair of .c/.h files per peripheral；
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：

c 复制代码

#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）

c 复制代码

#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）

c 复制代码

/**
 * @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）

c 复制代码

/**
 * @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）

c 复制代码

/**
 * @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 0
        if (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）

c 复制代码

/**
 * @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）

c 复制代码

/**
 * @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+1
        if (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：

c 复制代码

#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 1000ms
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)&ch, 1, 1000);
    return ch;
}

Keil 配置（支持 printf）

打开工程 Options for Target → Target，勾选 Use MicroLIB（启用微库）；
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：

c 复制代码

#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

硬件接线：DHT11 VCC→3.3V、GND→GND、DATA→PA7；
串口工具设置：波特率 115200、数据位 8、停止位 1、校验位 None；
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：

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；
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；
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。

下一篇我们讲解IIC协议并用OLED屏幕实时显示信息，请关注 Hello_Embed，持续更新环境监测项目！

STM32 环境监测项目笔记（一）：DHT11 温湿度传感器原理与驱动实现

目录

一、前言

二、DHT11 模块核心认知

2.1 模块特性与接线

2.1.1 核心参数

2.1.2 接线说明

2.2 单总线协议时序图解析

2.2.1 1. 起始信号（STM32 → DHT11）

2.2.2 2. 应答信号（DHT11 → STM32）

2.2.3 3. 数据传输（DHT11 → STM32）

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）

工程生成

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

4.2.1 1μs 高精度延时函数（基于 TIM1）

4.2.2 数据线输出模式切换（STM32 发送信号）

4.2.3 数据线输入模式切换（STM32 接收信号）

4.2.4 读取 1 字节数据（8 位）

4.2.5 完整数据采集（起始→应答→读取→校验）

4.2.6 采集任务封装（对外接口）

4.3 串口重定向（usart.c）

Keil 配置（支持 printf）

五、测试验证与结果分析

测试结果

六、总结