【CanMV K210】传感器实验 DHT11 温湿度读取与环境监测

在智能硬件项目中，传感器负责把真实环境转换成程序可以处理的数据。温湿度采集是最常见的入门实验之一，空气温度、环境湿度、机房监测、农业大棚、仓储管理、智能家居都离不开这类基础数据。对于 Python 硬件编程学习而言，DHT11 实验的价值不只是打印温度和湿度，而是理解程序如何通过 GPIO 与外部传感器完成一次完整通信。

本实验使用 CanMV K210 开发板连接 DHT11 温湿度传感器，DATA 数据线接到 IO6。程序启动后等待 2 秒，让传感器和数据总线稳定，再每隔 2 秒读取一次温湿度数据。读取成功时，串口终端会输出温度和湿度；读取失败时，程序会根据数据缺失或校验错误输出对应错误信息。

学习目标	说明
理解温湿度采集流程	认识 DHT11 如何把环境温度和湿度转换成程序可读取的数据
掌握 GPIO 单总线通信	在同一个 DATA 引脚上完成启动信号发送和数据接收
理解输入输出模式切换	发送启动信号时使用输出模式，接收数据时切换为输入模式
学会数据校验	通过 40 位数据解析和校验字节判断读取结果是否可靠
建立传感器调试思路	从接线、电源、上拉、读取频率和错误码分析常见问题

DHT11 属于低速环境传感器，读取频率不能过高。当前代码每隔 2 秒读取一次数据，既能保证串口中持续看到结果，也能减少缺失数据和校验错误。这个实验很适合作为环境监测课程的基础案例，后续可以继续扩展 LCD 显示、蜂鸣器报警、LED 状态提示、数据保存和远程上传。

理论基础

DHT11 是常见的数字温湿度传感器，模块内部已经完成了温湿度采集和基础数据处理，外部主控只需要通过 DATA 数据线与它通信即可。它和普通模拟传感器不同，DHT11 不需要额外 ADC 模块，返回的不是连续模拟电压，而是一组带有格式和校验的数据。

本实验中的 DATA 线既要发送信号，也要接收信号。程序开始读取时，先把 GPIO 设置成输出模式，将数据线拉低一段时间，通知 DHT11 开始通信；随后释放数据线，并把 GPIO 切换成输入模式，等待传感器返回响应波形和 40 位数据。这个过程对时序比较敏感，所以代码里同时使用了毫秒级延时和微秒级延时。

DHT11 返回的数据通常由 5 个字节组成，分别表示湿度整数部分、湿度小数部分、温度整数部分、温度小数部分和校验字节。程序读取到 40 位二进制数据后，会把它们转换成 5 个字节，再用前 4 个字节计算校验值。如果计算结果和第 5 个字节一致，说明本次读取有效；如果不一致，就会返回 CRC 错误。
CanMV K210

Python 程序发起读取
IO6 / GPIOHS3

切换为输出模式
DATA 拉低约 20ms

发送启动信号
释放 DATA 总线

切换为输入模式
DHT11 响应

返回高低电平波形
采集 40 位数据

湿度 / 温度 / 校验
字节转换与校验

判断数据是否有效
串口输出

温度 / 湿度 / 错误信息
供电与共地

VCC / GND
读取间隔

建议约 2 秒

这张流程图展示的是 DHT11 的电路通信和数据解析过程。CanMV K210 不是直接读取一个固定电平，而是先发起通信，再根据 DHT11 返回的高低电平持续时间解析数据。对于硬件编程入门而言，这个实验能很好地展示 GPIO 不只是输入或输出，还可以在同一根线上根据通信阶段动态切换角色。

实验中还需要关注电平安全。部分 DHT11 模块支持 3.3V 或 5V 供电，但 CanMV K210 的 IO 更适合 3.3V 电平。如果模块供电接 5V，并且 DATA 被模块上拉到 5V，不建议直接接入 K210 IO。更稳妥的做法是优先使用 3.3V 供电，或者在 5V 供电场景中加入电平转换，避免数据线电平超出开发板 IO 承受范围。

硬件设施

本实验只围绕代码中真实出现的硬件对象展开，也就是 CanMV K210 开发板、DHT11 温湿度传感器和 GPIO 数据通信。代码没有使用 LCD、按键、蜂鸣器、摄像头或电机，因此硬件重点集中在 DHT11 的 DATA、VCC、GND 三个接口，以及 CanMV IO6 的数据通信功能。

接线关系可以通过下面这张图建立整体印象。DHT11 的 DATA / S / OUT 接到 CanMV IO6，VCC 接到合适的供电端，GND 接到开发板 GND。通电前重点核对 DATA、VCC、GND 的顺序，避免把数据线和电源线接反。

硬件 / 软件	作用	说明
CanMV K210 开发板	实验运行平台	负责执行 MicroPython 程序，并通过 GPIO 与 DHT11 通信
DHT11 温湿度传感器	环境数据采集模块	采集空气温度和湿度，并通过单总线 DATA 引脚返回数据
CanMV IO6	传感器数据接口	代码中通过 `fm.register()` 将 IO6 映射为 GPIOHS3
`maix.GPIO`	GPIO 控制模块	用于切换输出模式、输入模式和读取电平变化
`fpioa_manager.fm`	引脚功能映射模块	用于把物理引脚 IO6 绑定到 GPIOHS3 功能
`time`	延时控制模块	用于控制 DHT11 启动信号、微秒采样和 2 秒读取间隔

实验中使用到的核心零件如下。DHT11 负责采集环境温湿度，CanMV K210 负责发起读取和解析数据，连接线负责建立 DATA、VCC、GND 三条基础连接。若模块上标注为 DATA、S 或 OUT，本质上都表示传感器的数据输出引脚。

接线关系已经在代码注释中给出。DHT11 的 DATA、S 或 OUT 引脚连接到 CanMV IO6，电源引脚连接 3.3V 或合适的模块供电端，GND 连接开发板 GND。代码中只对 DATA 数据线进行了 GPIO 控制，因此表格重点整理数据通信映射。

传感器引脚	CanMV 接口	GPIO 功能	代码变量	说明
DATA / S / OUT	IO6	GPIOHS3	`dht_gpio`	用于发送启动信号并接收 DHT11 返回数据
VCC	3.3V 优先	无	无	为 DHT11 提供工作电源，若使用 5V 模块需关注 DATA 电平安全
GND	GND	无	无	与开发板共地，保证数据电平有统一参考

完成接线后的整体状态如下。实验运行前应检查 DHT11 模块方向、DATA 数据线位置、电源电压和 GND 是否正确。程序启动后不会立即打印温湿度，而是先等待 2 秒，让传感器和数据总线进入稳定状态。

实验现象	正常表现	异常提示
程序启动	串口输出 `DHT11 humiture test start`	没有输出时检查脚本运行和串口连接
等待稳定	启动后约 2 秒开始读取	立即读取可能出现缺失数据或校验错误
读取成功	串口打印温度和湿度	数值长期不变时检查传感器供电和环境变化
缺失数据	串口提示 `missing data`	常见于 DATA 接线错误、传感器未供电或时序不稳定
校验错误	串口提示 `crc error`	常见于线材过长、干扰明显或读取频率过高
模块异常发热	正常情况下 DHT11 不应明显发烫	立即断电检查 VCC、GND、DATA 是否接反

软件代码

本实验代码围绕 DHT11 的单总线数据读取展开。程序包含读取结果类、DHT11 驱动类、硬件配置和主程序循环。读取结果类负责统一保存错误码、温度和湿度；驱动类负责完成启动信号、数据采样、位解析、字节转换和校验；硬件配置负责把 IO6 映射为 GPIOHS3；主循环负责定时读取并打印结果。

软件环境	作用	检查重点
CanMV IDE	编辑、运行和调试 K210 程序	能识别开发板串口，并能运行基础 `print()` 测试
CanMV 固件	提供 `maix.GPIO` 和 `fpioa_manager` 模块	固件环境需要支持 GPIO 模式切换和 `time.sleep_us()`
USB 串口驱动	让电脑识别开发板串口	串口工具中能看到对应端口
`maix.GPIO`	创建 GPIO 对象	支持 `GPIO.OUT`、`GPIO.IN`、`GPIO.PULL_UP` 和 `value()`
`fpioa_manager.fm`	完成物理引脚与 GPIOHS 映射	IO6 能映射到 GPIOHS3
`time`	延时与时序控制	用于启动等待、20ms 拉低、30us 释放和 2 秒采样间隔

python 复制代码

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

"""
CanMV K210 DHT11 温湿度传感器实验 - 单文件稳定版

接线说明：
DHT11 DATA / S / OUT -> CanMV IO6
DHT11 VCC            -> 3.3V / 5V
DHT11 GND            -> GND

说明：
DHT11 读取频率不能太高，建议 2 秒读取一次。
启动后等待 2 秒，让传感器和 DATA 总线先稳定。
"""

import time
from maix import GPIO
from fpioa_manager import fm


# =========================
# DHT11 读取结果类
# =========================

class DHT11Result:
    ERR_NO_ERROR = 0
    ERR_MISSING_DATA = 1
    ERR_CRC = 2

    def __init__(self, error_code, temperature, humidity):
        self.error_code = error_code
        self.temperature = temperature
        self.humidity = humidity

    def is_valid(self):
        return self.error_code == DHT11Result.ERR_NO_ERROR


# =========================
# DHT11 驱动类
# =========================

class DHT11:

    def __init__(self, gpio):
        self._gpio = gpio

    def read(self):
        # 空闲状态为高电平
        self._gpio.mode(GPIO.OUT)
        self._gpio.value(1)
        time.sleep_ms(50)

        # 主机拉低至少 18ms，通知 DHT11 开始发送数据
        self._gpio.value(0)
        time.sleep_ms(20)

        # 释放总线
        self._gpio.value(1)
        time.sleep_us(30)

        # 切换为输入模式，优先尝试启用上拉
        try:
            self._gpio.mode(GPIO.IN, GPIO.PULL_UP)
        except:
            self._gpio.mode(GPIO.IN)

        data = self.__collect_input()
        pull_up_lengths = self.__parse_data_pull_up_lengths(data)

        if len(pull_up_lengths) != 40:
            return DHT11Result(DHT11Result.ERR_MISSING_DATA, 0, 0)

        bits = self.__calculate_bits(pull_up_lengths)
        the_bytes = self.__bits_to_bytes(bits)

        if len(the_bytes) != 5:
            return DHT11Result(DHT11Result.ERR_MISSING_DATA, 0, 0)

        checksum = self.__calculate_checksum(the_bytes)

        if the_bytes[4] != checksum:
            return DHT11Result(DHT11Result.ERR_CRC, 0, 0)

        humidity = the_bytes[0] + float(the_bytes[1]) / 10
        temperature = the_bytes[2] + float(the_bytes[3]) / 10

        return DHT11Result(DHT11Result.ERR_NO_ERROR, temperature, humidity)

    def __collect_input(self):
        unchanged_count = 0
        max_unchanged_count = 120

        last = -1
        data = []

        while True:
            current = self._gpio.value()
            data.append(current)

            if current != last:
                unchanged_count = 0
                last = current
            else:
                unchanged_count += 1

                if unchanged_count > max_unchanged_count:
                    break

            if len(data) > 8000:
                break

        return data

    def __parse_data_pull_up_lengths(self, data):
        STATE_INIT_PULL_DOWN = 1
        STATE_INIT_PULL_UP = 2
        STATE_DATA_FIRST_PULL_DOWN = 3
        STATE_DATA_PULL_UP = 4
        STATE_DATA_PULL_DOWN = 5

        state = STATE_INIT_PULL_DOWN
        lengths = []
        current_length = 0

        for current in data:
            current_length += 1

            if state == STATE_INIT_PULL_DOWN:
                if current == 0:
                    state = STATE_INIT_PULL_UP
                continue

            if state == STATE_INIT_PULL_UP:
                if current == 1:
                    state = STATE_DATA_FIRST_PULL_DOWN
                continue

            if state == STATE_DATA_FIRST_PULL_DOWN:
                if current == 0:
                    state = STATE_DATA_PULL_UP
                continue

            if state == STATE_DATA_PULL_UP:
                if current == 1:
                    current_length = 0
                    state = STATE_DATA_PULL_DOWN
                continue

            if state == STATE_DATA_PULL_DOWN:
                if current == 0:
                    lengths.append(current_length)
                    state = STATE_DATA_PULL_UP
                continue

        return lengths

    def __calculate_bits(self, pull_up_lengths):
        shortest_pull_up = min(pull_up_lengths)
        longest_pull_up = max(pull_up_lengths)
        halfway = shortest_pull_up + (longest_pull_up - shortest_pull_up) / 2

        bits = []

        for length in pull_up_lengths:
            bits.append(length > halfway)

        return bits

    def __bits_to_bytes(self, bits):
        the_bytes = []
        byte = 0

        for i in range(len(bits)):
            byte = byte << 1

            if bits[i]:
                byte = byte | 1

            if (i + 1) % 8 == 0:
                the_bytes.append(byte)
                byte = 0

        return the_bytes

    def __calculate_checksum(self, the_bytes):
        return (the_bytes[0] + the_bytes[1] + the_bytes[2] + the_bytes[3]) & 255


# =========================
# 硬件配置
# =========================

DHT_PIN = 6

fm.register(DHT_PIN, fm.fpioa.GPIOHS3, force=True)

try:
    dht_gpio = GPIO(GPIO.GPIOHS3, GPIO.OUT, GPIO.PULL_UP)
except:
    dht_gpio = GPIO(GPIO.GPIOHS3, GPIO.OUT)

sensor = DHT11(dht_gpio)


# =========================
# 主程序
# =========================

print("DHT11 humiture test start")

# 上电后等待传感器稳定
time.sleep_ms(2000)

while True:
    result = sensor.read()

    if result.is_valid():
        print("--------------------")
        print("Temperature: %-3.1f C" % result.temperature)
        print("Humidity: %-3.1f %%" % result.humidity)
    else:
        if result.error_code == DHT11Result.ERR_MISSING_DATA:
            print("Read error, code: 1, missing data")
        elif result.error_code == DHT11Result.ERR_CRC:
            print("Read error, code: 2, crc error")
        else:
            print("Read error, code:", result.error_code)

    # DHT11 建议 2 秒读取一次
    time.sleep_ms(2000)

这段代码可以理解成三个层级。底层是 GPIO 映射和 DATA 数据线控制，负责把 IO6 变成 dht_gpio 对象；中间层是 DHT11 类，负责发送启动信号、采集电平波形、解析 40 位数据和完成校验；上层是主循环，负责定时读取、判断结果并打印温湿度或错误信息。

DHT11Result 用来封装一次读取的结果。它不直接操作硬件，只负责保存错误码、温度和湿度。ERR_NO_ERROR 表示读取成功，ERR_MISSING_DATA 表示没有采集到完整 40 位数据，ERR_CRC 表示校验失败。主循环通过 is_valid() 判断读取是否有效，这样错误处理逻辑会更清晰。

DHT11.read() 是驱动流程的入口。程序先把 GPIO 设置为输出模式，让数据线保持高电平，再拉低 20 毫秒发送启动信号。DHT11 接收到启动信号后，程序释放总线并切换到输入模式，开始采集传感器返回的高低电平序列。由于 DHT11 通过高电平持续时间区分 0 和 1，所以代码先收集电平变化，再分析每一段高电平长度。

__collect_input() 会连续读取 DATA 引脚电平，并把采样结果保存到列表中。当电平长时间不再变化，或者采样数据超过限制，采集过程结束。__parse_data_pull_up_lengths() 使用状态机解析返回波形，提取出 40 个数据位对应的高电平长度。__calculate_bits() 根据最短和最长高电平计算中间阈值，大于阈值的位判断为 1，小于阈值的位判断为 0。

函数名	功能	对应现象
`DHT11Result.__init__()`	保存错误码、温度和湿度	每次读取都有统一的数据结果
`DHT11Result.is_valid()`	判断读取是否成功	主循环根据结果决定打印数据或错误
`DHT11.__init__()`	保存 GPIO 对象	驱动类获得 DATA 数据线控制权
`DHT11.read()`	完成一次 DHT11 读取流程	串口输出温度、湿度或错误信息
`__collect_input()`	采集 DATA 引脚电平变化	获取传感器返回的原始波形数据
`__parse_data_pull_up_lengths()`	提取 40 位数据的高电平长度	把原始电平变化转换为可判断的时序片段
`__calculate_bits()`	根据高电平长度判断 0 和 1	得到 DHT11 返回的 40 位二进制数据
`__bits_to_bytes()`	将 40 位数据转换为 5 个字节	形成湿度、温度和校验数据
`__calculate_checksum()`	计算校验值	判断本次读取数据是否可靠
`time.sleep_ms(2000)`	控制读取间隔	每隔约 2 秒读取一次温湿度

主程序中的 time.sleep_ms(2000) 很关键。DHT11 的读取频率不能太高，启动后也需要一定时间稳定。如果连续快速读取，传感器可能还没有准备好新数据，串口就会出现缺失数据或 CRC 错误。当前程序采用 2 秒读取一次的节奏，符合 DHT11 这类低速温湿度传感器的使用特点。

扩展应用

DHT11 实验的调试重点通常不在算法本身，而在接线、电源、DATA 数据线时序和读取频率。程序已经对缺失数据和 CRC 错误做了分类输出，因此排查时可以根据串口信息定位问题方向。

问题现象	可能原因	处理思路
串口一直没有输出	程序没有运行、开发板未连接、串口工具未打开	检查脚本是否执行，确认终端能看到 `DHT11 humiture test start`
一直提示 `missing data`	DATA 线未接到 IO6、引脚映射不匹配、传感器未供电	核对 DHT11 DATA 是否连接 CanMV IO6，检查 VCC 和 GND
偶尔出现 `crc error`	数据线干扰、读取时序不稳定、供电不稳	缩短连线、确认共地，保持 2 秒读取间隔
温湿度数值一直为 0	传感器数据没有被正确解析，或模块连接异常	重新检查接线方向，确认 DATA、VCC、GND 没有接反
读取成功率低	上拉不稳定、线材过长、启动等待不足	保留 `GPIO.PULL_UP`，必要时增加外部上拉电阻，保持上电后等待 2 秒
读取速度无法提高	DHT11 本身采样频率较低	不建议把 `time.sleep_ms(2000)` 改得过小，否则错误率会升高
使用 5V 供电后通信异常	DATA 电平可能与 K210 IO 不匹配	优先使用 3.3V 供电；若必须 5V 供电，应加入电平转换
模块明显发热	VCC、GND 接反或供电异常	立即断电检查接线，不要继续运行程序

DHT11 实验可以自然延伸到很多环境监测场景。当前代码已经完成传感器初始化、数据读取、错误判断和周期输出，这些能力是环境采集类项目的基础。后续只需要把串口打印替换成屏幕显示、数据保存、网络上传或报警逻辑，就可以从单一实验扩展成完整应用。

应用场景	实现思路	可扩展能力
室内温湿度监测	定时读取 DHT11 数据，并在串口或屏幕显示	后续可扩展 LCD 显示当前环境数据
智能家居环境反馈	将温湿度作为房间环境状态输入	可结合风扇、加湿器等设备形成自动控制逻辑
机房或设备箱监控	周期采集温湿度，发现异常时输出提示	可扩展蜂鸣器或 LED 实现报警
农业大棚采集	读取环境湿度和温度，辅助判断作物环境	可扩展数据记录和远程上传
教学演示实验	用真实传感器解释 GPIO 输入、时序和校验	适合讲解单总线通信和二进制数据解析
数据采集项目原型	将 `sensor.read()` 作为统一采集接口	可继续接入多个传感器，形成环境数据采集系统
环境异常提醒	温度或湿度超过阈值时触发提示	可结合蜂鸣器、LED 或屏幕显示形成多通道提醒

从工程角度看，当前程序已经具备较好的模块化基础。DHT11 类把底层时序读取封装起来，主循环只需要调用 sensor.read() 获取结果。这样的结构有利于后续扩展，屏幕显示、数据上传、文件记录和报警判断都可以围绕读取结果继续开发，而不需要频繁修改底层通信代码。

总结

本实验通过 CanMV K210 开发板完成了 DHT11 温湿度传感器读取，核心能力包括 FPIOA 引脚映射、GPIO 输入输出模式切换、单总线通信、微秒级时序采样、二进制数据解析、字节转换和校验判断。代码不是简单读取一个数值，而是完整展示了主机发起通信、传感器返回数据、程序解析数据、串口输出结果的全过程。

DHT11 实验很适合作为传感器课程的起点。它能让抽象的 GPIO 输入输出、数据线时序、错误校验变成可观察的温湿度结果。实验过程中需要注意供电电压、DATA 数据线电平和读取间隔，避免因接线、电平不匹配或过快读取造成异常。后续课程可以继续扩展到 LCD 显示、蜂鸣器报警、LED 状态提示、数据存储、网络上传和环境监测系统等方向。