嵌入式学习总结：从 I2C 中断驱动到 DHT11 温湿度采集实战

幼儿园蛋小黄2026-10-14 11:53

1. 引言

在嵌入式开发的学习道路上，从裸机点灯到驱动外设，再到理解中断与总线协议，是一条必经的进阶之路。本文以 ARM 平台 + I2C 中断驱动 + DHT11 温湿度传感器 为主线，记录一次完整的嵌入式学习与实战总结，涵盖硬件原理、驱动框架、中断机制、协议解析与代码实现，希望能为同样在路上的读者提供一份可参考的路线图。

2. 学习目标与整体框架

本次学习围绕三个核心关键词展开：

  • ARM：以 ARM Cortex-M 系列（如 STM32F103）为硬件平台，理解其内核架构、中断控制器（NVIC）与 GPIO 复用。
  • I2C 中断驱动：掌握 I2C 总线协议，并学会用中断方式（而非轮询）驱动 I2C 外设，提升 CPU 利用率。
  • DHT11：一款单总线数字温湿度传感器，通过自定义时序协议与主机通信，是理解时序驱动与位级解析的绝佳案例。

整体学习路径如下：
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GPIO 与中断系统
I2C 协议与中断驱动
DHT11 单总线时序
综合实战：数据采集与显示

3. ARM 平台与开发环境准备

3.1 硬件平台

本次实验选用 STM32F103C8T6（ARM Cortex-M3 内核），搭配：

  • I2C1 总线：用于连接 EEPROM（AT24C02）等标准 I2C 设备，验证中断驱动。
  • 普通 GPIO（如 PA0）：用于连接 DHT11 数据引脚。
  • 串口（USART1）：用于打印采集到的温湿度数据。

3.2 软件环境

  • 集成开发环境：Keil MDK 或 STM32CubeIDE。
  • 固件库：标准外设库（SPL）或 HAL 库。
  • 调试工具：ST-Link / J-Link，串口调试助手。

建议先跑通一个 GPIO 点灯例程，再逐步引入中断与总线协议，避免一步到位带来的挫败感。

4. 中断系统：嵌入式驱动的灵魂

4.1 什么是中断

中断是 CPU 处理异步事件的机制。当外设（如定时器、串口、I2C）发生特定事件时，会向 CPU 发出中断请求，CPU 暂停当前任务，跳转到对应的中断服务函数（ISR）处理，处理完毕后再返回原任务继续执行。

4.2 ARM 中断控制器（NVIC）

在 Cortex-M 内核中，NVIC（嵌套向量中断控制器） 负责中断的使能、优先级管理与响应。每个外设中断都有独立的 IRQn 编号，通过库函数配置即可：

c 复制代码 
/* 使能 I2C1 事件中断 */
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = I2C1_EV_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

4.3 中断 vs 轮询

方式 CPU 占用 实时性 适用场景
轮询 高（持续查询标志位） 一般 简单、低速外设
中断 低（事件触发才处理） 高 高速、多任务场景

学习心得：中断让 CPU 从「忙等」中解放出来，是嵌入式系统从「裸机」走向「实时操作系统」的关键一步。

5. I2C 总线协议与中断驱动实战

5.1 I2C 协议基础

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种两线制串行总线：

  • SCL：时钟线，由主机控制。
  • SDA：数据线，双向传输。

通信流程包括：起始条件（START）、地址帧、数据帧、应答位（ACK/NACK）、停止条件（STOP）。

5.2 中断方式驱动 I2C

相比轮询方式，中断驱动 I2C 的核心思路是：发起传输后立即返回，在中断服务函数中根据事件标志推进状态机。

以 HAL 库为例，中断发送数据的核心代码如下：

c 复制代码 
/* 主机以中断方式向从机地址 0xA0 发送 2 字节数据 */
uint8_t pData[2] = {0x12, 0x34};
HAL_I2C_Master_Transmit_IT(&hi2c1, 0xA0, pData, 2);

对应的中断回调函数：

c 复制代码 
void HAL_I2C_MasterTxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
{
    if (hi2c == &hi2c1)
    {
        /* 传输完成，置标志位供主循环处理 */
        g_i2c_tx_done = 1;
    }
}

5.3 中断驱动的状态机设计

实际项目中，一次完整的 I2C 中断读写往往需要多个步骤，建议用状态机管理：

c 复制代码 
typedef enum {
    I2C_IDLE,
    I2C_START,
    I2C_SEND_ADDR,
    I2C_SEND_DATA,
    I2C_STOP,
    I2C_DONE
} I2C_State_t;

学习心得：中断驱动看似复杂，但一旦掌握「事件 + 状态机」的思维，就能优雅地处理各种异步外设，也为后续学习 RTOS 的事件驱动模型打下基础。

6. DHT11 温湿度传感器：单总线时序解析

6.1 DHT11 简介

DHT11 是一款数字温湿度传感器，采用**单总线（Single-Wire）**通信，仅需一根数据线即可完成双向通信。测量范围：湿度 20%--90% RH，温度 0--50℃，精度一般，但胜在便宜、简单，非常适合入门。

6.2 通信时序

DHT11 的通信由主机发起，时序如下：

  1. 主机拉低数据线至少 18ms，然后释放（拉高），启动通信。
  2. DHT11 响应：先拉低 80us，再拉高 80us，表示准备好发送数据。
  3. 随后连续发送 40 位数据（5 字节）：湿度整数、湿度小数、温度整数、温度小数、校验和。
  4. 每位数据通过高电平持续时间区分：26--28us 表示「0」，70us 表示「1」。

6.3 位级读取代码实现

读取一位的核心逻辑（基于 GPIO 中断或定时器捕获）：

c 复制代码 
uint8_t DHT11_ReadBit(void)
{
    uint8_t bit = 0;
    /* 等待高电平开始 */
    while (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_GPIO_PORT, DHT11_PIN) == GPIO_PIN_RESET);
    /* 延时 40us 后采样 */
    Delay_us(40);
    if (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_GPIO_PORT, DHT11_PIN) == GPIO_PIN_SET)
    {
        bit = 1;  /* 高电平持续较长，表示 '1' */
    }
    /* 等待高电平结束 */
    while (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_GPIO_PORT, DHT11_PIN) == GPIO_PIN_SET);
    return bit;
}

6.4 数据校验

接收完 40 位数据后，需校验：

c 复制代码 
if ((hum_int + hum_dec + temp_int + temp_dec) == checksum)
{
    /* 数据有效 */
}
else
{
    /* 数据错误，丢弃本次读取 */
}

学习心得：DHT11 的时序解析让我深刻理解了「时序就是协议」这句话。没有硬件 SPI/I2C 控制器时，用 GPIO 模拟时序是嵌入式开发的必备技能。

7. 综合实战：I2C 中断 + DHT11 数据采集系统

7.1 系统设计

将两部分结合，构建一个完整的数据采集系统：

  • I2C 中断驱动：负责与 EEPROM 通信，保存温湿度历史数据。
  • DHT11：负责实时采集温湿度。
  • 串口：打印数据，便于观察。

7.2 主程序流程

c 复制代码 
int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_I2C1_Init();
    MX_USART1_UART_Init();

    while (1)
    {
        /* 1. 读取 DHT11 温湿度 */
        if (DHT11_ReadData(&hum, &temp) == DHT11_OK)
        {
            /* 2. 通过 I2C 中断方式写入 EEPROM */
            uint8_t buf[2] = {temp, hum};
            HAL_I2C_Mem_Write_IT(&hi2c1, EEPROM_ADDR, 0x00, buf, 2);

            /* 3. 串口打印 */
            printf("Temp: %d.%d C, Hum: %d.%d %%\r\n",
                   temp / 10, temp % 10, hum / 10, hum % 10);
        }
        HAL_Delay(2000);  /* DHT11 采样间隔建议 >= 1s */
    }
}

7.3 中断回调完善

在 I2C 写完成回调中，可以继续发起读操作，实现「写后读」验证：

c 复制代码 
void HAL_I2C_MemTxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
{
    if (hi2c == &hi2c1)
    {
        /* 写完成，接着发起读验证 */
        HAL_I2C_Mem_Read_IT(&hi2c1, EEPROM_ADDR, 0x00, g_read_buf, 2);
    }
}

8. 踩坑记录与调试心得

8.1 常见问题

问题现象 可能原因 解决方案
I2C 总线卡死 SCL/SDA 未加上拉电阻 外接 4.7kΩ 上拉电阻
DHT11 一直无响应 起始信号时序不满足 确保低电平时间 >= 18ms
数据校验失败 位读取延时不准 用定时器或 DWT 精确延时
中断不触发 NVIC 未使能或优先级配置错误 检查 NVIC 配置与中断标志清除

8.2 调试技巧

  • 逻辑分析仪：抓取 I2C 与单总线波形，直观对比时序。
  • 串口打印：在关键节点打印状态标志，快速定位卡在哪一步。
  • 分步验证：先单独验证 I2C 读写 EEPROM，再单独验证 DHT11，最后联调。
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