DTH11 温湿度模块

@TOC

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前言

DHT11 是一款可测量 温度 和 湿度 的传感器。比如市面上一些空气加湿器，会测量空气中湿度，再根据测量结果决定是否继续加湿。

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一、DTH11 模块介绍

1. DHT11通信过程： 主机通过一条数据线与DH11连接，主机通过这条线发命令给DHT11，DHT11再通过这条线把数据发送给主机。 当主机没有与DHT11通信时，总线处于空闲状态，此时总线电平由于上拉电阻的作用处于高电平。

• 主机将对应的GPIO管脚配置为输出，准备向DHT11发送数据；
• 主机发送一个开始信号： 开始信号 = 一个低脉冲 + 一个高脉冲。低脉冲至少持续18ms，高脉冲持续20-40us。
• 主机将对应的GPIO管脚配置为输入，准备接受DHT11传来的数据，这时信号由上拉电阻拉高；
• DHT11发出响应信号： 响应信号 = 一个低脉冲 + 一个高脉冲。低脉冲持续80us，高脉冲持续80us。
• DHT11发出数据信号： 数据为0的一位信号 = 一个低脉冲 + 一个高脉冲。低脉冲持续50us，高脉冲持续26～28us。 数据为1的一位信号 = 一个低脉冲 + 一个高脉冲。低脉冲持续50us，高脉冲持续70us。 DHT11发出结束信号：
• 最后1bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，然后释放总线，总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。

2. 数据格式: 8 bit 湿度整数数据 + 8 bit 湿度小数数据 + 8 bit 温度整数数据 + 8 bit 温度小数数据 + 8 bit 校验和。(5 字节数据，共 40 位 ) 数据传送正确时,校验和等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。

二、设备树设置

设备树 中 compatible 与 驱动程序 进行匹配。 将模块分别接到 开发板的 gpio4-19引脚。每一组 GPIO 有 32 个引脚。

配置设备树需要对 GPIO 引脚 以及相关的 pincontrol 配置。由于本实验是使用 DTH11 模块，所以不需要配置 pincontrol 。

三、驱动程序

1. 根据框架编写基本驱动程序：

首先要 定义一个file_operations 结构体，在入口函数里对其 注册，在 出口函数里卸载。 实现辅助信息，使用 class_create 创建类 ， device_create 创建设备节点。

定义一个 platform_driver。也是在入口函数里对其 注册，在 出口函数里卸载。 这些基本代码的详细实现可以参考我之前的文章 ：SR501人体红外模块

2. 实现 probe 函数。 总线处于空闲状态，此时总线电平由于上拉电阻的作用处于高电平。

static int dht11_probe(struct platform_device *pdev)
{
	/* 获取引脚信息，将其设置为输出引脚高电平 */
	dht11_data_pin = gpiod_get(&pdev->dev, NULL, GPIOD_OUT_HIGH);
	if (IS_ERR(dht11_data_pin))
	{
		printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	}
	/* 创建设备节点 */
	device_create(dht11_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "mydht11");
	return 0;
}

3. 首先将 gpio 引脚设置为 输出引脚，准备向 DTH11 发送数据。

static void dht11_reset(void)
{
	gpiod_direction_output(dht11_data_pin, 1);
}

4. 然后主机发送一个开始信号。 发送开始 信号完毕，将 引脚设置为 输入引脚，等待 DHT11 发送数据，准备接收数据。

static void dht11_start(void)
{
	mdelay(30);
	gpiod_set_value(dht11_data_pin, 0);
	mdelay(20);
	gpiod_set_value(dht11_data_pin, 1);
	udelay(40);	
	gpiod_direction_input(dht11_data_pin);		
	udelay(2);	
}

5. DHT11 发出响应信号，之后发送数据。

static int dht11_wait_for_ready(void)
{
	int timeout_us = 20000;					//设置超时时间

	/* 等待低电平 */
	while (gpiod_get_value(dht11_data_pin) && --timeout_us)
	{
		udelay(1);
	}
	if (!timeout_us)
	{
		printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		return -1;
	}

	/* 现在是低电平，等待高电平 */
	timeout_us = 200;
	
	while (!gpiod_get_value(dht11_data_pin) && --timeout_us)
	{
		udelay(1);
	}
	
	if (!timeout_us)
	{
		printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		return -1;
	}

	/*  现在是高电平，等待低电平 */
	timeout_us = 200;
	while (gpiod_get_value(dht11_data_pin) && --timeout_us)
	{
		udelay(1);
	}
	if (!timeout_us)
	{
		printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		return -1;
	}
	return 0;	
}

6. 读一字节的数据。 每字节八位数据，按位读取。 怎么判断读出的数据是 0 还是 1 呢？ 通过判断高电平的持续时间可 得出写入的数据。当 高电平 持续26～28us，表示输出 0 。高脉冲持续70us，表明数据是 1 .

static int dht11_read_byte(unsigned char *buf)
{
	int i;
	unsigned char data = 0;
	int timeout_us = 200;
	
	for (i = 0; i <8; i++)
	{
		/* 现在是低电平 */
		/* 等待高电平 */
		timeout_us = 400;
		while (!gpiod_get_value(dht11_data_pin) && --timeout_us)
		{
			udelay(1);
		}
		if (!timeout_us)
		{
			printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
			return -1;
		}

		/* 现在是高电平 */
		/* 等待低电平,累加高电平的时间 */
		timeout_us = 20000000;
		
		udelay(40);

		if (gpiod_get_value(dht11_data_pin))
		{
			/* get bit 1 */
			data = (data << 1) | 1;

			/* 当前位的高电平未结束, 等待 */
			timeout_us = 400;
			while (gpiod_get_value(dht11_data_pin) && --timeout_us)
			{
				udelay(1);
			}
			if (!timeout_us)
			{
				printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
				return -1;
			}
			
		}
		else
		{
			/* get bit 0 */
			data = (data << 1) | 0;
		}
	}
	*buf = data;
	return 0;
}

7. 读五字节数据。 将 读出的数据放入数组中，传递给应用程序。

static ssize_t dht11_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	unsigned long flags;
	int i,err;
	unsigned char data[5];

	if (size != 4)
		return -EINVAL;
	
	local_irq_save(flags);	  // 关中断

	/* 1. 发送高脉冲启动DHT11 */
	dht11_reset();
	dht11_start();

	/* 2. 等待DHT11就绪 */
	if (dht11_wait_for_ready())
	{
		local_irq_restore(flags); // 恢复中断
		printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		return -EAGAIN;
	}

	/* 3. 读5字节数据 */
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		if (dht11_read_byte(&data[i]))
		{
			local_irq_restore(flags); // 恢复中断
			printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
			return -EAGAIN;
		}
	}

	dht11_reset();
	local_irq_restore(flags); // 恢复中断

	/* 4. 根据校验码验证数据 */
	if (data[4] != (data[0] + data[1] + data[2] + data[3]))
	{
		printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		//return -1;
	}
	
	/* 5. copy_to_user */	
	/* data[0]/data[1] : 湿度 */
	/* data[2]/data[3] : 温度 */
	err = copy_to_user(buf, data, 4);
	return 4;
}

四、测试程序

判断参数，打开文件，read 函数读出 测出的温度，湿度。

if (argc != 2) 
	{
		printf("Usage: %s <dev>\n", argv[0]);
		return -1;
	}
	fd = open(argv[1], O_RDWR);			
	if (fd == -1)
	{
		printf("can not open file %s\n", argv[1]);
		return -1;
	}


	while (1)
	{
		if (read(fd, data, 4) == 4)
		{
			printf("get humidity  : %d.%d\n", data[0], data[1]);
			printf("get temprature: %d.%d\n", data[2], data[3]);
		}
		else 
		{
			printf("get humidity/temprature: -1\n");
		}
		sleep(5);				// 等待 5 秒
	}
	close(fd);

五、上机测试及效果

执行 insmod 命令可以将 .ko 文件加载到内核中，再 执行测试程序。（rmmod命令可以卸载已加载的模块，lsmod 命令 可以观察已加载到内核的文件。）

/dev/mydht11 是 驱动程序中创建的设备节点（ device_create ）。

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总结