基于Tiny4412的DHT11温湿度传感器的Linux设备驱动的简单实现

青旅半醒 2022-06-17 05:48 386阅读 0赞

**本文的主要内容目录：**

一、DHT11的工作原理

二、编写DHT11的驱动程序

**一、DHT11的工作原理**

1、DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传 感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测 温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快 响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的 湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使 其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。如下图所示：

![Center][]

2、接口说明，建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使 用合适的上拉电阻。典型接法如下图：

![Center 1][]

3、串行接口（单线双向）

数据传输格式：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+8bit校验和

通信时序图如下：

![Center 2][]

数据传输开始信号表示图如下：

![Center 3][]

数据传输中高电平的表示方法如下图：

![Center 4][]

数据传输中低电平的表示方法：

![Center 5][]

4、DHT11引脚说明

Pin 名称 注释  
1 VDD 供电 3－5.5VDC  
2 DATA 串行数据，单总线  
3 NC 空脚，请悬空  
4 GND 接地，电源负极

**二、编写DHT11的驱动程序**

1、开发环境

交叉编译环境 ：Ubuntu12.04

交叉编译工具链版本 ：4.5.1

内核版本： Linux-3.0.86

开发板：Tiny4412（Cortex-A9）

2、DHT11连接

用于开发板本身并没有DHT11芯片，所以需要外接，将芯片接到底板的没有被注册使用的扩展引脚即可，我这里用的是GPX1\_7引脚。

3、Linux杂项设备

为了简单，将DHT11注册为杂项设备，这样就省去了为设备创造设备节点，分配主次设备号的步骤。

杂项设备的使用一般步骤：

a、定义一个杂项设备的结构体

b、初始化、设置这个杂项设备：比如名字，此设备号，操作函数等。

c、注册这个杂项设备

4、实现DHT11的设备驱动编写

4.1  定义、并设置这个杂项设备

/* 定义设备杂项设备结构体 */
    static struct miscdevice dht11_miscdev = {
    	.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,	/* 自动分配次设备号 */
    	.name = "dht11",	/* 杂项设备的名字 */
    	.fops = &dht11_fops	/* 杂项设备操作的结构体 */
    };

4.2 注册这个杂项设备

ret = misc_register(&dht11_miscdev);

4.3 实现DHT11的操作函数

/* 定义杂项设备操作的结构体并初始化成员函数指针 */
    static const struct file_operations dht11_fops = {
    	.owner    = THIS_MODULE,
    	.open     = dht11_open,
    	.read     = dht11_read,
    	.release  = dht11_release,
    };

4.4 DHT11的读时序

/* 杂项设备的读取函数 */
    static ssize_t dht11_read (struct file *file, char __user *buffer, size_t size, loff_t *offset)
    {
    	int ret; 
    	unsigned long flags;
    
    	/* 因为DHT11的时序要求很高，所以在读温湿度的时候要让代码进入临界区，防止内核调度和抢占 */
       local_irq_save(flags);  
        dht11_read_data();  
        local_irq_restore(flags);  
    	
    	if(check_flag == 0xff)  
    	{  
    		/* 将读取的温湿度数据拷贝到用户空间 */
    		ret = copy_to_user(buffer, dht11_data_buf, sizeof(dht11_data_buf));  
    		if(ret < 0)
    		{  
    			printk("copy to user err\n");  
    			return -EAGAIN;  
    		}  
    		else
    		{
    			return 0;  
    		}
    	}  
    	else 
    	{
    	 	return -EAGAIN;
    	}
    }

读函数当中的核心函数是：dht11\_read\_data，它的实现如下：

/** read data format :
      *		8bit : humidity integer
      *		8bit : humidity decimal
      * 	8bit : temperature integer
      *		8bit : temperature decimal
      *		8bit : check code
      * buf store data :
      *		dht11_data_buf[0]	: humidity integer
      *		dht11_data_buf[1]	: humidity decimal
      *		dht11_data_buf[2]	: temperature integer
      *		dht11_data_buf[3] 	: temperature decimal
      *		dht11_data_buf[4]	: check code
      *		dht11_data_buf[5]	: self calculate check code
      */
    static void dht11_read_data(void)  
    {  
        int i = 0;  
    	
        dht11_gpio_out(0);  
        mdelay(30);  
        dht11_gpio_out(1);  
        udelay(20);  
    	
        if(dht11_read_one_bit() == 0)  
        {   
            while(!gpio_get_value(DHT11_PIN))  /* 等待IO口变为高电平 */
            {  
               udelay(5);  
               i++;  
               if(i > 20)  
               {  
    				printk("dht11_read_data %d err!\n",  __LINE__);  
    				break;  
               }  
            }  
            i = 0;  
            while(gpio_get_value(DHT11_PIN))  /* 等待IO口变为低电平 */
            {  
               udelay(5);  
               i++;  
               if(i > 20)  
               {  
                  printk("dht11_read_data %d err!\n", __LINE__);  
                  break;  
               }  
            }  
            for(i = 0; i < 5; i++)  /* 读取温湿度数据 */
            	dht11_data_buf[i] = dht11_read_byte();    
    
    		/* 对读取到的数据进行校验 */
            dht11_data_buf[5] = dht11_data_buf[0]+dht11_data_buf[1]+dht11_data_buf[2]+dht11_data_buf[3];  
    
      		/* 判断读到的校验值和计算的校验值是否相同 */
            if(dht11_data_buf[4] == dht11_data_buf[5])	/* 相同则把标志值设为0xff */  
            {  
               check_flag = 0xff;   
            }  
            else if(dht11_data_buf[4] != dht11_data_buf[5]) /* 不相同则把标志值设为0 */
            {  
               check_flag = 0x00;  
               printk("dht11 check fail\n");             
            }                     
        }  
    }

5、测试驱动

将驱动和测试程序（完整的驱动和测试程序见附录部分）进行编译，在开发板上安装驱动和执行测试函数，结果如下图：

![Center 6][]

**附录：DHT11驱动程序和测试程序的代码如下。**

驱动程序：

#include <asm/cacheflush.h>
    #include <linux/fdtable.h>
    #include <linux/file.h>
    #include <linux/fs.h>
    #include <linux/list.h>
    #include <linux/miscdevice.h>
    #include <linux/mm.h>
    #include <linux/module.h>
    #include <linux/mutex.h>
    #include <linux/nsproxy.h>
    #include <linux/poll.h>
    #include <linux/debugfs.h>
    #include <linux/rbtree.h>
    #include <linux/sched.h>
    #include <linux/seq_file.h>
    #include <linux/uaccess.h>
    #include <linux/vmalloc.h>
    #include <linux/slab.h>
    #include <linux/delay.h>
    
    #include <asm/io.h>
    #include <asm/irq.h>
    #include <asm/gpio.h>
    
    /* 定义DHT11接入的GPIO口 */
    #define DHT11_PIN	EXYNOS4_GPX1(7)
    
    /* 定义检测标志，用来判断接收到的温湿度数据是否正确 */
    static unsigned char check_flag; 
    static unsigned char dht11_data_buf[6]; 
    
    /* 
     * 读取一个bit的数据
     */
    static int dht11_read_one_bit(void)          
    {  
        gpio_direction_input(DHT11_PIN);  
        return gpio_get_value(DHT11_PIN);  
    }  
    
    /*set pin is out and set value of this pin*/
    static void dht11_gpio_out(int value)   
    {  
        gpio_direction_output(DHT11_PIN, value);  
    }  
    
    /*read a byte data from dht11*/
    static unsigned char dht11_read_byte(void)  
    {      
        int i = 0;  
        int num;   
        unsigned char flag = 0;  
        unsigned char data = 0;  
      
        for(num = 0; num < 8; num++)  
        {                
    		i = 0;  
    		/* 等待DHT11的引脚变为高电平 */
    		while(!gpio_get_value(DHT11_PIN))  
    		{  
    			udelay(10);  
    			i++;  
    			if(i > 10)  
    				break;  
    		}  
    		flag = 0x00;  
    		udelay(28);              
    		if(gpio_get_value(DHT11_PIN))  
    		{  
    			flag = 0x01;            
    		}  
    		i = 0;  
    		while(gpio_get_value(DHT11_PIN))  
    		{  
    			udelay(10);  
    			i++;  
    			if(i > 12)  
    				break;  
    		}  
    		data <<= 1;  
    		data |= flag;  
        }    
        return data;  
    }  
    
    /** read data format :
      *		8bit : humidity integer
      *		8bit : humidity decimal
      * 	8bit : temperature integer
      *		8bit : temperature decimal
      *		8bit : check code
      * buf store data :
      *		dht11_data_buf[0]	: humidity integer
      *		dht11_data_buf[1]	: humidity decimal
      *		dht11_data_buf[2]	: temperature integer
      *		dht11_data_buf[3] 	: temperature decimal
      *		dht11_data_buf[4]	: check code
      *		dht11_data_buf[5]	: self calculate check code
      */
    static void dht11_read_data(void)  
    {  
        int i = 0;  
    	
        dht11_gpio_out(0);  
        mdelay(30);  
        dht11_gpio_out(1);  
        udelay(20);  
    	
        if(dht11_read_one_bit() == 0)  
        {   
            while(!gpio_get_value(DHT11_PIN))  /* 等待IO口变为高电平 */
            {  
               udelay(5);  
               i++;  
               if(i > 20)  
               {  
    				printk("dht11_read_data %d err!\n",  __LINE__);  
    				break;  
               }  
            }  
            i = 0;  
            while(gpio_get_value(DHT11_PIN))  /* 等待IO口变为低电平 */
            {  
               udelay(5);  
               i++;  
               if(i > 20)  
               {  
                  printk("dht11_read_data %d err!\n", __LINE__);  
                  break;  
               }  
            }  
            for(i = 0; i < 5; i++)  /* 读取温湿度数据 */
            	dht11_data_buf[i] = dht11_read_byte();    
    
    		/* 对读取到的数据进行校验 */
            dht11_data_buf[5] = dht11_data_buf[0]+dht11_data_buf[1]+dht11_data_buf[2]+dht11_data_buf[3];  
    
      		/* 判断读到的校验值和计算的校验值是否相同 */
            if(dht11_data_buf[4] == dht11_data_buf[5])	/* 相同则把标志值设为0xff */  
            {  
               check_flag = 0xff;   
            }  
            else if(dht11_data_buf[4] != dht11_data_buf[5]) /* 不相同则把标志值设为0 */
            {  
               check_flag = 0x00;  
               printk("dht11 check fail\n");             
            }                     
        }  
    }  
    
    /* 打开杂项设备，这里写为空函数 */
    static int dht11_open (struct inode *inode, struct file *file)
    {
    	return 0;
    } 
    
    /* 杂项设备的读取函数 */
    static ssize_t dht11_read (struct file *file, char __user *buffer, size_t size, loff_t *offset)
    {
    	int ret; 
    	unsigned long flags;
    
    	/* 因为DHT11的时序要求很高，所以在读温湿度的时候要让代码进入临界区，防止内核调度和抢占 */
        local_irq_save(flags);  
        dht11_read_data();  
        local_irq_restore(flags);  
    	
    	if(check_flag == 0xff)  
    	{  
    		/* 将读取的温湿度数据拷贝到用户空间 */
    		ret = copy_to_user(buffer, dht11_data_buf, sizeof(dht11_data_buf));  
    		if(ret < 0)
    		{  
    			printk("copy to user err\n");  
    			return -EAGAIN;  
    		}  
    		else
    		{
    			return 0;  
    		}
    	}  
    	else 
    	{
    	 	return -EAGAIN;
    	}
    }
    
    /* 释放函数，这里写为空函数 */
    static int dht11_release (struct inode *inode, struct file *file)
    {
    	return 0;
    }
    
    /* 定义杂项设备操作的结构体并初始化成员函数指针 */
    static const struct file_operations dht11_fops = {
    	.owner    = THIS_MODULE,
    	.open     = dht11_open,
    	.read     = dht11_read,
    	.release  = dht11_release,
    };
    
    /* 定义设备杂项设备结构体 */
    static struct miscdevice dht11_miscdev = {
    	.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,	/* 自动分配次设备号 */
    	.name = "dht11",	/* 杂项设备的名字 */
    	.fops = &dht11_fops	/* 杂项设备操作的结构体 */
    };
    
    /* 入口函数 */
    static int yl_dht11_init(void)
    {
    	int ret;
    
    	/* 申请对应的GPIO引脚资源，只有引脚资源没有被使用才可以申请成功 */
    	ret = gpio_request(DHT11_PIN , "dht11");  
    	if(ret)
    	{
    		printk("gpio_request for dht11 is failed!\n");
    		return ret;
    	}
    
    	/* 注册杂项设备 */
    	ret = misc_register(&dht11_miscdev);
    	return ret;
    }
    
    /* 函数出口 */
    static void yl_dht11_exit(void)
    {
    	/* 释放注册的杂项设备和GPIO资源 */
    	misc_deregister(&dht11_miscdev);
    	gpio_free(DHT11_PIN);
    }
    
    module_init(yl_dht11_init);
    module_exit(yl_dht11_exit);
    
    MODULE_LICENSE("GPL");

测试程序：

#include <stdio.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <unistd.h>
    
    /* 程序的入口函数 */
    int main(int argc, char *argv[])
    {
    	int fd;
    	unsigned char buf[6];	/* 定义存放数据的数组 */
    	int length;
    
    	/* 以只读方式打开设备节点 */
    	fd = open("/dev/dht11", O_RDONLY);
    	if(fd == -1)
    	{
    		printf("open failed!\n");
    		return -1;
    	}
    
    	while(1)
    	{
    		length = read(fd, buf, 6);	/* 读取温湿度数据 */
    		if(length == -1)
    		{
    			printf("read error!\n");
    			return -1;
    		}
    		/* 将数据从终端打印出来 */
    		printf("Temp : %d, Humi : %d\n", buf[2], buf[0]);
    		sleep(2);
    	}
    
    	/* 关闭DHT11设备节点 */
    	close(fd);
    	return 0;
    }

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[Center 2]: /images/20220617/8e1d1a573ef343d5b965b79a8e71e882.png
[Center 3]: /images/20220617/d35ddfe2ffc04b16876d105645e87324.png
[Center 4]: /images/20220617/56584f0db9174bc08954d502cf003226.png
[Center 5]: /images/20220617/bf7eb0bcbf69421b9abb29dfcd31cc9d.png
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