2、常见传感器原理：温度传感器（DS18B20）、湿度传感器（DHT11）、压力传感器（BMP280）、红外传感器（HC-SR501）

做物联网采集，传感器就是我们的「眼睛」和「耳朵」。

这一章，我挑四个最常用的传感器，跟你聊聊它们的脾气秉性。说白了，搞懂它们，你就能搞定市面上八成以上的环境采集需求。

2.1 温度传感器 DS18B20 —— 一根线搞定温度

DS18B20 这玩意儿，我用了快十年了。它最大的特点就是——省线。

你想想看，传统的模拟温度传感器，至少得三根线：电源、地、信号。DS18B20 呢？一根数据线就够了。它用的是 1-Wire 总线，数据线和电源线复用，甚至还能从数据线上「偷电」工作（寄生供电模式）。

我习惯用 12 位分辨率，虽然转换时间要 750ms，但精度够用。如果你对实时性要求高，可以降到 9 位，转换时间只有 93.75ms。

2.1.1 硬件连接

DS18B20 只有三个引脚：GND、DQ（数据）、VDD。标准接法很简单：

• VDD 接 3.3V 或 5V
• GND 接地
• DQ 接 MCU 的 GPIO，同时上拉一个 4.7kΩ 电阻到 VDD

2.1.2 通信时序

1-Wire 的时序其实挺讲究的。我刚开始调的时候，被它的时序坑过好几次。核心就三个动作：

1. 复位脉冲： 主机拉低总线 480μs 以上，然后释放。DS18B20 会在 60μs 内拉低总线作为应答。
2. 写时序： 写 0 拉低 60μs，写 1 拉低 1~15μs 然后释放。
3. 读时序： 主机拉低 1~15μs 后释放，在 15μs 内采样总线电平。

// DS18B20 读取温度的核心代码片段
uint8_t ds18b20_reset(void) {
    uint8_t presence;
    GPIO_LOW();                 // 拉低总线
    delay_us(480);              // 保持 480μs
    GPIO_RELEASE();             // 释放总线
    delay_us(60);               // 等待 60μs
    presence = GPIO_READ();     // 读取应答信号
    delay_us(420);              // 等待剩余时间
    return presence;            // 0 表示存在
}

float ds18b20_read_temperature(void) {
    uint8_t temp_lsb, temp_msb;
    int16_t raw_temp;
    
    ds18b20_reset();
    ds18b20_write_byte(0xCC);   // 跳过 ROM 检测（单颗传感器）
    ds18b20_write_byte(0x44);   // 启动温度转换
    
    delay_ms(750);              // 等待转换完成（12 位分辨率）
    
    ds18b20_reset();
    ds18b20_write_byte(0xCC);
    ds18b20_write_byte(0xBE);   // 读取暂存器
    
    temp_lsb = ds18b20_read_byte();
    temp_msb = ds18b20_read_byte();
    
    raw_temp = (temp_msb << 8) | temp_lsb;
    return raw_temp * 0.0625;   // 12 位分辨率下，每个 LSB 代表 0.0625°C
}

2.2 湿度传感器 DHT11 —— 便宜但够用

DHT11 是入门级湿度传感器的代表。说实话，它的精度一般，但胜在便宜、接口简单。一个项目如果对湿度要求不高，用 DHT11 准没错。

2.2.1 通信协议

DHT11 的协议跟 DS18B20 不一样，它用的是自己的一套单总线协议。数据格式是 40 位：

• 8 位湿度整数部分 + 8 位湿度小数部分
• 8 位温度整数部分 + 8 位温度小数部分
• 8 位校验和

校验和的计算很简单：前四个字节相加，取低 8 位，等于校验和就对了。

// DHT11 读取数据流程
uint8_t dht11_read_data(uint8_t *humidity, uint8_t *temperature) {
    uint8_t data[5] = {0};
    
    // 主机发送起始信号
    GPIO_LOW();
    delay_ms(18);       // 拉低至少 18ms
    GPIO_HIGH();
    delay_us(30);       // 拉高 20~40μs
    
    // 等待 DHT11 响应
    if (GPIO_READ() == 0) {  // DHT11 拉低总线
        while (GPIO_READ() == 0);  // 等待拉高
        while (GPIO_READ() == 1);  // 等待拉低（准备发送数据）
        
        // 读取 40 位数据
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            for (int j = 0; j < 8; j++) {
                while (GPIO_READ() == 0);  // 等待数据开始
                delay_us(40);              // 在 40μs 时采样
                if (GPIO_READ() == 1) {
                    data[i] |= (1 << (7 - j));
                }
                while (GPIO_READ() == 1);  // 等待数据结束
            }
        }
        
        // 校验
        if ((data[0] + data[1] + data[2] + data[3]) == data[4]) {
            *humidity = data[0];
            *temperature = data[2];
            return 1;  // 成功
        }
    }
    return 0;  // 失败
}

2.3 压力传感器 BMP280 —— 气压与海拔的精确测量

BMP280 是博世出品的气压传感器，精度很高。我一般在做气象站或者无人机高度计的时候用它。它支持 I2C 和 SPI 两种接口，我习惯用 I2C，省引脚。

2.3.1 校准参数

BMP280 出厂时，每个芯片都有独立的校准参数，存储在寄存器 0x88~0xA1 中。读取压力数据时，必须用这些参数做补偿计算。说白了，不校准的话，读出来的数据就是废的。

// BMP280 校准参数结构体
typedef struct {
    uint16_t dig_T1;
    int16_t  dig_T2;
    int16_t  dig_T3;
    uint16_t dig_P1;
    int16_t  dig_P2;
    int16_t  dig_P3;
    int16_t  dig_P4;
    int16_t  dig_P5;
    int16_t  dig_P6;
    int16_t  dig_P7;
    int16_t  dig_P8;
    int16_t  dig_P9;
} bmp280_calib_t;

// 温度补偿计算（返回 0.01°C 精度的温度值）
int32_t bmp280_compensate_temperature(int32_t adc_T, bmp280_calib_t *calib) {
    int32_t var1, var2, T;
    
    var1 = ((((adc_T >> 3) - ((int32_t)calib->dig_T1 << 1))) * 
            ((int32_t)calib->dig_T2)) >> 11;
    var2 = (((((adc_T >> 4) - ((int32_t)calib->dig_T1)) * 
              ((adc_T >> 4) - ((int32_t)calib->dig_T1))) >> 12) * 
            ((int32_t)calib->dig_T3)) >> 14;
    
    t_fine = var1 + var2;
    T = (t_fine * 5 + 128) >> 8;
    return T;  // 返回 0.01°C 精度的温度值
}

2.4 红外传感器 HC-SR501 —— 人体检测的经典方案

HC-SR501 是基于热释电红外（PIR）原理的人体感应模块。它检测的是人体发出的红外辐射（波长 8~14μm）。说白了，只要有人经过，它就能感应到。

2.4.1 硬件配置

HC-SR501 模块上有两个可调电位器：

• Sx（灵敏度）： 调节检测距离，顺时针增大，逆时针减小
• Tx（延时）： 调节输出高电平的持续时间，顺时针延长

还有一个跳线帽，用来选择触发模式：

• H（重复触发）： 只要有人在感应区内，输出一直保持高电平
• L（单次触发）： 检测到人后输出高电平，延时结束后自动恢复低电平

2.4.2 使用注意事项

HC-SR501 有几个坑，我踩过，你注意一下：

1. 上电稳定时间： 模块上电后需要 30~60 秒的稳定时间，期间会误触发。我一般在上电后延时 60 秒再读取数据。
2. 热源干扰： 空调出风口、暖气片、甚至阳光直射都会导致误触发。安装时避开这些热源。
3. 检测盲区： 正对传感器方向移动，检测效果最好。如果人从侧面横向移动，灵敏度会下降。

// HC-SR501 读取示例（简单轮询）
#define PIR_PIN   GPIO_PIN_5

void pir_init(void) {
    gpio_set_mode(PIR_PIN, GPIO_INPUT);
    delay_ms(60000);  // 等待 60 秒稳定时间
}

uint8_t pir_detect_motion(void) {
    return gpio_read(PIR_PIN);  // 高电平表示检测到人
}

2.5 四种传感器对比总结

我把这四种传感器放在一起对比一下，方便你选型：

传感器	测量对象	接口类型	精度	典型应用	参考价格
DS18B20	温度	1-Wire	±0.5°C	环境测温、工业监控	3~5 元
DHT11	温湿度	单总线	±5% RH / ±2°C	室内环境监测	2~4 元
BMP280	气压/温度	I2C/SPI	±1 hPa / ±1°C	气象站、高度计	5~8 元
HC-SR501	人体红外	数字输出	N/A	人体感应、安防	3~5 元

2.6 知识体系图：传感器选型与通信概览

下面这张图，我把四种传感器的通信方式、数据流向和典型应用场景串起来了。你一看就明白：

嗯，四种传感器讲完了。每种都有自己的脾气，但摸透了之后，你会发现它们其实都很「听话」。选型的时候，记住一句话：没有最好的传感器，只有最合适的传感器。

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