2. 传感器数据采集基础：温度传感器（DS18B20）、湿度传感器（DHT22）、光照传感器（BH1750）的原理与驱动

各位同学，欢迎来到第二章。这一章我们直接上手干活——聊聊嵌入式温室里最常用的三个传感器：DS18B20、DHT22 和 BH1750。

说实话，传感器驱动这块，我早年踩过不少坑。记得第一次用 DS18B20 的时候，时序没调好，读出来的温度忽高忽低，差点把一整个温室的幼苗给坑了。嗯，从那以后，我对时序就特别敏感。

好，咱们一个一个来。

2.1 温度传感器 DS18B20

DS18B20 是个好东西。它用单总线（1-Wire）通信，说白了就是一根数据线既当电源又传数据。你想想看，省引脚啊！

核心原理：

• 测温范围：-55°C 到 +125°C，精度 ±0.5°C（-10°C 到 +85°C 范围内）
• 分辨率可配置：9 到 12 位，默认 12 位
• 每个芯片有唯一的 64 位 ROM 编码，可以挂多个在一条总线上

驱动要点：

单总线协议其实不复杂，但时序要求严格。我习惯用 GPIO 模拟时序，因为很多 MCU 没有硬件 1-Wire 控制器。

核心步骤就三步：

1. 初始化：主机拉低总线 480μs 以上，然后释放，等待 DS18B20 拉低 60-240μs 应答
2. ROM 命令：跳过 ROM（0xCC）或者匹配 ROM（0x55）
3. 功能命令：启动温度转换（0x44），然后读暂存器（0xBE）

// DS18B20 读取温度示例（简化版）
uint8_t ds18b20_reset(void) {
    uint8_t presence;
    GPIO_LOW;           // 拉低总线
    delay_us(480);      // 保持 480μs
    GPIO_HIGH;          // 释放总线
    delay_us(60);       // 等待 60μs
    presence = GPIO_READ; // 读应答信号
    delay_us(420);      // 等待剩余时间
    return presence;    // 0 表示有设备应答
}

float ds18b20_read_temp(void) {
    uint8_t temp_l, temp_h;
    int16_t raw_temp;
    
    ds18b20_reset();
    ds18b20_write_byte(0xCC);  // 跳过 ROM
    ds18b20_write_byte(0x44);  // 启动转换
    delay_ms(750);             // 等待转换完成
    
    ds18b20_reset();
    ds18b20_write_byte(0xCC);  // 跳过 ROM
    ds18b20_write_byte(0xBE);  // 读暂存器
    
    temp_l = ds18b20_read_byte();
    temp_h = ds18b20_read_byte();
    
    raw_temp = (temp_h << 8) | temp_l;
    return raw_temp * 0.0625;  // 12 位分辨率下，每个 LSB 代表 0.0625°C
}

2.2 温湿度传感器 DHT22

DHT22（也叫 AM2302）是温室里测温湿度的主力。它比 DHT11 精度高不少，价格也贵一点，但我觉得值。

核心参数：

参数	DHT22	DHT11（对比）
温度精度	±0.5°C	±2°C
湿度精度	±2% RH	±5% RH
采样周期	2 秒	1 秒
数据格式	40 位（16 位湿度 + 16 位温度 + 8 位校验）	40 位

通信协议：

DHT22 也是单总线，但时序和 DS18B20 不一样。它由主机发起，传感器响应后发送 40 位数据。

我当年第一次调 DHT22 的时候，发现读出来的湿度一直是 0。查了半天，原来是主机拉低起始信号的时间不够。DHT22 要求至少 1ms，我给了 800μs，就差那么一点。

// DHT22 读取数据示例
uint8_t dht22_read_data(float *temp, float *hum) {
    uint8_t data[5] = {0};
    uint8_t i, j;
    
    // 主机发送起始信号
    GPIO_LOW;
    delay_ms(2);        // 拉低至少 1ms，我习惯给 2ms
    GPIO_HIGH;
    delay_us(30);       // 拉高 20-40μs
    
    // 等待传感器响应
    if (GPIO_READ == 0) {
        while (GPIO_READ == 0);  // 等待拉高
        while (GPIO_READ == 1);  // 等待拉低
    } else {
        return 0;  // 无响应
    }
    
    // 读取 40 位数据
    for (j = 0; j < 5; j++) {
        for (i = 0; i < 8; i++) {
            while (GPIO_READ == 0);  // 等待数据开始
            delay_us(40);            // 采样点
            if (GPIO_READ == 1) {
                data[j] |= (1 << (7 - i));
            }
            while (GPIO_READ == 1);  // 等待数据结束
        }
    }
    
    // 校验
    if ((data[0] + data[1] + data[2] + data[3]) != data[4]) {
        return 0;  // 校验失败
    }
    
    *hum = ((data[0] << 8) | data[1]) / 10.0;
    *temp = ((data[2] << 8) | data[3]) / 10.0;
    return 1;
}

2.3 光照传感器 BH1750

BH1750 是数字光照传感器，用 I2C 接口。它直接输出 lux 值，不用你自己算，省心。

为什么选它？

• 测量范围：1 - 65535 lux，覆盖温室从阴天到强光
• 分辨率可调：高分辨率模式（1 lux）、低分辨率模式（4 lux）
• 内置 ADC，直接输出数字量，抗干扰能力强

I2C 地址：

BH1750 的 I2C 地址由 ADDR 引脚决定：

• ADDR 接 GND：地址 0x23
• ADDR 接 VCC：地址 0x5C

我习惯把 ADDR 接 GND，因为 0x23 好记。你想想看，调试的时候少查一次手册，就少一次出错的机会。

驱动流程：

1. 上电后发送上电命令（0x01）
2. 设置测量模式（如连续高分辨率模式 0x10）
3. 等待测量完成（高分辨率模式约 120ms）
4. 读取 2 字节数据，计算 lux = (high << 8 | low) / 1.2

// BH1750 读取光照示例（I2C 通信）
#define BH1750_ADDR     0x23
#define BH1750_POWER_ON 0x01
#define BH1750_MODE_H   0x10  // 连续高分辨率模式

float bh1750_read_lux(void) {
    uint8_t buf[2];
    uint16_t raw;
    
    // 上电
    i2c_write(BH1750_ADDR, BH1750_POWER_ON);
    delay_ms(10);
    
    // 设置模式
    i2c_write(BH1750_ADDR, BH1750_MODE_H);
    delay_ms(180);  // 等待转换完成，多给点余量
    
    // 读取数据
    i2c_read(BH1750_ADDR, buf, 2);
    
    raw = (buf[0] << 8) | buf[1];
    return raw / 1.2;  // 高分辨率模式，除以 1.2 得到 lux
}

2.4 三种传感器的选型对比

最后，我给大家整理一个对比表。选型的时候，对着这个表看，基本不会出错。

特性	DS18B20	DHT22	BH1750
测量对象	温度	温度 + 湿度	光照强度
通信接口	1-Wire	1-Wire（自定义时序）	I2C
精度	±0.5°C	±0.5°C / ±2% RH	±20% 典型
采样周期	750ms（12位）	2s	120ms（高分辨率）
典型应用	多点温度监测	温湿度一体监测	光照强度监测
我的推荐	需要多个温度点时首选	温室环境监测标配	数字光照，简单可靠

好了，这一章的内容就到这里。三种传感器，三种接口，各有各的脾气。你只要记住：DS18B20 重时序，DHT22 重间隔，BH1750 重滤波。把这三点拿捏住，驱动就稳了。

下一章，我们聊聊如何把这些传感器整合到一起，做一个真正的温室数据采集系统。到时候，我会分享一个我实际项目中用过的架构，保证实用。