一、硬件介绍（Hardware）

1.1 主控板

• MCU：Raspberry Pi RP2040（双核 ARM Cortex-M0+，133 MHz）

• 封装：Arduino Nano 经典尺寸（18 × 45 mm），兼容 Grove 扩展板

• 工作电压：3.3 V（逻辑电平 3.3 V，Grove 模块同电平域）

• 数字 IO：20 个，全部支持 INPUT_PULLUP

• 模拟输入：8 个 12-bit ADC（本次用 A2 作为 NTC 输入）

• 开发框架：ArduinoCore-mbed（PlatformIO platform = raspberrypi）

1.2 Grove 模块清单

• 板上 DHT11 数字温湿度传感器，预校准输出；

• 单一信号线串行协议（单总线）：MCU 拉低 ≥18 ms 启动 → 拉高 20-40 µs → 传感器响应 → 40 bit 数据（湿度整数 / 湿度小数 / 温度整数 / 温度小数 / 校验和）；

• 测量范围：温度 0~50℃ ±2℃，湿度 20~90% RH ±5%；

• 重要约束：DHT11 不能测负温（0℃ 以下数据无效），低温段必须靠 NTC 兜底；

• 采样周期 ≥ 1 s（上电后建议等 ≥ 1 s 再读第一次）。

• 板上 NTC 热敏电阻 + LM358 运放；

• 输出电压 = Vcc × Rref / (Rref + Rntc)，Rref = 10 kΩ 板上分压；

• 测温范围 -40~125℃ ±1.5℃（覆盖 DHT11 的盲区）；

• 用 Steinhart 1-系数近似反算温度：参数取 R0=100 kΩ @ 25℃、β=4250（Grove 默认）。

1.3 接线总览

Arduino Nano RP2040 Connect
            ┌────────────────────────────────┐
            │                          D2  ──┼──► DHT11 (SIG, 单总线)
            │                          A2  ──┼──► NTC  (SIG, 模拟输出)
            └────────────────────────────────┘

二、软件设计（Software Design）

程序结构总览

PlatformIO Project (seeedtest)
├── platformio.ini
├── src/
│   └── main.cpp                ← 主程序
└── lib/
    ├── ChainableLED/           ← 旧项目残留, 本次未使用
    └── SeeedDHT/               ← DHT11 驱动库 (RP2040 适配)
        ├── DHT.h               ← COUNT=10 for ARDUINO_ARCH_RP2040
        └── DHT.cpp             ← Adafruit 边沿计数法

main.cpp
├── 文件头注释（接线、行为、ADC 范围、NTC 公式）
├── 引脚 / 参数常量（NTC Steinhart 参数）
├── 全局状态 (NTCState + DHT 对象)
├── ntcSample()         ← A2 ADC → Steinhart 温度
├── setup()             ← 串口 + DHT.begin + NTC 引脚
└── loop()
     ├── 1) 1 s 节流
     ├── 2) dhtSensor.readTemperature() / readHumidity()
     ├── 3) ntcSample()
     └── 4) 串口打印一行

数据流

DHT11 (D2)  ──单总线──► SeeedDHT 库 ──► readTemperature / readHumidity
                                                  │
                                                  ▼
NTC (A2)  ──ADC──► ntcSample()  ──► Steinhart 公式 ──► ℃
                                                  │
                                                  ▼
                              Serial.println 一行:
                          T_dht=24.5C  RH=58.0%  T_ntc=33.2C  V_ntc=0.42V

关键算法：NTC Steinhart 1-系数近似

// 1) 读 ADC, 折算电压
ntc.voltage = ntc.raw * (Vcc / 4095);

// 2) 分压电阻算 NTC 电阻
R_ntc = Rref × (Vcc - Vadc) / Vadc

// 3) β 方程反算温度
T_K = 1 / (1/T0 + (1/β) × ln(R_ntc / R0))
T_℃ = T_K - 273.15

• R0 = 100 kΩ @ T0 = 298.15 K（25℃）

• β = 4250（Grove 默认）

• 范围：-40~125℃，覆盖 DHT11 盲区

2DHT 协议实现（SeeedDHT/DHT.cpp）

// 启动
pinMode(_pin, OUTPUT);
digitalWrite(_pin, LOW);
delay(20);                              // >= 18 ms
digitalWrite(_pin, HIGH);
delayMicroseconds(20);                  // 20-40 us
pinMode(_pin, INPUT);                  // 释放, 外部上拉拉高

// 1us 轮询 digitalRead 数电平长度
for (i = 0; i < MAXTIMINGS; i++) {
    counter = 0;
    while (digitalRead(_pin) == laststate) {
        counter++;
        delayMicroseconds(1);
        if (counter == 255) break;
    }
    laststate = digitalRead(_pin);
    if (counter == 255) break;

    // 跳过前 4 次跳变 (启动高 + 响应低 + 响应高 + bit0 低)
    if ((i >= 4) && (i % 2 == 0)) {     // 偶数次 = bit 高电平段
        data[j/8] <<= 1;
        if (counter > _count) data[j/8] |= 1;
        j++;
    }
}

// 校验
if (j >= 40 && data[4] == (data[0]+data[1]+data[2]+data[3]) & 0xFF) ...

时间参数

三、功能展示

#include <Arduino.h>
#include <DHT.h>

const uint8_t PIN_DHT  = 2;     // 丝印 D2, DHT11 SIG (单总线)
const uint8_t PIN_NTC  = A2;    // 丝印 A2, NTC 模拟输出

const float   NTC_VCC        = 3.3f;
const float   NTC_RREF       = 10000.0f;
const float   NTC_R0         = 100000.0f;
const float   NTC_T0_K       = 298.15f;
const float   NTC_BETA       = 4250.0f;

const uint32_t LOOP_PERIOD_MS = 1000;

DHT dhtSensor(PIN_DHT, DHT11);

struct NTCState {
    float temperature = 0.0f;
    float voltage     = 0.0f;
    uint16_t raw      = 0;
} ntc;

uint32_t loopStartMs = 0;

static void ntcSample() {
    ntc.raw = analogRead(PIN_NTC);
    ntc.voltage = (float)ntc.raw * (NTC_VCC / 4095.0f);
    if (ntc.raw == 0 || ntc.raw >= 4095) {
        ntc.temperature = -127.0f;
        return;
    }
    const float rNtc = NTC_RREF * (NTC_VCC - ntc.voltage) / ntc.voltage;
    const float tK   = 1.0f / (1.0f / NTC_T0_K + (1.0f / NTC_BETA) * log(rNtc / NTC_R0));
    ntc.temperature = tK - 273.15f;
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    uint32_t t0 = millis();
    while (!Serial && (millis() - t0) < 2000) { /* 等待 USB CDC */ }

    pinMode(PIN_NTC, INPUT);
    dhtSensor.begin();   // 上电稳定 + 设引脚

    Serial.println();
    Serial.println("=== Greenhouse Telemetry Probe ===");
    Serial.println("    DHT11 -> D2  (Seeed library, 1 Hz)");
    Serial.println("    NTC   -> A2  (Analog, Steinhart)");
    Serial.println("    Format: T_dht(C) RH(%) T_ntc(C) V_ntc(V)");
    Serial.println();

    loopStartMs = millis();
}

void loop() {
    const uint32_t now = millis();
    if ((uint32_t)(now - loopStartMs) < LOOP_PERIOD_MS) {
        delay(10);
        return;
    }
    loopStartMs = now;

    const float t   = dhtSensor.readTemperature();
    const float rh  = dhtSensor.readHumidity();

    ntcSample();

    Serial.print("T_dht=");
    if (isnan(t) || isnan(rh)) {
        Serial.print("ERR          RH=ERR");
    } else {
        Serial.print(t, 1);
        Serial.print("C  RH=");
        Serial.print(rh, 1);
    }
    Serial.print("%  T_ntc=");
    Serial.print(ntc.temperature, 1);
    Serial.print("C  V_ntc=");
    Serial.print(ntc.voltage, 2);
    Serial.println("V");
}