一、ADS1115模塊概述

ADS1115是德州儀器（TI）推出的一款16位高精度、低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），采用I2C通信協(xié)議，具備四通道單端輸入或兩通道差分輸入能力。其核心特性包括：

• 分辨率：16位二進(jìn)制補(bǔ)碼輸出，滿量程范圍對(duì)應(yīng)±6.144V（PGA增益為1時(shí)），最小分辨率為0.1875mV。

• 采樣速率：支持8SPS至860SPS可調(diào)，滿足不同場(chǎng)景的實(shí)時(shí)性需求。

• 輸入范圍：通過可編程增益放大器（PGA）提供±256mV至±6.144V多檔量程選擇，適配微弱信號(hào)與高電壓信號(hào)采集。

• 低功耗設(shè)計(jì)：連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下功耗僅150μA，單次轉(zhuǎn)換模式可進(jìn)一步降低待機(jī)功耗。

• 集成功能：內(nèi)置低漂移電壓基準(zhǔn)、比較器及數(shù)字濾波器，簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)。

該模塊廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，尤其適合需要多通道、高精度信號(hào)采集的嵌入式系統(tǒng)。例如，在工業(yè)自動(dòng)化中，可同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、壓力、流量等多路傳感器信號(hào)；在醫(yī)療設(shè)備中，可精確采集生理電信號(hào)。

二、硬件連接與電氣特性

1. 引腳定義與功能

ADS1115采用10引腳QFN封裝，關(guān)鍵引腳功能如下：

• AIN0~AIN3：四通道模擬輸入，支持單端或差分模式配置。

• VDD/GND：電源輸入，工作電壓范圍2.0V~5.5V，典型值3.3V。

• SCL/SDA：I2C通信接口，支持標(biāo)準(zhǔn)（100kHz）、快速（400kHz）、高速（3.4MHz）三種模式。

• ADDR：地址選擇引腳，通過連接至GND、VDD、SDA或SCL，可配置四個(gè)不同I2C地址（0x48~0x4B）。

• ALERT/RDY：數(shù)據(jù)就緒或比較器輸出引腳，低電平有效，可用于中斷觸發(fā)或閾值報(bào)警。

2. 硬件連接示例

以51單片機(jī)（如STC89C52）為例，典型連接方式如下：

• 電源：VDD接3.3V電源，GND接地。

• I2C接口：SCL接單片機(jī)P2.0，SDA接P2.1，需外接4.7kΩ上拉電阻。

• 地址配置：ADDR引腳接地，I2C地址為0x48（寫）或0x49（讀）。

• 模擬輸入：AIN0接溫度傳感器輸出，AIN1接壓力傳感器輸出，AIN2~AIN3懸空或接其他信號(hào)源。

3. 電氣特性參數(shù)

• 輸入阻抗：典型值10MΩ，可直接連接高阻抗傳感器。

• 共模抑制比（CMRR）：差分模式下≥86dB，有效抑制共模噪聲。

• 溫度漂移：基準(zhǔn)電壓漂移±15ppm/°C，確保長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

三、軟件驅(qū)動(dòng)與寄存器配置

1. I2C通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)

51單片機(jī)需通過軟件模擬I2C時(shí)序與ADS1115通信，關(guān)鍵步驟包括：

• 起始信號(hào)：SCL高電平時(shí)，SDA由高變低。

• 停止信號(hào)：SCL高電平時(shí)，SDA由低變高。

• 應(yīng)答信號(hào)：每傳輸8位數(shù)據(jù)后，接收方需拉低SDA表示確認(rèn)。

示例代碼（基于C51）：

void I2C_Start(void) {

SDA = 1; SCL = 1;

delay_us(4);

SDA = 0;

delay_us(4);

SCL = 0;

}



void I2C_WriteByte(uint8_t data) {

for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {

SDA = (data & 0x80) ? 1 : 0;

data <<= 1;

SCL = 1; delay_us(2);

SCL = 0; delay_us(2);

}

SDA = 1; SCL = 1;

uint8_t ack = SDA;

SCL = 0;

}

2. 關(guān)鍵寄存器配置

ADS1115通過四個(gè)16位寄存器實(shí)現(xiàn)功能控制與數(shù)據(jù)讀取：

• 配置寄存器（0x01）：

• OS位：?jiǎn)?dòng)單次轉(zhuǎn)換（寫1觸發(fā)）。

• MUX[2:0]：選擇輸入通道（如0x00對(duì)應(yīng)AIN0-GND單端模式）。

• PGA[2:0]：設(shè)置增益（如0x00對(duì)應(yīng)±6.144V量程）。

• MODE位：選擇工作模式（0為連續(xù)轉(zhuǎn)換，1為單次轉(zhuǎn)換）。

• DR[2:0]：設(shè)置采樣速率（如0x03對(duì)應(yīng)64SPS）。

• 轉(zhuǎn)換寄存器（0x00）：存儲(chǔ)最近一次轉(zhuǎn)換結(jié)果，二進(jìn)制補(bǔ)碼格式。

• 閾值寄存器（0x02~0x03）：配置比較器高低閾值，需與配置寄存器中的比較器模式配合使用。

3. 初始化與數(shù)據(jù)讀取流程

1. 初始化I2C接口：配置單片機(jī)引腳為開漏輸出，并啟用上拉電阻。

2. 寫入配置寄存器：設(shè)置通道、增益、采樣率等參數(shù)。

3. 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換：若為單次模式，需向OS位寫1觸發(fā)轉(zhuǎn)換。

4. 輪詢DRDY引腳或查詢轉(zhuǎn)換寄存器：判斷數(shù)據(jù)是否就緒。

5. 讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果：從轉(zhuǎn)換寄存器讀取16位數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為實(shí)際電壓值。

示例代碼（讀取AIN0通道電壓）：

#define ADS1115_ADDR 0x48  

#define CONFIG_REG 0x01  

#define CONVERSION_REG 0x00  



void ADS1115_Init(void) {

uint8_t config_high = 0xC3; // OS=1, MUX=0, PGA=0, MODE=0, DR=3  

uint8_t config_low = 0x83;  // 64SPS, 傳統(tǒng)比較器模式  

I2C_Start();

I2C_WriteByte(ADS1115_ADDR << 1); // 寫地址  

I2C_WriteByte(CONFIG_REG);

I2C_WriteByte(config_high);

I2C_WriteByte(config_low);

I2C_Stop();

}



float ADS1115_ReadVoltage(void) {

uint8_t data[2];

I2C_Start();

I2C_WriteByte((ADS1115_ADDR << 1) | 0x01); // 讀地址  

I2C_WriteByte(CONVERSION_REG);

I2C_Start();

I2C_WriteByte((ADS1115_ADDR << 1) | 0x01);

data[0] = I2C_ReadByte(1); // 應(yīng)答  

data[1] = I2C_ReadByte(0); // 非應(yīng)答  

I2C_Stop();



int16_t raw_value = (data[0] << 8) | data[1];

float voltage = raw_value * 0.1875 / 1000.0; // 轉(zhuǎn)換為伏特  

return voltage;

}

四、應(yīng)用場(chǎng)景與實(shí)戰(zhàn)案例

1. 多通道溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

需求：同時(shí)監(jiān)測(cè)四個(gè)熱敏電阻輸出的模擬電壓，并通過LCD1602顯示實(shí)時(shí)溫度值。
實(shí)現(xiàn)步驟：

1. 將四個(gè)熱敏電阻分別連接至AIN0~AIN3，并配置分壓電路。

2. 初始化ADS1115，設(shè)置增益為±6.144V，采樣率為64SPS。

3. 周期性讀取四通道數(shù)據(jù)，并通過查表法將電壓值轉(zhuǎn)換為溫度值。

4. 將溫度值顯示在LCD1602上，并設(shè)置超溫報(bào)警閾值。

2. 工業(yè)壓力傳感器數(shù)據(jù)采集

需求：采集壓力傳感器輸出的0~5V信號(hào)，并通過串口上傳至上位機(jī)。
實(shí)現(xiàn)步驟：

1. 將壓力傳感器輸出連接至AIN0，配置增益為±2.048V（通過分壓電阻調(diào)整輸入范圍）。

2. 初始化ADS1115，設(shè)置采樣率為860SPS，啟用連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。

3. 在中斷服務(wù)程序中讀取轉(zhuǎn)換寄存器數(shù)據(jù)，并通過UART發(fā)送至上位機(jī)。

4. 上位機(jī)使用Python腳本解析數(shù)據(jù)并繪制實(shí)時(shí)曲線。

3. 閾值報(bào)警與中斷觸發(fā)

需求：監(jiān)測(cè)電池電壓，當(dāng)電壓低于3.3V時(shí)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。
實(shí)現(xiàn)步驟：

1. 將電池電壓通過分壓電路連接至AIN0，配置增益為±6.144V。

2. 初始化ADS1115，啟用比較器模式，設(shè)置低閾值為0x2E80（對(duì)應(yīng)3.3V）。

3. 將ALERT/RDY引腳連接至單片機(jī)外部中斷引腳，配置下降沿觸發(fā)。

4. 在中斷服務(wù)程序中關(guān)閉負(fù)載電源，并通過LED提示報(bào)警狀態(tài)。

五、常見問題與調(diào)試技巧

1. 通信故障排查

• 現(xiàn)象：I2C通信失敗，讀取數(shù)據(jù)全為0xFF。

• 原因：上拉電阻缺失、地址配置錯(cuò)誤、時(shí)序不匹配。

• 解決：檢查上拉電阻（4.7kΩ）、確認(rèn)ADDR引腳連接、使用邏輯分析儀捕獲I2C波形。

2. 數(shù)據(jù)異常處理

• 現(xiàn)象：讀取電壓值波動(dòng)較大或超出量程。

• 原因：輸入信號(hào)未適配增益、電源噪聲干擾、采樣率設(shè)置不當(dāng)。

• 解決：調(diào)整PGA增益使輸入信號(hào)位于量程中心、增加RC濾波電路、降低采樣率。

3. 功耗優(yōu)化建議

• 單次轉(zhuǎn)換模式：在非實(shí)時(shí)性場(chǎng)景中，使用單次轉(zhuǎn)換模式并配合低功耗單片機(jī)。

• 降低采樣率：將采樣率從860SPS降至8SPS，功耗可降低約90%。

• 關(guān)閉未使用通道：通過MUX位禁用未使用的輸入通道，減少噪聲耦合。

六、擴(kuò)展功能與高級(jí)應(yīng)用

1. 差分信號(hào)采集

ADS1115支持兩通道差分輸入（如AIN0-AIN1），適用于橋式傳感器或高共模噪聲環(huán)境。配置MUX[2:0]=0x01即可啟用差分模式，此時(shí)輸入范圍為±256mV（PGA=16）至±6.144V（PGA=1）。

2. 數(shù)字濾波與平均值算法

為提高抗干擾能力，可在軟件中實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)平均濾波：

#define SAMPLE_NUM 16  

float voltage_buffer[SAMPLE_NUM];

uint8_t index = 0;



float Filter_Voltage(float new_value) {

voltage_buffer[index++] = new_value;

if (index >= SAMPLE_NUM) index = 0;



float sum = 0;

for (uint8_t i = 0; i < SAMPLE_NUM; i++) {

sum += voltage_buffer[i];

}

return sum / SAMPLE_NUM;

}

3. 與其他模塊的協(xié)同工作

• 與OLED顯示模塊結(jié)合：通過I2C接口驅(qū)動(dòng)SSD1306 OLED，實(shí)時(shí)顯示多通道數(shù)據(jù)。

• 與無線模塊集成：使用ESP8266或NRF24L01將采集數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)。

• 與PID控制算法聯(lián)動(dòng)：根據(jù)ADS1115采集的溫度/壓力值，動(dòng)態(tài)調(diào)整加熱器或閥門開度。

ADS1115憑借其高精度、低功耗、多通道特性，成為51單片機(jī)系統(tǒng)中理想的ADC解決方案。通過本文的詳細(xì)介紹，讀者可掌握其硬件連接、寄存器配置、軟件驅(qū)動(dòng)及典型應(yīng)用方法。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)4.0的發(fā)展，ADS1115將在智能家居、智慧農(nóng)業(yè)、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。建議開發(fā)者結(jié)合具體需求，靈活調(diào)整增益、采樣率等參數(shù)，并探索與傳感器融合、邊緣計(jì)算等技術(shù)的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更智能、更高效的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。