一、ADS1115模块概述

ADS1115是德州仪器（TI）推出的一款16位高精度、低功耗模数转换器（ADC），采用I²C通信协议，具备四通道单端输入或两通道差分输入能力。其核心特性包括：

• 分辨率：16位二进制补码输出，满量程范围对应±6.144V（PGA增益为1时），最小分辨率为0.1875mV。

• 采样速率：支持8SPS至860SPS可调，满足不同场景的实时性需求。

• 输入范围：通过可编程增益放大器（PGA）提供±256mV至±6.144V多档量程选择，适配微弱信号与高电压信号采集。

• 低功耗设计：连续转换模式下功耗仅150μA，单次转换模式可进一步降低待机功耗。

• 集成功能：内置低漂移电压基准、比较器及数字滤波器，简化外围电路设计。

该模块广泛应用于工业自动化、医疗设备、环境监测等领域，尤其适合需要多通道、高精度信号采集的嵌入式系统。例如，在工业自动化中，可同时监测温度、压力、流量等多路传感器信号；在医疗设备中，可精确采集生理电信号。

二、硬件连接与电气特性

1. 引脚定义与功能

ADS1115采用10引脚QFN封装，关键引脚功能如下：

• AIN0~AIN3：四通道模拟输入，支持单端或差分模式配置。

• VDD/GND：电源输入，工作电压范围2.0V~5.5V，典型值3.3V。

• SCL/SDA：I²C通信接口，支持标准（100kHz）、快速（400kHz）、高速（3.4MHz）三种模式。

• ADDR：地址选择引脚，通过连接至GND、VDD、SDA或SCL，可配置四个不同I²C地址（0x48~0x4B）。

• ALERT/RDY：数据就绪或比较器输出引脚，低电平有效，可用于中断触发或阈值报警。

2. 硬件连接示例

以51单片机（如STC89C52）为例，典型连接方式如下：

• 电源：VDD接3.3V电源，GND接地。

• I²C接口：SCL接单片机P2.0，SDA接P2.1，需外接4.7kΩ上拉电阻。

• 地址配置：ADDR引脚接地，I²C地址为0x48（写）或0x49（读）。

• 模拟输入：AIN0接温度传感器输出，AIN1接压力传感器输出，AIN2~AIN3悬空或接其他信号源。

3. 电气特性参数

• 输入阻抗：典型值10MΩ，可直接连接高阻抗传感器。

• 共模抑制比（CMRR）：差分模式下≥86dB，有效抑制共模噪声。

• 温度漂移：基准电压漂移±15ppm/°C，确保长期稳定性。

三、软件驱动与寄存器配置

1. I²C通信协议实现

51单片机需通过软件模拟I²C时序与ADS1115通信，关键步骤包括：

• 起始信号：SCL高电平时，SDA由高变低。

• 停止信号：SCL高电平时，SDA由低变高。

• 应答信号：每传输8位数据后，接收方需拉低SDA表示确认。

示例代码（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. 关键寄存器配置

ADS1115通过四个16位寄存器实现功能控制与数据读取：

• 配置寄存器（0x01）：

• OS位：启动单次转换（写1触发）。

• MUX[2:0]：选择输入通道（如0x00对应AIN0-GND单端模式）。

• PGA[2:0]：设置增益（如0x00对应±6.144V量程）。

• MODE位：选择工作模式（0为连续转换，1为单次转换）。

• DR[2:0]：设置采样速率（如0x03对应64SPS）。

• 转换寄存器（0x00）：存储最近一次转换结果，二进制补码格式。

• 阈值寄存器（0x02~0x03）：配置比较器高低阈值，需与配置寄存器中的比较器模式配合使用。

3. 初始化与数据读取流程

1. 初始化I²C接口：配置单片机引脚为开漏输出，并启用上拉电阻。

2. 写入配置寄存器：设置通道、增益、采样率等参数。

3. 启动转换：若为单次模式，需向OS位写1触发转换。

4. 轮询DRDY引脚或查询转换寄存器：判断数据是否就绪。

5. 读取转换结果：从转换寄存器读取16位数据，并转换为实际电压值。

示例代码（读取AIN0通道电压）：

#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, 传统比较器模式  

I2C_Start();

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

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); // 读地址  

I2C_WriteByte(CONVERSION_REG);

I2C_Start();

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

data[0] = I2C_ReadByte(1); // 应答  

data[1] = I2C_ReadByte(0); // 非应答  

I2C_Stop();



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

float voltage = raw_value * 0.1875 / 1000.0; // 转换为伏特  

return voltage;

}

四、应用场景与实战案例

1. 多通道温度监测系统

需求：同时监测四个热敏电阻输出的模拟电压，并通过LCD1602显示实时温度值。
实现步骤：

1. 将四个热敏电阻分别连接至AIN0~AIN3，并配置分压电路。

2. 初始化ADS1115，设置增益为±6.144V，采样率为64SPS。

3. 周期性读取四通道数据，并通过查表法将电压值转换为温度值。

4. 将温度值显示在LCD1602上，并设置超温报警阈值。

2. 工业压力传感器数据采集

需求：采集压力传感器输出的0~5V信号，并通过串口上传至上位机。
实现步骤：

1. 将压力传感器输出连接至AIN0，配置增益为±2.048V（通过分压电阻调整输入范围）。

2. 初始化ADS1115，设置采样率为860SPS，启用连续转换模式。

3. 在中断服务程序中读取转换寄存器数据，并通过UART发送至上位机。

4. 上位机使用Python脚本解析数据并绘制实时曲线。

3. 阈值报警与中断触发

需求：监测电池电压，当电压低于3.3V时触发蜂鸣器报警。
实现步骤：

1. 将电池电压通过分压电路连接至AIN0，配置增益为±6.144V。

2. 初始化ADS1115，启用比较器模式，设置低阈值为0x2E80（对应3.3V）。

3. 将ALERT/RDY引脚连接至单片机外部中断引脚，配置下降沿触发。

4. 在中断服务程序中关闭负载电源，并通过LED提示报警状态。

五、常见问题与调试技巧

1. 通信故障排查

• 现象：I²C通信失败，读取数据全为0xFF。

• 原因：上拉电阻缺失、地址配置错误、时序不匹配。

• 解决：检查上拉电阻（4.7kΩ）、确认ADDR引脚连接、使用逻辑分析仪捕获I²C波形。

2. 数据异常处理

• 现象：读取电压值波动较大或超出量程。

• 原因：输入信号未适配增益、电源噪声干扰、采样率设置不当。

• 解决：调整PGA增益使输入信号位于量程中心、增加RC滤波电路、降低采样率。

3. 功耗优化建议

• 单次转换模式：在非实时性场景中，使用单次转换模式并配合低功耗单片机。

• 降低采样率：将采样率从860SPS降至8SPS，功耗可降低约90%。

• 关闭未使用通道：通过MUX位禁用未使用的输入通道，减少噪声耦合。

六、扩展功能与高级应用

1. 差分信号采集

ADS1115支持两通道差分输入（如AIN0-AIN1），适用于桥式传感器或高共模噪声环境。配置MUX[2:0]=0x01即可启用差分模式，此时输入范围为±256mV（PGA=16）至±6.144V（PGA=1）。

2. 数字滤波与平均值算法

为提高抗干扰能力，可在软件中实现滑动平均滤波：

#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. 与其他模块的协同工作

• 与OLED显示模块结合：通过I²C接口驱动SSD1306 OLED，实时显示多通道数据。

• 与无线模块集成：使用ESP8266或NRF24L01将采集数据上传至云平台。

• 与PID控制算法联动：根据ADS1115采集的温度/压力值，动态调整加热器或阀门开度。

ADS1115凭借其高精度、低功耗、多通道特性，成为51单片机系统中理想的ADC解决方案。通过本文的详细介绍，读者可掌握其硬件连接、寄存器配置、软件驱动及典型应用方法。未来，随着物联网与工业4.0的发展，ADS1115将在智能家居、智慧农业、智能电网等领域发挥更大作用。建议开发者结合具体需求，灵活调整增益、采样率等参数，并探索与传感器融合、边缘计算等技术的结合，以实现更智能、更高效的嵌入式系统设计。