STM32传感器模块编程实践(十一) ADC模数转换模块ADS1115简介及驱动源码

文章目录

    • 一.概要
    • 二.ADS1115芯片介绍
    • 三.ADS1115芯片主要特性
    • 四.ADS1115模块接线说明
    • 五.ADS1115参考原理图
    • 六.通讯协议介绍
    • 七.STM32单片机与ADS1115模块实现电压采集实验
      • 1.硬件准备
      • 2.软件工程
      • 3.软件主要代码
      • 4.实验效果
    • 八.源代码工程下载
    • 九.小结

一.概要

ADC，全称为Analog-to-Digital Converter，即模数转换器，是一种将模拟信号转换为数字信号的电子设备。ADC广泛应用于工业控制、通信、医疗、音频和视频等领域。ADC的作用是将模拟信号转换成数字信号，数字信号可以更好地被储存和处理，进一步实现信号的分析与处理，提高信息的精度和可性，如在传感器信号采集中，比如温度，压力，声音，电压等信号，ADC转换器会将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，以便进行数据采集、监控和控制，我们单片机的应用过程中，一般是采集电压信号。
我们常用的STM32F103单片机，单片机内部就带有12位的ADC。

关于12位，16位的概念，我们再以5V的ADC模块为例介绍:
8位的精度:把0~5V分成2^8份=256份，每份表示5/256=0.02V;
10位的精度:把0~5V分成2^10份=1024份，每份表示5/1024=0.005V;
12位的精度:把0~5V分成2^12份=4096份，每份表示5/4096=0.0012V;
16位的精度:把0~5V分成2^16份=65536份，每份表示5/65536=0.000076V;
24位的精度:把0~5V分成2^24份=16777215份，每份表示5/16777215=0.00000023V;
所以在考虑同样的温度影响下，位数越多，采集的电压值就越精确，精度越高，比如需要精确到1 mV的场合，我们单片机内部的ADC精度就不够了，就需要更高位数的ADC。

ADS1115是德州仪器(TI)推出的具有IIC接口的16位ADC转换器，可以实现四个单端输入或两个差分输入。可应用于电池电压电流检测，低速便携式仪表以及温度测量系统中。
在这里插入图片描述

二.ADS1115芯片介绍

芯片引脚
在这里插入图片描述
芯片内部框图
在这里插入图片描述
ADS1115 器件采用了低漂移电压基准和振荡器。ADS1115 还采用可编程增益放大器 (PGA) 和数字比较器。这些特性加以较宽的工作电源电压范围使得ADS1115非常适合功率受限和空间受限的传感器测量。

三.ADS1115芯片主要特性

1.芯片采用超小型X2QFN封装：2mm ×1.5mm × 0.4mm
2.宽电源电压：2.0V至5.5V
3.低流耗：150μA（连续转换模式）
4.可编程数据传输速率：8SPS 至860SPS
5.单周期稳定
6.内部低漂移电压基准
7.内部振荡器
8.I2C 接口：四个引脚可选地址
9.四个单端输入或两个差分输入(ADS1115)
10.可编程比较器（ADS1114和ADS1115）
11.工作温度范围：-40°C 至 +125°C
12.ADS1115 可在数据速率高达每秒860个样本(SPS)的情况下执行转换。PGA(用可编程增益放大器)可提供从±256mV到±6.144V 的输入范围，从而实现精准的大小信号测量。
13.ADS1115 既可在连续转换模式下工作，也可在单冲模式下工作。在单冲模式下，这些器件可在一次转换后自动断电；因此显著降低了空闲期间的功耗。

四.ADS1115模块接线说明

在这里插入图片描述
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五.ADS1115参考原理图

ADS1115模块参考原理图

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ADDR引脚的电压决定IIC从机的7位地址，如下图
在这里插入图片描述

用ADS1115芯片采样温度传感器模拟量的参考电路
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六.通讯协议介绍

IIC时序
芯片采用标准的IIC接口，最高读写速度可以达3.4Mb/S。外部微控制器可以通过IIC接口对芯片进行配置，包括读写功能寄存器等，默认ADDR引脚是低电平，所以7位地址是1001000，通讯时还需要加最后1位读写位组成8位数据，所以根据下图时序，IIC通讯地址读数据是10010001(0x91)，写数据地址是10010000(0x90)。

读操作：
在这里插入图片描述
写操作：
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主要寄存器

转换寄存器(内部地址00H)，主要是读取ADC采样的16位数据转换结果
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配置寄存器(内部地址01H)，主要是配置参数
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OS
掉电状态下启动单次转换配置
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MUX[2:0]
多路复用配置，用来配置采集哪一路，比如要用AIN0进行单端采样，MUX[2:0]就是100
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PGA[2:0]：
就是用来配置不同的量程，不同量程最小有效位的电压值不同，一般配置成6.144V，如果采样的电压低，对精度要求高，可以降低最大量程配置

在这里插入图片描述
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MODE:
用来配置连续采样还是单次采样模式
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大致芯片操作流程：

1.配置寄存器 (01H)设置最大量程，采样通道，单次转换还是连续转换模式等。
2.等待配置完成。
3.读取转换寄存器(00H)的值。
4.根据读取转换寄存器(00H)的值结合LSB SIZE(最低有效位)计算出实际电压值,比如转换寄存器(00H)读到的值是0x1000，最大量程设置的是6.144V，采集到的电压值为：0x1000*0.0001875=0.768V。

七.STM32单片机与ADS1115模块实现电压采集实验

1.硬件准备

STLINK接STM32F103C8T6开发板，STLINK接电脑USB口。

模块与开发板相连：
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模块VDD <---->板子3.3V
模块GND <---->板子GND
模块SCL <---->板子PB10
模块SDA <---->板子PB11
模块A0 <---->板子3.3V或者GND
模块A1 <---->板子3.3V

主要实现模块的A0和A1通道进行电压采集，两个引脚同时采样VCC电压或者一个引脚采集GND另一个采集VCC。

2.软件工程

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Part Number处输入STM32F103C8，再双击就创建新的工程
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配置下载口引脚
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配置外部晶振引脚
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配置系统主频
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配置IIC
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配置工程文件名，保存路径，KEIL5工程输出方式
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生成工程
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用Keil5打开工程
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添加OLED显示相关代码
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添加ADS1115相关代码

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3.软件主要代码

#define ADS1115_DEV_ADDR_GND            0x90//ADDR接GND，ADS1115地址
#define ADS1115_DEV_ADDR_VDD            0x92//ADDR接VDD，ADS1115地址
#define ADS1115_DEV_ADDR_SDA            0x94//ADDR接SDA，ADS1115地址
#define ADS1115_DEV_ADDR_SCL            0x96//ADDR接SCL，ADS1115地址#define ADS1115_DEV_ADDR            	0x90//ADDR接GND决定ADS1115的7位地址，如果是写命令就是0x90,读命令就是0x91     #define ADS1115_Conversion        	 	 0x00  //转换寄存器地址
#define ADS1115_Config              	 0x01  //配置寄存器地址uint8_t BYTE_BUF[2];//读取转换寄存器的数组值/*********************************************************************************
描述：配置01H寄存器，实现单次转换，读取00H寄存器，实现电压采样，并转换成电压值
输入：channel:需要采集的通道号，ADS1115是4通道，所以是0~3，分别代表A0~A3通道
返回:浮点数，对应通道采集到的电压值，单位Vhttps://gzwelink.taobao.com
**********************************************************************************/
float ADS1115_Read_ADC(uint8_t channel)//选择一个通道的单次转换
{uint8_t ConfigBuff[2];uint8_t PGA;int16_t tempData;float voltage;//实际电压值PGA=0;//配置PGA[2:0]为000，采用FSR = ±6.144 Vswitch (channel){case 0:ConfigBuff[0] = (0xC1&0xf1)|(PGA<<1);    //bit[15]=OS=1：开始单次转换0xC1[单次]//bit[14:12]=MUX[2:0]=100 : AINP = AIN0 and AINN = GND，采集A0通道//bit[11:9]=PGA[2:0]=000 : FSR = ±6.144 V//bit[8]=MODE=1：单次模式或掉电状态break;case 1:ConfigBuff[0] =(0xD1&0xf1)|(PGA<<1) ;    //bit[15]=OS=1：开始单次转换0xD1[单次]//bit[14:12]=MUX[2:0]=101 : AINP = AIN1 and AINN = GND，采集A1通道//bit[11:9]=PGA[2:0]=000 : FSR = ±6.144 V//bit[8]=MODE=1：单次模式或掉电状态break;case 2:ConfigBuff[0] =(0xE1&0xf1)|(PGA<<1);    //bit[15]=OS=1：开始单次转换0xE1[单次]//bit[14:12]=MUX[2:0]=110 : AINP = AIN2 and AINN = GND，采集A2通道//bit[11:9]=PGA[2:0]=000 : FSR = ±6.144 V//bit[8]=MODE=1：单次模式或掉电状态break;case 3:ConfigBuff[0] =(0xF1&0xf1)|(PGA<<1);    //bit[15]=OS=1：开始单次转换0xF1[单次]//bit[14:12]=MUX[2:0]=111 : AINP = AIN3 and AINN = GND，采集A3通道//bit[11:9]=PGA[2:0]=000 : FSR = ±6.144 V//bit[8]=MODE=1：单次模式或掉电状态break;        }ConfigBuff[1] = 0xE3;     //bit[7:5]=DR[2:0]=111：860 SPS//bit[1:0]=COMP_QUE[1:0]=11：不使能比较器HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c2,ADS1115_DEV_ADDR,ADS1115_Config,1,ConfigBuff,2,1000);//调用HAL库IIC写函数，按上面的参数，配置01H寄存器HAL_Delay(2);// 延时一定时间  HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c2,ADS1115_DEV_ADDR,ADS1115_Conversion,1,BYTE_BUF,2,1000);//调用HAL库IIC读函数读取,00H寄存器的AD转换值，放入BYTE_BUFtempData = (int16_t)(BYTE_BUF[0] << 8) + (int16_t)BYTE_BUF[1];//FSR ±6.144 V，LSB 187.5 μV//FSR ±4.096 V，LSB 125 μV//FSR ±2.048 V，LSB 62.5 μV//FSR ±1.024 V，LSB 31.25 μV//FSR ±0.512 V，LSB 15.625 μV//FSR ±0.256 V，LSB 7.8125 μVswitch (PGA)//根据量程，采样值*LSB就是采集到的电压值{case 5:voltage = tempData * 0.0078125;//单位Vbreak;case 4:voltage = tempData * 0.015625;//单位Vbreak;case 3:voltage = tempData * 0.03125;//单位Vbreak;case 2:voltage = tempData * 0.0625;//单位Vbreak;case 1:voltage = tempData * 0.000125;//单位Vbreak;case 0:voltage = tempData * 0.0001875;//单位Vbreak;default:voltage = 0;break;}return voltage;}
/*********************************************************************************
描述：计算平均数
输入：channel:需要采集的通道号，ADS1115是4通道，所以是0~3，分别代表A0~A3通道
返回:浮点数，求平均后的电压，单位Vhttps://gzwelink.taobao.com
**********************************************************************************/
float ADS1115_Read_average_ADC(uint8_t channel)
{float sum[10],average;for(int i=0;i<10;i++){sum[i]=ADS1115_Read_ADC(channel);}average=(sum[3]+sum[4]+sum[5]+sum[6]+sum[7]+sum[8])/6;return average;
}float A0_Voltage,A1_Voltage;//A0通道，A1通道电压值int main(void)
{/* USER CODE BEGIN 1 */char buffer[]="";//显示存储数组/* USER CODE END 1 *//* MCU Configuration--------------------------------------------------------*//* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */HAL_Init();/* USER CODE BEGIN Init *//* USER CODE END Init *//* Configure the system clock */SystemClock_Config();//8M外部晶振，72M系统主频/* USER CODE BEGIN SysInit *//* USER CODE END SysInit *//* Initialize all configured peripherals */MX_GPIO_Init();MX_I2C2_Init();//配置IIC2，100K速度，PB10 SCL,PB11 SDA/* USER CODE BEGIN 2 */OLED_Init();//OLED初始化  OLED_Clear();//清屏/* USER CODE END 2 *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */OLED_Clear();//清屏OLED_ShowCHinese(18,0,0);//光OLED_ShowCHinese(36,0,1);//子OLED_ShowCHinese(54,0,2);//物OLED_ShowCHinese(72,0,3);//联OLED_ShowCHinese(90,0,4);//网OLED_ShowString(6,2,(u8*)"ADS1115  TEST");//显示字符串 OLED_ShowString(20,4,(u8*)"A0:");//显示字符串 OLED_ShowString(20,6,(u8*)"A1:");//显示字符串 OLED_ShowString(100,4,(u8*)"V");//显示字符串 OLED_ShowString(100,6,(u8*)"V");//显示字符串 A0_Voltage=ADS1115_Read_average_ADC(0);	//读取A0通道输入的电压,选择6.144V最大量程	sprintf(buffer,"%5.3f",A0_Voltage);//浮点型数据转为指定格式的字符串,5位,3位小数点OLED_ShowString(50,4,(u8*)buffer);//显示A0通道电压值，单位VHAL_Delay(100);//等待100msA1_Voltage=ADS1115_Read_average_ADC(1);	//读取A1通道输入的电压,选择6.144V最大量程	sprintf(buffer,"%5.3f",A1_Voltage);//浮点型数据转为指定格式的字符串,5位,3位小数点OLED_ShowString(50,6,(u8*)buffer);//显示A1通道电压值，单位V HAL_Delay(2000);//等待2000ms}/* USER CODE END 3 */
}

4.实验效果

两个通道同时采集板子3.3V电压
在这里插入图片描述

A1通道采集3.3V,A0通道采集GND,采集到的电压与万用表比较
在这里插入图片描述

八.源代码工程下载

CSDN源代码下载

九.小结

ADS1115是一款精确的16位模数转换器，能够处理多路输入信号，支持差分和单端输入，可广泛应用于各种传感器的信号采集。

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