基于ADS1115多通道低功耗环境参数检测系统设计

李长才， 肖金球， 华 猛

（1.苏州科技大学 电子与信息工程学院，江苏 苏州 215009；2.苏州市智能测控工程技术研究中心，江苏 苏州 215009）

基于ADS1115多通道低功耗环境参数检测系统设计

李长才1，2， 肖金球1，2， 华 猛1，2

（1.苏州科技大学 电子与信息工程学院，江苏 苏州 215009；2.苏州市智能测控工程技术研究中心，江苏 苏州 215009）

为了可靠准确地检测环境参数，尽可能降低功耗，设计了基于ADS1115多通道低功耗检测系统。采用ADS1115作为数据采样与转化模块，STM32处理器作为控制与处理模块。通过配置ADS1115寄存器，进行通道转换与数据采集。利用STM32的待机模式，大大降低了系统功耗。给出了ADS1115芯片的简介、硬件设计方案、软件实现方法以及最终测试结果。经测试，该检测系统具有功耗低、体积小、可靠稳定以及功能扩展性好等特点，适用于对功耗要求比较高的数据采集与测量环境中。

ADS1115；参数检测；多通道；STM32；低功耗

当前，模数、数模转化器[1]已经被广泛的应用在工业、通信、汽车及消费类领域，在电子智能测量技术的高速发展的趋势下，对数据采集与转换的要求也越来越高。特别是在电能供应不便的地方，数据采集需要的电能只有通过电池或太阳能板提供，所以需要模数转换器具有低功耗特性。此外，数据采集检测系统还需要稳定、可靠、安全地运行，实现对数据的测量与监控。ADS1115不仅具有低功耗的特性，而且体积小、精度高，集成了多路复用器以及增益放大器等部件，简化了外围电路的设计。在特定的场合，能够充分发挥其优势。该文设计了基于ADS1115多通道低功耗环境参数检测系统[2]，利用ADS1115单次转化模式以及STM32处理器的待机模式，大大降低了整个系统的功耗，实现了系统可靠稳定运行。

1 ADS1115简介

ADS1115是高精度模数转化器，具有16位分辨率。超小型的无引线QFN-10封装或MSOP-10封装，大大减少了其体积。2.0 V至5.5 V的宽电源范围。在设计时考虑了精度、功耗和实现的简易性。如图1所示，ADS1115具有一个板上基准和振荡器，数据通过一个I2C兼容型串行接口进行传输。具有一个板上可编程增益放大器（PGA）[3]，该 PGA提供从电源电压到低至±256 mV输入范围，能以高分辨率来测量大信号和小信号。集成了一个输入多路复用器（MUX）,可提供2个差分输入或4个单端输入。ADS1115可工作于连续转换模式或单触发模式，在单触发模式下，一次转化完成后自动断电，极大地降低了芯片功耗。

图1 ADS1115功能框图

2 硬件方案设计

系统硬件包括环境参数采集模块，ADS1115数据采样与转化模块，STM32控制与处理模块等[4]。系统结构框图如图2所示。

图2 系统结构框图

2.1 环境参数采集模块

系统主要对光强、温度、湿度和气压等环境参数进行了采集[5]。光强的采集采用光敏电阻，随着入射光辐射照度的变化，光敏电阻的阻值也会变化，通过检测其一端电压并利用光敏电阻的光电特性和伏安特性，可以获得其光强值。温度采集采用热敏电阻，通过检测一端电压，利用热敏电阻的温度曲线及其伏安特性，计算获得环境温度值。湿度采用湿敏电阻，其阻抗随相对湿度变化成对数变化的的电阻型湿度传感器敏感元件，利用湿敏电阻本身的特性和伏安特性，可检测环境湿度。气压参数采用QA-1型气压传感器，其供电电压为5 V，信号输出为0.5～2.5 V，符合ADS1115电压检测范围。环境参数采集电路如图3所示。图3中，R4、R5、R6、P1分别为光敏电阻、热敏电阻、湿敏电阻、气压传感器。三极管起开关作用，基集分别连接STM32的PA4、PA5、PA6、PA7管脚，通过STM32控制其通断，在系统不采集数据时，电路处于断路转态，大大降低的系统功耗。P1（气体传感器）的输出端直接连接ADS1115的AIN3的输入端，进行电压信号检测。

图3 环境参数采集电路

2.2 ADS1115数据采样与转化模块

环境参数采集电路[6]获得的模拟电压信号，通过ADS1115的模拟输入引脚输入ADS1115芯片内部。如图4所示，P2为4个输入端，分别与采集电路的4个信号输出端连接。配置多路复用器（MUX），设置4个输入端为单端输入。通过STM32控制器，控制四个输入端分别进行数据转化[7]与处理。ADDR引脚是I2C器件地址引脚，接地时ADS1115作为从机地址为1011000。SCL和SDA为I2C的时钟信号线和数据线，分别与STM32的PB6和PB7管脚相连，构成I2C串行总线。通过这两条线，实现ADS1115和STM32之间的数据通信。ADS1115内部的16位模数转化器对模拟信号进行转化，得到的数字量通过I2C总线传送至STM32处理器进行数据计算与处理。

图4 ADS1115电路连接图

2.3 STM32控制与处理模块

STM32[8]具有功耗低、速度快、体积小等优点，外设及管脚时钟都可以灵活的配置，关闭不用的外设及管脚时钟，大大降低了芯片的功耗。STM32具有三种低功耗模式，本系统使用待机模式，达到低功耗的目的。利用SysTick为系统提供单独的时钟节拍。选用STM32作为控制器的另一原因是其内部集成了I2C硬件接口，能大大提高系统运行效率。配置内部I2C寄存器[9]，通过I2C总线向ADS1115芯片内部写数据，配置ADS1115内部寄存器，设置ADS1115工作模式。通过I2C总线读取转化后的数字量，存储至STM32的SRAM中，以便于后续数据的处理。STM32计算转换采集到的数据，控制LCD进行数据显示以及设置存储器进行数据存储。

3 软件方案设计

系统软件设计采用C语言开发，开发工具采用Keil MDK，使用Keil Ulink2仿真器进行程序下载、在线运行调试。整个软件设计包括初始化子程序、主程序、ADS1115寄存器配置子程序、I2C读写子程序、LCD显示子程序、中断待机子程序这6个部分，程序流程图如图5所示。

图5 软件主程序流程图

初始化程序包括对STM32内部I2C硬件模块的初始化，对系统用到的各管脚初始化，配置SysTick时钟源、开启SysTick计数器及其中断。此时，整个系统的计时时钟开启。没有用到的管脚时钟都处于关闭状态，减少功耗。以采集光强参数为例，在数据采样前，要使图3中的三极管Q1导通，即STM32控制PA4管脚输出高电平，保证采集模块的电路处于导通工作状态。I2C模块初始化后，可调用I2C写函数对ADS1115配置寄存器进行写数据。配置ADS1115工作模式为单次触发模式，AIN0单端接通，FS（Full-Scale）为±6.144 V。配置完成后，ADS1115进行单通道的数据采集与转化，转换完成后自动进入低功耗模式。调用I2C读函数，读取转化寄存器的数字量，根据光敏电阻的光电特性和伏安特性，计算出光强值，调用LCD显示子程序显示。同样的原理，可以获得温度值、湿度值以及气压值。

为了使系统尽可能的节省功耗，设计了STM32的待机模式。环境参数数据检测系统[10]运行后，2 min内若没有关机（时间可调节），进入SysTick中断函数，中断函数调用待机程序，整个系统进入待机模式，所有使用1.8 V区域的时钟都已关闭以及HSI和HSE的振荡器关闭，直到有WAKEUP唤醒，系统才重新进入工作模式。

4 测试结果与分析

为了测试整个系统的性能，选取室内和室外不同时间段内的四个位置对系统检测结果进行测试。环境检测系统的界面如图6所示。

图6 环境检测系统界面

把系统检测的结果与选取的测试设备检测的结果进行比较。如表1所示。通过检测数据的比较分析，系统较准确的采集到所需要的环境参数，整个系统的运行很稳定，能够按照所设定的时间进入待机模式，也能够很可靠的唤醒系统。在满足环境参数采集的同时，也大大的降低了功耗。光强采集误差范围在1%～2%之间，温度误差范围在0.5%～1%，湿度误差范围在1.5%～2.5%，气压误差小于1%。整个系统也存在一些问题，环境参数采集时需要满足检测器件的测量范围。采集到的环境参数数据精度有待于进一步提高，主要体现在采集模块中。各检测器件的精度也受周边环境的影响。

表1 检测结果

5 结语

基于ADS1115多通道低功耗环境参数检测系统的设计，实现了对温度、光强、湿度和气压准确检测。运用ADS1115的单次转化模式，在没有充足电力供应的环境中使用，能充分发挥其低功耗的优势。创新性地把SysTick时钟中断和待机模式结合起来，降低了整个系统功耗。该系统具有可靠性高、功能扩展性好，通过改变输入模块的设计，还可以用来对电流、电压、火焰、有害气体等参数采集与检测，应用方便，具有很好的实用价值。

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Design ofmultichannel low-power environment parameters test system based on ADS1115

LIChangcai1,2,XIAO Jinqiu1,2,HUA Meng1,2
（1.School of Electronic&Information Engineering,SUST,Suzhou 215009,China;2.Suzhou Intelligent Control Engineering Technology Center,Suzhou 215009,China）

In order to test environment parameters reliably and accurately and reduce the power consumption as much as possible,themultichannel low-power test system based on ADS1115 was designed.ADS1115 was used as a data sampling and conversion module,STM32 as a control and processingmodule.The channel conversion and data collection was realized by configuring ADS1115 registers.The system power consumption was reduced significantly by using STM32 standby mode.This paper presents the introduction of ADS1115,hardware design scheme,softwaremethod and final test results.After testing,the system is characteristic of low power consumption,small volume,reliability,stability and fine extension function,which is appropriate for data collection and measurement environment of low power consumption demand.

ADS1115;parameters test;multichannel;STM32;low-power

TP274

：A

：2096-3270（2017）03-0077-04

（责任编辑：卢文君）

2016-09-17

住房和城乡建设部科学技术计划项目（2014-K8-050）；苏州科技大学科研基金项目（XKZ201508）

李长才（1988-），男，山东枣庄人，硕士研究生。

肖金球（1963-），男，教授，主要从事智能测控技术的研究，Email：xjq@mail.usts.edu.cn。