基于 ESP32 的 ADS1115 多通道数据采集与 Web 监控系统

确保开发环境已安装 ESP32 相关插件及依赖库。

2.2 连接与上传

1. 连接开发板。
2. 验证连接状态。
3. 上传固件。

2.3 调试

打开串口监视器，设置波特率为 115200，观察输出信息。

三、代码讲解部分

代码文件结构

主程序文件，实现 WiFi 连接、ADS1115 数据采集、WebServer 搭建；头文件，存储 Web 页面的 HTML/CSS/JavaScript 代码。

3.1 初始化配置

// 增益设置：GAIN_ONE (+/- 4.096V) // 1 bit = 0.125mV
const float multiplier = 0.000125;
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  // 1. 初始化 ADS1115
  if (!ads.begin()) {
    Serial.println("无法初始化 ADS1115，请检查连线！");
    while (1);
  }
  // 设置增益以匹配 3.3V 系统，同时保留一定的余量
  ads.setGain(GAIN_ONE);
  // 2. 连接 WiFi
  WiFi.begin(ssid, password);
  Serial.print("正在连接 WiFi");
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("\nWiFi 已连接");
  Serial.print("访问地址：http://");
  Serial.println(WiFi.localIP());
  // 3. 配置 Web 服务器路由
  // 首页
  server.on("/", HTTP_GET, []() {
    server.send_P(200, "text/html", index_html);
  });
  // API 接口：返回 JSON 数据
  server.on("/data", HTTP_GET, []() {
    String json = "{";
    json += "\"diff_raw\":" + String(raw_diff) + ",";
    json += "\"diff_v\":" + String(volt_diff, 4) + ",";
    json += "\"v0\":" + String(volt_a0, 4) + ",";
    json += "\"v1\":" + String(volt_a1, 4) + ",";
    json += "\"v2\":" + String(volt_a2, 4);
    json += "}";
    server.send(200, "application/json", json);
  });
  server.begin();
  Serial.println("HTTP 服务器已启动");
}

GAIN_ONE 增益倍数 1，满量程±4.096V；multiplier 每个 LSB 对应的电压值（0.125mV）。

3.2 多模式数据采集

// --- 变量存储 ---
int16_t raw_diff; // 差分原始值
int16_t raw_a0, raw_a1, raw_a2; // 单端原始值
float volt_diff, volt_a0, volt_a1, volt_a2; // 转换后的电压值
void loop() {
  server.handleClient();
  // --- 关键步骤：切换模式读取数据 ---
  // 注意：频繁切换配置寄存器会消耗一点时间，但为了同时显示单端和差分是必须的。
  // 1. 读取 A0-A1 差分值 (Differential)
  // 如果 A0 > A1，值为正；如果 A1 > A0，值为负
  raw_diff = ads.readADC_Differential_0_1();
  volt_diff = raw_diff * multiplier;
  // 2. 读取单端值 (Single Ended) 用于参考
  raw_a0 = ads.readADC_SingleEnded(0);
  volt_a0 = raw_a0 * multiplier;
  raw_a1 = ads.readADC_SingleEnded(1);
  volt_a1 = raw_a1 * multiplier;
  raw_a2 = ads.readADC_SingleEnded(2); // 备用通道
  volt_a2 = raw_a2 * multiplier;
  // 简单的串口调试 (可选)
  // Serial.printf("Diff: %.4f V, A0: %.4f V, A1: %.4f V\n", volt_diff, volt_a0, volt_a1);
  delay(5); // 短暂延时，避免 CPU 过载
}

测量 AIN0 和 AIN1 之间的电压差、结果可正可负，代表相对极性、差分模式能抑制共模噪声，提高测量精度。

3.3 Web 数据接口

// --- 全局对象 ---
WebServer server(80);
// 3. 配置 Web 服务器路由
// 首页
server.on("/", HTTP_GET, []() {
  server.send_P(200, "text/html", index_html);
});
// API 接口：返回 JSON 数据
server.on("/data", HTTP_GET, []() {
  String json = "{";
  json += "\"diff_raw\":" + String(raw_diff) + ",";
  json += "\"diff_v\":" + String(volt_diff, 4) + ",";
  json += "\"v0\":" + String(volt_a0, 4) + ",";
  json += "\"v1\":" + String(volt_a1, 4) + ",";
  json += "\"v2\":" + String(volt_a2, 4);
  json += "}";
  server.send(200, "application/json", json);
});
server.begin();

使用 JSON 格式便于前端解析、保留 4 位小数确保精度同时提供原始值和计算值。

3.4 前端数据可视化

<script>
// --- Chart.js 初始化配置 ---
const ctx = document.getElementById('voltageChart').getContext('2d');
// 创建渐变填充
let gradient = ctx.createLinearGradient(0, 0, 0, 400);
gradient.addColorStop(0, 'rgba(102, 252, 241, 0.4)'); // 顶部颜色
gradient.addColorStop(1, 'rgba(102, 252, 241, 0)'); // 底部透明
const voltageChart = new Chart(ctx, { 
  type: 'line', 
  data: { 
    labels: [], // 时间轴标签
    datasets: [{ 
      label: 'Differential Voltage (A0 - A1)', 
      data: [], 
      borderColor: '#66fcf1', 
      backgroundColor: gradient, 
      borderWidth: 2, 
      pointRadius: 0, // 隐藏数据点，使线条更平滑
      fill: true, 
      tension: 0.4 // 曲线平滑度 
    }] 
  }, 
  options: { 
    responsive: true, 
    maintainAspectRatio: false, 
    scales: { 
      x: { display: false }, // 隐藏 X 轴标签保持简洁
      y: { 
        grid: { color: '#333' }, 
        ticks: { color: '#888' }, 
        suggestedMin: -4.0, 
        suggestedMax: 4.0 
      } 
    }, 
    plugins: { 
      legend: { 
        labels: { color: '#c5c6c7' } 
      } 
    }, 
    animation: false // 禁用动画以提高实时性能 
  } 
});
// --- 数据获取与更新逻辑 ---
const maxDataPoints = 100; // 图表保留的数据点数量
function updateDashboard() {
  fetch('/data')
    .then(response => response.json())
    .then(data => {
      // 1. 更新卡片数值
      document.getElementById('valDiff').innerText = data.diff_v.toFixed(4);
      document.getElementById('val0').innerText = data.v0.toFixed(4);
      document.getElementById('val1').innerText = data.v1.toFixed(4);
      document.getElementById('val2').innerText = data.v2.toFixed(4);
      // 2. 更新图表
      // 获取当前时间戳作为简单的标签
      const now = new Date().toLocaleTimeString();
      // 添加新数据
      voltageChart.data.labels.push(now);
      voltageChart.data.datasets[0].data.push(data.diff_v);
      // 如果数据点过多，移除最早的数据
      if (voltageChart.data.labels.length > maxDataPoints) {
        voltageChart.data.labels.shift();
        voltageChart.data.datasets[0].data.shift();
      }
      voltageChart.update();
    })
    .catch(error => console.error('Error:', error));
}
// 设置刷新频率 (100ms = 10Hz 刷新率)
setInterval(updateDashboard, 100);
</script>

系统流程图

[图：系统流程图]

差分测量模式深度解析

// 读取 A0-A1 差分原始值，底层自动配置寄存器
raw_diff = ads.readADC_Differential_0_1();
// 转换为实际电压（有符号，支持正负电位差）
volt_diff = raw_diff * multiplier;

ADS1115 的差分测量是将两个输入引脚（A0/A1）的电位差作为输入信号，而非相对于 GND 的单端信号，核心优势是抑制共模干扰。

差分测量原理图

当 A0 电压 > A1 电压时，raw_diff为正，volt_diff为正；当 A0 电压 < A1 电压时，raw_diff为负，volt_diff为负。

[图：差分测量原理图]

差分量程与增益配置一致（GAIN_ONE 对应 ±4.096V），即 A0-A1 的电位差范围为 -4.096V~+4.096V。

四、项目结果演示

4.1 操作流程

按照接线方案表完成 ESP32 与 ADS1115 的连接，A0/A1 接电位器（模拟差分信号），A2 接备用传感器，修改主程序 SSID 和 PASSWORD 为实际 WiFi 路由信息。

上电运行

给 ESP32 上电，打开串口监视器，设置波特率为 115200，等待 WiFi 连接成功，记录打印的'访问地址'，如 http://192.168.x.x。

[图：上电运行截图]

数据查看

打开电脑 / 手机浏览器，输入上述访问地址，即可看到实时电压数值和差分电压波形。

信号调试

调节电位器，观察 A0/A1 电压变化，以及差分电压的实时波形变化。

[图：信号调试截图]

4.2 视频演示

ESP32+ADS1115 多通道采集：差分电压实时波形可视化。

完整演示 ESP32 驱动 ADS1115 的多通道单端 / 差分采集流程，包含代码烧录、代码修改、WiFi 连接、Web 可视化全流程，直观展示差分电压随输入信号变化的实时波形，以及各通道电压的高精度显示效果。

五、ADS1115 技术讲解

ADS1115 具有一个输入多路复用器 (MUX)，可实现双路差分输入或四路单端输入测量。兼容 I2C 的 16 位低功耗精密模数转换器 (ADC)。

[图：ADS1115 外观]

Multiplexer 复用器

[图：复用器示意图]

ADS1115 包含两个差分输入，AIN0 和 AIN1 可以与 AIN3 进行差分测量，多路复用器由配置寄存器中的位 MUX [2:0] 配置。

5.1 寄存器配置

ADS1115 有 4 个寄存器，本项目核心用到配置寄存器（0x01）和转换寄存器（0x00）。

转换寄存器（0x00）

[图：转换寄存器]

存储 ADC 转换后有符号的原始值，ESP32 读取该寄存器值后，乘以转换系数即可得到实际电压。

配置寄存器（0x01）[15:0]

[图：配置寄存器]

16 位配置寄存器用于控制工作模式、输入选择、数据速率、满量程范围和比较器模式。

① MUX 位详解（输入选择）：

[图：MUX 位]

本项目设置 MUX[2:0] 位为 000，使用差分通道 AIN0 和 AIN1。

② PGA 位详解（增益设置）：

[图：PGA 位]

本项目设置 PGA[2:0] 位为 001，采用 GAIN_ONE 增益。

5.2 I2C 通信协议

① I2C 地址选择

ADS1115 有一个地址引脚 ADDR，用于配置器件的 I2C 地址。该引脚可连接至 GND、VDD、SDA 或 SCL，通过一个引脚即可选择四种不同的地址。

[图：I2C 地址]

② 向寄存器写入数据

要访问 ADS111x 中的特定寄存器，主机必须首先向地址指针寄存器中的寄存器地址指针位 P [1:0] 写入适当的值。

[图：写入数据]

地址指针寄存器是在从机地址字节、低电平的读 / 写位以及从机成功应答之后直接写入，从机进行应答，主机发出停止条件或重复起始条件。

③ 从寄存器读取数据

从 ADS111x 读取数据时，先前写入位 P [1:0] 的值决定了要读取的寄存器。要更改读取的寄存器，必须向 P [1:0] 写入新值。

[图：读取数据]

④ 数据格式

以二进制补码格式提供 16 位数据。正满量程（+FS）输入产生的输出代码为 7FFFh，负满量程（–FS）输入产生的输出代码为 8000h。

[图：数据格式]

对于超过满量程的信号，输出会钳位在这些代码上。

电压计算原理

ADS1115 的输出代码与输入电压的关系为：电压 = (ADC 读数 × 满量程电压) / (2¹⁵ - 1)

在 GAIN_ONE 模式下：满量程电压 = 4.096V、分辨率 = 4.096V / 32767 ≈ 0.125mV。

六、常见问题解答（FAQ）

Q1：测量负电压的原理？

A: ADS1115 本身不能直接测量负电压（相对 GND）。但通过以下方法间接测量：

1. 使用差分模式时 V-接负电压，V+接 GND。
2. 使用电平移位电路将负电压抬升到 0-3.3V 范围。
3. 使用双电源供电给 ADS1115 提供±2.5V 电源。

Q2：Web 页面能打开，但数值不更新 / 波形无变化？

A：排查步骤：

1. 检查 ESP32 是否仍连接 WiFi。
2. 检查浏览器控制台（F12）是否有报错。
3. 确认代码中 setInterval(updateDashboard, 100) 未被注释，刷新频率正常。

Q3: I2C 地址冲突怎么办？

A：ADS1115 的 I2C 地址由 ADDR 引脚决定：默认 ADDR 接地 0x48、ADDR 接 VDD 地址为 0x49、ADDR 接 SDA 地址为 0x4A、ADDR 接 SCL 地址为 0x4B。在代码 Adafruit_ADS1115 ads(0x49); 中修改地址为 0x49。

项目资源整合：

ADS1115 库文件：Adafruit_ADS1X15

ADS1115 数据手册：ADS111x datasheet