C51模拟I2C驱动AD7745电容传感器完整教程

简介：面向单片机与嵌入式开发者的AD7745/AD7746电容检测芯片驱动源码包，基于C51单片机通过I2C总线实现与芯片的通信，涵盖初始化、数据读取及错误处理等核心流程，可直接用于触摸按键、液位检测等电容测量场景。压缩包共13个文件，以C源码为主，并包含Keil工程文件（ewp/eww/ewd）、编译依赖与调试配置文件，整体仅31KB，结构简洁便于阅读与移植。资源已有995人学习，源码中通过主程序与驱动文件分离的方式展示工程组织思路，对熟悉STM32、ARM等平台的开发者同样具有参考价值，可快速理解电容检测芯片的驱动原理与I2C时序控制方法。

1. 用C51给AD7745写I2C驱动，比你想的更简单

做电容检测的工程师很多会选AD7745，因为它在小尺寸封装里做到了±4 fF分辨率，配合CIN引脚可以直接接传感器电容。而常见项目里用的还是STC89C52这类增强型8051，它们大多没有硬件I2C控制器，所以驱动AD7745的工作就是把这套I2C通信协议用GPIO一根线一根线地“抠”出来。本文从I2C通信协议讲起，给出C51模拟I2C的完整思路，再落到AD7745的寄存器配置和24位数据读取，最后聊几个调试时特别容易翻车的细节。如果你正在用51单片机做液位、湿度或接近检测，这篇可以直接照着写。

2. AD7745的硬件连接与I2C通信协议要点

2.1 AD7745/AD7746的引脚定义与I2C地址选择

先把芯片引脚看清楚。AD7745是单通道电容输入，AD7746是双通道，但两者的I2C寄存器映射几乎一致，驱动代码可以直接复用。关键引脚如下表：

I2C总线上的设备地址由ADDR引脚决定。当ADDR接地时，7位地址是0x48，写地址为0x90，读地址为0x91；当ADDR接VDD时，7位地址为0x49，写地址0x92，读地址0x93。在C51驱动里，我们一般把地址宏定义成7位，然后在读写函数里左移一位补上R/W位。

常见的一个坑是：AD7745的I2C地址不能像EEPROM那样用多个地址引脚设多个值，它只有两档。如果板子上挂多个AD7745，只能靠ADDR引脚区分，最多两片。所以设计时如果要多通道采集，要么用AD7746（双通道），要么换带硬件I2C的芯片或增加I2C切换器。

2.2 I2C时序图里的起始、停止与数据位

I2C通信协议里最要紧的是时序图。起始条件：SCL保持高电平时，SDA产生一个下降沿。停止条件：SCL高电平时，SDA产生一个上升沿。数据位：在SCL高电平期间SDA电平必须保持稳定，只能在SCL低电平时改变。这个规则在模拟I2C时尤其重要，因为任何一条引脚的毛刺都会被当成数据。

C51没有硬件I2C外设，所以用两根普通IO模拟。驱动核心是四个函数：I2CStart、I2CStop、I2CSendByte、I2CReceiveByte。这些函数里除了置位和清位，最关键的是延时。延时太短，芯片采样不到稳定电平；延时太长，通信速率低，但可靠性高。我一般会用空循环做微秒级延时，具体循环次数要根据晶振频率调整。

2.3 C51引脚定义与初始化

假设用P1.0作SCL，P1.1作SDA，C51代码里的定义如下：

#include <reg52.h> #include <intrins.h> sbit I2C_SCL = P1^0; sbit I2C_SDA = P1^1; #define I2C_DELAY() { _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); }

这里的I2C_DELAY是一个内联的延时宏，在12MHz晶振下，四个_nop_()约4微秒，I2C时钟大概在100kHz左右。如果晶振更高或更低，需要调整_nop_()的个数。注意，SDA引脚要设置为准双向口（C51默认就是），SCL同样。如果使用STC系列，可以配置为开漏，但为了兼容最常见的情况，直接准双向即可。

这个初始化其实不需要额外代码，因为上电后P1口默认就是输入状态，我们只需要定义sbit。但提醒一点：如果SDA被外部设备拉住，上电时要先释放总线，可以在主程序开始调一个I2CStop函数。具体实现见下一章。

3. C51软件模拟I2C驱动核心函数

3.1 起始、停止、发送与接收字节的C51实现

下面这套函数是所有驱动的基础，我已经在实际项目里用过多次，直接放到C51工程就能跑。

//--------------------------------------------------------------------------------- // 函 数 名：I2C_Start // 功 能：产生I2C起始信号 //--------------------------------------------------------------------------------- void I2C_Start(void) { I2C_SDA = 1; I2C_SCL = 1; I2C_DELAY(); I2C_SDA = 0; // SCL高电平期间SDA下降沿 -> 起始条件 I2C_DELAY(); I2C_SCL = 0; // 拉低时钟，准备传输数据 } //--------------------------------------------------------------------------------- // 函 数 名：I2C_Stop // 功 能：产生I2C停止信号 //--------------------------------------------------------------------------------- void I2C_Stop(void) { I2C_SDA = 0; I2C_SCL = 1; I2C_DELAY(); I2C_SDA = 1; // SCL高电平期间SDA上升沿 -> 停止条件 I2C_DELAY(); } //--------------------------------------------------------------------------------- // 函 数 名：I2C_SendByte // 功 能：向总线发送一个字节(MSB先行) // 输入参数：dat 待发送字节 // 返 回 值：0=有ACK, 1=无ACK //--------------------------------------------------------------------------------- bit I2C_SendByte(uchar dat) { uchar i; bit ack; for (i = 0; i < 8; i++) { I2C_SCL = 0; if (dat & 0x80) I2C_SDA = 1; // 先打最高位 else I2C_SDA = 0; dat <<= 1; I2C_DELAY(); I2C_SCL = 1; // 在SCL高电平期间，数据必须稳定 I2C_DELAY(); } // 释放SDA，读取应答 I2C_SCL = 0; I2C_SDA = 1; I2C_DELAY(); I2C_SCL = 1; I2C_DELAY(); ack = I2C_SDA; // 正常从机应答时，SDA应为0 I2C_SCL = 0; I2C_DELAY(); return ack; } //--------------------------------------------------------------------------------- // 函 数 名：I2C_ReceiveByte // 功 能：从总线接收一个字节 // 输入参数：ack_bit 0=继续读下一个字节时发送应答, 1=最后字节发送非应答 // 返 回 值：接收到的字节 //--------------------------------------------------------------------------------- uchar I2C_ReceiveByte(bit ack_bit) { uchar i; uchar dat = 0; I2C_SCL = 0; I2C_SDA = 1; // 释放总线，准备接收 for (i = 0; i < 8; i++) { I2C_SCL = 1; I2C_DELAY(); dat <<= 1; if (I2C_SDA) dat |= 0x01; I2C_SCL = 0; I2C_DELAY(); } // 发送应答/非应答 I2C_SDA = ack_bit; I2C_DELAY(); I2C_SCL = 1; I2C_DELAY(); I2C_SCL = 0; I2C_DELAY(); I2C_SDA = 1; // 释放SDA return dat; }

逻辑说明：起始信号要求在SCL为高时把SDA拉低，所以代码先置高SCL，再在SDA写0。停止信号相反。发送字节时，每次先在SCL低电平期间准备好SDA，再拉高SCL让从机采样，高低电平之间各插一次延时，保证时序满足100kHz标准模式。接收字节时，主机在每个SCL高电平读取SDA，并先移位再写位，保证顺序正确。最后要发送应答位，对读多字节而言，最后一个字节应发NACK，告诉从机不再读。

参数说明：I2C_SendByte返回值为0表示收到ACK，1表示NACK。调用时可以用if (I2C_SendByte(addr << 1))来判断设备是否存在。I2C_ReceiveByte的ack_bit参数要在调用前想清楚，连续读取多字节时，前几个传0，最后一个传1。

3.2 ACK检测与总线异常的恢复

ACK是I2C通信协议中最容易出问题的一环。正常情况下，从机在第9个时钟周期把SDA拉低作为应答。如果设备不存在、地址错误、或从机忙，SDA保持高，就是NACK。在调试初期，我建议在C51的串口上打印I2C_SendByte的返回值，能直接判断设备是否在线。

还有一个很隐蔽的坑：如果主机发送完起始信号后，发现从机没应答，或执行过程中出错，总线可能停留在SDA为低的状态。这种时候必须连续发送9个时钟脉冲把总线“解锁”。常见做法是调用一个复位函数，把SCL翻转9次，然后发停止信号。但在C51模拟I2C里，更简单的做法是直接拉高SDA和SCL，多来几个停止信号。我在代码里会这样实现：

//--------------------------------------------------------------------------------- // 函 数 名：I2C_ResetBus // 功 能：异常时复位I2C总线，释放SDA //--------------------------------------------------------------------------------- void I2C_ResetBus(void) { uchar i; I2C_SDA = 1; for (i = 0; i < 9; i++) { I2C_SCL = 1; I2C_DELAY(); I2C_SCL = 0; I2C_DELAY(); } I2C_Stop(); }

这个函数的作用是：即使从机占住SDA，主机的9个时钟也会迫使它释放。注意，在循环里不要动SDA，保持输入状态。执行完以后，总线空闲，可以重新发起通信。另外，如果C51晶振偏低，比如6MHz，而AD7745要求SCL最低只能到10kHz左右，此时需要拉大I2C_DELAY中的空操作数量，把SCL频率降到10k~20k，通信会更稳定。

4. AD7745寄存器配置与电容读取

4.1 AD7745寄存器映射

AD7745内部有一组寄存器，读写都要通过I2C。先看关键寄存器：

注意，AD7745的寄存器地址是8位，读和写操作时，先发送设备地址，再发送寄存器地址，然后读或写数据。与普通EEPROM不同，AD7745支持单次写一个字节，也支持连续读。但24位数据必须分3次读，我们一般用连续读模式减少I2C通信协议开销。

4.2 配置测量模式的步骤与代码

配置AD7745的常见步骤是：

1. 设置CAPDAC寄存器，清零或在需要时抵消大电容。
2. 设置CAPSETUP，选择电容输入通道并使能。
3. 设置CONFIG，选择连续转换模式并启动转换。
4. 等待转换完成（读STATUS或延时）。
5. 读取CAPDATA高、中、低三个字节，拼成24位有符号数。

下面是一段配置和读取代码：

//--------------------------------------------------------------------------------- // 函 数 名：AD7745_Init // 功 能：初始化AD7745，配置为连续转换模式 // 注意：0x0A的0xA2是连续转换+内部时钟，实际需按数据手册确认 //--------------------------------------------------------------------------------- void AD7745_Init(void) { I2C_Start(); I2C_SendByte(0x90); // AD7745写地址 (ADDR接地) I2C_SendByte(0x07); // CAPDAC寄存器 I2C_SendByte(0x00); // 初始不抵消电容 I2C_Stop(); I2C_Start(); I2C_SendByte(0x90); I2C_SendByte(0x08); // CAPSETUP寄存器 I2C_SendByte(0x01); // 使能CIN1，CAPDAC使能，内部温度传感器关闭 I2C_Stop(); I2C_Start(); I2C_SendByte(0x90); I2C_SendByte(0x0A); // CONFIG寄存器 I2C_SendByte(0xA2); // 连续转换，采样速率约16.6Hz，内部转换时钟 I2C_Stop(); } //--------------------------------------------------------------------------------- // 函 数 名：AD7745_ReadCapData // 功 能：读取24位电容转换结果（二进制补码） // 返 回 值：24位有符号数，低24位有效 //--------------------------------------------------------------------------------- long AD7745_ReadCapData(void) { long value = 0; uchar i; I2C_Start(); I2C_SendByte(0x90); I2C_SendByte(0x0B); // CAPDATA起始地址 I2C_Start(); // 重复起始，切换为读模式 I2C_SendByte(0x91); // 读地址 for (i = 0; i < 2; i++) { value = (value << 8) | I2C_ReceiveByte(0); // 前两字节发ACK } value = (value << 8) | I2C_ReceiveByte(1); // 最后一字节发NACK I2C_Stop(); return value; }

逻辑说明：AD7745_Init分三次写操作，分别配置CAPDAC、CAPSETUP和CONFIG。0x07寄存器的0x00表示不开启电容DAC，如果你的传感器静态电容有几十pF，后面可以增大这个值来抵消，让输出能回到零点附近。0x08的0x01只使能了CIN1通道，如果使用AD7746的CIN2，需要改成0x02。0x0A的0xA2是连续转换模式，但不同版本的AD7745对CONFIG寄存器位的定义可能略有差异，务必以你手里的数据手册为准。

读取函数中，连续读三个字节，注意重复起始信号的使用。I2C_ReceiveByte(0)是发送ACK，I2C_ReceiveByte(1)是发送NACK。这个细节一定要和I2C通信协议对应起来。还有一个容易错的地方：long在C51里是4字节，但这里只用了低24位，所以高位第4字节默认是0或符号扩展，需要根据你的计算逻辑决定是否做符号扩展。如果原始数据是补码且最高位为1，表示负电容，此时需要把long的高8位全部填1才能得到正确的有符号值。

4.3 将原始码值换算为电容值

AD7745的电容量程由内部设置决定，常见为±4 pF或±8 pF。24位数据的最大值对应正满量程，最小值对应负满量程。换算公式为：

实际电容 = 原始码值 / 8388608 * 满量程 + CAPDAC补偿值

这里8388608是2^23。CAPDAC补偿值由你写入0x07寄存器的数值决定，具体映射关系要看数据手册的CAPDAC表格。我一般会把换算过程单独写成一个函数，比如：

//--------------------------------------------------------------------------------- // 函 数 名：AD7745_GetCapacitance // 功 能：将原始码值换算为pF（示例，满量程取±8.192pF） //--------------------------------------------------------------------------------- float AD7745_GetCapacitance(void) { long raw = AD7745_ReadCapData(); // 符号扩展：如果bit23为1，则补齐高字节 if (raw & 0x800000) raw |= 0xFF000000; return (float)raw / 8388608.0f * 8.192f; }

注意，这里的满量程8.192pF并不是所有模式都适用，只是我项目里用到的值。你最好在初始化时先读取状态寄存器，确认转换已完成，再用这个函数取值。如果读数一直是一个固定的大数，多半是CAPDAC没有设置，或者传感器电容已经超出量程，需要先减少CAPDAC的补偿值。

5. 调试技巧与注意事项

5.1 排查I2C通信失败的第一步

先测波形。用示波器探头分别抓SCL和SDA，看起始、停止、字节时序是否正常。如果SCL没有时钟，检查延时函数是否被优化掉——C51的Keil编译器在优化级别高时，空循环可能会被删掉，导致完全没有延时。解决方法是把延时变量声明为volatile，或者用_nop_()。另一个常见问题是SCL和SDA接反，特别是用杜邦线连接时，先查线路再查代码。

5.2 上拉电阻与电平匹配

AD7745的SDA/SCL是开漏输出，必须接上拉电阻，否则SDA永远拉不低。3.3V供电的AD7745接5V的C51，需要确认引脚兼容。多数C51是5V IO，可以直接连接，但上拉到5V会给3.3V芯片的引脚施加5V电压，长期工作有风险。稳妥做法是让两者都上拉到3.3V，或者用电平转换芯片。我自己的板子上曾因为偷懒没加上拉电阻，I2C通信时好时坏，最后用示波器才发现SDA根本没有低电平。

5.3 电容读数的稳定处理

读数跳动时，不要急着改硬件。先在驱动里做多次采样平均，比如连续读8次，去掉最大最小值，再平均。另外，AD7745的转换是连续的，但每次读到的数据可能来自不同时刻，建议先读STATUS寄存器确认新数据就绪后再读CAPDATA。读STATUS的代码如下：

//--------------------------------------------------------------------------------- // 函 数 名：AD7745_ReadStatus // 功 能：读取状态寄存器，bit7为1表示转换完成 //--------------------------------------------------------------------------------- uchar AD7745_ReadStatus(void) { uchar status; I2C_Start(); I2C_SendByte(0x90); I2C_SendByte(0x0F); I2C_Start(); I2C_SendByte(0x91); status = I2C_ReceiveByte(1); I2C_Stop(); return status; }

如果转换未完成就读取，数据可能还是上一次的旧值，导致曲线出现毛刺。用状态位做软件握手后，读数会平滑很多。如果你把这段代码烧进去后I2C通信还是不稳定，优先检查电源纹波和复位电路，我踩过的坑里一半以上是因为电源纹波太大导致AD7745内部逻辑误动作。

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