利用智能射頻芯片nRF9E5設(shè)計(jì)無線溫濕度測(cè)量電路

　nRF9E5是一款工作頻率為433/868/915MHz的智能射頻芯片，集成了8051微控器、4通道10位A/D轉(zhuǎn)換以及多通道RF收發(fā)。

　　本文介紹采用該射頻芯片、溫度傳感器LM71、濕度傳感器HS1101實(shí)現(xiàn)溫度和濕度無線測(cè)量的電路設(shè)計(jì)方法和編程實(shí)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)具有簡單可靠和靈活方便的特點(diǎn)。

　　nRF9E5 是一款工作頻率為433/868/915MHz的智能射頻芯片，該芯片采用1.9V~3.6V單電源供電，32腳QFN封裝(5×5mm)，發(fā)射功率為 10dBm，接收靈敏度-100dBm，在低功耗時(shí)電流僅2.5μA，特別適合采用電池供電，適用于無線鍵盤、無線電話、無線耳機(jī)、工業(yè)無線傳感器、遙控器和無線報(bào)警器等。

　　無線傳感測(cè)量與有線傳感測(cè)量相比，具有可靠性高、安裝容易、結(jié)構(gòu)簡單、可以重復(fù)使用和系統(tǒng)維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

　　本設(shè)計(jì)充分利用了各器件的低功耗特點(diǎn)，在無線溫濕度傳感器中使用3.6V鋰電池，不僅能延長電池的使用壽命，而且使無線數(shù)據(jù)傳輸更加方便靈活。

圖1：nRF9E5芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

　　nRF9E5功能介紹

　　圖 1 所示為nRF9E5的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。nRF9E5是一片嵌入了nRF905無線收發(fā)芯片、集成增強(qiáng)型8051微處理器和4個(gè)通道的10位ADC，采樣速率為80ksps，內(nèi)含1.22V電壓基準(zhǔn)、電源管理、PWM輸出、UART異步串口、SPI通訊接口、邏輯接口電路、看門夠電路、多通道可編程喚醒，以及 CRC檢驗(yàn)和多點(diǎn)通信控制，高頻電感和濾波器等已經(jīng)全部內(nèi)置，外圍元件很少，芯片的一致性能好、穩(wěn)定且不易受干擾。

　　nRF9E5沒有復(fù)雜的通訊協(xié)議，完全對(duì)用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通訊，內(nèi)置的CRC糾錯(cuò)硬件電路和協(xié)議免去了軟件開發(fā)人員的軟件糾錯(cuò)編程和微控器的糾錯(cuò)運(yùn)算，降低了無線應(yīng)用的開發(fā)難度。

表1：環(huán)境溫度和LM71溫度傳感器的輸出對(duì)照表

　　2．2 濕度的測(cè)量

　　圖 1 下面的EEPROM 25320為nRF9E5的外部程序存儲(chǔ)器(圖2中為U2)，容量為4K字節(jié)(4096×8b)，用于存儲(chǔ)在nRF9E5上運(yùn)行的應(yīng)用程序。當(dāng)上電時(shí)， nRF9E5通過其內(nèi)部固化的引導(dǎo)程序(Boot loader)，通過SPI接口將應(yīng)用程序?qū)氲狡瑑?nèi)RAM中運(yùn)行。

　　無線溫、濕度傳感測(cè)量電路設(shè)計(jì)

　　利用射頻芯片nRF9E5、14位數(shù)字溫度傳感器LM71、濕度傳感器HS1101構(gòu)成一款無線溫濕度傳感器。

　　LM71 是國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的低功耗、具有14位(含1符號(hào)位)的ΔΣADC溫度傳感器，測(cè)溫范圍為-40℃~150℃，溫度分辨率為0.03125℃，測(cè)溫精度在-40℃~150℃范圍內(nèi)為±1.5℃，電源電壓為2.65V~5.5V，具有三線串行接口SPI/MICROWIRE兼容接口，容易和微處理器連接。

　　因此，圖2中U3(LM71)的串行時(shí)鐘SC、串行輸入輸出SI/O、片選CS分別和U1(nRF9E5)的P02、P01和P00相連，LM71、nRF9E5和單端50Ω天線的RF電路如圖2所示，該電路可以工作于818/915MHz。環(huán)境溫度和LM71溫度傳感器的輸出如表1所示。

圖3:頻率輸出振蕩電路。

　　HS1101濕度傳感器采用專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，具有響應(yīng)時(shí)間快、高可靠性和長期穩(wěn)定性特點(diǎn)，不需要校準(zhǔn)的完全互換性。HS1101濕度傳感器在電路中等效于一個(gè)電容器Cx，其電容隨所測(cè)空氣的濕度增大而增大，在相對(duì)濕度為0%-100%RH的范圍內(nèi)，電容的容量由160pF變化到200pF，其誤差不大于±2%RH，響應(yīng)時(shí)間小于5s，溫度系數(shù)為0.04pF/℃。

表2：外部EEPROM程序存儲(chǔ)格式。

　　如圖3所示，將該濕敏電容Cx置于555振蕩電路之中，將電容的變化轉(zhuǎn)換為與之成反比的電壓頻率信號(hào)，該頻率信號(hào)可以直接被微控器采集。振蕩電路的兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)輸出頻率變化的方波信號(hào)(圖3中U4的3腳輸出)的高電平時(shí)間為

　　輸出低電平時(shí)間為

　　因此輸出方波信號(hào)的周期為

　　即

?　　EEPROM編程

　　nRF9E5 的主程序存放在外部的串行EEPROM中，當(dāng)芯片開始上電時(shí)，其內(nèi)部固化的廠家引導(dǎo)程序通過SPI接口，將外部EEPROM中的主程序?qū)雗RF9E5的 RAM中(4K字節(jié)空間，沒有被主程序占用的可作為片內(nèi)RAM使用)，接著執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令，開始主程序的運(yùn)行。主程序需要按照表2所示的規(guī)則寫入 EEPROM中，其中SPEED(bit3)為EEPROM的最大讀寫速度，0為1MHz，1為0.5MHz。XO_FREQ(bit2,1,0)為 nRF9E5的外接晶振的頻率，000=4MHz，001=8MHz，010=12MHz，011=16MHz，100=20MHz。

圖4：上位機(jī)的EEPROM讀寫原理框圖。

　　nRF9E5內(nèi)置8051兼容微控器，加上其本身特有的諸多控制寄存器，因此可以用MCS51系列仿真軟件進(jìn)行編程，最后將程序?qū)懭隕EPROM中調(diào)試即可。

　　采用WAVE6000(偉福)仿真軟件編寫無線射頻通訊、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，編譯形成后綴為HEX的數(shù)據(jù)文件“XXXXXXXX.HEX”，該數(shù)據(jù)文件為文本格式：每行的第1個(gè)字符固定為“：”，表示一行的開始；第2、3個(gè)字符為本行中的指令數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)M(16進(jìn)制)，M最大為20H，表示該行共M個(gè)雙字節(jié)數(shù)據(jù)，2M個(gè)字符，第4、5、6、7個(gè)字符為該行的地址，第8、9個(gè)字符為“00”或“01”，其余為依次排列的2M個(gè)指令數(shù)據(jù)字符，最后2個(gè)為驗(yàn)證字符位。HEX文件的結(jié)束為“:00000001FF"。

　　采用高級(jí)編程語言Delphi 6.0在Windows2000環(huán)境下打開該數(shù)據(jù)文件，依次讀出每一行數(shù)據(jù)，去掉每行的前9個(gè)字符和每一行的最后兩個(gè)字符，其余的就是用戶的主程序文件，將主程序文件前添加上表2中的程序頭，就構(gòu)成了nRF9E5的外部EEPROM的程序格式。如圖4所示，通過RS232通訊、AT89C2052寫入到 EEPROM芯片25320中即可。