利用智能射頻芯片nRF9E5設計無線溫濕度測量電路

　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實現(xiàn)溫度和濕度無線測量的電路設計方法和編程實現(xiàn)，該設計具有簡單可靠和靈活方便的特點。

　　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、工業(yè)無線傳感器、遙控器和無線報警器等。

　　無線傳感測量與有線傳感測量相比，具有可靠性高、安裝容易、結構簡單、可以重復使用和系統(tǒng)維護方便等優(yōu)點。

　　本設計充分利用了各器件的低功耗特點，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芯片內部結構框圖。

　　nRF9E5功能介紹

　　圖 1 所示為nRF9E5的內部結構框圖。nRF9E5是一片嵌入了nRF905無線收發(fā)芯片、集成增強型8051微處理器和4個通道的10位ADC，采樣速率為80ksps，內含1.22V電壓基準、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檢驗和多點通信控制，高頻電感和濾波器等已經(jīng)全部內置，外圍元件很少，芯片的一致性能好、穩(wěn)定且不易受干擾。

　　nRF9E5沒有復雜的通訊協(xié)議，完全對用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通訊，內置的CRC糾錯硬件電路和協(xié)議免去了軟件開發(fā)人員的軟件糾錯編程和微控器的糾錯運算，降低了無線應用的開發(fā)難度。

表1：環(huán)境溫度和LM71溫度傳感器的輸出對照表

　　2．2 濕度的測量

　　圖 1 下面的EEPROM 25320為nRF9E5的外部程序存儲器(圖2中為U2)，容量為4K字節(jié)(4096×8b)，用于存儲在nRF9E5上運行的應用程序。當上電時， nRF9E5通過其內部固化的引導程序(Boot loader)，通過SPI接口將應用程序導入到片內RAM中運行。

　　無線溫、濕度傳感測量電路設計

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

　　LM71 是國家半導體公司生產(chǎn)的低功耗、具有14位(含1符號位)的ΔΣADC溫度傳感器，測溫范圍為-40℃~150℃，溫度分辨率為0.03125℃，測溫精度在-40℃~150℃范圍內為±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計的固態(tài)聚合物結構，具有響應時間快、高可靠性和長期穩(wěn)定性特點，不需要校準的完全互換性。HS1101濕度傳感器在電路中等效于一個電容器Cx，其電容隨所測空氣的濕度增大而增大，在相對濕度為0%-100%RH的范圍內，電容的容量由160pF變化到200pF，其誤差不大于±2%RH，響應時間小于5s，溫度系數(shù)為0.04pF/℃。

表2：外部EEPROM程序存儲格式。

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

　　輸出低電平時間為

　　因此輸出方波信號的周期為

　　即

?　　EEPROM編程

　　nRF9E5 的主程序存放在外部的串行EEPROM中，當芯片開始上電時，其內部固化的廠家引導程序通過SPI接口，將外部EEPROM中的主程序導入nRF9E5的 RAM中(4K字節(jié)空間，沒有被主程序占用的可作為片內RAM使用)，接著執(zhí)行跳轉指令，開始主程序的運行。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：上位機的EEPROM讀寫原理框圖。

　　nRF9E5內置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系列仿真軟件進行編程，最后將程序寫入EEPROM中調試即可。

　　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個字符固定為“：”，表示一行的開始；第2、3個字符為本行中的指令數(shù)據(jù)個數(shù)M(16進制)，M最大為20H，表示該行共M個雙字節(jié)數(shù)據(jù)，2M個字符，第4、5、6、7個字符為該行的地址，第8、9個字符為“00”或“01”，其余為依次排列的2M個指令數(shù)據(jù)字符，最后2個為驗證字符位。HEX文件的結束為“:00000001FF"。

　　采用高級編程語言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個字符和每一行的最后兩個字符，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。