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。

　　本文介紹采用該射頻芯片、溫度傳感器LM71、濕度傳感器HS1101實現溫度和濕度無線測量的電路設計方法和編程實現，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維護方便等優點。

　　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，而且使無線數據傳輸更加方便靈活。

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全部內置，外圍元件很少，芯片的一致性能好、穩定且不易受干擾。

　　nRF9E5沒有復雜的通訊協議，完全對用戶透明，同種產品之間可以自由通訊，內置的CRC糾錯硬件電路和協議免去了軟件開發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難度。

表1：環境溫度和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(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聚合物結構，具有響應時間快、高可靠性和長期穩定性特點，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態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字節空間，沒有被主程序占用的可作為片內RAM使用)，接著執行跳轉指令，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、數據采集和數據轉換程序，編譯形成后綴為HEX的數據文件“XXXXXXXX.HEX”，該數據文件為文本格式：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據個數M(16進制)，M最大為20H，表示該行共M個雙字節數據，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個指令數據字符，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環境下打開該數據文件，依次讀出每一行數據，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。