利用智能射频芯片nRFE实现温度、湿度无线测量电路设计

利用智能射频芯片nRF9E5实现 温度、湿度无线测量电路设计作者:日期:利用智能射频芯片nRF9E5实现温度、湿度无线测量电路设计本文介绍利用nRF9E5、14位数字温度传感器 LM71和湿度传感器HS1101构成一款无线温湿度无线传感测量电路的方法。无线传感测量与有线传感测量相比，具有可靠性高、安装容易、结构简单、可以重复使用和系统维护方便等优点。本设计充分利用了各器件的低功耗特点，在无线温湿度传感器中使用3.6V锂电池，不仅能延长电池的使用寿命，而且使无线数据传输更加方便灵活。nRF9E5是一款工作频率为433/868/915MHZ 的智能射频芯片，集成了8051微控器、4通道10位A/D转换以及多通道RF收发。本文介绍采用该射频芯片、温度传感器LM71、湿度传感器HS1101实现温度和湿度无线测量的电路设计方法和编程实现，该设计具有简单可靠和灵活方便的特点。nRF9E5是一款工作频率为 433/868/915MHZ 的智能射频芯片，该芯片采用1.9V3.6V单电源供电，32脚QFN封装（5拓mm），发射功率为10dBm，接收灵敏度-100dBm，在低 功耗时电流仅2.5特别适合采用电池供电，适用于无线键盘、无线电话、无线耳机、工业无线传感器、遥控器和无线报警器等。本文介绍利用nRF9E5、14位数字温度传感器 LM71和湿度传感器HS1101构成一款 无线温湿度无线传感测量电路的方法。无线传感测量与有线传感测量相比，具有可靠性高、安装容易、结构简单、可以重复使用和系统维护方便等优点。本设计充分利用了各器件的低功耗特点，在无线温湿度传感器中使用3.6V锂电池，不仅能延长电池的使用寿命，而且使无线数据传输更加方便灵活。nRF9E5功能介绍HSDDIM 1011 OOOD OOH0011 1110 IODO mil2SDOM UDO IWD 00110000 01110OOM 0000 0000 oom-OJOS42S1111 1111 1111 11111111 0011 1O0Q 0011iifQ uro mro oom图1所示为nRF9E5的内部结构框图。nRF9E5是一片嵌入了 nRF905无线收发芯片、 集成增强型8051微处理器和4个通道的10位ADC，采样速率为80ksps，内含1.22V电 压基准、电源管理、PWM输出、UART异步串口、SPI通讯接口、逻辑接口电路、看门够电路、多通道可编程唤醒，以及CRC检验和多点通信控制，高频电感和滤波器等已经全部内置，外围元件很少，芯片的一致性能好、稳定且不易受干扰。nRF9E5没有复杂的通讯协议， 完全对用户透明，同种产品之间可以自由通讯， 内置的CRC 纠错硬件电路和协议免去了软件开发人员的软件纠错编程和微控器的纠错运算， 降低了无线 应用的开发难度。图1下面的EEPROM 25320 为nRF9E5的外部程序存储器（图2中为U2），容量为4K字节（4096 X8b），用于存储在nRF9E5上运行的应用程序。当上电时，nRF9E5通过其内部固化的引导程序（Boot loader），通过SPI接口将应用程序导入到片内RAM中运行。无线温、湿度传感测量电路设计利用射频芯片nRF9E5、14位数字温度传感器 LM71、湿度传感器HS1101构成一款 无线温湿度传感器。LM71是国家半导体公司生产的低功耗、具有14位（含1符号位）的工ADC温度传感器,测温范围为-40 C 150 C,温度分辨率为 0.03125 C,测温精度在-40 C 150 C范围内为±1.5 C,电源电压为 2.65V5.5V，具有三线串行接口 SPI/MICROWIRE 兼容接口，容易和 微处理器连接。因此，图 2中U3(LM71)的串行时钟SC、串行输入输出 SI/O、片选CS分 别和U1(nRF9E5)的P02、P01和P00相连，LM71、nRF9E5和单端50Q天线的RF电路 如图2所示，该电路可以工作于 818/915MHZ 。环境温度和LM71温度传感器的输出如表 1 所示。HS1101湿度传感器采用专利设计的固态聚合物结构，具有响应时间快、高可靠性和长期稳定性特点，不需要校准的完全互换性。HS1101湿度传感器在电路中等效于一个电容器Cx，其电容随所测空气的湿度增大而增大，在相对湿度为0%-100%RH的范围内，电容的容量由160pF变化到200pF，其误差不大于 %RH，响应时间小于5s，温度系数为 0.04pF/ C。T |S5432 1 0版廉(00)探留<00)5PEIP融.嗣)晶疣或龜从此更主穩序的歸移畫圭程序的256字节区用户的优化歡捋引导程序对此不逬行解释亠生程序頤驀一宇节*装入HRF9E5的倔国元0*0000 1王程序的弟二字眄叢入加聒的眈3无30001 n12如图3所示，将该湿敏电容Cx置于555振荡电路之中，将电容的变化转换为与之成反比的 电压频率信号，该频率信号可以直接被微控器采集。 振荡电路的两个暂稳态输出频率变化的 方波信号(图3中U4的3脚输出)的高电平时间为N+1:王程序的躬二宇节，走入価溯5的眈印兀*0001ALT="表2 :外部EEPROM 程序存储格式。">切=0.693( Rt + R2输出低电平时间为J =0.693/?;C(因此输出方波信号的周期为Tf 十匚=0.693( +22<:X1.44曲2"EEPROM编程nRF9E5的主程序存放在外部的串行EEPROM中，当芯片开始上电时，其内部固化的厂家引导程序通过 SPI接口，将外部 EEPROM中的主程序导入 nRF9E5的RAM中（4K字节空间，没有被主程序占用的可作为片内RAM使用），接着执行跳转指令，开始主程序的运行。主程序需要按照表2所示的规则写入 EEPROM中，其中SPEED（bit3）为EEPROM的最大读写速度，0为1MHz，1为0.5MHz 。 XO_FREQ（bit2,1,0） 为nRF9E5的外接晶振 的频率，000=4MHz，001=8MHz，010=12MHz ，01 仁16MHz，100=20MHz。I El" >MFCnRF9E5内置8051兼容微控器，加上其本身特有的诸多控制寄存器，因此可以用MCS51系列仿真软件进行编程，最后将程序写入EEPROM中调试即可。采用WAVE6000（伟福）仿真软件编写无线射频通讯、数据采集和数据转换程序，编译形成后缀为HEX的数据文件“XXXXXXXX.HEX，该数据文件为文本格式：每行的第1个字符固定为：“”，表示一行的开始；第 2、3个字符为本行中的指令数据个数M（16进制），M最大为20H，表示该行共 M个双字节数据，2M个字符，第4、5、6、7个字符为该行的地 址，第8、9个字符为“00或 “01；'其余为依次排列的2M个指令数据字符，最后 2个为验 证字符位。HEX文件的结束为 “:0000000仆F"。采用高级编程语言 Delphi 6.0在Windows2000环境下打开该数据文件，依次读出每一行数据，去掉每行的前9个字符和每一行的最后两个字符，其余的就是用户的主程序文件，将主程序文件前添加上表 2中的程序头，就构成了nRF9E5的外部EEPROM的程序格式。如图4所示，通过 RS232通讯、AT89C2052 写入到EEPROM 芯片25320中即可。