《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 模擬設(shè)計 > 設(shè)計應(yīng)用 > 利用智能射頻芯片nRF9E5設(shè)計無線溫濕度測量電路
利用智能射頻芯片nRF9E5設(shè)計無線溫濕度測量電路
摘要: 本文介紹采用nRF9E5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(shè)計方法和編程實現(xiàn),該設(shè)計具有簡單可靠和靈活方便的特點(diǎn)。
Abstract:
Key words :

  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實現(xiàn)溫度和濕度無線測量的電路設(shè)計方法和編程實現(xiàn),該設(shè)計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(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,完全對用戶透明,同種產(chǎn)品之間可以自由通訊,內(nèi)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(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(yùn)行的應(yīng)用程序。當(dāng)上電時, 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、濕度傳感測量電路設(shè)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(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(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)計的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu),具有響應(yīng)時間快、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(nèi),電容的容量由160pF變化到200pF,其誤差不大于±2%RH,響應(yīng)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(zhuǎn)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(dāng)芯片開始上電時,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(jìn)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(jié)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(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。
 

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。