基于ARM智能家居照明系统.doc

1、 西南科技大学城市学院 毕业设计（论文） No 1 目录 引 言 . 4 1 ARM 处理器 . 5 1.1 ARM 处理器介绍 . 5 1.2 ARM920T 体系结构 . 8 2 硬件电路设计 . 12 2.1 设计思路 。 . 12 2.2 信号处理电路 . 13 2. 3 主控制操作界面的实现 . 13 2.4UP-Magic core 硬件资源 . 14 2.5 RE200B 热释红外传感器 . 18 2.5.1 热释红外传感器介绍 . 18 2.5.2 RE200B 工作原理 . 20 2.6 放大电路设计 . 22 2.7 延时电路设计 . 24 3 系统软件设计 . 26 结语

2、 . 27 致谢 . 27 参考文献 . 28 附录 1 . 30 附 录 2 . 30 附录 3 . 31 附录 4 . 32 摘 要 近年来随着社会的进步发展，人们对身边的 环境 安全越来越关注。红外西南科技大学城市学院 毕业设计（论文） No 2 传感器在这个时候起到了很重要的作用。热释红外传感器主要用于探测红外特征辐射，可 感知人体、小动物的热源，适合做热释红外物体运动探测，可以 用于 照明 电路的设计中 。 本设计 基于 UP-Magic 魔法师实训平台， 采用了 韩国 三星公司生产的S3C2440的 ARM9实验开发板 。 S3C2440处理器 是 一款基于 ARM920T内核 和

3、 AMNA总线 的 16/32位 RISC 嵌入式处理器，主要面向手持设备，以及高性价比、低功耗的应用。 本 设计 介绍了一种热释红外 传感器 系统的设计方案，电路组成及其组装、调试。 这种被动型热释电红外 照明 的应用电路把红外线的隐蔽性很好地应用于 照明 系统中，从而实现了 方便、快捷的 功能 。 当有人体进入 热释红外传感器的探测范围内，传感器将接收到探测到的热源，随后传感器将输出微弱信号，信号要经过放大、比较、延时等几个环节，最后使放光二极管发光，起到 照明 的作用。 关键词： 热释红外（ PIR）传感器；运算放大器； ARM9； linux Abstract With the dev

4、elopment of social progress in recent years, people have become 西南科技大学城市学院 毕业设计（论文） No 3 increasingly concerned about the safety of their surroundings. Infrared radiation sensor plays a very important role in this time. PIR sensors are used for detecting the characteristic infrared radiation， percep

5、t the heat source of human body and small animals, the design of alarm circuit. The design is based on UP-Magic magician Flats and used the ARM9 experimental development board of S3C2410 produced by Samsung. S3C2410 processor is a 16/32 bit RISC embedded processor which based on ARM920T core and AMN

6、A bus, and mainly for handheld devices, and high cost, low-power applications. This design introduces a design plan of the PIR sensor system, circuit and its assembling, debugging. The Application Circuit of the passive PIR alarm uses the invisibility of the infrared radiation well into the alarm sy

7、stem, and in order to achieve the anti-theft alarm and security purposes. When the body goes into the range of PIR sensor detection, sensors will receive the detection of heat sources and then the sensor will output a weak signal. The Signal should be amplified, compared and delayed, finally light-e

8、mitting diodes emit light, played the role of police alarm. Keywords: PIR sensor; operational amplifier; ARM9; linux 西南科技大学城市学院 毕业设计（论文） No 4 引 言 红外线是一种光线 ,是太阳光线中众多不可见光线中的一种具有普通光的性质 ,可以以光速直线传播。红外线由德国科学家霍胥尔于 1800 年发现 ,又称为红外热辐射 (Infrared radiation)。红外线可分为三部分 ,即近红外线 ,波长为 0.75 1.50 m之间 ;中红外线 ,波长为 1.50 6

9、.0 m之间 ;远红外线 ,波长为 6.0 l000 m 之间。随着科学技术的发展 ,红外线越来越广泛的应用于通讯、军事、航天、医疗、考古、天文、探测等科学领域 ， 即使在日常生活和农业生产中也广泛应用到红外技术。如红外线取暖器、红 外自动干手器、红外线报警器、远红外粮食烘干等。热释电红外线传感器是 80 年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化 ， 并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大 ， 便可驱动各种控制电路。本文以热释电红外线传感器 RE200B 为例 ,介绍它在 照明电路中的应用。 随着时代的不断进步， “物联网”这个越来越热

10、的话题，智能家居的研究也充分得到了发展，这也是人们未来居住环境的一个发展方向。这一研究开始于上世纪 80 年代的西方发达国家，这主要得溢于当时电子技术在家用电器的大 量使用。只不过当时的定义是住宅电子化 (HomeElectronics,HF)。随后短短的三十年间得到了极大的发展，智能家居这一概念也得到了定型。而且目前在美国、欧洲、新加坡、日本等国家已形成了一种技术标准。我们国家对于智能家居的研究起步比较晚，至今也没有一定的国家标准。但发展的速度与前景却是令人可喜的，并在我国已涌现出一大批比较知名的产品，比如海尔的 U-Home,清华同方的 e-Home 数字家园等 。在电子防盗、人体探测等领

11、域，西南科技大学城市学院 毕业设计（论文） No 5 被动式热释电红外线传感器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点受到广大用户和专业人士的欢 迎。 近 20 年来，低成本的热释探测工艺日趋成熟，性能逐渐完善，在照明控制、入侵警、火灾报警、自动水阀、自动门开关以及其它家用电器等领域中都得到了广泛的应用，成为目前性能价格最优的红外传感器的代表，在民用领域占有极其重要的地位。 这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。热释红外传感器既可用于 智能家居照明装置，也可以用于自动控制、接近开关、遥测 、 防盗报警 等领域。 具有

12、如下特点：（ 1）不需要用红外线或电磁波等发射源。（ 2）灵敏度高、控制范 围大。（ 3） 可流动安装。 释电红外传感器的特点是反应速度快、灵敏度高、准确度高、测量范围广、使用方便，尤其可以进行非接触式测量使其主要应用于铁路、车辆、石油化工、食品、医药、塑料、橡 胶、纺织、造纸、电力等行业的温度测量、温度检测、设备故障的诊断 。 国内热释传感器的市场才刚刚打开，而国内除你塞拉传感器公司生产双元热释传感器及相关的应用产品外，其他技术含量小高的产品及在家电领域的应用开发至今很少有人涉足。面对急剧增加的红外市场，国内传感器行业界应给予足够关注，尽量开发出高起点的热释红外传感器。 1 ARM 处理 器

13、 1.1 ARM 处理器 介绍 ARM 既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通西南科技大学城市学院 毕业设计（论文） No 6 称，还可以认为是一种技术的名字。目前 ARM 微处理器已广泛应用于工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各个领域。 1.1.1 ARM 的体系结构 ARM的设计实现了非常小但高性能的结构。 ARM 处理器的简单使 ARM 的内核非常小，这样使器件的功耗也非常低。 ARM 是精简指令集计算机 (RISC)，因为它集成了非常典型的 RISC 结构特征： (1)一个大的、统一的寄存器文件 。 (2)加载存储结构，数据处理的操 作只针对寄

14、存器的内容，而不直接对存储 器进行操 。 (3)简单的寻址模式，所有加载存储的地址都只由寄存器的内容和指令域决 定 。 (4)统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。 此外， ARM 体系结构还提供 : (1)每一条数据处理指令都对算术逻辑单元 (ALU)和移位器进行控制，以实现对 ALU和移位器的最大利用 。 (2)地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化 。 (3)所有指令的条件执行实现了最快速的代码执行。 这些在基本 RISC结构上增强的特性使 ARM处理器在高性能、低代码规模、低功耗和小的硅片尺寸方 面取得了良好的平衡。 1.1.2 ARM 微处理器的应用领域 到目前为止

15、， ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。 西南科技大学城市学院 毕业设计（论文） No 7 (1)工业控制领域：作为 32 位的 RISC 架构，基于 ARM 核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展， ARM 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的 8 位 16 位微控制器提出了挑战。 (2)无线通讯领域：目前已有超过 85的无线通讯设备采用了 ARM 技术，ARM 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 (3)网络应用：随着宽带技术的推广， 采用 ARM 技术的 ADSL 芯片正逐步获得竞争优势。此外， ARM 在语

16、音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对 DSP 的应用领域提出了挑战。 (4)消费类电子产品： ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。 (5)成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用 ARM技术。手机中的 32位 SIM智能卡也采用了 ARM技术。 除此以外， ARM 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取 得更加广泛的应用。 西南科技大学城市学院 毕业设计（论文） No 8 1.2 ARM920T 体系结构 1.2.1 ARM920T 系统结构分析 ARM920T采用 5 级流水线，其结构图如图 1-1 所示，具有分开的指

17、令和数据存储器， 5 级流水线具体如下： 取值 从指令存储器取指令 译码 读取寄存器操作数 执行 产生 ALU 运算结果或产生存储器地址 仿存 访问数据存储器 回写 完成结果写寄存器 (1)取指：从存储器中取出指令，并将其放在指令流水线。 (2)译码：对指令进行译码。 (3)执行：把一个操作数移位，产生 ALU的结果。 (4)仿存 ：如果需要，则访问数据存储器；否则 ALU的结果只是简单地缓冲 1 个时钟周期，以便所有的指令具有同 样的流水线流程。 (5)回写：将指令产生的结果回写到寄存器，包括任何从存储器中读取的数据。 ARM920T 处理器一个显著的特点是采用指令和数据分离访问的方式，即采

18、用了指令缓存 (I-Cache)和数据缓存 (D-Cache)。这样可以把指令访问和数据西南科技大学城市学院 毕业设计（论文） No 9 访问单独安排 l 级流水线。 1.2.2 ARM920T 的工作状态 从编程的角度看， ARM920T微处理器的工作状态一般有两种： (1)ARM状态，此时处理器执行 32 位的、字对齐的 ARM指令； (2)Thumb状态，此时处理器执行 16 位的、半字对齐的 Thumb指令。 ARM指令集和 Thumb 指令集均有切换处理器状态的指令，在程序的执行过 程中，微处理器可以随时在两种工作状态之间切换，并且，处理器的工作状态的转变并不影响处理器的工作模式和相

19、应寄存器中的内容。但 ARM 微处理器在开始执行代码时，应该处于 ARM状态。 当操作数寄存器的状态位 (位 0)为 1时，可以采用执行 BX指令的方法， 使微处理器从 ARM 状态切换到 Thumb 状态。此外，当处理器处于 Thumb 状态时发生异常 (如 IRQ、 FIQ、 Undef、 Abort、 SWI 等 )，当异常处理返回时，自动切换回 Thumb状态。 当操作 数寄存器的状态位为 0时，执行 BX 指令可以使微处理器从 Thumb 状态切换到 ARM状态。此外，在处理器进行异常处理时，将 PC 指针放入异常模式链接寄存器中，并从异常向量地址开始执行程序，也可以使处理器切换到

20、ARM 状态。 西南科技大学城市学院 毕业设计（论文） No 10 1.2.3 ARM920T 体系结构的存储器格式 ARM920T 体系结构将存储器看做是从零她址开始的字节的线性组合。从 0 字节到 3字节放置第 1个存储的字数据，从第 4 个字节到第 7 个字节放置第 2 个存储的字数据。依次排列。作为 32 位的微处理器， ARM920T 体系结构所支持的最大寻址空间为 4GB。 ARM920T 体系结构可以用两种方法存储字数据，分别称为大端格式和小端格式。大端格式中字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中，如图 2-3 所示。与大端存储格式相反，在小端存储格式中，低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。如图2-4 所示。