论文题目：智能家居控制系统的设计
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5.装订顺序
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2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它
目录
前言 (2)
1 设计概述 (3)
1.1 设计创新点 (3)
1.2 论文概述 (3)
2 总体设计 (4)
2.1 整体设计方案 (4)
2.2 主控芯片选择 (4)
3 硬件系统设计 (5)
3.1 主控芯片ATmega16 (5)
3.2 功能设计 (6)
3.3 电源模块设计 (8)
3.4 显示模块 (9)
3.5 键盘模块 (10)
3.6 步进电机模块 (11)
3.7 电机驱动 (12)
4 软件设计 (12)
4.1 原理图绘制 (12)
4.2 程序编译环境 (14)
5 结论 (16)
参考文献 (17)
2013届本科毕业论文
智能家居控制系统的设计
学生：吕倩(指导教师：解萍)
(淮南师范学院电气信息工程学院)
摘要：21世纪是一个信息化的社会，它与人们的生活的关系也日益紧密。信息化的社会不仅改变了人们的生活方式，也对传统住宅提出了挑战。人们对家居的要求早已不只是物理空间，更为追求的是一个安全，方便，舒适的居家环境。本文详细介绍了智能家居控制系统的设计，本设计采用Atmega16单片机作为主控芯片，各种传感器对周边环境进行数据采集，从而反馈给处理中心，进而对整个系统进行实时监控与控制。其中对各类传感器模块进行了详细的说明介绍。并通过软件程序的设计，设置了二种工作模式，既安防模式和自动控制模式。通过软硬件的设计与协调工作，从而保证整个系统的完美运行，达到智能控制的效果，给人们带来不一样的享受，且能增加住户的安全感，使人们能够全身心地投入到工作，从而提高生活质量。
关键词：Atmega16；智能家居；传感器；控制
Design of intelligent home furnishing control system
Student: Lv Qian(Faculty Adviser：Xie Ping)
(College of electrical and Information Engineering, Huainan Normal University) Abstract:Twenty-first Century is a society of information technology, its relationship with people's life increasingly close.Society of information technology not only changed
people's way of life, but also a challenge to the traditional residential.People on the
home furnishing already not just physical space requirements, more is the pursuit of
a safe, convenient, comfortable home environment.This paper introduces the design
of intelligent home furnishing control system, this design uses Atmega16
microcontroller as the main control chip, a variety of sensors to collect data on the
surrounding environment, so as to give feedback to the processing center, then
carries on the real-time monitoring and control of the whole system.The detailed
智能家居控制系统的设计
description of various sensor module.And the design of software, set two kinds of
working mode, not only security mode and automatic control mode.Through the
design and coordination of software and hardware, so as to guarantee the perfect
operation of the whole system, the intelligent control effect, bring people do not
enjoy the same, and can increase the sense of security of households, enable people
to devote themselves to work, so as to improve the quality of life.
Key words: Atmega16;Intelligent Home Furnishing; Sensor; Control
前言
随着科学技术的不断进步及对生活质量的要求不断提高，人们在选择和使用电器时，已从单一功能的家电转向智能化家电。信息技术和网络技术的卓越发展，使家用电器的集中控制和远程遥控技术已不再是幻想。通过信息技术和家电控制技术的结合，实现现代家庭生活的信息话和自动化，满足人们不断提升的生活要求，使能够充分的享受到生活中去。从现如今数字化家庭的发展趋势来看，远程监控，智能化的家居，已将成为未来的必然，将在一定程度上改善人们的生活水准[1]。
其实，智能化住宅小区早在发达国家得到实现。譬如美国、德国、新加坡、英国、日本等经济比较发达的国家，智能化家居早被广泛应用于生活。在1998年，新加波举办了一场“家用电器与电子消费品”国际展览会，通过现场模拟，介绍了智能家居系统。整个系统功能包括安防报警功能、视频对讲功能、监控中心功能、家电自控功能、有线电视与电话接入以及智能家居控制面板等[2]。
利用智能家居控制器可以提供多种智能控制方案，使家居的主人更加享受家庭生活，且使他们处理家庭事务，更快、更方便。智能家居系统还可以提供舒适的健康环境，通过配置相应的传感器可以有效监视室内的温度、湿度和亮度，进而控制空调、窗帘和照明系统的运行，从而提供更加适宜的生活空间。另外通过各类安防传感器，提高了人们及时发现和处理紧急情况的能力[3]。在智能家居中配备Internet接入功能后，则家居的远程监控能力将更强，给住户一种前所未有的安全感，使他们更加的放心去工作，去生活，从而提高用户的生活质量。
根据现代生活对居住环境的便捷性、安全性、舒适性等方面的要求，以及智能家居技术发展的方向，未来智能家居的发展趋势将会有以下几大特点：
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（1）具有功耗低，功能强大的嵌入式微处理器，通过嵌入式操作系统平台，使智能家居成为囊括安防、家电控制、数字家庭的智能家居平台[4]；
（2）传输方式将逐步走向多网合一，安防、门禁、抄表逐渐采用统一的以太网连接。多网合一将在一定程度上降低建设和维护的复杂度，而且提高了传输的可靠性；
（3）从有线逐渐转变为无线。拥有无限灵活性，流动性和可扩展性的无线传输，是有线传输望尘莫及的。
1 设计概述
1.1 设计创新点
多媒体家庭智能控制系统，结合了多媒体数字影院系统、家庭监控防盗系统、家庭背景音乐系统、灯光窗帘控制系统、家庭急救报警系统、远程控制系统和自动节能系统等系统的功能优点。通过手持遥控、手机等多种方式进行控制。
采用模块化设计，可根据不同的家庭的习惯采用不同的组合方式，使家居智能实现“DIY”，从而更好的体现家庭特点，体现不同的生活理念。符合人性化设计，充分体现了“以人为本”设计理念。
1.2 论文概述
论文包括智能家居整体制作思路及硬件外设部分的介绍与设计。包括家居模式的设计；硬件电路的设计，主控芯片中的比较、选择；软件算法包括根据外围硬件的环境来控制整个系统的运行。
其中，第一章为引言，主要介绍了智能家居发展现状及其应用前景；第二章为智能家居系统方案的设计，主要包括主控芯片的选择、功能模式的设计；第三章为硬件系统设计，其中主要介绍了硬件电路设计，各类传感器的功用及电源模块、显示模块等；第四章为智能家居软件系统设计，包括智能家居系统整体设计流程，并介绍了整个软件的编译环境；第五章是总结和鸣谢。
智能家居控制系统的设计
2 总体设计
2.1 整体设计方案
图1 整体设计框图
本设计采用ATmega16作为主控芯片，各种传感器对周边环境进行数据采集，从而反馈给处理中心，进而对整个系统进行实时监控与控制。
系统的整体设计框图如图1所示。
2.2 主控芯片选择
单片机按CPU 的处理能力分类目前有4位、8位、16位、32位，位数越高的单片机在数据处理能力和指令系统方面就越强，A VR 、51、PIC 都属于8位机。8位单片机由于内部构造简单、体积小、成本低廉，在一些较简单的控制器中应用很广。本课程设计8位单片机已满足要求。
方案一：采用传统的8位89C51单片机作为主控芯片。51单片机具有价格低廉,使用简单等特点，但其运算速度低，功能单一，RAM 、ROM 空间小等缺点。若采用89C51需要做RAM ，ROM 来扩展其内存空间，其硬件工作量必然大大增多。
方案二：采用A VR 单片机作为主控芯片，其简便易学、费用低廉、低耗、保密、I/O 口功能强，且A VR 单片机是高速嵌入式单片机，其内部集成了AD 转换电路，以及功能强大的定时器/计数器、通讯接口。
综上考虑，选用ATmega16单片机为CPU 最为合适，且ATmega16单片机具有16K 的flash ，512字节的EEPROM ，满足我们设计的需求。
ATmega16
单片机控制
机械控制
报警提醒
电源模块 显示模块
传感器采集 键盘控制
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3 硬件系统设计
3.1 主控芯片ATmega16
ATmega16是基于8位CMOS微控制器，低功耗A VR RISC结构。得益于其先进的指令集及单时钟周期指令执行时间，使ATmega16的数据吞吐量可达1MIPS/MHz，故可缓解系统在功耗和处理速度之间矛盾[5]。
ATmega16具有16K字节可编程闪存，512字节的EEPROM，1K字节的SRAM，32个通用I / O端口，32个通用寄存器，边界扫描的JTAG接口[6]，支持片上调试和编程，三个具有更灵活方式的定时器/计数器（T / C），内部/外部中断，可编程异步串行通讯，一个通用串行连接，8路10bit可选的ADC，一个串行端口和省电模式，模式可以通过单片机内部的寄存器进行设置选择。
当单片机处于空闲方式时，CPU不再运行，但USART、SRAM、T / C、SPI端口、两线接口、A/D转换器和中断继续正常工作；当单片机处于掉电模式时，晶体振荡器不再振荡，但中断模块以及复位系统正常工作，而其他所有功能都不再运行；
当单片机处于省电模式时，异步定时器正常运行，且允许用户保持一个时间基准，但其他功能将停止运行；当单片机处于ADC噪声抑制模式下，只有异步定时器以及ADC 正常运行，其他模块均休眠，为的是减少在ADC转换时产生的开关噪声；
ATmega16拥有C语言编译器、宏汇编程序、程序调试器/仿真器以及仿真器等一系列的编程工具，还会有评估板等相应的系统开发工具[7]。
图2和图3分别为ATmega16实物图和ATmega16引脚图。
图2 ATmega16实物图图3 ATmega16引脚图
智能家居控制系统的设计
3.2 功能设计
3.2.1 双模式设计
为了适应人们高质量，便捷的生活需求，本系统采用两种模式控制，即安防模式和自动模式。
系统自动控制是指系统的核心部分可以根据外部传感器所采集的环境信息（如温度，光照等）与用户设定的可以使人可以较为舒适的之作比较[8]，然后根据比较结果对相应的设备进行调节控制，以保持着个舒适的值，为用户提供一个良好的温湿度环境。且设置了手动控制模式，人为的调节环境变化。
而安防模式是指在主人外出或对家居设置了防盗防火，通过外部传感器实时检测是否有不法人员进入居室，以及是否发生火灾，及时通知并报警，达到安全防火防盗的效果。
3.2.2 温度控制
通过温度传感器（如图4）采集当前的温度信息，送到采集模块中进行转换，由控制中心进行分析，通过与预设值的对比，决定空调的开关，使室温保持在一个恒定的范围。同时为了方便控制，控制中心会将采集到的温度值发送到液晶屏上显示出来。
图4 温度传感器DS18B20 图5 光敏传感器
3.2.3 灯光控制
通过光敏传感器（如图5）采集当前光线的值，通过与预设白天夜晚的值相比，让控制中心知道当前的环境状态，从而决定是开灯还是关灯，是开窗帘还是关窗帘。
3.2.4 声音控制
声控灯是一种声控电子照明装置，由音频放大器、选频电路、延时开启电路和可控硅电路组成。它提供了一种控制灵敏的声控灯[9]，它采用人嘴发出约1秒的控制信号“嘶”
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声，即可方便及时地打开和关闭声控照明装置，并有防误触发而具有的自动延时关闭功能，并设有手动开关，使其应用更加方便。声控灯由话筒、音频放大器、选频电路、倍压整流电路、鉴幅电路、恒压源电路、延时开启电路、可控延时开关电路、可控硅电路组成。
本次设计通过声音传感器（如图6）检测当前是否有语音命令，来控制窗帘、台灯、音响的开关等，从而达到声控的效果。
图6 声音传感器图7 火焰传感器
3.2.5 防火设计
火灾烟雾传感器是一种在消防管理、安全防范系统中常用的报警器材，它工作可靠、体积小巧，火灾烟雾传感器是把烟雾信号转换为电信号，电路设计时可以在背后设计专用的卡口以便地固定在墙体或者天花板上，使用时通过设置在厨房、卧室、书房等的烟雾传感器，实时监视各个房间的状况，以防火灾的发生。若有火灾发生，则控制器发出声光、短信等报警信号，通知家人及相关部门及时扑灭火灾，保证家居的安全。除此之外，我们还能根据有人在家与否，调节烟雾传感器的灵敏度[10]。
本次设计通过火焰传感器（如图7）检测室内是否有异常明火，若检测到有异常明火，则通过蜂鸣器报警且控制喷射阀工作。
3.2.6 防盗设计
一般家居防盗设计包含；两部分区域的防护，住宅周界防护和住宅内区域防护。住宅周界防护是指在住宅门，房子的窗户，窗户上的玻璃等外部环境上安装一些传感器来检测环境的变化，达到保护家居安全的作用，例如玻璃破碎探测器；住宅区的保护是指在主通道、卧室、书房、浴室安装一检测各种环境信息的传感器[11]，来保护室内的安全，诸如红外探测器、温度传感器、烟雾传感器、震动传感器等，都可以帮助居室主人更好的管理家居。
本次设计通过人体红外传感器（如图8）检测主人外出后，室内是在否有人进入，
智能家居控制系统的设计
以及声音传感器，保险柜的震动传感器（如图9），都可以达到防盗检测。若检测到有异常人员进入，则会通过蜂鸣器报警。
图8 人体红外感应 图9 震动传感器 3.2.7 功能设计小结
通过传感器采集当前环境中各种信息，送到采集模块中进行转换，处理芯片对其进行分析处理。同时为了方便控制，控制芯片会将采集到的一些数据发送到液晶屏上显示出来。
总的来说，各类传感器起着感受外界环境变化的作用，对整个系统的运行至关重要，具体功能如下表：
表1 各类传感器功能
3.3 电源模块设计
1)5V 开关电源稳压器电路 由于本控制系统单元电路较多对且对5V 电源的要求比较高。在本次毕业设计中,我们选用了稳压芯片LM2576完成12V 向5V 的转变,并让其对ATmega16控制核心和其他5V 单元的供电。我们需要注意,使用LM2576稳压芯片实现开关电源的转换还要用到
温度感应，测量温度 温度传感器18B20
采集光照，控制灯光 光敏传感器
声音控制，声量检测 声音传感器模块
提示预警，声音提示 蜂鸣器模块模块
防盗系统，震动检测 震动传感器模块
安防设备，人体感应 HC-SR501人体红外
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大功率的电感(100uH)以及电容,这些是高储能能力所必备的,从而满足单元电路的供电需求。LM2576为5.0V-3A 开关电源稳压器。如下图所示： T1
D5IN5822L1C42200UF
C24700UF C3104C1
104
1
234
D1-D4BRIDGE1
LM2576-5.0~220V
~220V +5.0V GND
图10 5V 开关电源稳压器电路
2)其他电源稳压器电路
本系统的设计还涉及到传感器信号采集与信号放大，其中放大器等部分需要用到±12V 电源，因此根据设计要求增加了7812/7912三端稳压IC 提供的±12V 电源，由220V 的交流电经交流变压器T 降压，变成12V 交流电，低压交流电再经过全桥整流变成脉动直流17V 左右为三端稳压提供电源，脉动直流电经4700u 电解电容和0.1u 瓷片电容滤波，送到稳压块输入端，进行稳压，然后由三端稳压输出端输出±12V 直流电压，±12V 直流电再由2200u 和0.1u 电容进行滤波，输出比较稳定的±12V 直流电压，给模块供电源。如下图所示： C2
4700UF C11041
234
D1-D4~220V
~220V Vin 1
G N D 2Vo ut 37812
Vin
1G N D 2Vo ut 37912T1
GND C42200UF C3104C8
2200UF
C7
104
C64700UF C5104GND +12V GND -12V
图11 ±12V 电源稳压器电路
3.4 显示模块
方案一：采用LED 数码管显示器。LED 数码管亮度高，醒目，但是其电路复杂，占用资源较多，显示信息量较小。
方案二：采用汉字LCD 液晶显示器。LCD 有明显的优点：微功耗、尺寸小，超薄轻巧、显示信息量大、字迹清晰、美观、视觉舒适；可以用中文LCD 液晶进行菜单显
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示，使整个控制系统更加人性化。
基于上面的比较分析，故采用LCD作为显示模块,而使用Nokia5110液晶（如图12）的有如下优势：1)性价比高，LCD1602可以显示32个字符，而Nokia5110可以显示15个汉字，30个字符。Nokia5110裸屏仅8.8元，LCD1602一般15元左右，LCD12864一般50~70元。2)接口简单，仅8根I/O线即可驱动，LCD1602需11根I/O线，LCD12864需12根。3)速度快，是LCD12864的20倍，是LCD1602的40倍。4)Nokia5110工作电压3.3V，正常显示时工作电流200uA以下，具有掉电模式，适合电池供电的便携式移动设备。
图12 Nokia5110液晶图13 矩阵键盘
3.5 键盘模块
本次设计选用的是矩阵式结构的键盘，其具有四行四列（4*4）[12]，需要8个IO口，我们可以让行线所接单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口作为输入端。当无按键按下时，所有的输入端检测到的都是高电平，行线输出低电平。当有按键按下时，则输入线就会被拉低。通过读取输入线的状态就可得知是否有按键按下，这种读取方法我们称为扫描法，这是人们最常用的矩阵键盘判别方法。
矩阵键盘原理仿真图如图13，具体扫描过程如下：
1）确定是否有按键按下，初始化所有行y0-y3为低水平，然后检测列线的状态。若有一列是低电平，则表示键盘有键按下，且按下的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。如果所有的列线都没有低电平，则键盘上无按键按下。
2）确定闭合键的具体位置，确认方法是依次让行线置为低电平，即在一个线为低电平时，其他线均为高电平。在确定一个线的位置为低电平后，然后检测每行的电平状态。如果某列为低电平，则该列与此低电平行线交叉处的按键，即为闭合键。
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3.6 步进电机模块
本窗帘电机采用四相步进电机，其使用单极性直流电源供电[13]。只要获得正确的时序电流，步进电机就可以正常运转。图14是四相步进电机工作原理图：
图14 四相步进电机步进原理图
初识时，单刀开关S B连通电源，而S A、S C、S D断开，B相电磁和转子0、3号齿轮相对齐，此时，转子的1、4号齿轮则会与C、D相绕组的电磁极产生错位，2、5号齿轮则会与D、A相绕组的电磁极产生错位。
当单刀开关S C连通电源时，S B、S A、S D断开，此时C相绕组的电磁力和1、4号齿之间电磁力开始作用，使得转子开始转动，1、4号齿轮和C相绕组的电磁极对齐。但0、3号齿轮与A、B相绕组电磁极就会产生错位，2、5号齿轮就与A、D相绕组的电磁极产生错位。同理，ABCD四相绕组依次轮流供电，由于0至5号齿轮的之间的错位，转子就会依次顺着ABCD方向运转。
四相步进电机一般有三种工作模式：单四拍、双四拍、八拍三种，它们是根据电流时序的不同来划分的。单四拍的步距角与双四拍的一样[14]，且双四拍的转动力矩大，单四拍和双四拍的步距角是八拍模式下的两倍，故八拍模式拥有保持高转动力矩和高控制精度的双优点。
单四拍、双四拍与八拍工作模式的电源通电时序与波形分别如图15所示：
图15 电机工作时序与波形
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3.7 电机驱动
本设计的电机驱动采用ULN2003，ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点[15],适应于各类要求高速大功率驱动的系统。且广泛用于单片机、仪器仪表、PLC等现代工业生产中。在工作电压为5V时，可直接与TTL和CMOS电路连接，即可直接驱动继电器等负载。ULN2003输入为5V的TTL电平，且输出电压可达50V，以及灌电流可达500mA。
需要注意的是，在使用ULN2003时，为了让这个二极管起到续流作用，必须将COM 引脚（pin9）接在负载的供电电源上，只有这样才能够形成续流回路，这是因为ULN2003是集电极开路输出。ULN2003内部结构图如图16：
图16 ULN2003内部结构图
4 软件设计
4.1 原理图绘制
Altium Designer 6是Altium公司Protel系列软件基于Windows平台的最新产品[15]，是Altium公司总结了多年的技术研发成果，是对Protel 99 SE以及Protel DXP不断修改、扩充新设计模块和多次升级完善后的产物。Altium Designer 6是完全一体化的电子产品开发系统下的一个版本。Altium Designer 6是将设计流程、集体化PCB设计、可编程器件设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的电路设计系统。
Altium Designer 6除了全面继承包括Protel 99SE、Protel DXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起[16]。
由于Altium Designer 6在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，Altium Designer 6对计算机的系统需求比先前的版本要高一
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些。
图17和图18分别为在Altium Designer 6平台上绘制的ATmega16原理图和PCB图。
图17 ATmega16原理图
图18 ATmega16 PCB图
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4.2 程序编译环境
4.2.1 ICCA VR软件
ICCA VR软件是一种符合ANSI标准的C语言来开发MCU（单片机）程序的一个工具，功能合适、使用方便、技术支持好，它主要有以下几个特点：
1.拥有工程管理以及编辑器的集成开发环境（IDE）；
2.源文件被组织成项目工程中，文档的编辑和工程的构造都是在项目工程中完成的，编译的错误会在在状态窗口中显示，且当你点击一个编译错误时，光标则会自动跳到该行的错误；
3.该编译软件可以直接生成HEX格式的烧写文件（大多数编程器都支持HEX格式的文件，可以直接下载到芯片中使用）和符合A VRStudio的调试文件(COFF格式)[17]。
4.一个纯32位的程序，可在Win 95、Win 98、Win ME、Win NT、Win 2000、Win XP和Win 7等环境下运行。
下图为ICCA VR编译环境界面：
图19 ICCA VR编译环境
4.2.2 Progisp ISP下载软件：
Progisp ISP具有以下特性：1）支持所有的A VR芯片的编程，支持AT89S51,AT89S52；2）自定义串口的下载编程器的支持；3）USBASP下载器的支持；4）自定义编程熔丝信息的支持；5）支持高压下载器；6）支持脱机下载器实现脱机下载；7）支持命令行模式，可以直接嵌入其他IDE中使用；绿色软件，无需安装，占用资源少；8）支持自
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定义汉化信息提示；9）支持工程管理--可以将所有的配置数据与编程数据打包为单一文件。
图20为progisp的主界面：
图20 Progisp 主界面
4.3 整体设计功能
通过按键选择工作模式：
1.自动,检测光照强度，自动控制窗帘的拉伸；检测光照强度，自动控制台灯的亮灭；检测声音，控制台灯的亮灭；
2.安防,检测是否有火焰产生，蜂鸣器报警；检测是否有异常声音产生，蜂鸣器报警；检测是否有外来人员进入，蜂鸣器报警；
设计功能流程图如下：
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图21 功能流程图 5 结论
通过本次毕业设计，基本完成了预期的设计模式（自动模式与按键模式）。整个设计都在液晶5510下显示，如图22。
整个系统的检测控制都取决于我们的传感器模块，它们主要由声音传感器、红外传感器以及光敏传感器组成。在这些传感器的实时监测下，完成了我们的整个系统的运转，使主控芯片能够得到快速且准确的外界信息。设计的传感器模块如图23。
图22 液晶显示界面
环境是否变暗
开始
按键选择模式
返回
是否有异常火焰 安防模式 火焰传感器
蜂鸣器报警
光传感器 电机工作，拉到窗帘 台灯亮灭 声音
传感器 是否有声音
自动模式