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基于语音识别的升降梯自动控制系统设计与实现

2025-03-06 50 上传者：管理员

摘要：针对室内装修所使用的固定式人字梯和升降式工作台存在的不便于携带、灵活性差等问题，提出了一种基于语音识别的升降梯自动控制系统。该系统以STM32F103单片机为主控芯片，集成了压力传感模块、测速模块、语音识别模块和电机驱动模块，能够通过语音识别实现对升降梯的自动控制。测试结果表明，该系统运行稳定，能够显著提升工作效率，是智能家居等物联网应用的理想选择。

关键词：
STM32F103单片机
升降梯
压力传感
自动控制
语音识别
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近年来,随着环保理念的普及和科技的进步,人们对自动控制､便携性和实用性的生活方式的需求日益增长｡可自动控制的升降梯作为现代化工作辅助设备,因其便捷性和高效性而倍受关注,逐渐成为现代商业和办公场所不可或缺的一部分｡随着人们对工作环境要求的提升,升降梯的自动控制需求也日益增长,推动了相关行业对升降梯自动控制技术的研发投入,以满足人们对更自动､更安全､更高效工作方式的追求｡

传统的现代化工作辅助设备主要包括固定式人字梯和升降式工作台,然而这两种装置仍存在一些不足,例如升降灵活性差､安全性差､不便于携带等问题,严重影响了室内装修工作的效率和安全性｡

针对这些问题,研究者们结合现有升降装置的特点,设计了一种便携､可自动控制的升降装置｡现有的升降装置大都是基于单片机控制的小型升降梯,采用驱动电机作为动力源｡部分升降梯内还配备了摄像头､报警装置和称重装置,实现了重量检测和报警功能[1-2],同时通过APP实现了对升降梯的远程监控,但这种实现方式过于复杂;还有些升降装置采用新型铝合金型材作为双面升降梯的原料[3-4],旨在解决传统双面升降梯占用空间大､不利于储存的问题｡通过新型铝合金型材的设计,实现了双面升降梯结构的简化和轻量化,提升了储存和搬运的便利性,但新型铝合金型材成本比较昂贵;此外,还有一种车载式剪叉升降平台[5-7],采用对称结构和U型工作平台,可容纳两人同时进行高空检修工作,该设计提高了平台稳定性和平衡性,增强了操作人员的安全性,在结构上进行了创新,但不适合在室内使用｡提到升降装置,大多数设计是通过固定在轨道上或者利用钢丝绳拉动实现直上直下的上升或下降[8-11],这些升降方式的安全性有待提高｡

本文针对当前升降装置存在的问题,结合各类装置所具有的优点,设计了一款便于携带､可随意调节高度的基于语音识别的升降梯自动控制系统,集成了压力传感模块､测速模块､电机驱动模块和语音识别模块,通过语音识别和自动控制技术,实现了语音控制升降的功能｡

1、系统硬件设计

1.1系统整体框架

基于单片机的控制系统整体架构由五个模块组成,包括主控芯片､压力传感称重模块､测速模块､语音识别模块以及电机驱动模块,如图1所示｡

图1整体框架

输入装置主要包括压力传感称重模块､测速模块､语音识别模块｡其中,压力传感称重模块用来检测物体的重量,测速模块用来测量升降梯的升降速度,语音识别模块用来接收用户指令｡输出装置主要包括电机驱动模块,用来驱动升降梯的升降｡该系统的整体运行流程如下:通过输入装置采集信息､数据并接收用户指令,再将采集到的数据和信息传给主控芯片;主控芯片对输入装置传来的数据进行解析和处理,再将数据传输给输出装置进行相应操作｡

1.2主控芯片

本系统采用STM32单片机作为主控芯片,型号为STM32F103｡该单片机基于Cortex-M3核心,具有72MHz的CPU速度和最高1MB的闪存容量,能够快速处理数据和执行程序｡此外,该芯片还具有高性能､低功耗､高运算能力以及强大的开发工具支持等特点｡在升降梯系统中,主控芯片承担核心控制和处理任务,确保系统按照预定的工作方式稳定运行｡

1.3输入模块

1.3.1压力传感称重子模块

压力传感称重模块的主要功能是将物体的重量转化为电信号,以便进行测量和控制｡该模块采用HX711称重传感器,具有高精度､低噪声､可调增益､低功耗､数字接口的特点｡该模块用于检测物体的重量,并将检测结果反馈给主控芯片,防止物体重量过重损坏系统,其承重上限为100kg｡该压力传感称重模块的TX口和RX口用于串行通信的数据传输,分别与单片机的PA9口和PA10口连接,实现信息的传输｡HX711传感器的主要参数见表1｡

表1HX711传感器的主要参数

1.3.2测速子模块

测速模块用于测量升降梯的升降速度,并将检测结果实时反馈给主控芯片,便于用户进行调控[12]｡该模块采用3144E霍尔传感器,具有高精度､低成本和高可靠性的特点｡测速方法主要包括M法､T法与M/T法,其测速原理分别见式(1)､式(2)和式(3)｡其中,M法又称为频率法,T法又称为周期法｡该测速模块的OUT口为输出口,与单片机的A1口连接进行信息传输｡

式中:n为电机的转速;M1､M2､M3､M4为编码器输出的脉冲个数;Z为电机转动一圈产生的脉冲个数;Tc为采样周期;Tt为两个脉冲之间的间隔;f0､f1为高频脉冲的频率｡

1.3.3语音识别子模块

语音识别子模块用于实现人机语音交互,使设备能够理解和响应用户的语音指令｡该模块采用SNR8016VR-M语音识别芯片,其工作电压为5V,待机电流为50mA,工作温度范围为-20~60℃,支持功放输出DAC,通信方式采用UART/IO,支持最长240s的音频识别,模块尺寸为28mm×40mm,可储存160个语音指令｡该模块具有简单易用､可定制性､高性能的特点,技术人员提前录入语音指令,用户通过输入相应语音指令即可控制升降梯的上升或下降,从而实现升降梯系统的自动控制｡该语音模块的OUT1口和OUT2口为输出口,分别与单片机的PA4口和PA5口连接进行信息传输｡

压力传感称重模块､测速模块和语音识别模块与单片机的连接原理图如图2所示｡

图2输入模块连接原理图

1.4输出模块

电机的主要功能是驱动踏板上升或下降,采用42BYGH34BYGH电机,其步距角为1.8°,步距角精度为±5%｡在额定电流下,两相通电时,电机的温度不应超过80℃｡该电机可以在-20~50℃的环境中正常工作,并且具备500VAC的介电强度,可持续1min而不被击穿,表明电机能够承受较高的电压｡此外,该电机还具有能量转换效率高､运行高效､可逆性强和可控性好的特点｡单片机将处理后的信息和数据发送给电机,电机驱动踏板运动,从而实现系统的升降功能｡电机与单片机的对应接口见表2｡

表2电机与单片机对应接口

2、系统的软件设计

2.1系统软件主流程

图3所示为系统软件的主流程,该流程图展示了基于单片机的语音控制电机启动的过程｡整个流程从单片机初始化开始,经过语音检测､语音识别､语音正确性验证,最终实现电机启动,形成了一个完整的控制逻辑｡

图3系统软件主流程

首先,进行单片机初始化｡在这一阶段,单片机将进行一系列的基础设置和配置,以确保其能够正常工作｡初始化内容包括时钟设置､端口配置､中断使能等,这些步骤为后续的语音控制和电机驱动提供了必要的硬件支持｡

完成单片机初始化后,进入“是否检测到语音”阶段｡此时,单片机通过连接的语音采集设备(如麦克风)来监听环境声音,并尝试检测特定的语音指令｡如果成功检测到该语音指令,流程继续进入下一阶段;否则,单片机将保持当前状态,继续监听语音｡

在检测到语音指令后,进入“对语音进行识别”阶段｡这一阶段,单片机将对接收到的语音信号进行处理和分析,以识别出具体的语音内容｡这通常涉及到音频信号的滤波､特征提取､模式匹配等操作｡通过这些处理,单片机能够判断接收到的语音是否符合预期的指令格式和内容｡

完成语音识别后,进入“验证是否为正确语音”阶段｡在这一阶段,单片机将比对识别出的语音指令与预设的正确指令是否一致｡如果识别出的语音与预设指令相符,说明用户发出了正确的语音控制命令;否则,单片机将忽略该指令,并返回到监听语音的状态｡

当验证语音指令正确无误后,进入最后一个阶段——“电机启动”｡在这一阶段,单片机将根据接收到的语音指令,向电机驱动器发送控制信号,驱动电机按照预设方式运行｡通过这一步骤,用户可以通过语音指令实现对电机的远程控制｡

当电机成功启动后,整个流程结束｡单片机将保持在当前状态,继续监听环境声音,以便随时响应下一次的语音控制指令｡

这一流程结合了单片机技术､语音识别技术和电机控制技术,为智能家居､工业自动化等领域提供了便捷的语音控制方式｡通过不断优化和改进流程中的各个环节,可以为用户带来更好的使用体验｡

2.2语音识别流程

图4所示为语音识别具体流程｡当系统接收到语音,首先会判断该语音是否为预设的语音｡这一判断过程会循环进行,直到接收到预设的语音｡

图4语音识别流程

系统接收到预设语音后,会判断该语音是否为中文,如果语音是中文,系统会根据中文语音指令执行相应的功能或任务｡如果语音不是中文,则默认为英文,当指令为“up”时执行“上升”操作,当指令为“down”时则执行“下降”操作｡这个循环过程将持续进行,直到满足某个结束条件(语音不符合预设要求或者达到预设的循环次数等)｡一旦满足结束条件,整个流程结束｡

3、结语

本文提出了一种基于STM32单片机的语音识别升降梯自动控制系统｡该系统采用STM32作为主控制器,集成了压力传感称重模块､测速模块､电机驱动模块和语音识别模块｡其中,压力传感称重模块实时监测该系统的载荷情况,测速模块用于实时测量该系统的运行速度,电机驱动模块负责控制电机的启停和运动方向,以实现该系统的运动,语音识别模块采用先进的语音识别算法,使得用户可以通过语音指令控制该系统的运行｡测试结果表明,该系统运行稳定,能够有效地降低能源开销,同时还具备良好的普适性,是智能家居等物联网应用的理想选择｡

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