基于語音識別的升降梯自動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘 要：針對室內裝修所使用的固定式人字梯和升降式工作臺存在的不便于攜帶、靈活性差等問題，提出了一種基于語音識別的升降梯自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103單片機為主控芯片，集成了壓力傳感模塊、測速模塊、語音識別模塊和電機驅動模塊，能夠通過語音識別實現(xiàn)對升降梯的自動控制。測試結果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠顯著提升工作效率，是智能家居等物聯(lián)網(wǎng)應用的理想選擇。

關鍵詞：升降梯；自動控制；壓力傳感；語音識別；STM32F103單片機；升降速度測量

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-0-04

0 引 言

近年來，隨著環(huán)保理念的普及和科技的進步，人們對自動控制、便攜性和實用性的生活方式的需求日益增長。可自動控制的升降梯作為現(xiàn)代化工作輔助設備，因其便捷性和高效性而倍受關注，逐漸成為現(xiàn)代商業(yè)和辦公場所不可或缺的一部分。隨著人們對工作環(huán)境要求的提升，升降梯的自動控制需求也日益增長，推動了相關行業(yè)對升降梯自動控制技術的研發(fā)投入，以滿足人們對更自動、更安全、更高效工作方式的追求。

傳統(tǒng)的現(xiàn)代化工作輔助設備主要包括固定式人字梯和升降式工作臺，然而這兩種裝置仍存在一些不足，例如升降靈活性差、安全性差、不便于攜帶等問題，嚴重影響了室內裝修工作的效率和安全性。

針對這些問題，研究者們結合現(xiàn)有升降裝置的特點，設計了一種便攜、可自動控制的升降裝置。現(xiàn)有的升降裝置大都是基于單片機控制的小型升降梯，采用驅動電機作為動力源。部分升降梯內還配備了攝像頭、報警裝置和稱重裝置，實現(xiàn)了重量檢測和報警功能[1-2]，同時通過APP實現(xiàn)了對升降梯的遠程監(jiān)控，但這種實現(xiàn)方式過于復雜；還有些升降裝置采用新型鋁合金型材作為雙面升降梯的原料[3-4]，旨在解決傳統(tǒng)雙面升降梯占用空間大、不利于儲存的問題。通過新型鋁合金型材的設計，實現(xiàn)了雙面升降梯結構的簡化和輕量化，提升了儲存和搬運的便利性，但新型鋁合金型材成本比較昂貴；此外，還有一種車載式剪叉升降平臺[5-7]，采用對稱結構和U型工作平臺，可容納兩人同時進行高空檢修工作，該設計提高了平臺穩(wěn)定性和平衡性，增強了操作人員的安全性，在結構上進行了創(chuàng)新，但不適合在室內使用。提到升降裝置，大多數(shù)設計是通過固定在軌道上或者利用鋼絲繩拉動實現(xiàn)直上直下的上升或下降[8-11]，這些升降方式的安全性有待提高。

本文針對當前升降裝置存在的問題，結合各類裝置所具有的優(yōu)點，設計了一款便于攜帶、可隨意調節(jié)高度的基于語音識別的升降梯自動控制系統(tǒng)，集成了壓力傳感模塊、測速模塊、電機驅動模塊和語音識別模塊，通過語音識別和自動控制技術，實現(xiàn)了語音控制升降的功能。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)整體框架

基于單片機的控制系統(tǒng)整體架構由五個模塊組成，包括主控芯片、壓力傳感稱重模塊、測速模塊、語音識別模塊以及電機驅動模塊，如圖1所示。

輸入裝置主要包括壓力傳感稱重模塊、測速模塊、語音識別模塊。其中，壓力傳感稱重模塊用來檢測物體的重量，測速模塊用來測量升降梯的升降速度，語音識別模塊用來接收用戶指令。輸出裝置主要包括電機驅動模塊，用來驅動升降梯的升降。該系統(tǒng)的整體運行流程如下：通過輸入裝置采集信息、數(shù)據(jù)并接收用戶指令，再將采集到的數(shù)據(jù)和信息傳給主控芯片；主控芯片對輸入裝置傳來的數(shù)據(jù)進行解析和處理，再將數(shù)據(jù)傳輸給輸出裝置進行相應操作。

1.2 主控芯片

本系統(tǒng)采用STM32單片機作為主控芯片，型號為STM32F103。該單片機基于Cortex-M3核心，具有72 MHz的CPU速度和最高1 MB的閃存容量，能夠快速處理數(shù)據(jù)和執(zhí)行程序。此外，該芯片還具有高性能、低功耗、高運算能力以及強大的開發(fā)工具支持等特點。在升降梯系統(tǒng)中，主控芯片承擔核心控制和處理任務，確保系統(tǒng)按照預定的工作方式穩(wěn)定運行。

1.3 輸入模塊

1.3.1 壓力傳感稱重子模塊

壓力傳感稱重模塊的主要功能是將物體的重量轉化為電信號，以便進行測量和控制。該模塊采用HX711稱重傳感器，具有高精度、低噪聲、可調增益、低功耗、數(shù)字接口的特點。該模塊用于檢測物體的重量，并將檢測結果反饋給主控芯片，防止物體重量過重損壞系統(tǒng)，其承重上限為100 kg。該壓力傳感稱重模塊的TX口和RX口用于串行通信的數(shù)據(jù)傳輸，分別與單片機的PA9口和PA10口連接，實現(xiàn)信息的傳輸。HX711傳感器的主要參數(shù)見表1。

1.3.2 測速子模塊

測速模塊用于測量升降梯的升降速度，并將檢測結果實時反饋給主控芯片，便于用戶進行調控[12]。該模塊采用3144E霍爾傳感器，具有高精度、低成本和高可靠性的特點。測速方法主要包括M法、T法與M/T法，其測速原理分別見式（1）、式（2）和式（3）。其中，M法又稱為頻率法，T法又稱為周期法。該測速模塊的OUT口為輸出口，與單片機的A1口連接進行信息傳輸。

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1.3.3 語音識別子模塊

語音識別子模塊用于實現(xiàn)人機語音交互，使設備能夠理解和響應用戶的語音指令。該模塊采用SNR8016VR-M語音識別芯片，其工作電壓為5 V，待機電流為50 mA，工作溫度范圍為-20～60 ℃，支持功放輸出DAC，通信方式采用UART/IO，支持最長240 s的音頻識別，模塊尺寸為 28 mm×40 mm，可儲存160個語音指令。該模塊具有簡單易用、可定制性、高性能的特點，技術人員提前錄入語音指令，用戶通過輸入相應語音指令即可控制升降梯的上升或下降，從而實現(xiàn)升降梯系統(tǒng)的自動控制。該語音模塊的OUT1口和OUT2口為輸出口，分別與單片機的PA4口和PA5口連接進行信息傳輸。

壓力傳感稱重模塊、測速模塊和語音識別模塊與單片機的連接原理圖如圖2所示。

1.4 輸出模塊

電機的主要功能是驅動踏板上升或下降，采用42BYGH34BYGH電機，其步距角為1.8°，步距角精度為±5%。在額定電流下，兩相通電時，電機的溫度不應超過80 ℃。該電機可以在-20～50 ℃的環(huán)境中正常工作，并且具備500 V AC的介電強度，可持續(xù)1 min而不被擊穿，表明電機能夠承受較高的電壓。此外，該電機還具有能量轉換效率高、運行高效、可逆性強和可控性好的特點。單片機將處理后的信息和數(shù)據(jù)發(fā)送給電機，電機驅動踏板運動，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的升降功能。電機與單片機的對應接口見表2。

2 系統(tǒng)的軟件設計

2.1 系統(tǒng)軟件主流程

圖3所示為系統(tǒng)軟件的主流程，該流程圖展示了基于單片機的語音控制電機啟動的過程。整個流程從單片機初始化開始，經(jīng)過語音檢測、語音識別、語音正確性驗證，最終實現(xiàn)電機啟動，形成了一個完整的控制邏輯。

首先，進行單片機初始化。在這一階段，單片機將進行一系列的基礎設置和配置，以確保其能夠正常工作。初始化內容包括時鐘設置、端口配置、中斷使能等，這些步驟為后續(xù)的語音控制和電機驅動提供了必要的硬件支持。

完成單片機初始化后，進入“是否檢測到語音”階段。此時，單片機通過連接的語音采集設備（如麥克風）來監(jiān)聽環(huán)境聲音，并嘗試檢測特定的語音指令。如果成功檢測到該語音指令，流程繼續(xù)進入下一階段；否則，單片機將保持當前狀態(tài)，繼續(xù)監(jiān)聽語音。

在檢測到語音指令后，進入“對語音進行識別”階段。這一階段，單片機將對接收到的語音信號進行處理和分析，以識別出具體的語音內容。這通常涉及到音頻信號的濾波、特征提取、模式匹配等操作。通過這些處理，單片機能夠判斷接收到的語音是否符合預期的指令格式和內容。

完成語音識別后，進入“驗證是否為正確語音”階段。在這一階段，單片機將比對識別出的語音指令與預設的正確指令是否一致。如果識別出的語音與預設指令相符，說明用戶發(fā)出了正確的語音控制命令；否則，單片機將忽略該指令，并返回到監(jiān)聽語音的狀態(tài)。

當驗證語音指令正確無誤后，進入最后一個階段——“電機啟動”。在這一階段，單片機將根據(jù)接收到的語音指令，向電機驅動器發(fā)送控制信號，驅動電機按照預設方式運行。通過這一步驟，用戶可以通過語音指令實現(xiàn)對電機的遠程控制。

當電機成功啟動后，整個流程結束。單片機將保持在當前狀態(tài)，繼續(xù)監(jiān)聽環(huán)境聲音，以便隨時響應下一次的語音控制指令。

這一流程結合了單片機技術、語音識別技術和電機控制技術，為智能家居、工業(yè)自動化等領域提供了便捷的語音控制方式。通過不斷優(yōu)化和改進流程中的各個環(huán)節(jié)，可以為用戶帶來更好的使用體驗。

2.2 語音識別流程

圖4所示為語音識別具體流程。當系統(tǒng)接收到語音，首先會判斷該語音是否為預設的語音。這一判斷過程會循環(huán)進行，直到接收到預設的語音。

系統(tǒng)接收到預設語音后，會判斷該語音是否為中文，如果語音是中文，系統(tǒng)會根據(jù)中文語音指令執(zhí)行相應的功能或任務。如果語音不是中文，則默認為英文，當指令為“up”時執(zhí)行“上升”操作，當指令為“down”時則執(zhí)行“下降”操作。這個循環(huán)過程將持續(xù)進行，直到滿足某個結束條件（語音不符合預設要求或者達到預設的循環(huán)次數(shù)等）。一旦滿足結束條件，整個流程結束。

3 結 語

本文提出了一種基于STM32單片機的語音識別升降梯自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32作為主控制器，集成了壓力傳感稱重模塊、測速模塊、電機驅動模塊和語音識別模塊。其中，壓力傳感稱重模塊實時監(jiān)測該系統(tǒng)的載荷情況，測速模塊用于實時測量該系統(tǒng)的運行速度，電機驅動模塊負責控制電機的啟停和運動方向，以實現(xiàn)該系統(tǒng)的運動，語音識別模塊采用先進的語音識別算法，使得用戶可以通過語音指令控制該系統(tǒng)的運行。測試結果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠有效地降低能源開銷，同時還具備良好的普適性，是智能家居等物聯(lián)網(wǎng)應用的理想選擇。

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