(華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院 河南 鄭州 450000)

黑板擦廣泛使用于諸多領(lǐng)域，但平時使用的人工黑板擦費(fèi)時費(fèi)力、粉塵飛揚(yáng)、危害使用者的身體健康。為解決以上問題，本文設(shè)計了智能黑板擦。該設(shè)計可自動擦除粉筆痕跡，省時省力，同時降低了粉塵飄散對使用者身體健康的危害。

一、系統(tǒng)的總體設(shè)計

本文設(shè)計的是由直流電動機(jī)驅(qū)動的履帶式黑板擦，電機(jī)電樞電壓經(jīng)整流器變壓整流、PWM直流降壓斬波電路調(diào)制后，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；采用藍(lán)牙模塊將無線終端與單片機(jī)控制系統(tǒng)無線連接，實(shí)現(xiàn)無線終端控制繼電器的功能，利用反轉(zhuǎn)電路控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，經(jīng)傳動裝置控制黑板擦的移動，通過超聲波測距模塊反饋黑板擦的位置，工作異常時及時制動?？傮w設(shè)計系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

二、系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計

(一)傳動裝置機(jī)械設(shè)計。傳動裝置由齒輪、傳動軸、軸承、鏈條和鏈輪組成。智能黑板擦由直流電動機(jī)提供動力，齒輪與鏈輪焊接于傳動軸，鏈輪咬合焊接于黑板擦的鏈條，完成電動機(jī)與黑板擦之間的動力傳輸。

(二)黑板擦結(jié)構(gòu)設(shè)計。黑板擦由擦除材料、儲粉盒、靜電吸附裝置、毛刷組成。工作時，黑板擦的擦除面豎直工作，黑板上的粉塵豎直掉落于黑板擦下方的儲粉盒中；黑板擦背部的靜電吸附裝置，更好地清除履帶上殘留的粉塵，保證了后續(xù)的擦除效果；裝置周圍安裝密集毛刷，確保工作時產(chǎn)生的粉塵封閉于裝置之內(nèi)，減少粉塵擴(kuò)散。

三、系統(tǒng)的電路設(shè)計

系統(tǒng)控制電路由PWM直流降壓斬波電路、單片機(jī)、藍(lán)牙模塊、超聲波測距模塊以及繼電器組成。

(一)PWM調(diào)速裝置的設(shè)計。電樞電流為I，電樞電路總電阻為R，每極磁通為Φ，電動機(jī)參數(shù)為Ke時直流電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為:

直流電動機(jī)的調(diào)速方法有改變勵磁磁通、改變電樞回路電阻以及改變電樞電壓三種。本裝置利用PWM技術(shù)產(chǎn)生占空比可調(diào)的方波，控制直流斬波降壓電路的輸出電壓。

調(diào)速原理計算如下：電壓變化周期為T，一個周期內(nèi)高電平持續(xù)時間為t1，低電平持續(xù)時間為t2時占空比D為：

總電壓為U0時,電樞電壓平均值U為：

U=DU0

(二)單片機(jī)。本裝置的控制系統(tǒng)以單片機(jī)作為控制核心調(diào)整黑板擦的工作狀態(tài)，工作時，單片機(jī)運(yùn)行相關(guān)程序，根據(jù)藍(lán)牙模塊接收的信息和超聲波模塊反饋的黑板擦運(yùn)動情況，共同調(diào)整黑板擦的工作狀態(tài)。

(三)繼電器模塊。單片機(jī)額定輸出電壓、電流有限，不足以控制大功率的電機(jī)，且內(nèi)部芯片易在電機(jī)起動時受損，利用繼電器將控制電路與主電路分開。

(四)超聲波測距模塊。單片機(jī)利用聲音傳播速度和超聲波測距模塊反饋信號時間差，計算出黑板擦到前方障礙物的距離。其具體工作過程如下所示：1.模塊工作，單片機(jī)給模塊Trig引腳一個高電平信號，模塊觸發(fā)，發(fā)送8個方波，單片機(jī)開始計時并自動檢測返回信號。本單片機(jī)采用12M晶振，每過12個方波計數(shù)1。則計數(shù)器每計數(shù)一次，相當(dāng)于時間

2.當(dāng)超聲波碰到障礙物后信號返回，通過ECHO引腳返回單片機(jī)一個高電平中斷，停止計數(shù)，并將十六位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，

T1=TH0×256+TL0

由

得出黑板擦與邊界的距離S，單位：厘米。

3.當(dāng)所得距離S臨近黑板擦長度或零，即代表黑板擦離邊界距離過近，繼電器斷開，黑板擦停止運(yùn)動。

(五)控制電路工作過程。單片機(jī)接收藍(lán)牙信號，控制繼電器；超聲波測距模塊作為反饋環(huán)節(jié)，時刻反饋黑板擦的位置信息，在黑板擦即將接觸障礙物或者即將到達(dá)邊界時，給單片機(jī)反饋信號，單片機(jī)響應(yīng)中斷，黑板擦工作停止。

主電路由變壓整流電路、PWM直流降壓斬波電路、繼電器、直流永磁電機(jī)組成。電機(jī)電壓由變壓整流電路、PWM直流降壓斬波電路共同調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對黑板擦的調(diào)速。兩個繼電器的通斷改變電機(jī)電樞電壓方向?qū)崿F(xiàn)調(diào)向。

(六)系統(tǒng)部件的選取。根據(jù)智能黑板擦需求的功能選擇以下電子器件。1.給定裝置：藍(lán)牙模塊(BT08B)，射頻通信，低功耗，工作電壓為DC3.6～6V。2.控制器：單片機(jī)(STM89C51)，進(jìn)行運(yùn)算處理，工作電壓5V。3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)：繼電器，主控電路分離，系統(tǒng)更加安全，穩(wěn)定，工作電壓5V。4.被控對象：(1)直流電機(jī)，額定電壓12V，額定電流5A,功率35W，轉(zhuǎn)速200r/min；(2)黑板擦。5.反饋環(huán)節(jié)：超聲波測距模塊(US-100)，給控制器反饋黑板擦位置信息，異常時及時制動，工作電壓為DC2.4～5.5V。

四、結(jié)束語

本文設(shè)計了一種擁有擦除粉塵、收集粉塵、調(diào)速、無線智能控制功能的智能黑板擦。藍(lán)牙模塊、單片機(jī)、繼電器組成無線控制系統(tǒng)，超聲波測距模塊作為反饋環(huán)節(jié)。黑板擦采用履帶式結(jié)構(gòu)，提高工作效率。履帶背后的靜電吸附裝置和外殼上的吸塵裝置保證了工作的質(zhì)量，避免粉塵外漏造成環(huán)境污染。