太阳能无尘黑板擦的研究与设计

李鑫鑫　王志坤　孙如军

（ 德州学院机电工程学院，山东　德州　253023 ）

太阳能无尘黑板擦的研究与设计

李鑫鑫王志坤孙如军

（ 德州学院机电工程学院，山东德州253023 ）

针对传统黑板擦容易造成粉尘污染、功能单一、寿命短且浪费人力等问题，我们设计了一款太阳能无尘黑板擦。为实现高效一体化，采用单片机自动控制整个系统，它把红外传感器接收的黑板边缘信息经过加工处理后，将转弯信号下达至电机驱动模块，实现智能避障。使用遥控器通过无线模块直接将信号传递给单片机，实现人工避障。

单片机；红外传感器；太阳能转换；高效一体化；智能避障

粉笔是最原始最传统的教学用具，用它来传授知识。但是粉笔末给老师和学生的身体健康带来了极大的损害。为了更好的服务社会，我们设计了这款低碳环保的太阳能无尘黑板擦。它使用太阳能电池板经过转换模块后将太阳能转换成电能，为系统供电，采用稳压装置使单片机电源稳定在5V左右。采用单片机智能控制，全程无需人工参与，既节省人力和时间，还保护了师生的身心健康。

1　系统简介

1.1作品组成部分

根据表1结果可知：原设计地下室顶板的实际配筋与计算配筋之比最小为1.17，说明地下室顶板设计承载力满足现行设计规范的要求.地下室顶板裂缝并非是由于承载力不足造成的.

然而，实际上并不测量所有的VOCs，而仅仅是它们的一个子集。每个方法测量它自己的VOCs的特定子集，子集可以有很大的变化。因此，不同的TVOC测量可以产生实质上不同的TVOC浓度，这取决于VOCs在其子集中的含量。

太阳能无尘黑板擦由型号为STC12C5A60S2的单片机控制系统、太阳能转换模块、红外传感模块、L298N电机驱动模块、电源模块、集尘模块、2272无线遥控模块等组成。太阳能转换模块为整个系统供电，单片机控制红外传感模块和电机驱动模块进行工作，各模块间紧密合作，实现智能避障，粉尘收集，自动擦拭黑板的功能，令作品更加智能化和人性化。

1.3单片机控制模块

太阳能无尘黑板擦采用型号为STC12C5A60S2的单片机作为核心控制系统，该型号的单片机处理速度快，抗干扰能力强。当红外传感器收集到黑板边缘信息时，将信号传递给单片机，单片机经过加工处理后，将执行信号下达至电机驱动模块，实现智能避障；在转弯的同时，单片机还将控制转弯指示灯点亮，提示用户将要进行转弯。也可使用遥控器通过无线模块直接将信号传递给单片机，实现人工避障。

1.2电源模块

电源模块采用7.2V直流电源，使用稳压装置对7.2V直流电源进行稳压，使其稳定在5V后再供给单片机，电机驱动模块和集尘装置中高速旋转的离心风机采用7.2V直流电源直接供电。电源采用两种充电方式，既可以采用220V家用电源直接充电，也可以使用转换率为10%的太阳能电池板进行充电。下课不用时，将黑板擦放在教室窗台上，太阳能电池板通过转换模块将太阳能转换为电能储存在电池中，一次充电可使用1-2天。

由红外发射管和红外接收管组成的红外传感模块采用带有交流分量调制信号的红外发射接收器，可使外界环境对传感器的干扰大幅度减少；其中红外发射管的作用是不断地向外部发射红外信号，当黑板擦未擦拭到黑板尽头时，红外接收管能接收到红外发射管发出的信号，当黑板擦擦拭到黑板尽头时，红外接收管接收不到发射信号，此时单片机把执行信号传递给电机驱动模块，调节电机转速，实现黑板擦自动转弯，继续擦拭下一条路线。

1.4红外传感模块

陈丰连等[31]建立了以高效液相色谱法(HPLC)同时测定凉粉草药材中熊果酸和齐墩果酸含量的方法，该方法简单、准确、可靠。利用该方法可测定不同采收期、不同产地等不同批次的仙草熊果酸和齐墩果酸含量。冷桂华[32]利用反相高效液相层析法(RP-HPLC)测定了仙草不同部位的熊果酸和齐墩果酸含量，发现仙草叶的熊果酸和齐墩果酸含量均高于仙草茎和全仙草的含量；同一部位仙草的熊果酸含量明显高于齐墩果酸含量，熊果酸含量约为齐墩果酸含量的2.5～2.8倍。

2　工作原理及性能分析

本作品的核心控制系统使用了型号为STC12C5A60S2的单片机，控制系统与执行系统的各模块间相互协调，实现其智能避障和擦拭黑板的功能。当黑板擦擦拭到黑板边缘时，红外接收管接收不到发射信号，红外传感器将这个信息传递到单片机上，单片机经过加工处理把控制信号下达到电机驱动模块，进而控制直流减速电机正反转或停止转，实现智能避障的功能。同时当黑板擦收到转弯的信息时，电机转向指示灯会自动点亮，提示将要进行转弯。为克服黑板擦自身重力的影响，本作品运用磁吸式和真空负压式原理使其紧贴黑板，当黑板擦在黑板上行驶时，带动底部毛刷擦拭粉笔字迹，同时在集尘风机的作用下粉笔末被吸到集尘槽中，用户在擦完后及时将粉笔末清理，避免对环境造成污染。也可通过遥控器控制其擦拭路线，实现人工避障。

3　创新点

本作品打破了传统的思维模式，运用真空负压和磁吸式原理，使黑板擦克服重力的影响紧贴黑板，依赖于黑板擦内高速旋转的风机，使空气高速排出，使黑板擦与黑板间隙处产生瞬时真空，与外界大气压形成气压差，在此压差和磁吸式的作用下，黑板擦能够吸附在黑板上。集尘风机能把黑板擦在擦拭时产生的粉尘吸附到集粉槽内，使用太阳能电池板和外接电源双选择供电，践行了可持续发展的理念。

4　系统开发前景

这款太阳能无尘黑板擦能够吸收擦黑板过程中90%以上的粉笔灰，用此作品擦黑板不仅节省了人力和时间，而且保护了师生的身心健康。目前市场上同类产品大多功能单一、寿命短且造价较高，而本产品价格低廉，实用性好，且智能化程度高，随着产品的不断开发和完善，在未来的市场上必将受到广大消费者的青睐，将拥有广阔的市场应用前景。

首先，ATLAS采用先进的内存优化技术，避免了内存碎块的产生而带来的内存使用率降低问题，也避免了频繁的系统调用造成性能的下降。其次，ATLAS运用OpenGL图形引擎的VBO、FBO以及GLSL技术直接对硬件编程，充分利用GPU的能力完成大模型的三维渲染。第三，ATLAS采用了质数哈希数据结构对海量数据进行索引，可以在常数时间定位任意节点与单元，同时ATLAS创新的采用了预排序文件缓存技术。经过大量优化工作，ATLAS软件实现在普通计算机上很迅速地生成、处理上亿自由度的有限元分析模型。

5　结束语

在太阳能无尘黑板擦的研发过程中，我们对电机动力和磁铁吸力进行了几十次的尝试，最终找到了一组既能使黑板擦吸附在黑板上又能驱动其行驶的数据。这款作品智能化程度高，制作材料也比较常见，性价比高，使用更方便，具有良好的市场应用前景。

［1］张鹏飞.光伏发电自动跟踪系统的设计；哈尔滨理工大学出版社 2009

［2］马忠梅.单片机的C语言应用程序；北京航空航天大学出版社 2008

［3］李正吾.机电一体化技术及其应用；机械工业出版社1990

［4］黄苏南，邵惠鹤.基于信息的智能控制理论研究；信息与控制 1994

［5］李全利，迟荣强.单片机原理及接口技术；高等教育出版社 2004

TP23

A

1003-5168（2015）11-021-01

李鑫鑫（1994.12-），男，大学本科，研究方向:机械电子工程。

备注:本文系2015年地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号 201510448041）的资助。