自动擦除记录黑板研发

胡帅捷，曲周德，侯杰茹，段旭鑫，张国茂，于素静

（天津职业技术师范大学，天津300222）

自动擦除记录黑板研发

胡帅捷，曲周德，侯杰茹，段旭鑫，张国茂，于素静

（天津职业技术师范大学，天津300222）

阐述了一种可以自动擦除、吸收粉尘、自动记录黑板板书的一种新型黑板，主要服务于各所学校。该黑板主要由滚轴、JPEG串口相机、黑板刷、电机等构成。控制黑板的前后或者左右做类似于坦克履带的运动，在黑板中间固定一台微型相机记录黑板板书，将生成的图片传到教室多媒体设备；在黑板一侧固定一个类似于汽车雨刮器的黑板长刷，以擦除黑板，从而解决教师没有足够的时间擦除黑板，擦除效果不理想，且产生的粉尘对师生的健康都有不利影响的问题，具有重要的意义。

自动擦除；回收粉尘；自动记录；JPEG串口相机

众所周知，黑板是我们日常学习生活中不可缺少的一种工具，而我们平时使用的人工黑板擦不仅费时、费力，漫天散落的灰尘还有害于教师和学生的身体健康。据统计，一般而言，一名中学教师在一节45 min的课上，往往需要写5黑板的板书，大约要用掉两根半粉笔，而毕业班的教师一天最多上6节课，就相当于“吸”掉12支粉笔。当前，黑板大多数是以人工手动擦除，在课堂时间紧张的情况下，教师往往没有足够的时间擦除黑板，擦除效果不甚理想，且产生的粉尘对教师和学生的健康都有极大的影响。另外，对于教师上课所写的板书，大多数学生可能无法一边听教师讲解一边及时抄下，导致很多学生课后无法有效复习，出现学习进度下降等问题。因此，我们设计制作了一种可以自动背后擦除黑板、吸收粉尘、自动记录黑板板书的新型黑板。

1 自动擦除记录黑板原理和结构

图1 系统结构框图

该自动擦除记录黑板工作过程如下：通过步进电机控制黑板做类似于坦克履带的运动，使得黑板上的内容可以分别被固定在黑板中央的微型相机和类似于雨刮的长条黑板刷记录和擦除。在黑板两侧装上滚轮或者滚轴，用两个电动机带动滚轮或者滚轴转动，再利用滚轮或者滚轴转带动软质黑板滚动。需要注意的是，防止软质黑板打滑，保证黑板能够正常使用，不会让教师上课受到影响。控制相机自动拍照记录黑板内容生成图像，传到教室的多媒体设备，生成图片，方便学生们课后查看上课时没有及时完成的笔记。该自动擦除记录黑板主要由开关功能键、步进电机、同步带轮、记录模块等部分构成，如图1所示，外观如图2所示，包含步进电机、同步带轮、同步带、平带（黑板）、JPEG串口相机、支撑杆、从动轴、电机、粉刷、主动轴。

图2 自动擦除记录黑板外观

2 自动擦除记录黑板系统设计

2.1 自动擦除记录黑板机构设计

黑板根据平带传动原理设计。如图2所示，整体黑板包括主动轴1、步进电机2、同步带轮3、同步带4、同步带轮5、支撑杆6、JPEG串口相机7、平带（黑板）8、从动轴9、电机10、粉刷11、粉刷收集盒12.其中，由单独开关键控制步进电机2转动带动同步带轮5转动，同步带轮5根据同步带4带动同步带轮3转动，同步带轮3带动主动轴1转动，且平带（黑板）8转动和从动轴9转动，从而整个黑板开始做零负载平带传动。同时，单独开关键控制电机10转动时带动粉刷11做类似雨刮器的运动来回摆动，固定擦除某一面积。由于整块黑板做平带传动运动，所以粉刷可以擦除整块黑板。在粉刷擦除下面安装粉刷收集盒12，用于收集粉刷积留的粉末。

2.2 自动擦除记录黑板相机功能单元设计

2.2.1 Arduino UNO

Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，作为Arduino平台的参考标准模板。UNO的处理器核心是ATmega328，同时具有14路数字输入/输出口。其中，6路可作为PWM输出，6路模拟输入，一个16 MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。UNO已经发布到第三版，与前两版相比有以下新的特点：①在AREF处增加了2个管脚SDA和SCL，支持I2C接口；增加IOREF和一个预留管脚，将来扩展板将能兼容5 V和3.3 V核心板。②改进了复位电路设计。③USB接口芯片由ATmega16U2替代了ATmega8U2。因此，本系统采用ATmega328作为中央处理器。

2.2.2 记录模块

2.2.2.1 采用JPEG串口相机

采用JPEG串口相机，MC-7725是内置图像传感器，JPEG压缩的串口摄像头模块可以连接到计算机和任何其他的嵌入式设备，作为一台摄像机或一个JPEG压缩相机成像应用。它采用Omni Vision CMOS OV7725传感器（OV7725也使用iPhone相机，比别的更好）与JPEG压缩芯片。该芯片提供了一种低成本和低功率的摄像系统。其板上的串行接口适用于直接连接到任何主机微控制器的UART。用户通过串行命令获取JPEG图片，方便集成使用。2.2.2.2镜头选择

2.5 mm、2.8 mm、3.6 mm、6 mm、12 mm的红外镜头或彩色镜片。

2.2.2.3 应用

该模块被应用于通用嵌入式成像和控制、安全系统、访问控制系统、机器人视觉、目标检测与识别、工业控制系统、汽车系统、医疗系统等方面。

2.2.2.4 特点

全天候工作、嵌入式成像应用的低成本，低功耗串口相机、串口通讯协议可以设置，或用户定制、UART：2 400～115 200 bps的传输JPEG静止图片，支持640×480、320×240、160×120的图像分辨率，压缩比可以由用户设置，不需要外部DRAM，自动红外，自动白平衡，自动增益控制。

3 总结

针对人工擦除黑板效果不理想且产生的粉尘对教师和学生的健康都有极大的影响等问题，本文设计了一种适合于教师、学生使用的自动擦除记录黑板装置。该系统结构设计合理，电机运行稳定，系统性能良好，较好地完成了设计指标。而且该系统成本低，实用性和可操作性强，大大降低了人体吸入粉尘的概率，提高了学生的学习效率。

［1］吴昌林，张卫国，姜柳林.机械设计［M］.第3版.武汉：华中科技大学出版社，2011.

［2］〔美〕马格里斯.Arduino权威指南［M］.第2版.北京：人民邮电出版社，2015.

［3］李发海，王岩.电机与拖动基础［M］.第4版.北京：清华大学出版社，2012.

〔编辑：刘晓芳〕

TG333.7

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.119

2095－6835（2017）19－0119－03