太陽能無塵黑板擦的研究與設(shè)計(jì)

李鑫鑫　王志坤　孫如軍

（ 德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東　德州　253023 ）

太陽能無塵黑板擦的研究與設(shè)計(jì)

李鑫鑫王志坤孫如軍

（ 德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東德州253023 ）

針對(duì)傳統(tǒng)黑板擦容易造成粉塵污染、功能單一、壽命短且浪費(fèi)人力等問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款太陽能無塵黑板擦。為實(shí)現(xiàn)高效一體化，采用單片機(jī)自動(dòng)控制整個(gè)系統(tǒng)，它把紅外傳感器接收的黑板邊緣信息經(jīng)過加工處理后，將轉(zhuǎn)彎信號(hào)下達(dá)至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)智能避障。使用遙控器通過無線模塊直接將信號(hào)傳遞給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)人工避障。

單片機(jī)；紅外傳感器；太陽能轉(zhuǎn)換；高效一體化；智能避障

粉筆是最原始最傳統(tǒng)的教學(xué)用具，用它來傳授知識(shí)。但是粉筆末給老師和學(xué)生的身體健康帶來了極大的損害。為了更好的服務(wù)社會(huì)，我們?cè)O(shè)計(jì)了這款低碳環(huán)保的太陽能無塵黑板擦。它使用太陽能電池板經(jīng)過轉(zhuǎn)換模塊后將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，為系統(tǒng)供電，采用穩(wěn)壓裝置使單片機(jī)電源穩(wěn)定在5V左右。采用單片機(jī)智能控制，全程無需人工參與，既節(jié)省人力和時(shí)間，還保護(hù)了師生的身心健康。

1　系統(tǒng)簡介

1.1作品組成部分

根據(jù)表1結(jié)果可知：原設(shè)計(jì)地下室頂板的實(shí)際配筋與計(jì)算配筋之比最小為1.17，說明地下室頂板設(shè)計(jì)承載力滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的要求.地下室頂板裂縫并非是由于承載力不足造成的.

然而，實(shí)際上并不測(cè)量所有的VOCs，而僅僅是它們的一個(gè)子集。每個(gè)方法測(cè)量它自己的VOCs的特定子集，子集可以有很大的變化。因此，不同的TVOC測(cè)量可以產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上不同的TVOC濃度，這取決于VOCs在其子集中的含量。

太陽能無塵黑板擦由型號(hào)為STC12C5A60S2的單片機(jī)控制系統(tǒng)、太陽能轉(zhuǎn)換模塊、紅外傳感模塊、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、集塵模塊、2272無線遙控模塊等組成。太陽能轉(zhuǎn)換模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電，單片機(jī)控制紅外傳感模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行工作，各模塊間緊密合作，實(shí)現(xiàn)智能避障，粉塵收集，自動(dòng)擦拭黑板的功能，令作品更加智能化和人性化。

1.3單片機(jī)控制模塊

太陽能無塵黑板擦采用型號(hào)為STC12C5A60S2的單片機(jī)作為核心控制系統(tǒng)，該型號(hào)的單片機(jī)處理速度快，抗干擾能力強(qiáng)。當(dāng)紅外傳感器收集到黑板邊緣信息時(shí)，將信號(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過加工處理后，將執(zhí)行信號(hào)下達(dá)至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)智能避障；在轉(zhuǎn)彎的同時(shí)，單片機(jī)還將控制轉(zhuǎn)彎指示燈點(diǎn)亮，提示用戶將要進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。也可使用遙控器通過無線模塊直接將信號(hào)傳遞給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)人工避障。

1.2電源模塊

電源模塊采用7.2V直流電源，使用穩(wěn)壓裝置對(duì)7.2V直流電源進(jìn)行穩(wěn)壓，使其穩(wěn)定在5V后再供給單片機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和集塵裝置中高速旋轉(zhuǎn)的離心風(fēng)機(jī)采用7.2V直流電源直接供電。電源采用兩種充電方式，既可以采用220V家用電源直接充電，也可以使用轉(zhuǎn)換率為10%的太陽能電池板進(jìn)行充電。下課不用時(shí)，將黑板擦放在教室窗臺(tái)上，太陽能電池板通過轉(zhuǎn)換模塊將太陽能轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存在電池中，一次充電可使用1-2天。

由紅外發(fā)射管和紅外接收管組成的紅外傳感模塊采用帶有交流分量調(diào)制信號(hào)的紅外發(fā)射接收器，可使外界環(huán)境對(duì)傳感器的干擾大幅度減少；其中紅外發(fā)射管的作用是不斷地向外部發(fā)射紅外信號(hào)，當(dāng)黑板擦未擦拭到黑板盡頭時(shí)，紅外接收管能接收到紅外發(fā)射管發(fā)出的信號(hào)，當(dāng)黑板擦擦拭到黑板盡頭時(shí)，紅外接收管接收不到發(fā)射信號(hào)，此時(shí)單片機(jī)把執(zhí)行信號(hào)傳遞給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)黑板擦自動(dòng)轉(zhuǎn)彎，繼續(xù)擦拭下一條路線。

1.4紅外傳感模塊

陳豐連等[31]建立了以高效液相色譜法(HPLC)同時(shí)測(cè)定涼粉草藥材中熊果酸和齊墩果酸含量的方法，該方法簡單、準(zhǔn)確、可靠。利用該方法可測(cè)定不同采收期、不同產(chǎn)地等不同批次的仙草熊果酸和齊墩果酸含量。冷桂華[32]利用反相高效液相層析法(RP-HPLC)測(cè)定了仙草不同部位的熊果酸和齊墩果酸含量，發(fā)現(xiàn)仙草葉的熊果酸和齊墩果酸含量均高于仙草莖和全仙草的含量；同一部位仙草的熊果酸含量明顯高于齊墩果酸含量，熊果酸含量約為齊墩果酸含量的2.5～2.8倍。

2　工作原理及性能分析

本作品的核心控制系統(tǒng)使用了型號(hào)為STC12C5A60S2的單片機(jī)，控制系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)的各模塊間相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)其智能避障和擦拭黑板的功能。當(dāng)黑板擦擦拭到黑板邊緣時(shí)，紅外接收管接收不到發(fā)射信號(hào)，紅外傳感器將這個(gè)信息傳遞到單片機(jī)上，單片機(jī)經(jīng)過加工處理把控制信號(hào)下達(dá)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而控制直流減速電機(jī)正反轉(zhuǎn)或停止轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)智能避障的功能。同時(shí)當(dāng)黑板擦收到轉(zhuǎn)彎的信息時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)向指示燈會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮，提示將要進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。為克服黑板擦自身重力的影響，本作品運(yùn)用磁吸式和真空負(fù)壓式原理使其緊貼黑板，當(dāng)黑板擦在黑板上行駛時(shí)，帶動(dòng)底部毛刷擦拭粉筆字跡，同時(shí)在集塵風(fēng)機(jī)的作用下粉筆末被吸到集塵槽中，用戶在擦完后及時(shí)將粉筆末清理，避免對(duì)環(huán)境造成污染。也可通過遙控器控制其擦拭路線，實(shí)現(xiàn)人工避障。

3　創(chuàng)新點(diǎn)

本作品打破了傳統(tǒng)的思維模式，運(yùn)用真空負(fù)壓和磁吸式原理，使黑板擦克服重力的影響緊貼黑板，依賴于黑板擦內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)，使空氣高速排出，使黑板擦與黑板間隙處產(chǎn)生瞬時(shí)真空，與外界大氣壓形成氣壓差，在此壓差和磁吸式的作用下，黑板擦能夠吸附在黑板上。集塵風(fēng)機(jī)能把黑板擦在擦拭時(shí)產(chǎn)生的粉塵吸附到集粉槽內(nèi)，使用太陽能電池板和外接電源雙選擇供電，踐行了可持續(xù)發(fā)展的理念。

4　系統(tǒng)開發(fā)前景

這款太陽能無塵黑板擦能夠吸收擦黑板過程中90%以上的粉筆灰，用此作品擦黑板不僅節(jié)省了人力和時(shí)間，而且保護(hù)了師生的身心健康。目前市場(chǎng)上同類產(chǎn)品大多功能單一、壽命短且造價(jià)較高，而本產(chǎn)品價(jià)格低廉，實(shí)用性好，且智能化程度高，隨著產(chǎn)品的不斷開發(fā)和完善，在未來的市場(chǎng)上必將受到廣大消費(fèi)者的青睞，將擁有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

首先，ATLAS采用先進(jìn)的內(nèi)存優(yōu)化技術(shù)，避免了內(nèi)存碎塊的產(chǎn)生而帶來的內(nèi)存使用率降低問題，也避免了頻繁的系統(tǒng)調(diào)用造成性能的下降。其次，ATLAS運(yùn)用OpenGL圖形引擎的VBO、FBO以及GLSL技術(shù)直接對(duì)硬件編程，充分利用GPU的能力完成大模型的三維渲染。第三，ATLAS采用了質(zhì)數(shù)哈希數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行索引，可以在常數(shù)時(shí)間定位任意節(jié)點(diǎn)與單元，同時(shí)ATLAS創(chuàng)新的采用了預(yù)排序文件緩存技術(shù)。經(jīng)過大量優(yōu)化工作，ATLAS軟件實(shí)現(xiàn)在普通計(jì)算機(jī)上很迅速地生成、處理上億自由度的有限元分析模型。

5　結(jié)束語

在太陽能無塵黑板擦的研發(fā)過程中，我們對(duì)電機(jī)動(dòng)力和磁鐵吸力進(jìn)行了幾十次的嘗試，最終找到了一組既能使黑板擦吸附在黑板上又能驅(qū)動(dòng)其行駛的數(shù)據(jù)。這款作品智能化程度高，制作材料也比較常見，性價(jià)比高，使用更方便，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

［1］張鵬飛.光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；哈爾濱理工大學(xué)出版社 2009

［2］馬忠梅.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序；北京航空航天大學(xué)出版社 2008

［3］李正吾.機(jī)電一體化技術(shù)及其應(yīng)用；機(jī)械工業(yè)出版社1990

［4］黃蘇南，邵惠鶴.基于信息的智能控制理論研究；信息與控制 1994

［5］李全利，遲榮強(qiáng).單片機(jī)原理及接口技術(shù)；高等教育出版社 2004

TP23

A

1003-5168（2015）11-021-01

李鑫鑫（1994.12-），男，大學(xué)本科，研究方向:機(jī)械電子工程。

備注:本文系2015年地方高校國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào) 201510448041）的資助。