基于Arduino的智能黑板擦設(shè)計

王慶興　方世遲　孔飛傲

摘? ?要：為解決粉筆粉塵危害教師與前排學(xué)生健康的問題，文章設(shè)計了智能黑板擦。該裝置采用兩個減速電機作為動力，配置一個舵機與直流電機控制黑板擦工作;減速電機裝在黑板的左下角，用來控制黑板擦在黑板面上的移動;舵機裝在黑板擦的擦板，工作時可以使擦板與黑板面貼合;直流電機控制風(fēng)扇以達(dá)到吸塵的目的。具體而言，使用Arduino為主控軟件，操作移位控制按鍵，控制擦板移動到指定位置，再通過操作擦板啟動按鈕，擦板慢慢緊貼黑板并移動，擦除粉筆灰塵并將灰塵收集。

關(guān)鍵詞：Arduino;按鍵控制;二維度;直流減速電機;直流電機;舵機

在日常的教學(xué)活動中，教師需要在黑板上書寫，一節(jié)課通常為45 min，一般會寫很多板書，正常情況下可能需要反復(fù)擦寫數(shù)次，粉筆灰塵到處飄散，教師和在前排的學(xué)生難免會吸入大量的粉筆灰，隨著時間的推移，會造成對身體的危害。所以本團隊進行智能黑板擦的課題研究。

1? ? 系統(tǒng)設(shè)計方案

本課題設(shè)計的黑板擦主要是通過控制電機旋轉(zhuǎn)來控制黑板擦的運動，再利用靜電吸附原理，吸附粉筆灰并將其儲存入收納盒中。智能黑板擦不需要人工去擦除粉筆灰，因為靜電吸附的緣故，也不會出現(xiàn)粉筆灰彌漫的情況[1]。

1.1? 軟件設(shè)計

該智能黑板擦以Arduino為核心板控制系統(tǒng)，控制減速電機的旋轉(zhuǎn)，同時黑板的邊緣都裝有微動開關(guān)（限位），當(dāng)黑板擦運動至黑板邊緣時，會自動矯正路線。當(dāng)需要使用黑板擦的時候，通過控制開關(guān)實現(xiàn)黑板擦的移動與擦除，給使用者帶來很多便攜。

1.1.1? 整體架構(gòu)的設(shè)計

利用二維機械的整體架構(gòu)，將整個黑板作為一個二維度坐標(biāo)軸，利用x，y坐標(biāo)點的位置變化來控制黑板擦的位置，皮帶傳動使得運動范圍較廣。用兩個電動機作動力，控制電機驅(qū)動黑板擦的上下運動和導(dǎo)軌的左右運動。控制方式采用Arduino進行控制，類似于數(shù)控機床的編程控制方式，可以擦除特定區(qū)域的字跡。在到達(dá)工作指定點之前抬起黑板擦，工作時放下黑板擦，將黑板擦與黑板壓緊，提高整體工作效率[2]。系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

1.1.2? Arduino控制平臺簡介

Arduino平臺包括兩個主要部分：硬件與軟件。硬件部分可用于連接Arduino的電路板;軟件部分是軟件程序、計算機程序及其開發(fā)環(huán)境。Arduino通過各種傳感器來感測環(huán)境，通過控制照明、馬達(dá)與反饋裝置對環(huán)境產(chǎn)生影響。微型計算機芯板可用Arduino的編程語言程序?qū)懭?，二進制代碼編譯，存儲在微型計算機中。Arduino是使用Arduino編程語言來實現(xiàn)在Arduino開發(fā)環(huán)境中的編程[3]。

1.1.3? 定點原理

利用Arduino連接無線通信模塊發(fā)送指令，黑板擦接受端接收對應(yīng)的指令，執(zhí)行動作。利用黑板上宮格的分區(qū)，分出9×9的格子，按動按鍵，控制電機的轉(zhuǎn)動，到達(dá)需要擦除的區(qū)域時定點擦除。

1.1.4? 功能原理

利用電動機可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的原理，通過減速器、齒輪和鏈條實現(xiàn)黑板擦自動上下運動。利用舵機的轉(zhuǎn)動，使擦除裝置與黑板可以自動接觸與脫離，從而實現(xiàn)隨時、隨意擦除黑板的功能。利用吸塵器原理，實現(xiàn)了粉塵的集中清理功能。通過電路、開關(guān)和操作面板，實現(xiàn)所有運動的自動化控制。

1.2? 吸塵凈化系統(tǒng)（硬件）

1.2.1? 灰塵吸入

通過電機的高速旋轉(zhuǎn)，在主機內(nèi)形成真空，利用由此產(chǎn)生的高速氣流，從吸入口吸進粉筆灰塵，將粉筆灰塵放入塵袋，對粉筆灰塵進行第一次收集，使得粉筆灰塵不會隨處飄落[4]。

1.2.2? 粗效預(yù)過濾系統(tǒng)

粗效預(yù)過濾系統(tǒng)完成對粉筆灰塵的第一層凈化。系統(tǒng)通過直流電機的高速轉(zhuǎn)動帶動風(fēng)扇，在粉筆灰塵被吸入黑板擦后面的粉塵帶，收集來的灰塵通過粗效預(yù)過濾系統(tǒng)完成大顆粒的濾除，將初步的大顆粒粉塵過濾在粉塵帶中，完成粉筆灰塵的預(yù)處理。

1.2.3? 前過濾片

經(jīng)過粗效過濾器的空氣進入前過濾片。前過濾片采用紙板過濾網(wǎng)，其濾芯為平紋或波紋的紙芯，將紙芯圍繞在帶孔的鍍錫鐵做成的骨架上，以增大強度。為增加過濾面積，紙芯一般做成波浪形。

紙板過濾網(wǎng)的特點是風(fēng)阻小，對小粒徑粒子的凈化效率較高，除塵高效，對環(huán)境的適應(yīng)性強，可長期反復(fù)利用，維護成本小。

1.2.4? 后過濾片

后過濾片采用除塵器濾袋，將由前過濾片處理過的空氣進行二次凈化，收集灰塵中沒有被前過濾片處理掉的粉塵顆粒，將粉塵留在收集袋中;在此之后，清潔空氣被排出，提供非危險潔凈的空氣。

1.3? 主要軟件設(shè)計

1.3.1? 直流電機與舵機控制

通過IDE編程軟件，對直流電機進行按鍵控制。設(shè)定按鍵的輸入值，控制黑板擦的移動，使黑板擦到達(dá)指定位置，開啟舵機，讓黑板擦與黑板面貼合，最后啟動風(fēng)扇電機，在擦除的同時將灰塵吸入[5]。

1.3.2? PID算法控制

在任一自動控制系統(tǒng)中，比例、積分、微分（Proportional-Integral-Differential，PID）算法都是應(yīng)用最廣泛的一種自動控制器，其原理簡單，操作難度系數(shù)低，同時具有高效的控制能力。當(dāng)控制的偏差過大時，通過調(diào)節(jié)比例（P）來減小系統(tǒng)的過量偏差;積分（I）對系統(tǒng)數(shù)據(jù)控制過量的修正，校正因比例（P）因子調(diào)節(jié)產(chǎn)生的多余控制量;微分（D）對積分（I）進行數(shù)據(jù)補償，使得整體系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

根據(jù)每單位時間的脈沖數(shù)，閉環(huán)速度控制被獲?。∕法測量）來測量電動機速度的信息，并與一目標(biāo)值進行比較，獲得的控制偏差，再由偏差的比例、積分、微分來控制，使偏差趨于零，計算公式如下：

Pwm+=Kp[e（k）-e（k-1）]+Ki×e（k）+Kd[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]

其中，e（k）代表本次偏差，e（k-1）代表上一次的偏差，e（k-2）代表上上次的偏差，Pwm代表增量輸出。

在本系統(tǒng)中只用PI控制，算法公式簡化為：Pwm+=Kp[e（k）-e（k-1）]+Ki×e（k）

PID算法是本控制系統(tǒng)的核心，基于源代碼上加入PID，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速率與穩(wěn)定性，使黑板擦可以快速到達(dá)指定位置并停止。

2? ? 結(jié)語

該智能黑板擦結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，原材料易獲得，制造設(shè)備簡單，除塵能力強。該系統(tǒng)的控制功能強，不易受干擾，同時可靠性高，控制功能強，具有較高的性價比。

[參考文獻]

[1]李海燕，李海寶，趙汗青.智能黑板擦控制系統(tǒng)研究[J].煤炭技術(shù)，2003（12）：75-76.

[2]史成蔭.滾刷式智能機器人黑板擦機理研究[J].科技風(fēng)，2017（5）：11.

[3]任亨斌，寧先雄，黃茂林.精密二維指向調(diào)整機構(gòu)設(shè)計[C].寧夏：中國機構(gòu)與機器科學(xué)國際學(xué)術(shù)會議，2006.

[4]滿紅，梁迎春，冀勇剛，等.自動控制原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[5]胡震禹，萬卉.新型電動黑板擦吸塵器的研制[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2008（10）：42-44.

Abstract：In order to solve the problem that chalk dust endangers the health of teachers and front row students， an intelligent blackboard eraser is designed in this paper. The device uses two deceleration motors as power， and a rudder and a DC motor to control the blackboard eraser; the deceleration motor is installed in the lower left corner of the blackboard to control the movement of the blackboard eraser on the blackboard surface; the rudder is installed on the eraser board， so that when the rudder works， the eraser board and the blackboard surface adhere to each other; the DC motor controls the fan to achieve the purpose of dust collection. Specifically， Arduino is used as the main control software to manipulate the shift control keys， control the eraser to move to the designated position， and then operate the eraser start button， the eraser slowly clings to the blackboard and moves， erases the chalk dust and collects the dust.

Key words：Arduino; key control; two-dimensional; direct current deceleration motor; direct current motor;steering gear