基于STM32單片機(jī)智能伺服型黑板擦

張家源 王其申 常雪嬌 馬惜平

摘? ?要：本設(shè)計基于STM32單片機(jī)，設(shè)計了自動伺服黑板擦。系統(tǒng)由信息控制處理模塊、驅(qū)動設(shè)計單元模塊、電路電源模塊、粉塵收集模塊等，使擦黑板環(huán)節(jié)更高效，環(huán)境更潔凈，師生更健康。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)、多媒體、人工智能等相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)與普及，為了滿足廣大師生對于教學(xué)設(shè)施更為符合人性化設(shè)置的高端教學(xué)需求，眾多與教育相關(guān)的教學(xué)設(shè)備例如智能黑板等進(jìn)而被發(fā)明和產(chǎn)生， 這是新技術(shù)發(fā)展的趨勢及方向所致。但是現(xiàn)有的高端教學(xué)設(shè)備有著成本高，智能性差的缺點，特別是還存在工程量較大的問題，難以進(jìn)行普及，為此我們從體積小巧的黑板擦入手，進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：黑板擦? STM32單片機(jī)? 伺服驅(qū)動? 激光識別? 粉塵收集

1? 產(chǎn)品研究內(nèi)容

智能伺服型黑板擦主要是由驅(qū)動裝置，控制裝置，粉塵收集裝置，激光識別控制裝置四部分組成。系統(tǒng)以STM32芯片為控制核心， 采用DSM501A傳感器測量PM2.5、DHT11傳感器測量溫濕度、伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機(jī)控制黑板擦運動，各裝置模塊分行其職，配合緊密，共同完成擦除工作（見圖1）。

使用者只需用特定的標(biāo)記筆在黑板上的擦除區(qū)域進(jìn)行選擇型圈圖，系統(tǒng)通過激光識別裝置在黑板上定位，會將擦除區(qū)域信息傳送至信息控制處理模塊進(jìn)行預(yù)處理，再將處理好的信息通過主控電路傳送至驅(qū)動裝置模塊，然后便對黑板的特定區(qū)域進(jìn)行擦除，工作的同時粉塵收集裝置會對雜質(zhì)粉塵進(jìn)行收集。擦拭結(jié)束后，智能黑板擦能根據(jù)預(yù)先設(shè)計的程序恢復(fù)到黑板左上角的默認(rèn)初始位置。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 識別設(shè)計單元模塊

黑板邊緣處的X，Y軸能將黑板分割成無數(shù)個云點，用于識別設(shè)計單元模塊進(jìn)行定位。運用測距原理測量光往返目標(biāo)所需要時間，然后通過光速c=299792458m/s和大氣折射系數(shù)n計算出距離D。激光光束通過黑板邊緣處特定裝置的調(diào)制經(jīng)過電子裝置發(fā)射出來，遇到高速率旋轉(zhuǎn)的粒子時能在光學(xué)棱鏡表面發(fā)生反射，最后以一個特地的角度α返回黑板表面，這樣就通過光學(xué)信息完成了對黑板表面的實況采集。

2.2 信息控制處理模塊

STM32微控制器是一款集成電路芯片， 包括一系列結(jié)合高性能以及低功耗和低電壓操作的32位產(chǎn)品， 具有高集成度和易于開發(fā)的特性。STM32具有集成嵌入式閃存SRAM存儲器和ARM Cortex-M3內(nèi)核， 可與所有ARM工具和軟件兼容。信息控制處理模塊以STM32芯片為控制核心， 能夠高效精準(zhǔn)地完成所有信息輸入的處理以及指令的輸出，兼顧保持信息的完整性。

2.3 驅(qū)動設(shè)計單元模塊

驅(qū)動設(shè)計單元模塊通過接收STM32單片機(jī)中信息控制處理模塊處理過的信號信息，傳至伺服驅(qū)動器組中完成對黑板的擦除等工作。模塊中伺服驅(qū)動機(jī)組由三個驅(qū)動機(jī)組成，分別控制著黑板擦在黑板這個三維空間上的每一個動作，X，Y軸方向的伺服電機(jī)主要負(fù)責(zé)在黑板平面上確定運動在要擦除的點，而Z軸上的伺服電機(jī)則負(fù)責(zé)在對應(yīng)擦除的區(qū)域放下黑板擦粉塵收集裝置，對定點擦除區(qū)域進(jìn)行擦除和粉塵的定點收集。之后通過激光識別設(shè)計單元對擦除區(qū)域的識別，將信息傳送至信息控制處理模塊，若判斷已經(jīng)擦除干凈，則返回在黑板左上角的默認(rèn)初始位置，否則對擦除區(qū)域進(jìn)行二次擦除和粉塵的收集。

2.4 電路電源模塊

電路電源模塊能夠針對不同去向的電能通過接入出口端的智能伺服變壓器變壓，其中激光定位裝置，伺服驅(qū)動裝置，粉塵收集裝置經(jīng)過變壓后，可以達(dá)到對應(yīng)裝置的額定電壓，從而使整個智能黑板擦系統(tǒng)有一個完整的能源動力。智能伺服變壓器的工作原理可以歸結(jié)為利用伺服系統(tǒng)的閉環(huán)和半閉環(huán)控制，通過智能傳感元件對負(fù)載進(jìn)行動態(tài)跟蹤，自動監(jiān)測伺服驅(qū)動器的功率、電壓、電流，實現(xiàn)伺服電機(jī)需要多少能量，伺服變壓器就輸出多少能量，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能降耗。

2.5 粉塵收集模塊

粉塵收集模塊由DSM501A傳感器和特制的黑板擦頭兩部分組成。DSM501A傳感器利用激光散射原理連續(xù)采集數(shù)據(jù) （每隔1 s采集1次） 并計算單位體積空氣中浮物顆粒的個數(shù)， 再將其換算為濃度， 然后將濃度的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出， 實現(xiàn)對空氣中物質(zhì)濃度的監(jiān)測，從而檢測是否完成擦除指令。黑板擦頭采用四個“U”型設(shè)計的小擦頭來配合灰塵吸收器完成擦除吸收灰塵等工作，小擦頭使用滾筒海綿清塵技術(shù)，灰塵吸收器則應(yīng)用納米級過濾器。它不同于傳統(tǒng)的平面擦頭，四周多采用膠墊內(nèi)嵌式設(shè)計，從而緩輕噪音過大和灰塵揚起帶來的問題。此外，在整個裝置的中央底下還放置有一個粉塵感應(yīng)收集器， 用它和單片機(jī)相互協(xié)同配合，能夠高效完成灰塵的收集與清除，使黑板面更潔凈。

3? 應(yīng)用及特色

本智能伺服黑板擦的特色顯著，具體體現(xiàn)在：第一，產(chǎn)品主體中心運用STM32作為其處理器，并兼用激光定位裝置，對于問題處的識別能變得更加高效，且相對于攝像頭來說成本占優(yōu);核心芯板體積小巧，功能強(qiáng)大，具有容錯率和可操作性，同時易于更換。第二，動力方面依靠伺服驅(qū)動和鋼絲繩傳動為核心的機(jī)械系統(tǒng)：電源電路模塊通過變壓能夠確保黑板擦的伺服電機(jī)穩(wěn)定在額定工作電壓，從而提供完整的動力支撐;機(jī)械傳動裝置的輔助作用保證了產(chǎn)品運作的精確性，零件之間的配合協(xié)調(diào)能使整個流程更加流暢。第三，傳統(tǒng)黑板擦帶來的灰塵揚塵往往會給師生附加健康隱患，污染教室環(huán)境。本產(chǎn)品內(nèi)設(shè)的灰塵吸附模塊，能及時清理擦拭過程中產(chǎn)生的粉筆灰塵，從而最大限度地減少灰塵對師生健康的影響;擦板能夠用于儲塵的容量大，因而不需要頻繁更換，通常一周更換2～3次即可。

本產(chǎn)品定位更加準(zhǔn)確、成本更加低廉，且使用更為方便，可在大中小學(xué)實現(xiàn)普及，有一定的推廣意義。

4? 結(jié)語

對于智能課堂的完整實現(xiàn)，我們一直在考慮如何從較小的細(xì)節(jié)方面入手，黑板擦雖不是舞臺的主角，但它也在這場“演出”中扮演了舉足輕重的角色。大可不必實現(xiàn)類似全自動智能教學(xué)那樣滿含技術(shù)高度的效果，這樣反而會暴露出工程量浩大，推廣時間冗長等現(xiàn)實問題，一個小小黑板擦，便能為教學(xué)過程帶來該有的便捷。

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