基于粉塵傳感器的新型黑板擦的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

付曉飛 龐寧 馬雅麗 山東英才學(xué)院

現(xiàn)如今，在教師教學(xué)過程中，粉筆板書是必不可少的。但是在教師用粉筆板書完之后，師生在清理黑板時(shí)制造出來的粉塵會(huì)對(duì)師生的呼吸健康造成威脅。研究表明，在使用粉筆時(shí)其產(chǎn)生的粉筆灰會(huì)在其3 米范圍內(nèi)漂浮，其危害的嚴(yán)重程度與煉鋼爐前工人受粉塵侵害極為相似，雖然后來出現(xiàn)了改良的無塵粉筆，也僅僅是在傳統(tǒng)粉筆中加入油脂等物質(zhì)作為粘合劑，使粉塵不易飛散，但在教師板書的過程中依舊會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，效果并不是很明顯，如果不及時(shí)清理就會(huì)長(zhǎng)時(shí)間的漂浮在空氣中，還是會(huì)危害老師和學(xué)生的健康。因此，我們所設(shè)計(jì)的新型黑板擦?xí)ㄟ^粉塵傳感器感應(yīng)粉塵濃度，將信號(hào)發(fā)送給處理器，使用進(jìn)步機(jī)電控制啟動(dòng)渦輪和方向移動(dòng),自動(dòng)規(guī)劃路徑遍歷黑板擦清黑板粉塵，將吸收的粉塵收集（與吸塵器同理），從而減少粉塵危害。

一、黑板擦的結(jié)構(gòu)

（一）外殼選材

采用塑料作為外殼材料。它有較高的穩(wěn)定性和耐熱性，不易與其他物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并且剛性也大，也不與周圍其他材料發(fā)生物理變化。現(xiàn)如今3d 打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用，制作設(shè)計(jì)模型更為簡(jiǎn)易，且打印成本價(jià)格廉價(jià)常常作為材料首選。

（二）風(fēng)扇選擇

選用渦輪風(fēng)扇（離心式風(fēng)扇），這種風(fēng)扇常用于在計(jì)算機(jī)散熱領(lǐng)域之中，相對(duì)傳統(tǒng)的散熱風(fēng)扇，離心風(fēng)扇能在更小的空間占用下輸出更大的風(fēng)量，所產(chǎn)生的真空空間更大，通過這種方式能夠產(chǎn)生的壓差更大，進(jìn)而加大渦輪對(duì)粉筆的吸引力。

（三）擦拭面

邊緣分布使用羊氈毛和海綿，中間部分使用毛刷但有留一些空隙。毛刷刷負(fù)責(zé)擦掃粉筆，海綿和羊氈毛起到去除粉筆印記的作用，空隙吸入粉塵收集到特定位置粉塵收集盒當(dāng)中。

（四）其他

可以拆卸的粉塵收集盒，位于擦拭面和風(fēng)扇之間。黑板擦底盤四周加入條形磁石使黑板擦可以吸附在黑板上，四角加入驅(qū)動(dòng)輪使黑板擦可以進(jìn)行前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。

二、工作原理

電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)渦輪風(fēng)扇工作產(chǎn)生負(fù)壓吸塵，利用真空負(fù)壓抽吸原理，產(chǎn)生吸力，通過空隙將氣體吸入黑板擦中，通過出氣孔排出，這樣不斷地將黑板擦擦除下來的粉筆粉塵吸進(jìn)粉塵收集盒中。由于粉塵顆粒較大，與空氣的慣性力、重力不同，根據(jù)這個(gè)特性，將含有粉塵的氣流去撞擊隔離板，改變氣流方向，利用慣性和重力將粉塵顆粒下沉落入收集盒，在收集盒中加入隔離網(wǎng)木炭防止粉塵逸出。主要使用過濾除塵的方法，就是將含有粉塵的氣流通過隔離網(wǎng)把粉塵攔截。輔用隔離板上的靜電吸附板，利用靜電吸附小型顆粒的原理除塵，加上慣性這一特性，結(jié)合使用以提高除塵效率，降低粉塵溢出的概率。

三、基于粉塵傳感器的工作過程

主要是使用GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器對(duì)黑板擦周圍的粉塵濃度進(jìn)行檢測(cè)。粉塵檢測(cè)傳感器運(yùn)行后，利用放光二極管發(fā)射的光，光亮射到粉塵之后發(fā)生反射，光反射程度成正比關(guān)系，光反射程度越大，粉筆粉塵濃度越大；反之，粉筆粉塵濃度越小。使用光電二極管接受反射光后，將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)處理，如圖1 所示。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)

引腳⑤輸出的模擬電壓與粉塵濃度進(jìn)行比較，如圖二所示，縱坐標(biāo)代表輸出電壓（V），橫坐標(biāo)代表粉塵濃度（mg/m3）。當(dāng)橫坐標(biāo)在0 -0.5（mg/m3）時(shí)，由圖2 可以發(fā)現(xiàn)電壓與粉塵濃度基本上為線性關(guān)系，當(dāng)粉塵濃度高達(dá)0.6 mg/m3 后電壓不變?？烧J(rèn)為當(dāng)電壓在0.6 -1.2（V）時(shí)該位置的粉塵清理完成，因?yàn)榭諝庵械姆蹓m不可以完全清楚干凈存在誤差考慮進(jìn)去。

圖2 輸出電壓和粉塵濃度的比值

四、黑板擦的路徑規(guī)劃

在黑板擦完成指定位置擦除，粉塵傳感器數(shù)值達(dá)到工作完成數(shù)值反饋到處理器后，黑板擦進(jìn)行預(yù)先設(shè)定路線移動(dòng)。

在新型黑板擦前端兩側(cè)安裝防撞擊和測(cè)距的紅外傳感器裝置，以黑板擦為中心建立一個(gè)平面坐標(biāo)系，黑板擦先沿縱坐標(biāo)向上進(jìn)行移動(dòng)，直到移動(dòng)到黑板頂部改變橫坐標(biāo)向右移動(dòng)之后再沿著縱坐標(biāo)向下移動(dòng)；同理到達(dá)黑板底部再次改變橫坐標(biāo)后向上移動(dòng)，反復(fù)操作直到紅外感應(yīng)器右側(cè)和前端都接觸到黑板邊界，即到達(dá)黑板使用面的邊角位置。黑板擦改變?cè)悸窂阶筠D(zhuǎn)水平移動(dòng)到黑板另一側(cè)，黑板擦到達(dá)位置后，重復(fù)之前路徑黑板擦沿縱坐標(biāo)向上或向下移動(dòng)重復(fù)路徑路線。路徑如圖3 所示。

圖3 黑板擦的路徑移動(dòng)軌跡

五、新型黑板擦的特色

1.有兩種清理方式。一種是手動(dòng)，在指定位置擦除粉筆粉塵；另一種是自動(dòng)，按照規(guī)定路徑行動(dòng)，打掃整個(gè)黑板粉筆印記。

2.利用慣性，粉塵顆粒特性以及過濾粉塵等多種技術(shù)結(jié)合使用吸收粉筆粉塵，提高潔凈效率，減少粉塵被收集盒收納之后逃離的概率。

3.使用粉塵傳感器，粉塵濃度到達(dá)閾值作為觸發(fā)黑板擦清理的啟動(dòng)條件，自動(dòng)清理時(shí)節(jié)省電耗，到達(dá)延長(zhǎng)使用時(shí)間的目的。

4.黑板擦底部的海綿和羊氈毛以及隔離層可以進(jìn)行更換拆洗，粉塵收集盒可以抽出定時(shí)清理，也能檢測(cè)防止堵塞發(fā)生。

六、結(jié)語

新型智能吸塵黑板擦將生活中常見現(xiàn)象與理論知識(shí)聯(lián)系起來，在外形、結(jié)構(gòu)、材料選擇等很多方面均有創(chuàng)新，與現(xiàn)有的同類黑板擦相比，我們的智能吸塵黑板擦，只需要放在黑板上，可手動(dòng)在指定的位置上擦除粉筆粉塵，也可以黑板擦按照規(guī)定的路徑行動(dòng)，更加方便快捷。新型智能黑板擦主要降低目前的黑板擦擦除粉筆導(dǎo)致粉塵飛揚(yáng)等弊端。師生在使用它過程中能夠減少粉筆灰的產(chǎn)生，減低粉塵吸入口腔導(dǎo)致的危害，使師生更加放心、安心。并且粉筆灰收納在黑板擦中，既干凈又衛(wèi)生，為師生創(chuàng)造一個(gè)良好的教學(xué)環(huán)境。