遙控吸塵黑板擦的設(shè)計

東南大學(xué)成賢學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院 馬瑞棟 江澤辰 史一鳴 劉永沛

在傳統(tǒng)黑板的使用場景中，黑板擦所造成的粉筆灰揚塵會引發(fā)呼吸道疾病，對師生的健康不利，本文設(shè)計了一種基于arduino單片機(jī)的遙控吸塵黑板擦，介紹了遙控吸塵黑板擦的結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟件設(shè)計。遙控黑板擦是由步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動，由橫向及縱向的長螺桿來構(gòu)建二維十字坐標(biāo)軸，軸上有一個吸塵和擦除模塊可以通過遙控控制其運動，也可以自動選擇擦除模式。

據(jù)國家有關(guān)報告1993年統(tǒng)計資料顯示，我國的師生每年因上課吸入的粉筆灰約200g/人，患呼吸道、肺部疾病、癌癥的約 20%/年。飛揚的粉筆灰對師生的個人衛(wèi)生污染非常大。現(xiàn)階段就社會狀況而言，多媒體由于價格昂貴還未在中小學(xué)普及，大多數(shù)學(xué)校仍延續(xù)傳統(tǒng)模式，往往要投入非常大的資金才能改善教學(xué)環(huán)境。而遙控吸塵黑板擦，可以大大減少此類資金支出。利用遙控吸塵黑板擦，改善中小學(xué)教學(xué)環(huán)境，降低師生呼吸道疾病的發(fā)病率有很大的積極作用。

1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)備主要由驅(qū)動裝置、傳動機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，其中驅(qū)動裝置是由CNC拓展板搭載驅(qū)動芯片A4988 驅(qū)動 NEMA17， 電機(jī)（42步進(jìn)電機(jī)）構(gòu)成；為了使擦除效果更佳，Z軸采用絲桿滑臺向黑板擦施加壓力，以傳動機(jī)構(gòu)主要包含電機(jī)驅(qū)動輪，金屬導(dǎo)軌，傳動皮帶三部分；控制系統(tǒng)支持藍(lán)牙，紅外及手柄多種控制；吸塵裝置與擦除裝置為該作品的執(zhí)行機(jī)構(gòu)核心。

驅(qū)動部分。將MCU產(chǎn)生頻率、脈寬、步數(shù)可調(diào)系列脈沖，輸入到驅(qū)動芯片A4988的步進(jìn)脈沖引腳，進(jìn)而可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)擦除裝置的移動速度，加速度以適應(yīng)不同的工作情況。該設(shè)備還可以選擇進(jìn)入睡眠或喚醒狀態(tài)，當(dāng)無需頻繁工作時，可進(jìn)入睡眠模式以降低功耗。

基于經(jīng)濟(jì)性的考慮，傳動機(jī)構(gòu)采用皮帶傳動以降低成本。由驅(qū)動裝置驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)X正（反）轉(zhuǎn)以實現(xiàn)黑板擦在X軸方向運動；考慮到Y(jié)軸方向需要克服重力做功，故采用兩個步進(jìn)電機(jī)同步驅(qū)動，控制步進(jìn)電機(jī)Y1和步進(jìn)電機(jī)YA同速同向正（反）轉(zhuǎn)來實現(xiàn)黑板擦在Y軸方向運 動，從而實現(xiàn)黑板擦在XY平面的任意軌跡運動；為了使擦除效果更佳，Z軸采用絲桿滑臺向黑板擦施加壓力，增大摩擦力，通過控制步進(jìn)電機(jī)Z實現(xiàn)黑板擦在Z軸方向上的上下運動，從而實現(xiàn)黑板擦與黑板的接觸與分離。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由吸塵轉(zhuǎn)置擦除裝置集成為一體黑板盒。吸塵裝置是利用高速運轉(zhuǎn)的直流電機(jī)帶動扇葉高速旋轉(zhuǎn)形成空氣流速較大的低氣壓區(qū)，使得吸塵裝置內(nèi)部氣壓遠(yuǎn)小于外部氣壓， 在內(nèi)外壓強(qiáng)差的作用下產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附力，從而達(dá)到吸附粉塵的效果；擦除裝置具備粉塵吸附及收集功能，同時還具備便于拆卸和清理的優(yōu)點。

2 軟件設(shè)計部分

本設(shè)備可支持藍(lán)牙、紅外遙控、手柄多種控制方式。軟件流程圖（如圖1）藍(lán)牙部分通過HC-05模塊接收來自手機(jī)APP的數(shù)據(jù)，并將接收到數(shù)據(jù)送給MCU，MCU監(jiān)測串口數(shù)據(jù)后調(diào)用數(shù)據(jù)處理函數(shù)對數(shù)據(jù)分析處理并調(diào)用相應(yīng)的控制函數(shù)。

紅外遙控發(fā)出的信號是一連串的二進(jìn)制脈沖碼。為了使其在無線傳輸過程中免受其他紅外信號的干擾，通常都是先將其調(diào)制在特定的載波頻率上，然后再經(jīng)紅外發(fā)射二極管發(fā)射出去，紅外線接收裝置則要濾除其他雜波，另接收該特定頻率的信號并將其還原成二進(jìn)制脈沖碼。按下不同的遙控按鍵將在紅外接收頭解碼后得到不同的地址碼和命令碼，根據(jù)對命令碼的判斷調(diào)用不同控制代碼。

圖1 軟件流程圖

手柄是由兩個搖桿組成，搖桿L控制XY平面的二維運動，搖桿R控制Z軸方向運動實現(xiàn)黑板擦與黑板的接觸與分離。搖桿位置的改變將會引起電位計的阻值改變，該搖桿為兩個電位計X和電位計Y，分別分布于X，Y方向，搖桿的每個位置對應(yīng)兩個阻值x，y，由于搖桿的分壓設(shè)計，可以獲得個電壓Vx，Vy組成一個有序數(shù)對，對此AD采集即可確定搖桿位置，在搖桿處于預(yù)定位置時，調(diào)用預(yù)置函數(shù)。

結(jié)語：本文介紹了基于arduino單片機(jī)的遙控吸塵黑板擦。方案實現(xiàn)不復(fù)雜，設(shè)計合理，對保障師生健康有積極作用，創(chuàng)新在于有不同的工作模式。