一種新型自動(dòng)黑板擦設(shè)計(jì)

胡家俊，王一波，王宗政

（柳州工學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西柳州，545616）

0 引言

在多媒體教學(xué)普遍普及的今天，傳統(tǒng)黑板因其書寫方便、低成本等優(yōu)點(diǎn)仍然保留其一席之地。但在自動(dòng)化高度發(fā)達(dá)的今天，至今沒有一款方便實(shí)用的自動(dòng)黑板擦商用。傳統(tǒng)手動(dòng)黑板擦通常存在以下問題：

(1)擦拭費(fèi)時(shí)費(fèi)力，灰塵飛揚(yáng)；

(2)容易沾灰，一般擦幾遍之后要敲擊震落所粘附的大部分粉筆灰才能正常使用；

(3)隨著使用時(shí)間的增長，粘牢在黑板擦氈毛上的灰越來越多，擦得越來越不干凈。

目前也查閱到多型自動(dòng)黑板擦，但其機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、擦拭效率不高、體積較大、成本較高，特別是帶吸塵功能模塊的黑板擦，體積大噪音高，且移動(dòng)不方便，限制了實(shí)用性。還有一些帶存儲(chǔ)灰塵設(shè)計(jì)的自動(dòng)黑板擦，其需要定時(shí)清潔管道及倒出儲(chǔ)盒內(nèi)的粉筆灰，也不夠?qū)嵱谩?/p>

1 結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)

1.1 模塊組成

針對傳統(tǒng)黑板擦、現(xiàn)有自動(dòng)黑板擦的不足，本文設(shè)計(jì)了一種使用方便、自動(dòng)高效的新型黑板擦及其控制方案。其主要結(jié)構(gòu)是由殼體和設(shè)于殼體下部的毛刷組成。殼體內(nèi)有供電模塊、控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、微電機(jī)組和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中供電模塊給控制模塊，驅(qū)動(dòng)模塊和微電機(jī)組供電，控制模塊控制驅(qū)動(dòng)模和微電機(jī)組。

圖1 前視圖

圖2 左視圖

圖3 俯視圖

圖4 電路原理圖

圖中：①殼體，②毛刷，③供電模塊，④控制模塊，⑤驅(qū)動(dòng)模塊，⑥微電機(jī)Ⅰ，⑦微電機(jī)Ⅱ，⑧偏心軸Ⅰ，⑨偏心軸Ⅱ，⑩手柄，11變壓器，12導(dǎo)線，13壓力傳感器。

1.2 模塊功能

需要說明的是：(1)控制模塊以通用型單片機(jī)STM32 f103VET6為核心，采用雙微電機(jī)帶動(dòng)雙毛刷塊、對稱布局的結(jié)構(gòu)形式，在增大功率的同時(shí)，控制算法使兩刷塊始終作嚴(yán)格反向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)力平衡，使用者無劇烈振動(dòng)感，使用舒適；(2)驅(qū)動(dòng)模塊采用普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N，成本不高；(3)供電模塊主要包括交流降壓模塊(AC220V轉(zhuǎn)DC12V、5V)、鋰電池(12V)，經(jīng)穩(wěn)壓、分壓后給控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和微電機(jī)組供電，可適情選擇市電供電、鋰電池供電方式工作，使用靈活；(4)毛刷為中空雙排直列設(shè)計(jì)，使擦落的粉筆灰相對集中地自然排放掉落，既無傳統(tǒng)黑板擦那種漫天揚(yáng)灰現(xiàn)象，也無須復(fù)雜揚(yáng)灰收集裝置；既減小了體積、重量，使用便攜，又能防止使用者吸入大量揚(yáng)塵而影響身體健康，且其刷毛為復(fù)合材料制成，對傳統(tǒng)黑板擦拭效果好、耐磨。

圖5 電源及主控電路圖

2 控制方案設(shè)計(jì)

該新型黑板擦控制方案為：由控制模塊通過驅(qū)動(dòng)模塊、微電機(jī)組和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來控制黑板擦內(nèi)刷塊Ⅰ、刷塊Ⅱ作反向運(yùn)動(dòng)。

其具體步驟為：

(1)當(dāng)黑板擦以正常力度按壓到黑板上時(shí)，壓力傳感器工作，將觸發(fā)信號(hào)傳遞到控制主機(jī)，黑板擦自動(dòng)開始工作；

(2)微電機(jī)Ⅰ和微電機(jī)Ⅱ的輸出軸通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（偏心軸）將微電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成刷塊Ⅰ、刷塊Ⅱ的徑向運(yùn)動(dòng)。通過控制兩微電機(jī)作反向運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)兩刷塊作反向運(yùn)動(dòng)；

(3)單片機(jī)定時(shí)采集每個(gè)微電機(jī)里的霍爾傳感器測量值，從而得到兩個(gè)微電機(jī)轉(zhuǎn)軸的相對位置（相位，即轉(zhuǎn)動(dòng)角度差），其反映兩微電機(jī)是否帶動(dòng)兩刷塊作嚴(yán)格的反向運(yùn)動(dòng)；

(4)若任意毛刷塊因摩擦力不均衡等因素導(dǎo)致兩微電機(jī)轉(zhuǎn)軸的相對位置（相位）發(fā)生錯(cuò)位，這時(shí)候兩刷塊作沒有做嚴(yán)格反向運(yùn)動(dòng)，則單片機(jī)通過PWM波調(diào)整其中一個(gè)微電機(jī)轉(zhuǎn)速，使兩微電機(jī)轉(zhuǎn)軸的相對位置恢復(fù)；

(5)單片機(jī)里的控制程序利用離散PID算法根據(jù)兩微電機(jī)轉(zhuǎn)軸的相對位置發(fā)生錯(cuò)位的角度差大小，通過調(diào)整PWM波的占空比來調(diào)速，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整恢復(fù)。

3 其它設(shè)計(jì)

為達(dá)到更好的擦拭效果，另外需要做的工作有毛刷材料選擇、電機(jī)工作轉(zhuǎn)速選擇和電機(jī)啟動(dòng)方式選擇等。

3.1 毛刷材料

現(xiàn)在大部分傳統(tǒng)黑板擦不能有效清除黑板的原因之一在于黑板擦擦體的材料選取不當(dāng)。目前大多數(shù)黑板擦為降低成本多采用毛氈、絨布、海綿等材料。雖然可將粉筆灰吸附在材料表面，但吸附的灰塵難清理，這也使得擦拭效率大大降低。為了提高板擦的擦拭效率，本文的擦體采用毛刷設(shè)計(jì)?，F(xiàn)采取最常用到的納米、復(fù)合材料、尼龍、PBT軟毛、PP、生物毛發(fā)等幾種毛刷材料進(jìn)行對比擦拭實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知其中豬鬃材質(zhì)的毛刷擦拭效果最好，其次是復(fù)合材料，其他幾種材質(zhì)的毛刷的擦拭效果不太理想。綜合考慮靜音、壽命等因素，最終選擇復(fù)合材料（PET磨尖絲）作為毛刷材料。

3.2 工作轉(zhuǎn)速

經(jīng)我們試驗(yàn)，電機(jī)正常工作轉(zhuǎn)速低于5400r/min時(shí)的擦拭效果并不理想，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速處于8100-13500r/min時(shí)擦拭效果有很大提高，但是隨著轉(zhuǎn)速的不斷提高粉塵的飛揚(yáng)程度也有所上升。綜合考慮電機(jī)功率等因素，最終選擇9000r/min左右作為工作轉(zhuǎn)速。

3.3 啟動(dòng)方案

在理想的情況下，黑板擦的兩個(gè)毛刷由電機(jī)控制作實(shí)時(shí)反向做平衡的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。但在實(shí)際應(yīng)用中因兩塊毛刷與黑板的摩擦力不同、隨機(jī)干擾等外界因素的影響，當(dāng)黑板擦停止工作時(shí)兩個(gè)電機(jī)的狀態(tài)并非實(shí)時(shí)反向。當(dāng)兩個(gè)電機(jī)在這種非對稱情況下啟動(dòng)，會(huì)因啟動(dòng)時(shí)扭矩的不平衡產(chǎn)生較大的振動(dòng)。為避免這種情況的發(fā)生，有必要對黑板擦的啟動(dòng)方式進(jìn)行研究。目前有兩種啟動(dòng)方案可選擇：轉(zhuǎn)子隨動(dòng)啟動(dòng)和差速啟動(dòng)。簡言之，前者是在整個(gè)系統(tǒng)通電后一個(gè)電機(jī)不動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)位置迅速調(diào)整到平衡位置；后者則是開始工作時(shí)，兩個(gè)電機(jī)通以不同占空比的PWM信號(hào)、以不同的轉(zhuǎn)速低速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)兩個(gè)電機(jī)（的轉(zhuǎn)子）到達(dá)平衡位置后，開始正常運(yùn)轉(zhuǎn)。從理論上講，前者啟動(dòng)速度快些，但從試驗(yàn)情況看，并沒有明顯差別，而且后者啟動(dòng)階段更平穩(wěn)。

4 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)的新型自動(dòng)黑板擦結(jié)構(gòu)組成相對簡單，質(zhì)輕便攜；具備兩種供電方式，使用靈活；除毛刷外均采用市場常規(guī)零部件，成本不高；在復(fù)雜無灰回收裝置和劇烈揚(yáng)塵之間找到了一個(gè)環(huán)保平衡點(diǎn)，具備了實(shí)用價(jià)值。不足之處是尚處于樣機(jī)試驗(yàn)階段，有些細(xì)節(jié)還需進(jìn)一步完善。下一步考慮采用51系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)更低成本、輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。