基于靜電吸附原理的環(huán)保黑板擦

王佳妮 馬紀(jì)豪 王振豐 徐丹咪 賈宇周

摘要：眾所周知，粉筆粉塵具有較強(qiáng)的吸附能力，因此本文從空氣中的粉筆粉塵對(duì)人類健康的威脅這一全球性問題入手，以靜電吸附原理為基礎(chǔ)，介紹了目前靜電除塵技術(shù)的研究現(xiàn)狀。而本項(xiàng)目的這款以太陽能電池板為供電材料的的無塵黑板擦正是基于此原理，通過改造使得顆粒較大的粉筆灰直接掉入黑板擦中，而一些細(xì)小的粉筆飛塵則將利用靜電吸附原理被電極所吸附而靠近電機(jī)板中，從而達(dá)到除塵的效果，既方便又環(huán)保。

1.前言

隨著社會(huì)科技的進(jìn)步，越來越多的礦物資源被轉(zhuǎn)變成工業(yè)原材料和生活產(chǎn)品，隨之而來的污染也越來越多，尤其是在空氣中漂浮的粉塵顆粒。靜電除塵作為一項(xiàng)重要的防治大氣污染環(huán)保技術(shù)手段，在有了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展基礎(chǔ)上其理論研究也已非常成熟，應(yīng)用也已幾乎涵蓋整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，尤其廣泛應(yīng)用于含塵廢氣治理、氣固分離、粉狀物料回收等。靜電除塵的一般方法是利用靜電吸附力來實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體中的各種顆粒進(jìn)行分離，其優(yōu)點(diǎn)是：效率高、處理煙氣量大、運(yùn)維方便成本低等。原理是將含粉塵顆粒的氣體通過靜電場(chǎng)后使粉塵顆粒帶電荷，在電場(chǎng)作用下，使帶電荷的粉塵顆粒在庫侖力的作用下沉積在相應(yīng)的收集粉塵顆粒的裝置上，從而達(dá)到去除粉塵的目的。

2.硬件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目使用STM32f10x系單片機(jī)為其主控芯片，用戶可以通過手機(jī)端APP操作界面上提供的功能按鍵或語音來實(shí)現(xiàn)控制。項(xiàng)目整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。接通電源并收到清除指令后風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，將毛刷清除黑板上字跡所產(chǎn)生的粉塵吸入收納槽中，氣流經(jīng)過過濾層（含活性炭層和尼龍網(wǎng)層）后才排出，使得空氣中的粉塵過濾得更好。STM32單片機(jī)控制與電機(jī)相連的驅(qū)動(dòng)模塊使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到除塵的效果。該裝置有部分機(jī)械傳動(dòng)裝置、吸塵動(dòng)力來源、吸塵袋等幾部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該黑板擦使用直流供電，可以用相應(yīng)電源適配器對(duì)其進(jìn)行充電或太陽能電池板對(duì)鋰電池進(jìn)行持續(xù)充電，解決了黑板擦續(xù)航的實(shí)際難題，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地充電。靜電除塵部位的兩塊金屬絲提供高壓直流的電流，使其產(chǎn)生高強(qiáng)度電場(chǎng)將粉塵電離，進(jìn)而使粉塵發(fā)生荷電，在電場(chǎng)力也就是粉塵所受的庫侖力的作用下，將空氣中的粉塵吸附并收集起來。

本設(shè)計(jì)使用額定電壓為12V的直流電機(jī)，用LM7805將L298n的供電引腳12V降為5V，同時(shí)LM7805上接了散熱片防止過熱而燒壞芯片。輸入極接的二極管是防止反接燒壞芯片，電源正負(fù)極接入的電容起濾波作用。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用了TLP521芯片來進(jìn)行，該芯片是通過光耦來進(jìn)行開關(guān)量的傳輸，這樣STM32和電機(jī)就不會(huì)有干擾，電源也相對(duì)穩(wěn)定。導(dǎo)通時(shí)L298n的Input和Enable引腳的典型輸入值為30uA，最大值為100uA，在Input和Enable端串聯(lián)10K電阻使其輸入值為50uA。電機(jī)正負(fù)端接8個(gè)二極管是防止當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生泄流。

3.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的程序主要包括起動(dòng)文件傳到主程序、主程序包換串口初始化及使能程序，定時(shí)器初始化及使能程序、定時(shí)器中斷服務(wù)及使能程序、藍(lán)牙模塊初始化程序與子程序，語音識(shí)別程序、串口彩屏程序等。

（1）主程序

首先程序進(jìn)行初始化，檢測(cè)語音識(shí)別，發(fā)生中斷主程序中斷響應(yīng)，等待APP上的功能按鍵被按下后串口彩屏上的按鍵按下，進(jìn)入電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序讓電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

（2）串口初始化

接收串口彩屏和藍(lán)牙的數(shù)據(jù)是在中斷處理函數(shù)完成的，每接收到一幀數(shù)據(jù)，相應(yīng)的模塊就會(huì)給主控芯片中斷指令接著進(jìn)入一次中斷處理函數(shù)，中斷收到之后會(huì)對(duì)幀進(jìn)行校驗(yàn)，若匹配，則STM32單片機(jī)控制電機(jī)，黑板擦執(zhí)行相應(yīng)的功能。

（3）手機(jī)APP

手機(jī)APP具有功能按鍵和語音控制功能，通過E4A平臺(tái)用中文編寫的，然后編譯為java在它自己的linux進(jìn)程中運(yùn)行。

（4）串口彩屏程序

操作界面使用的是串口彩屏。在屏幕區(qū)域中設(shè)計(jì)功能鍵區(qū)，如果被單擊下去，將進(jìn)行有線數(shù)據(jù)傳送。串口彩屏操作界面可以設(shè)置許多功能按鍵，按鍵代碼區(qū)又分為按下事件和彈起事件，每個(gè)都是在彈起事件里寫代碼的。當(dāng)按鍵被按下彈起的時(shí)候，STM32單片機(jī)的串口將會(huì)收到串口彩屏發(fā)來的數(shù)據(jù)。

（5）定時(shí)器及服務(wù)函數(shù)

返回相應(yīng)的霍爾傳感器檢測(cè)值并計(jì)算距離，利用給予不同的時(shí)間和功率來實(shí)現(xiàn)黑板的定位，將黑板分成四部分，利用二維數(shù)組來儲(chǔ)存黑板的當(dāng)前位置和下一位置要調(diào)用的時(shí)間和功率，當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)被單片機(jī)接受的時(shí)候，根據(jù)要移動(dòng)位置自動(dòng)判斷要移動(dòng)的時(shí)間和功率從數(shù)組選取合適的數(shù)值來進(jìn)行移動(dòng)，利用定時(shí)器中斷中斷到來時(shí)進(jìn)行狀態(tài)判斷，然后送出相應(yīng)的PWM來控制功率，進(jìn)行一定的延時(shí)時(shí)間來移動(dòng)到所需要的位置。

4.結(jié)束語

相比傳統(tǒng)黑板擦，本文的黑板擦降低了粉塵對(duì)人們環(huán)境的污染，將機(jī)械慣性力除塵法、靜電吸塵法和過濾除塵法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。同時(shí)，使用太陽能鋰電池可循環(huán)使用，既環(huán)保又節(jié)能。也可以解決傳統(tǒng)黑板擦在使用過程中飛揚(yáng)的粉塵對(duì)師生健康和教室環(huán)境衛(wèi)生造成不良影響，因此具有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]王靈甫，馬書毫.淺談靜電除塵原理

[2]仝世學(xué)，褚慶忠，李全通，史正旭，韓寧，喻永順，楊超.基于靜電吸附原理的光能無塵黑板擦的研究

資助項(xiàng)目：衢州學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目Q20X061