負(fù)壓式自動(dòng)除塵黑板擦

符永龍，楊樹(shù)媛，郭 斌，譚治強(qiáng)，曾澤坤

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引 言

黑板板書(shū)作為課堂教學(xué)的一種重要教學(xué)手段和表現(xiàn)形式，尤其是推導(dǎo)類(lèi)課程如高等數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等的教學(xué)過(guò)程中，在黑板上通過(guò)板書(shū)進(jìn)行公式單步推導(dǎo)，是幫助學(xué)生理清思路、加深理解的最好方法，也是提高教學(xué)質(zhì)量的有效方法之一。粉筆板書(shū)是一種最為傳統(tǒng)有效的黑板板書(shū)方式，但是粉筆板書(shū)在擦除的過(guò)程中，粉筆灰（石膏粉塵）在空氣中短暫飄揚(yáng)后會(huì)散落到黑板附近的物面上。有研究表明，擦拭黑板后，PM2.5、PM4、PM10的濃度均上升，粉筆灰對(duì)細(xì)顆粒物的質(zhì)量濃度影響較大，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生較大危害，而教室是師生教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展的主要場(chǎng)所，其空氣質(zhì)量直接關(guān)系到師生身體健康[1]。大量的粉筆灰吸入會(huì)造成鼻、咽、喉部的不適，由粉筆灰吸入引起的慢性咽炎已經(jīng)成為教師的職業(yè)病之一[2]。我國(guó)勞動(dòng)衛(wèi)生部門(mén)在職業(yè)塵肺有關(guān)的規(guī)定中，也將長(zhǎng)時(shí)間吸入粉筆灰作為塵肺病的病因之一。促進(jìn)學(xué)校衛(wèi)生管理，保護(hù)師生健康，當(dāng)前粉筆灰污染的防治工作，基本是從教具的革新入手，各類(lèi)無(wú)塵化板書(shū)教具相繼出現(xiàn)，主要包括自動(dòng)吸塵板擦、無(wú)塵書(shū)寫(xiě)白板筆和無(wú)塵粉筆三種[3]。相較于其他兩種，自動(dòng)吸塵板擦的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需改變現(xiàn)有的教室設(shè)備、使用長(zhǎng)久、便捷等。劉春艷等人[4]通過(guò)調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)現(xiàn)推出的除塵黑板擦體積較大、成本較高、依舊未有效解決粉筆粉塵的漂浮問(wèn)題。為此自動(dòng)無(wú)塵板擦的進(jìn)一步研究對(duì)于改善教室空氣質(zhì)量，減少粉塵污染顯得更為重要?，F(xiàn)有除塵黑板擦的設(shè)計(jì)原理主要以負(fù)壓除塵和靜電吸附為主，而靜電吸附受環(huán)境濕度影響較大。劉曉磊等人[5]對(duì)靜電除塵板擦的最佳工作電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)這類(lèi)板擦靜電吸附的效果和電壓值呈線(xiàn)性關(guān)系，電壓值越大，靜電吸附效果越好，但是高壓容易對(duì)人體生命安全造成危險(xiǎn)，因此無(wú)法使用高電壓值產(chǎn)生較強(qiáng)的靜電吸附效應(yīng)，從而也無(wú)法達(dá)到最佳的除塵效果。本文采用安全性能好、除塵效率高的負(fù)壓除塵原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)負(fù)壓式除塵黑板擦，由電源管理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、核心控制和過(guò)濾除塵等幾大模塊構(gòu)成，旨在使用粉筆進(jìn)行教學(xué)的過(guò)程中，消減粉筆粉塵在空氣中的散播，為師生營(yíng)造一個(gè)干凈、環(huán)保的學(xué)習(xí)環(huán)境。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的除塵黑板擦在整體結(jié)構(gòu)上做到模塊化，立體結(jié)構(gòu)圖和側(cè)視圖如圖1和圖2所示。整體外殼以長(zhǎng)方體方艙為主體，內(nèi)部由單片機(jī)控制模塊、光電感應(yīng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成。過(guò)濾清潔倉(cāng)放置海綿活性炭組成的過(guò)濾濾材，外部設(shè)有擦拭海綿，共同構(gòu)成了清潔單元。具體設(shè)計(jì)上尾部留有出氣口，底部留有進(jìn)氣網(wǎng)格口，外部擦拭海綿留有間隙方便粉塵吸收。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖（側(cè)視圖）

針對(duì)現(xiàn)有負(fù)壓式除塵板擦存在的集塵模塊易堵塞、更換電池需拆卸底層毛刷、控制開(kāi)關(guān)繁瑣等問(wèn)題[6-7]，本設(shè)計(jì)采用負(fù)壓除塵技術(shù)，如圖1整體結(jié)構(gòu)所示。本設(shè)計(jì)中尾部安裝風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，抽出系統(tǒng)內(nèi)部空氣，使整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部形成負(fù)壓，借助系統(tǒng)內(nèi)外存在的氣壓差，通過(guò)擦拭海綿間隙的風(fēng)道將粉塵吸入過(guò)濾清潔倉(cāng)。本負(fù)壓式除塵黑板擦動(dòng)力氣源置于除塵系統(tǒng)末端，大大減低粉塵對(duì)風(fēng)扇的損耗，延長(zhǎng)風(fēng)扇軸承使用壽命。除此之外，本設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)還表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：利用模塊化結(jié)構(gòu)靈活的優(yōu)勢(shì)，將過(guò)濾模塊設(shè)計(jì)為抽屜式模型，便于抽取濾材清潔、更換；利用光電傳感器響應(yīng)快、性能可靠的特點(diǎn)，實(shí)時(shí)感應(yīng)黑板擦的工作狀態(tài)，從而可以自動(dòng)控制除塵黑板擦電路工作；使用過(guò)程中無(wú)須改變使用者原有的板擦使用習(xí)慣。

1.2 控制流程

自動(dòng)除塵黑板擦控制采用AT89C51作為主控芯片，外圍功能電路主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、電源管理電路組成。主控芯片在初始化系統(tǒng)后，光電傳感模塊處于工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)黑板反射的光強(qiáng)度變化，然后將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)控制電路的導(dǎo)通和斷開(kāi)。當(dāng)板擦靠近黑板時(shí)，光強(qiáng)度增強(qiáng)，電路導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，板擦開(kāi)始完成擦黑板的工作，擦拭結(jié)束板擦離開(kāi)黑板時(shí)，光強(qiáng)度變?nèi)?，光電傳感器斷開(kāi)電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)停止。板擦工作流程如圖3所示。

圖3 板擦工作流程

1.3 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)軟件及流程實(shí)現(xiàn)后，為保證系統(tǒng)功能可以正常運(yùn)行，繪制Proteus電路仿真如圖4所示，將代碼編入仿真完成理論測(cè)試。仿真采用D1、D2兩個(gè)LED的亮、滅來(lái)模擬光電傳感器控制電路的閉合和斷開(kāi)狀態(tài)，時(shí)鐘電路選用12 MHz頻率的晶振，補(bǔ)償電容選取兩枚30 pF的瓷片電容，AT89C51單片機(jī)接收光電傳感器采集到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖4 Proteus電路仿真

2 模塊功能設(shè)計(jì)

本負(fù)壓式除塵黑板擦采用模塊化設(shè)計(jì)方法，包含電路電源模塊、控制模塊、識(shí)別感應(yīng)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、過(guò)濾模塊等功能模塊，系統(tǒng)模塊示意圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)模塊示意圖

2.1 電路電源模塊

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)除塵黑板擦整體結(jié)構(gòu)輕巧便攜，保證使用過(guò)程中安全、節(jié)能環(huán)保，工作時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，本設(shè)計(jì)采用18650鋰電池供電，利用DC-DC升壓模塊體積小、具有較寬的輸入和可調(diào)輸出電壓的特點(diǎn)，由DC-DC升壓電源模塊提高工作電壓、穩(wěn)定輸出額定電壓，設(shè)備提供了USB接口，支持系統(tǒng)Type-C充電。

2.2 核心控制模塊

本設(shè)計(jì)采用低功耗高性能的AT89C51單片機(jī)作為核心主控，其有著抗干擾能力強(qiáng)、寬電壓、不怕電源抖動(dòng)的特點(diǎn)，單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路和STC89C51單片機(jī)組成[8]，符合本設(shè)計(jì)需求。晶振電路部分采用一枚12 MHz的晶振、兩枚30 pF的電容，提供基本的時(shí)鐘信號(hào)保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.3 環(huán)境感知模塊

利用傳感模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的感知和鑒別是當(dāng)前自動(dòng)板擦中常用的方法。秦楠等人[9]基于多枚傳感器反饋信號(hào)來(lái)控制除塵黑板擦電機(jī)的工作狀態(tài)。杜春明等人[10]采用RPR220反射型傳感器檢測(cè)路線(xiàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。分析發(fā)現(xiàn)這兩種運(yùn)行方式皆受既定軌跡影響，使得黑板擦使用過(guò)程中存在響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、誤差較大等問(wèn)題。鑒于光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、響應(yīng)可靠等特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用光電傳感器作為感知模塊，該模塊實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前環(huán)境（黑板）反射的光照強(qiáng)度，并將其轉(zhuǎn)換為電壓值，當(dāng)?shù)竭_(dá)閾值時(shí)導(dǎo)通光敏二極管，實(shí)現(xiàn)對(duì)外電路的控制。具體實(shí)施過(guò)程中，將傳感器放置在自動(dòng)除塵黑板擦海綿一側(cè)；當(dāng)靠近黑板時(shí)，傳感器控制電路導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)模塊開(kāi)始工作，板擦離開(kāi)黑板時(shí)電路停止工作。

2.4 驅(qū)動(dòng)模塊

負(fù)壓式除塵的主要?jiǎng)恿υ词桥擉w內(nèi)外的氣壓差。置于系統(tǒng)艙體尾部的高速風(fēng)扇向外引流，使艙體內(nèi)側(cè)產(chǎn)生一個(gè)氣壓差，氣體流動(dòng)帶動(dòng)板擦吸附擦拭過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵，經(jīng)海綿擦間隙網(wǎng)格流入板擦內(nèi)部，再由過(guò)濾模塊處理，達(dá)到無(wú)塵化除塵的效果。謝小宇等人[11]經(jīng)理論計(jì)算得出：轉(zhuǎn)速越快，粉塵顆粒流速越快，負(fù)壓吸附能力越強(qiáng)，合適的轉(zhuǎn)速是提高黑板擦工作效率的關(guān)鍵因素。本系統(tǒng)采用高速靜音風(fēng)扇（額定轉(zhuǎn)速為2 800 r/min），保證正常工作狀態(tài)下有效吸收粉塵且做到無(wú)噪音，不影響課堂正常教學(xué)。

2.5 過(guò)濾模塊

過(guò)濾模塊置于自動(dòng)除塵黑板擦內(nèi)部，由大孔徑海綿以及活性炭組成。這兩種材料可以有效地過(guò)濾掉粉塵，但當(dāng)粉塵積攢到一定量之后便需清理更換過(guò)濾材料。為了避免粉塵積攢過(guò)多影響氣體流量，進(jìn)而導(dǎo)致除塵效果降低，本設(shè)計(jì)的過(guò)濾模塊在氣流路線(xiàn)中位于驅(qū)動(dòng)模塊前端，含塵氣體經(jīng)過(guò)濾凈化后再進(jìn)入風(fēng)機(jī)，有效地減少了粉塵在風(fēng)扇上的附著，降低了對(duì)高速風(fēng)扇軸承的損耗，同時(shí)延長(zhǎng)了除塵黑板擦的使用周期。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文從分析傳統(tǒng)黑板擦產(chǎn)生的粉塵問(wèn)題入手，基于大眾常規(guī)使用的普通黑板擦，設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)處理粉筆粉塵的新型黑板擦，通過(guò)使用煙霧模擬擦拭黑板產(chǎn)生粉塵的環(huán)境，觀(guān)察煙霧流向及流動(dòng)速度，該板擦的煙霧吸收效果較好，使用過(guò)程中系統(tǒng)穩(wěn)定，傳感器反應(yīng)敏捷，啟動(dòng)速度快。對(duì)比同類(lèi)型除塵黑板擦，此款設(shè)計(jì)具有傳感器自動(dòng)感知環(huán)境、有效處理粉塵無(wú)噪音、使用便捷、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)，可以提高教室的環(huán)境質(zhì)量，營(yíng)造更好的教學(xué)環(huán)境，保護(hù)師生身體健康，具有大面積推廣的價(jià)值。