太陽能無塵黑板擦的研究與設計

李鑫鑫　王志坤　孫如軍

（ 德州學院機電工程學院，山東　德州　253023 ）

太陽能無塵黑板擦的研究與設計

李鑫鑫王志坤孫如軍

（ 德州學院機電工程學院，山東德州253023 ）

針對傳統黑板擦容易造成粉塵污染、功能單一、壽命短且浪費人力等問題，我們設計了一款太陽能無塵黑板擦。為實現高效一體化，采用單片機自動控制整個系統，它把紅外傳感器接收的黑板邊緣信息經過加工處理后，將轉彎信號下達至電機驅動模塊，實現智能避障。使用遙控器通過無線模塊直接將信號傳遞給單片機，實現人工避障。

單片機；紅外傳感器；太陽能轉換；高效一體化；智能避障

粉筆是最原始最傳統的教學用具，用它來傳授知識。但是粉筆末給老師和學生的身體健康帶來了極大的損害。為了更好的服務社會，我們設計了這款低碳環保的太陽能無塵黑板擦。它使用太陽能電池板經過轉換模塊后將太陽能轉換成電能，為系統供電，采用穩壓裝置使單片機電源穩定在5V左右。采用單片機智能控制，全程無需人工參與，既節省人力和時間，還保護了師生的身心健康。

1　系統簡介

1.1作品組成部分

根據表1結果可知：原設計地下室頂板的實際配筋與計算配筋之比最小為1.17，說明地下室頂板設計承載力滿足現行設計規范的要求.地下室頂板裂縫并非是由于承載力不足造成的.

然而，實際上并不測量所有的VOCs，而僅僅是它們的一個子集。每個方法測量它自己的VOCs的特定子集，子集可以有很大的變化。因此，不同的TVOC測量可以產生實質上不同的TVOC濃度，這取決于VOCs在其子集中的含量。

太陽能無塵黑板擦由型號為STC12C5A60S2的單片機控制系統、太陽能轉換模塊、紅外傳感模塊、L298N電機驅動模塊、電源模塊、集塵模塊、2272無線遙控模塊等組成。太陽能轉換模塊為整個系統供電，單片機控制紅外傳感模塊和電機驅動模塊進行工作，各模塊間緊密合作，實現智能避障，粉塵收集，自動擦拭黑板的功能，令作品更加智能化和人性化。

1.3單片機控制模塊

太陽能無塵黑板擦采用型號為STC12C5A60S2的單片機作為核心控制系統，該型號的單片機處理速度快，抗干擾能力強。當紅外傳感器收集到黑板邊緣信息時，將信號傳遞給單片機，單片機經過加工處理后，將執行信號下達至電機驅動模塊，實現智能避障；在轉彎的同時，單片機還將控制轉彎指示燈點亮，提示用戶將要進行轉彎。也可使用遙控器通過無線模塊直接將信號傳遞給單片機，實現人工避障。

1.2電源模塊

電源模塊采用7.2V直流電源，使用穩壓裝置對7.2V直流電源進行穩壓，使其穩定在5V后再供給單片機，電機驅動模塊和集塵裝置中高速旋轉的離心風機采用7.2V直流電源直接供電。電源采用兩種充電方式，既可以采用220V家用電源直接充電，也可以使用轉換率為10%的太陽能電池板進行充電。下課不用時，將黑板擦放在教室窗臺上，太陽能電池板通過轉換模塊將太陽能轉換為電能儲存在電池中，一次充電可使用1-2天。

由紅外發射管和紅外接收管組成的紅外傳感模塊采用帶有交流分量調制信號的紅外發射接收器，可使外界環境對傳感器的干擾大幅度減少；其中紅外發射管的作用是不斷地向外部發射紅外信號，當黑板擦未擦拭到黑板盡頭時，紅外接收管能接收到紅外發射管發出的信號，當黑板擦擦拭到黑板盡頭時，紅外接收管接收不到發射信號，此時單片機把執行信號傳遞給電機驅動模塊，調節電機轉速，實現黑板擦自動轉彎，繼續擦拭下一條路線。

1.4紅外傳感模塊

陳豐連等[31]建立了以高效液相色譜法(HPLC)同時測定涼粉草藥材中熊果酸和齊墩果酸含量的方法，該方法簡單、準確、可靠。利用該方法可測定不同采收期、不同產地等不同批次的仙草熊果酸和齊墩果酸含量。冷桂華[32]利用反相高效液相層析法(RP-HPLC)測定了仙草不同部位的熊果酸和齊墩果酸含量，發現仙草葉的熊果酸和齊墩果酸含量均高于仙草莖和全仙草的含量；同一部位仙草的熊果酸含量明顯高于齊墩果酸含量，熊果酸含量約為齊墩果酸含量的2.5～2.8倍。

2　工作原理及性能分析

本作品的核心控制系統使用了型號為STC12C5A60S2的單片機，控制系統與執行系統的各模塊間相互協調，實現其智能避障和擦拭黑板的功能。當黑板擦擦拭到黑板邊緣時，紅外接收管接收不到發射信號，紅外傳感器將這個信息傳遞到單片機上，單片機經過加工處理把控制信號下達到電機驅動模塊，進而控制直流減速電機正反轉或停止轉，實現智能避障的功能。同時當黑板擦收到轉彎的信息時，電機轉向指示燈會自動點亮，提示將要進行轉彎。為克服黑板擦自身重力的影響，本作品運用磁吸式和真空負壓式原理使其緊貼黑板，當黑板擦在黑板上行駛時，帶動底部毛刷擦拭粉筆字跡，同時在集塵風機的作用下粉筆末被吸到集塵槽中，用戶在擦完后及時將粉筆末清理，避免對環境造成污染。也可通過遙控器控制其擦拭路線，實現人工避障。

3　創新點

本作品打破了傳統的思維模式，運用真空負壓和磁吸式原理，使黑板擦克服重力的影響緊貼黑板，依賴于黑板擦內高速旋轉的風機，使空氣高速排出，使黑板擦與黑板間隙處產生瞬時真空，與外界大氣壓形成氣壓差，在此壓差和磁吸式的作用下，黑板擦能夠吸附在黑板上。集塵風機能把黑板擦在擦拭時產生的粉塵吸附到集粉槽內，使用太陽能電池板和外接電源雙選擇供電，踐行了可持續發展的理念。

4　系統開發前景

這款太陽能無塵黑板擦能夠吸收擦黑板過程中90%以上的粉筆灰，用此作品擦黑板不僅節省了人力和時間，而且保護了師生的身心健康。目前市場上同類產品大多功能單一、壽命短且造價較高，而本產品價格低廉，實用性好，且智能化程度高，隨著產品的不斷開發和完善，在未來的市場上必將受到廣大消費者的青睞，將擁有廣闊的市場應用前景。

首先，ATLAS采用先進的內存優化技術，避免了內存碎塊的產生而帶來的內存使用率降低問題，也避免了頻繁的系統調用造成性能的下降。其次，ATLAS運用OpenGL圖形引擎的VBO、FBO以及GLSL技術直接對硬件編程，充分利用GPU的能力完成大模型的三維渲染。第三，ATLAS采用了質數哈希數據結構對海量數據進行索引，可以在常數時間定位任意節點與單元，同時ATLAS創新的采用了預排序文件緩存技術。經過大量優化工作，ATLAS軟件實現在普通計算機上很迅速地生成、處理上億自由度的有限元分析模型。

5　結束語

在太陽能無塵黑板擦的研發過程中，我們對電機動力和磁鐵吸力進行了幾十次的嘗試，最終找到了一組既能使黑板擦吸附在黑板上又能驅動其行駛的數據。這款作品智能化程度高，制作材料也比較常見，性價比高，使用更方便，具有良好的市場應用前景。

［1］張鵬飛.光伏發電自動跟蹤系統的設計；哈爾濱理工大學出版社 2009

［2］馬忠梅.單片機的C語言應用程序；北京航空航天大學出版社 2008

［3］李正吾.機電一體化技術及其應用；機械工業出版社1990

［4］黃蘇南，邵惠鶴.基于信息的智能控制理論研究；信息與控制 1994

［5］李全利，遲榮強.單片機原理及接口技術；高等教育出版社 2004

TP23

A

1003-5168（2015）11-021-01

李鑫鑫（1994.12-），男，大學本科，研究方向:機械電子工程。

備注:本文系2015年地方高校國家級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號 201510448041）的資助。