智能黑板擦控制系統研究

劉凌， 王恒， 周少勃

(西安文理學院 機械與材料工程學院，西安 710065)

0 引言

在國內外，通過調查了解到的當前市場板擦主要有3種，其概況分別是：第一種是纖維制成的手動黑板擦；第二種是電動吸塵黑板擦，采用干吸收；第三種是靜電除塵黑板擦，利用產生的靜電來接收粉塵。以上就是目前國內環保黑板擦的研究水平和概況。就目前而言我國研發的環保黑板擦的種類稀少，在這方面還處于起步階段。而以上幾種黑板擦或多或少存在一些缺點：吸收不徹底，耗電量大，價格昂貴，操作復雜等。

隨著社會的發展，黑板的需求還不斷上升，所以研發一種既節能環保，吸收徹底而又省力方便的新型無塵黑板擦，并使之得到全國范圍內的認可和推廣成為重點問題，該課題充分考慮到目前市場上黑板擦存在的不足和缺陷，研究一種利用單片機控制技術，完成對黑板擦的智能控制讓其無塵智能黑板得到良好的應用。

推廣前景及市場分析和經濟效益預測：無塵智能黑板在運用智能控制后能有效的吸收粉塵，使粉塵污染大大減少。利用本產品可提高粉塵吸收3-5倍，這樣既解決了師生的健康危害問題又改善了教學環境，并且隨著人們環保意識的加強，該產品定將有良好的市場推廣前景，其社會效益是無法用金錢來衡量的。

本項目研究的智能黑板擦的控制部分，通過單片機采集直流電機運動部件的速度作為研究對象，并對其調速，其中的主控模塊和驅動模塊提供裝置的能量，運動控制模塊控制電機的運動方向，最小相位系統完成整個電路的最小功率消耗，該裝置通過實驗表明，速度快，成本低，重量輕，而且改變目前對高層建筑的玻璃窗清洗工作主要還是由清洗工人搭乘吊籃或腰系繩索完成的狀況。單片機主要實現電機轉速的控制和正反轉控制，以及制動性能。

1 系統總體設計

根據高樓自動擦玻璃裝置的工作要求，要設計有關高樓自動擦玻璃裝置電源模塊和主控制電路。此主控制電路主要分為4個模塊：主控模塊、驅動模塊、運動模塊和限位模塊。

主控模塊：主要是采用單片機為承載程序的載體，作為最小系統電路，負責調控直流電動機正反轉和轉速。驅動模塊：選擇具有H橋式的驅動電路，負責單片機輸出信號的放大，還有可以是電動機正反轉。運動模塊：選用合適的減速直流電動機，實現整個裝置的上下運動和左右運動，并能在上下運動中實現自鎖。限位模塊：使用限位開關，限位開關具有反應速度快，在運動中限位準確，能夠實現整個裝置的準確定位。高樓自動擦玻璃裝置的主控制電路的總設計方案硬件框圖，如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 電源電路

由于使用的電池是9 V電壓，而單片機的供電電源為DC5 V，需要用到LM7805三端穩壓集成電路。根據LM7805的引腳示意圖，系統所使用的是TO-220封裝，可以得到將9 V轉換為5 V穩壓電路圖，電路中的輸入電容使用0.1 μF和22 μF正極接7805輸入端，在輸出電容是使用0.1 μF和47 μF正極接7805輸出端，它們的負極接GND，接電容的作用是濾波，9 V電壓通過電源電路輸出穩定的5 V電源。電源電路，如圖2所示。

圖2 電源電路

3 主控制電路的設計

通過以上模塊的設計，確定整個裝置主控制電路的原理圖，如圖3所示。

3.1 運動模塊的設計

根據高樓自動擦玻璃裝置的運動需要，因為上下移動器要使擦洗裝置在空中停止工作，所以上下移動器采用蝸輪蝸桿減速直流電動機，它的自鎖性能最好，能夠滿足需要的工作性能。左右移動器是屬于擦洗裝置部分，它的電動機使用兩個直流電動機，能夠有正反轉功能，并通過PWM對其進行調速。

圖3 主控制電路原理圖

3.2 驅動模塊的設計

在高樓自動擦玻璃裝置中驅動模塊是主控模塊和運動模塊的媒介，它主要是有H橋式電路，來使直流電動機實現正反轉，并且由于單片機的輸出電壓不高，故需要驅動電路來放大電壓。L298N作為本項目的驅動電路簡單，滿足工作需要。線路如圖3所示。

3.3 限位模塊的設計

根據高樓自動擦玻璃裝置的運動需要，選擇限位開關，具有反應速度快，在運動中限位準確。限位開關通過觸碰，確定裝置所處的位置，最終將信號輸入到單片機，從而驅動直流電動機運動，使整個裝置根據需求運動起來。

4 單片機STC89C52最小系統的設計

單片機最小系統的設計，如圖4所示。

對于51系列單片機來說，最小系統一般應該包括：單片機、時鐘電路、復位電路、輸入/輸出設備等。根據單片機最小系統設計出51單片機最小系統的電路圖。時鐘電路一般來說晶振可以在1.2～12 MHZ之間任選，甚至可以達到24 MHz或者更高，但是頻率越高功耗也就越大。和晶振并聯的兩個電容的大小對震蕩頻率有微小的影響，可以起到微調作用。當采用石英晶振時，電容可以在20～40pF之間選擇(這里使用30pF的電容)；當采用陶瓷諧振器件時，電容要適當的增大一些，在30～50pF之間選擇。通常選取33pF的陶瓷電容就可以了。

復位電路是非常關鍵的，當程序運行不正常或停止運行時，就需要進行復位。

圖4 單片機最小系統電路

P0口外接上拉電阻，51單片機的P0口為開漏輸出，內部無上拉電阻。所以當做普通I/O口輸出數據時，由于場效應管V2截止，輸出級是漏極開路電路，要是“1”信號(即高電平)正常輸出，必須外接上拉電阻，增加P0口的驅動負載的能力。

5 直流電動機的調速仿真

由于整個裝置需要實現擦洗功能，因此在擦洗部分需要在限定的速度內運動，要對直流電動機進行調速。使用Proteus軟件對進行調速仿真，通過波形圖確定占空比。電機調速前的波形圖，如圖5所示。

圖5 電機減速后前的脈沖波形占空比

整個線路的設計合理，能耗小。電機調速后的波形圖，如圖6所示。

圖6 電機減速后的脈沖波形占空比

6 L298N驅動電機正反轉和H橋式電路

使用直流/步進兩用驅動器可以驅動兩臺直流電機。分別為M1和M2。引腳A，B可用于輸入PWM脈寬調制信號對電機進行調速控制。(如果無須調速可將兩引腳接5V，使電機工作在最高速狀態，即將短接帽短接)實現電機正反轉就更容易了，輸入信號端IN1接高電平輸入端IN2接低電平，電機M1正轉。(如果信號端IN1接低電平， IN2接高電平，電機M1反轉。)控制另一臺電機是同樣的方式，輸入信號端IN3接高電平，輸入端IN4接低電平，電機M2正轉。(反之則反轉)，PWM信號端A控制M1調速，PWM信號端B控制M2調速。電機正反轉控制方式，如表1所示。

表1 電機正反轉控制方式

7 系統連接與實物比較

以STC12C2052AD單片機為控制核心，通過無線發射模塊將信號傳送給接收模塊；接收模塊將信號輸入到單片機中，由單片機通過P3.0與P3.1其中一口輸出與轉速相應的PWM脈沖，另一口輸出低電平，經過信號放大、驅動芯片L298N模塊實現電動機轉向與轉速的控制。制作實體圖如圖7所示。

圖7 連接整體實物圖

安裝后黑板擦的前后對比，擦完干凈且效率高，如圖8所示。

8 總結

本項目通過對智能黑板擦控制部分設計及仿真以及制作實物，仿真效果和實物實驗效果基本一致，通過對主控電路的設計與電源設計，比較精準的控制了該裝置的運動，一些主要參數，如表2所示。

表2 主要參數

線路新穎，利用單片機控制橋式電路，達到電機調速目的，通過實驗表明該裝置極大地方便了智能黑板擦的粉塵污染和手工操作，大大提高了擦黑板的效率，且使用壽命長，設計能耗小，傳統的黑板擦通過人工手工完成，對人體肺部的刺激太大，黑板擦凈率為90%，低噪音無污染，整個裝置重量輕。另外通過電源設計滿足了現場工作的實際需要，達到了運動速度平穩、運動精度高，能耗小，實用性強，順應家居設備的發展方向。