遙控吸塵黑板擦的設(shè)計(jì)

東南大學(xué)成賢學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院 馬瑞棟 江澤辰 史一鳴 劉永沛

在傳統(tǒng)黑板的使用場(chǎng)景中，黑板擦所造成的粉筆灰揚(yáng)塵會(huì)引發(fā)呼吸道疾病，對(duì)師生的健康不利，本文設(shè)計(jì)了一種基于arduino單片機(jī)的遙控吸塵黑板擦，介紹了遙控吸塵黑板擦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。遙控黑板擦是由步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，由橫向及縱向的長(zhǎng)螺桿來(lái)構(gòu)建二維十字坐標(biāo)軸，軸上有一個(gè)吸塵和擦除模塊可以通過(guò)遙控控制其運(yùn)動(dòng)，也可以自動(dòng)選擇擦除模式。

據(jù)國(guó)家有關(guān)報(bào)告1993年統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)的師生每年因上課吸入的粉筆灰約200g/人，患呼吸道、肺部疾病、癌癥的約 20%/年。飛揚(yáng)的粉筆灰對(duì)師生的個(gè)人衛(wèi)生污染非常大。現(xiàn)階段就社會(huì)狀況而言，多媒體由于價(jià)格昂貴還未在中小學(xué)普及，大多數(shù)學(xué)校仍延續(xù)傳統(tǒng)模式，往往要投入非常大的資金才能改善教學(xué)環(huán)境。而遙控吸塵黑板擦，可以大大減少此類(lèi)資金支出。利用遙控吸塵黑板擦，改善中小學(xué)教學(xué)環(huán)境，降低師生呼吸道疾病的發(fā)病率有很大的積極作用。

1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)備主要由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，其中驅(qū)動(dòng)裝置是由CNC拓展板搭載驅(qū)動(dòng)芯片A4988 驅(qū)動(dòng) NEMA17， 電機(jī)（42步進(jìn)電機(jī)）構(gòu)成；為了使擦除效果更佳，Z軸采用絲桿滑臺(tái)向黑板擦施加壓力，以傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包含電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪，金屬導(dǎo)軌，傳動(dòng)皮帶三部分；控制系統(tǒng)支持藍(lán)牙，紅外及手柄多種控制；吸塵裝置與擦除裝置為該作品的執(zhí)行機(jī)構(gòu)核心。

驅(qū)動(dòng)部分。將MCU產(chǎn)生頻率、脈寬、步數(shù)可調(diào)系列脈沖，輸入到驅(qū)動(dòng)芯片A4988的步進(jìn)脈沖引腳，進(jìn)而可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)擦除裝置的移動(dòng)速度，加速度以適應(yīng)不同的工作情況。該設(shè)備還可以選擇進(jìn)入睡眠或喚醒狀態(tài)，當(dāng)無(wú)需頻繁工作時(shí)，可進(jìn)入睡眠模式以降低功耗。

基于經(jīng)濟(jì)性的考慮，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用皮帶傳動(dòng)以降低成本。由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)X正（反）轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)黑板擦在X軸方向運(yùn)動(dòng)；考慮到Y(jié)軸方向需要克服重力做功，故采用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，控制步進(jìn)電機(jī)Y1和步進(jìn)電機(jī)YA同速同向正（反）轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)黑板擦在Y軸方向運(yùn) 動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)黑板擦在XY平面的任意軌跡運(yùn)動(dòng)；為了使擦除效果更佳，Z軸采用絲桿滑臺(tái)向黑板擦施加壓力，增大摩擦力，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)Z實(shí)現(xiàn)黑板擦在Z軸方向上的上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)黑板擦與黑板的接觸與分離。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由吸塵轉(zhuǎn)置擦除裝置集成為一體黑板盒。吸塵裝置是利用高速運(yùn)轉(zhuǎn)的直流電機(jī)帶動(dòng)扇葉高速旋轉(zhuǎn)形成空氣流速較大的低氣壓區(qū)，使得吸塵裝置內(nèi)部氣壓遠(yuǎn)小于外部氣壓， 在內(nèi)外壓強(qiáng)差的作用下產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附力，從而達(dá)到吸附粉塵的效果；擦除裝置具備粉塵吸附及收集功能，同時(shí)還具備便于拆卸和清理的優(yōu)點(diǎn)。

2 軟件設(shè)計(jì)部分

本設(shè)備可支持藍(lán)牙、紅外遙控、手柄多種控制方式。軟件流程圖（如圖1）藍(lán)牙部分通過(guò)HC-05模塊接收來(lái)自手機(jī)APP的數(shù)據(jù)，并將接收到數(shù)據(jù)送給MCU，MCU監(jiān)測(cè)串口數(shù)據(jù)后調(diào)用數(shù)據(jù)處理函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)分析處理并調(diào)用相應(yīng)的控制函數(shù)。

紅外遙控發(fā)出的信號(hào)是一連串的二進(jìn)制脈沖碼。為了使其在無(wú)線傳輸過(guò)程中免受其他紅外信號(hào)的干擾，通常都是先將其調(diào)制在特定的載波頻率上，然后再經(jīng)紅外發(fā)射二極管發(fā)射出去，紅外線接收裝置則要濾除其他雜波，另接收該特定頻率的信號(hào)并將其還原成二進(jìn)制脈沖碼。按下不同的遙控按鍵將在紅外接收頭解碼后得到不同的地址碼和命令碼，根據(jù)對(duì)命令碼的判斷調(diào)用不同控制代碼。

圖1 軟件流程圖

手柄是由兩個(gè)搖桿組成，搖桿L控制XY平面的二維運(yùn)動(dòng)，搖桿R控制Z軸方向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)黑板擦與黑板的接觸與分離。搖桿位置的改變將會(huì)引起電位計(jì)的阻值改變，該搖桿為兩個(gè)電位計(jì)X和電位計(jì)Y，分別分布于X，Y方向，搖桿的每個(gè)位置對(duì)應(yīng)兩個(gè)阻值x，y，由于搖桿的分壓設(shè)計(jì)，可以獲得個(gè)電壓Vx，Vy組成一個(gè)有序數(shù)對(duì)，對(duì)此AD采集即可確定搖桿位置，在搖桿處于預(yù)定位置時(shí)，調(diào)用預(yù)置函數(shù)。

結(jié)語(yǔ)：本文介紹了基于arduino單片機(jī)的遙控吸塵黑板擦。方案實(shí)現(xiàn)不復(fù)雜，設(shè)計(jì)合理，對(duì)保障師生健康有積極作用，創(chuàng)新在于有不同的工作模式。