基于靜電吸附原理的環(huán)保黑板擦

王佳妮 馬紀豪 王振豐 徐丹咪 賈宇周

摘要：眾所周知，粉筆粉塵具有較強的吸附能力，因此本文從空氣中的粉筆粉塵對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板中，從而達到除塵的效果，既方便又環(huán)保。

1.前言

隨著社會科技的進步，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。靜電除塵作為一項重要的防治大氣污染環(huán)保技術(shù)手段，在有了一個多世紀的發(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現(xiàn)對氣體中的各種顆粒進行分離，其優(yōu)點是：效率高、處理煙氣量大、運維方便成本低等。原理是將含粉塵顆粒的氣體通過靜電場后使粉塵顆粒帶電荷，在電場作用下，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，從而達到去除粉塵的目的。

2.硬件設(shè)計

本項目使用STM32f10x系單片機為其主控芯片，用戶可以通過手機端APP操作界面上提供的功能按鍵或語音來實現(xiàn)控制。項目整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。接通電源并收到清除指令后風扇轉(zhuǎn)動，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單片機控制與電機相連的驅(qū)動模塊使電機轉(zhuǎn)動達到除塵的效果。該裝置有部分機械傳動裝置、吸塵動力來源、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)電源適配器對其進行充電或太陽能電池板對鋰電池進行持續(xù)充電，解決了黑板擦續(xù)航的實際難題，實現(xiàn)隨時隨地充電。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)生高強度電場將粉塵電離，進而使粉塵發(fā)生荷電，在電場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)計使用額定電壓為12V的直流電機，用LM7805將L298n的供電引腳12V降為5V，同時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，電源正負極接入的電容起濾波作用。電機驅(qū)動模塊采用了TLP521芯片來進行，該芯片是通過光耦來進行開關(guān)量的傳輸，這樣STM32和電機就不會有干擾，電源也相對穩(wěn)定。導通時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。電機正負端接8個二極管是防止當電機反轉(zhuǎn)時發(fā)生泄流。

3.系統(tǒng)的軟件設(shè)計

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

（1）主程序

首先程序進行初始化，檢測語音識別，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，進入電機驅(qū)動程序讓電機開始轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)相應(yīng)功能。

（2）串口初始化

接收串口彩屏和藍牙的數(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)的模塊就會給主控芯片中斷指令接著進入一次中斷處理函數(shù)，中斷收到之后會對幀進行校驗，若匹配，則STM32單片機控制電機，黑板擦執(zhí)行相應(yīng)的功能。

（3）手機APP

手機APP具有功能按鍵和語音控制功能，通過E4A平臺用中文編寫的，然后編譯為java在它自己的linux進程中運行。

（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)計功能鍵區(qū)，如果被單擊下去，將進行有線數(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，每個都是在彈起事件里寫代碼的。當按鍵被按下彈起的時候，STM32單片機的串口將會收到串口彩屏發(fā)來的數(shù)據(jù)。

（5）定時器及服務(wù)函數(shù)

返回相應(yīng)的霍爾傳感器檢測值并計算距離，利用給予不同的時間和功率來實現(xiàn)黑板的定位，將黑板分成四部分，利用二維數(shù)組來儲存黑板的當前位置和下一位置要調(diào)用的時間和功率，當發(fā)送的數(shù)據(jù)被單片機接受的時候，根據(jù)要移動位置自動判斷要移動的時間和功率從數(shù)組選取合適的數(shù)值來進行移動，利用定時器中斷中斷到來時進行狀態(tài)判斷，然后送出相應(yīng)的PWM來控制功率，進行一定的延時時間來移動到所需要的位置。

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人們環(huán)境的污染，將機械慣性力除塵法、靜電吸塵法和過濾除塵法進行有機結(jié)合。同時，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的粉塵對師生健康和教室環(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：

[1]王靈甫，馬書毫.淺談靜電除塵原理

[2]仝世學，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

資助項目：衢州學院大學生科技創(chuàng)新項目Q20X061