負壓式自動除塵黑板擦

符永龍，楊樹媛，郭 斌，譚治強，曾澤坤

（新疆農業大學 計算機與信息工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引 言

黑板板書作為課堂教學的一種重要教學手段和表現形式，尤其是推導類課程如高等數學、物理、化學等的教學過程中，在黑板上通過板書進行公式單步推導，是幫助學生理清思路、加深理解的最好方法，也是提高教學質量的有效方法之一。粉筆板書是一種最為傳統有效的黑板板書方式，但是粉筆板書在擦除的過程中，粉筆灰（石膏粉塵）在空氣中短暫飄揚后會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，粉筆灰對細顆粒物的質量濃度影響較大，會對人體產生較大危害，而教室是師生教學活動開展的主要場所，其空氣質量直接關系到師生身體健康[1]。大量的粉筆灰吸入會造成鼻、咽、喉部的不適，由粉筆灰吸入引起的慢性咽炎已經成為教師的職業病之一[2]。我國勞動衛生部門在職業塵肺有關的規定中，也將長時間吸入粉筆灰作為塵肺病的病因之一。促進學校衛生管理，保護師生健康，當前粉筆灰污染的防治工作，基本是從教具的革新入手，各類無塵化板書教具相繼出現，主要包括自動吸塵板擦、無塵書寫白板筆和無塵粉筆三種[3]。相較于其他兩種，自動吸塵板擦的優勢在于無需改變現有的教室設備、使用長久、便捷等。劉春艷等人[4]通過調研分析發現，市場現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題。為此自動無塵板擦的進一步研究對于改善教室空氣質量，減少粉塵污染顯得更為重要。現有除塵黑板擦的設計原理主要以負壓除塵和靜電吸附為主，而靜電吸附受環境濕度影響較大。劉曉磊等人[5]對靜電除塵板擦的最佳工作電壓數據進行測定，發現這類板擦靜電吸附的效果和電壓值呈線性關系，電壓值越大，靜電吸附效果越好，但是高壓容易對人體生命安全造成危險，因此無法使用高電壓值產生較強的靜電吸附效應，從而也無法達到最佳的除塵效果。本文采用安全性能好、除塵效率高的負壓除塵原理，設計了一個負壓式除塵黑板擦，由電源管理、電機驅動、核心控制和過濾除塵等幾大模塊構成，旨在使用粉筆進行教學的過程中，消減粉筆粉塵在空氣中的散播，為師生營造一個干凈、環保的學習環境。

1 系統設計方案

1.1 結構設計

本設計實現的除塵黑板擦在整體結構上做到模塊化，立體結構圖和側視圖如圖1和圖2所示。整體外殼以長方體方艙為主體，內部由單片機控制模塊、光電感應模塊、電機驅動模塊等組成。過濾清潔倉放置海綿活性炭組成的過濾濾材，外部設有擦拭海綿，共同構成了清潔單元。具體設計上尾部留有出氣口，底部留有進氣網格口，外部擦拭海綿留有間隙方便粉塵吸收。

圖2 結構示意圖（側視圖）

針對現有負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、控制開關繁瑣等問題[6-7]，本設計采用負壓除塵技術，如圖1整體結構所示。本設計中尾部安裝風機，風機運轉，抽出系統內部空氣，使整個系統內部形成負壓，借助系統內外存在的氣壓差，通過擦拭海綿間隙的風道將粉塵吸入過濾清潔倉。本負壓式除塵黑板擦動力氣源置于除塵系統末端，大大減低粉塵對風扇的損耗，延長風扇軸承使用壽命。除此之外，本設計的優勢還表現在以下三個方面：利用模塊化結構靈活的優勢，將過濾模塊設計為抽屜式模型，便于抽取濾材清潔、更換；利用光電傳感器響應快、性能可靠的特點，實時感應黑板擦的工作狀態，從而可以自動控制除塵黑板擦電路工作；使用過程中無須改變使用者原有的板擦使用習慣。

1.2 控制流程

自動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驅動電路、控制電路、電源管理電路組成。主控芯片在初始化系統后，光電傳感模塊處于工作狀態，實時監測黑板反射的光強度變化，然后將其轉換成電信號的變化來控制電路的導通和斷開。當板擦靠近黑板時，光強度增強，電路導通，驅動電機轉動，板擦開始完成擦黑板的工作，擦拭結束板擦離開黑板時，光強度變弱，光電傳感器斷開電路，電機驅動停止。板擦工作流程如圖3所示。

圖3 板擦工作流程

1.3 系統仿真

系統軟件及流程實現后，為保證系統功能可以正常運行，繪制Proteus電路仿真如圖4所示，將代碼編入仿真完成理論測試。仿真采用D1、D2兩個LED的亮、滅來模擬光電傳感器控制電路的閉合和斷開狀態，時鐘電路選用12 MHz頻率的晶振，補償電容選取兩枚30 pF的瓷片電容，AT89C51單片機接收光電傳感器采集到的信號，經過處理后發送信號控制電機驅動。

圖4 Proteus電路仿真

2 模塊功能設計

本負壓式除塵黑板擦采用模塊化設計方法，包含電路電源模塊、控制模塊、識別感應模塊、驅動模塊、過濾模塊等功能模塊，系統模塊示意圖如圖5所示。

圖5 系統模塊示意圖

2.1 電路電源模塊

為實現自動除塵黑板擦整體結構輕巧便攜，保證使用過程中安全、節能環保，工作時系統穩定運行，本設計采用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輸出電壓的特點，由DC-DC升壓電源模塊提高工作電壓、穩定輸出額定電壓，設備提供了USB接口，支持系統Type-C充電。

2.2 核心控制模塊

本設計采用低功耗高性能的AT89C51單片機作為核心主控，其有著抗干擾能力強、寬電壓、不怕電源抖動的特點，單片機最小系統主要由時鐘電路、復位電路、電源電路和STC89C51單片機組成[8]，符合本設計需求。晶振電路部分采用一枚12 MHz的晶振、兩枚30 pF的電容，提供基本的時鐘信號保證系統穩定。

2.3 環境感知模塊

利用傳感模塊實現對環境的感知和鑒別是當前自動板擦中常用的方法。秦楠等人[9]基于多枚傳感器反饋信號來控制除塵黑板擦電機的工作狀態。杜春明等人[10]采用RPR220反射型傳感器檢測路線實現對系統的控制。分析發現這兩種運行方式皆受既定軌跡影響，使得黑板擦使用過程中存在響應時間過長、誤差較大等問題。鑒于光電式傳感器具有非接觸、響應快、響應可靠等特點，本系統采用光電傳感器作為感知模塊，該模塊實時獲取當前環境（黑板）反射的光照強度，并將其轉換為電壓值，當到達閾值時導通光敏二極管，實現對外電路的控制。具體實施過程中，將傳感器放置在自動除塵黑板擦海綿一側；當靠近黑板時，傳感器控制電路導通，驅動模塊開始工作，板擦離開黑板時電路停止工作。

2.4 驅動模塊

負壓式除塵的主要動力源是艙體內外的氣壓差。置于系統艙體尾部的高速風扇向外引流，使艙體內側產生一個氣壓差，氣體流動帶動板擦吸附擦拭過程中產生的粉塵，經海綿擦間隙網格流入板擦內部，再由過濾模塊處理，達到無塵化除塵的效果。謝小宇等人[11]經理論計算得出：轉速越快，粉塵顆粒流速越快，負壓吸附能力越強，合適的轉速是提高黑板擦工作效率的關鍵因素。本系統采用高速靜音風扇（額定轉速為2 800 r/min），保證正常工作狀態下有效吸收粉塵且做到無噪音，不影響課堂正常教學。

2.5 過濾模塊

過濾模塊置于自動除塵黑板擦內部，由大孔徑海綿以及活性炭組成。這兩種材料可以有效地過濾掉粉塵，但當粉塵積攢到一定量之后便需清理更換過濾材料。為了避免粉塵積攢過多影響氣體流量，進而導致除塵效果降低，本設計的過濾模塊在氣流路線中位于驅動模塊前端，含塵氣體經過濾凈化后再進入風機，有效地減少了粉塵在風扇上的附著，降低了對高速風扇軸承的損耗，同時延長了除塵黑板擦的使用周期。

3 結 語

本文從分析傳統黑板擦產生的粉塵問題入手，基于大眾常規使用的普通黑板擦，設計了一款自動處理粉筆粉塵的新型黑板擦，通過使用煙霧模擬擦拭黑板產生粉塵的環境，觀察煙霧流向及流動速度，該板擦的煙霧吸收效果較好，使用過程中系統穩定，傳感器反應敏捷，啟動速度快。對比同類型除塵黑板擦，此款設計具有傳感器自動感知環境、有效處理粉塵無噪音、使用便捷、生產成本低等優勢，可以提高教室的環境質量，營造更好的教學環境，保護師生身體健康，具有大面積推廣的價值。