对一款全自动无尘黑板擦的研究
【摘要】无尘“清洁工”即全自动无尘黑板擦主要由控制系统和执行系统构成，其中控制系统包括16位单片机和电源模块，执行系统包括红外传感器、电机转向指示灯、直流减速电机、吸尘风机、磁铁和毛刷。电源模块将采用稳压二极管是单片机电源稳定在5V左右。整个装置将采用单片机控制，红外传感器负责收集黑板边缘等信息，单片机接受这些信息经过处理给直流电机提供控制信号，从而达到电机正反转或停止转的结果来实现转弯的要求。吸尘风机将直接采用电源控制，运用真空负压和磁吸式原理既能使黑板擦紧贴黑板，也能吸附粉笔末，用户需手动启动按键后可控制吸尘风机的运转。 【关键词】单片机（STC12C5616AD）;无尘;传感器;真空负压;磁吸式原理;板擦;红外传感
1.引言
随着社会生活与科学技术的发展，们对物质生活水平的要求越来越高。在众多的学校中，黑板擦一直是教学中必不可少的帮手，传统的黑板擦不仅消费体力而且使整个教室充满粉尘，即给教室带来严重的粉尘污染，也影响了学生和老师的身心健康。为了解决传统黑板擦存在的不足问题，为此我们设计了这款全自动无尘黑板擦——无尘清洁工。
2.系统总体方案设计及结构框图
系统框图如图1所示：电路由控制器模块、传感器模块（红外传感器）、电机驱动模块、电源模块、电机转向指示灯模块组成。
图1 系统框图
2.1 控制中心
采用STC12C5616AD单片机作为控制核心，具有内存大，处理速度快，加密性强，抗干扰能力强的特点，2路PWM波输出，八路高速十位A/D转换，低功耗，I/0驱动能力更强，内部集成高可靠复位电路。[1][4]它由如下功能部件组成：微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。[3]相比其他单片机此单片机价格低，而且其处理速度功能完全符合我们这个产品的功能要求。
2.2 电源模块
本系统51单片机要求使用稳定的5V电源，然而直流电机必须使用7.4V的直流电源，所以我们用使用两节锂离子电池对直流电机进行供电并采用5.1V的稳压二极管对7.4V的电源稳压后供给单片机及其他模块工作。对于锂电池的充电问题，将采用万能充给它充电。
图2 电源模块
2.3 红外传感器模块
选用脉冲调制的反射式红外发射接收器，由于采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界的干扰;此外红外发射接收管的工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50～100mA）（ST-188允许的最大输入电流为50mA），则大大提高了信噪比。[5]此种测试方案反应速度大约在5us。它包括红外发射管和红外接收管，发射管不断地向外界发射红外信号，当前方有障碍物时，红外接收管接收不到信息从而给单片机提供信号。
2.4 电机驱动模块
采用L298N电机驱动模块可以更好地使单片机的指令准确无误地执行，可同时驱动两个直流
电机。驱动模块根据单片机输入的脉冲PWM波的不同控制输入电机的电压电流的大小，其产生大小不同的加速度（PWM波占空比越大电机转速越快，加速的越大），[5]从而达到控制黑板擦转弯的效果。
2.5 电机转向指示灯模块
电机转向指示灯将显示电机转向的信息，指示灯将以炫彩的LED灯为基础，[2]给人视觉上的炫感。指示灯受单片机的控制，红外传感器模块给单片机提供信息，单片机接受这个信息给指示灯控制，从而显示黑板擦转弯的信息。
图3 指示灯模块
图4 系统总体电路
2.6 实现原理
本作品采用了高稳定性的16位单片机作为控制核心来实现其功能的。通过调节红外传感器中的滑动变阻器的阻值使红外接收头接收信号的距离控制在最佳距离区间内，红外发射头一直
向外界发射信号，当前方无障碍物信息时，红外接收头能接收到信息，当检测到黑板边缘时，红外接收头接收不到发射信号，这个信息传递到单片机上，单片机经过处理产生高低电平，给直流电机提供控制信号，从而达到电机正反转或停止转的要求来实现转弯的要求，同时给电机转向指示灯提供控制，它将显示黑板擦转弯的信息，给人视觉上的炫感。吸尘风机直接采用电源控制，运用真空负压和磁吸式原理使黑板擦克服重力的影响紧贴黑板，而且在电机运转的作用下在黑板上自如的爬行，底部的毛刷开始擦粉笔字，同时在吸尘风机的作用下粉笔末全被吸到一个小盒中，用户需手动启动按键后可控制风机的运转。
3.系统软件及电路设计
3.1 系统总体电路（如图4所示）
3.2 特举例
本作品最大的特就是打破传统的思维模式，使黑板擦克服重力的影响紧贴黑板，它运用真空负压和磁吸式原理，依赖于黑板擦内先进的离心式风机系统，由黑板擦底部的电动机高速驱动风机叶轮旋转，使空气高速排出，而黑板擦底部的空气不断的补充到风机系统内，使黑
板擦内不产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差，在此压差的作用下，黑板擦能够紧贴黑板。黑板擦运动时由于底下风机的作用粉尘能够吸附到内部盒子中。
3.3 技术说明
本作品采用以16位单片机为核心配合使用多个红外传感器能够高精度检测黑板边缘并自动调整黑板擦的前进方向使其顺利的进行转弯，从而能够自动的进行擦黑板。运用了真空负压和磁吸式原理使黑板擦紧贴在黑板上保证其不下落，在吸尘风机的作用下粉笔末将源源不断的被吸附。
3.4 系统应用及开发前景
本作品堪称为新一代的教学模式增加了一份彩，将对未来的教育做出极大地改善，可以被称为新一代教室小助手。该作品不仅减轻了学生和老师的负担，保护了他们的身体健康，改善了教室的环境，而且体现了人们对智能化的一种追求和当代学生不断创新的理念。目前市场上该技术应用的还不是很广泛，但它具有很大的市场价值，虽然现在该技术主要应用在高科技产品上，我相信随着社会的发展和科学水平的提高，应用该技术的产品会更加得到广大师生的认同。
4.结束语
在全自动无尘黑板擦的制作中设计制作如何让黑板擦才能紧贴在黑板上我们反复尝试多种机械传动结构：风机运转，超强磁铁等。最后选择风机运转的方式使它贴在黑板上，采用的真空负压和磁吸式原理终于实现了紧贴黑板的功能。接着是使用什么型号的电机问题，我们使用了小型电机，直流电机，步进电机，直流减速电机等，经过多次实验最终选择了直流减速电机，在这个电机作用下效果最好，最后检查自动转弯效果，我们把传感器的数量和电路图都改了很多遍，最反复调试滑动变阻器的阻值，最终到最佳的电阻，在这个条件下黑板擦的转弯效果最好从而得到最佳的平后终于得到了想要的结果。
参考文献
[1]徐爱钧.单片机高级语C51应用程序设计[M].北京电子工业出版社，2001.
[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2007，12.
[3]宏晶科技.STC12C5A60S2系列单片机器件手册[M].2005，10.
[4]马忠梅.单片机的C语言应用程序[M].北京航空航天出版社，2010，01.
[5]周惠潮.常用电子组件及典型应用[M].电子工业出版社，2005，02.
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