一种新型自动黑板擦设计

胡家俊，王一波，王宗政

（柳州工学院信息科学与工程学院，广西柳州，545616）

0 引言

在多媒体教学普遍普及的今天，传统黑板因其书写方便、低成本等优点仍然保留其一席之地。但在自动化高度发达的今天，至今没有一款方便实用的自动黑板擦商用。传统手动黑板擦通常存在以下问题：

(1)擦拭费时费力，灰尘飞扬；

(2)容易沾灰，一般擦几遍之后要敲击震落所粘附的大部分粉笔灰才能正常使用；

(3)随着使用时间的增长，粘牢在黑板擦毡毛上的灰越来越多，擦得越来越不干净。

目前也查阅到多型自动黑板擦，但其机械传动结构复杂、擦拭效率不高、体积较大、成本较高，特别是带吸尘功能模块的黑板擦，体积大噪音高，且移动不方便，限制了实用性。还有一些带存储灰尘设计的自动黑板擦，其需要定时清洁管道及倒出储盒内的粉笔灰，也不够实用。

1 结构组成设计

1.1 模块组成

针对传统黑板擦、现有自动黑板擦的不足，本文设计了一种使用方便、自动高效的新型黑板擦及其控制方案。其主要结构是由壳体和设于壳体下部的毛刷组成。壳体内有供电模块、控制模块、驱动模块、微电机组和传动机构。其中供电模块给控制模块，驱动模块和微电机组供电，控制模块控制驱动模和微电机组。

图1 前视图

图2 左视图

图3 俯视图

图4 电路原理图

图中：①壳体，②毛刷，③供电模块，④控制模块，⑤驱动模块，⑥微电机Ⅰ，⑦微电机Ⅱ，⑧偏心轴Ⅰ，⑨偏心轴Ⅱ，⑩手柄，11变压器，12导线，13压力传感器。

1.2 模块功能

需要说明的是：(1)控制模块以通用型单片机STM32 f103VET6为核心，采用双微电机带动双毛刷块、对称布局的结构形式，在增大功率的同时，控制算法使两刷块始终作严格反向运动，实现力平衡，使用者无剧烈振动感，使用舒适；(2)驱动模块采用普通电机驱动芯片L298N，成本不高；(3)供电模块主要包括交流降压模块(AC220V转DC12V、5V)、锂电池(12V)，经稳压、分压后给控制模块、驱动模块和微电机组供电，可适情选择市电供电、锂电池供电方式工作，使用灵活；(4)毛刷为中空双排直列设计，使擦落的粉笔灰相对集中地自然排放掉落，既无传统黑板擦那种漫天扬灰现象，也无须复杂扬灰收集装置；既减小了体积、重量，使用便携，又能防止使用者吸入大量扬尘而影响身体健康，且其刷毛为复合材料制成，对传统黑板擦拭效果好、耐磨。

图5 电源及主控电路图

2 控制方案设计

该新型黑板擦控制方案为：由控制模块通过驱动模块、微电机组和传动机构来控制黑板擦内刷块Ⅰ、刷块Ⅱ作反向运动。

其具体步骤为：

(1)当黑板擦以正常力度按压到黑板上时，压力传感器工作，将触发信号传递到控制主机，黑板擦自动开始工作；

(2)微电机Ⅰ和微电机Ⅱ的输出轴通过传动机构（偏心轴）将微电机的转动转换成刷块Ⅰ、刷块Ⅱ的径向运动。通过控制两微电机作反向运动，从而带动两刷块作反向运动；

(3)单片机定时采集每个微电机里的霍尔传感器测量值，从而得到两个微电机转轴的相对位置（相位，即转动角度差），其反映两微电机是否带动两刷块作严格的反向运动；

(4)若任意毛刷块因摩擦力不均衡等因素导致两微电机转轴的相对位置（相位）发生错位，这时候两刷块作没有做严格反向运动，则单片机通过PWM波调整其中一个微电机转速，使两微电机转轴的相对位置恢复；

(5)单片机里的控制程序利用离散PID算法根据两微电机转轴的相对位置发生错位的角度差大小，通过调整PWM波的占空比来调速，实现快速调整恢复。

3 其它设计

为达到更好的擦拭效果，另外需要做的工作有毛刷材料选择、电机工作转速选择和电机启动方式选择等。

3.1 毛刷材料

现在大部分传统黑板擦不能有效清除黑板的原因之一在于黑板擦擦体的材料选取不当。目前大多数黑板擦为降低成本多采用毛毡、绒布、海绵等材料。虽然可将粉笔灰吸附在材料表面，但吸附的灰尘难清理，这也使得擦拭效率大大降低。为了提高板擦的擦拭效率，本文的擦体采用毛刷设计。现采取最常用到的纳米、复合材料、尼龙、PBT软毛、PP、生物毛发等几种毛刷材料进行对比擦拭实验。从实验结果可知其中猪鬃材质的毛刷擦拭效果最好，其次是复合材料，其他几种材质的毛刷的擦拭效果不太理想。综合考虑静音、寿命等因素，最终选择复合材料（PET磨尖丝）作为毛刷材料。

3.2 工作转速

经我们试验，电机正常工作转速低于5400r/min时的擦拭效果并不理想，当电机转速处于8100-13500r/min时擦拭效果有很大提高，但是随着转速的不断提高粉尘的飞扬程度也有所上升。综合考虑电机功率等因素，最终选择9000r/min左右作为工作转速。

3.3 启动方案

在理想的情况下，黑板擦的两个毛刷由电机控制作实时反向做平衡的往复运动。但在实际应用中因两块毛刷与黑板的摩擦力不同、随机干扰等外界因素的影响，当黑板擦停止工作时两个电机的状态并非实时反向。当两个电机在这种非对称情况下启动，会因启动时扭矩的不平衡产生较大的振动。为避免这种情况的发生，有必要对黑板擦的启动方式进行研究。目前有两种启动方案可选择：转子随动启动和差速启动。简言之，前者是在整个系统通电后一个电机不动，另一个电机位置迅速调整到平衡位置；后者则是开始工作时，两个电机通以不同占空比的PWM信号、以不同的转速低速运转，当两个电机（的转子）到达平衡位置后，开始正常运转。从理论上讲，前者启动速度快些，但从试验情况看，并没有明显差别，而且后者启动阶段更平稳。

4 小结

本文设计的新型自动黑板擦结构组成相对简单，质轻便携；具备两种供电方式，使用灵活；除毛刷外均采用市场常规零部件，成本不高；在复杂无灰回收装置和剧烈扬尘之间找到了一个环保平衡点，具备了实用价值。不足之处是尚处于样机试验阶段，有些细节还需进一步完善。下一步考虑采用51系列单片机实现更低成本、轻量化优化设计。