含两种清洁方式的黑板自动清洁装置设计

刘晓洲　黄梓航　陈嘉成　周鉴潮

摘 要：粉笔和黑板是课堂必不可少的工具，但清洁黑板是一件费时费力的事情。针对擦黑板的难题，本文介绍含有两种清洁方式的黑板自动清洁装置，该装置通过安装在黑板上下的导轨固定，电机带动滚轮旋转使装置可左右移动，具备高速旋转的刷棍和带喷水装置的清洁棍两种清洁方式，可独立工作也可配合清洁。装置操控方便，灵活性高，实用性强，能有效解决黑板清洁问题。

关键词：黑板清洁；自动清洁；创新设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.127

0 引言

课堂教学中，教师在承担繁重教学任务的同时，也需负责黑板的清洁工作。擦黑板既增加了教师的工作负担，在一定程度上也浪费了宝贵课堂时间。黑板教学主要采用的粉笔，其粉尘污染对师生身体的损害也不容忽视。采用板擦的传统黑板清洁方法既浪费时间也不卫生，存在种种弊端。因此，设计一种可自动清洁黑板的装置具有重要的实用意义，既能高效的清洁黑板，也能节省时间和劳动力，达到提高教学效率和改善教学环境的目的。

本文针对上述问题，在研究具备两种清洁方式的黑板自动清洁装置结构基础上，采用SolidWorks软件进行了结构设计建模，并对其控制和操作方式及相关硬件、软件系统进行了设计，制作了该装置样机。样机实验证明了设计的合理性，达到了预期的功能需求。

1 方案设计

整体清洁装置机械结构如图1所示，由黑板、导轨、滚轮、滚刷、电机、蓄电池、喷水等组件构成，装置左右移动，通过滚刷清洁黑板。

1.1 装置横向移动方案设计

装置上下通过角码连接滚轮，滚轮固定在导轨中使得装置可移动。在图1中的一号电机（图1中8）安装一滚轮，使其与墙壁接触，当电机转动时，滚轮与墙壁产生的摩擦力可带动整个装置的移动。可通过控制电机的正反转选择装置的移动方向。

1.2 装置清洁黑板方案设计

装置有两种清洁方式。一种是通过二号电机（图1中5）带动一号刷棍（图1中3）高速旋转，擦拭黑板。另一种是配合喷水装置，先将黑板喷湿后，通过三号电机（图1中6）将带有擦布的二号刷棍（图1中4）固定，增大与黑板的摩擦力，再通过装置的左右移动擦净黑板。两种清洁方式可单独使用，也可配合使用，清洁方式灵活可变。

1.3 装置清洁方式的选择

通过控制四号电机（图1中7）的转动方向与角度，可选择其中一种清洁方式，使该清洁方式的刷棍与黑板接触，再通过该清洁方式的电机转动来清洁黑板。

1.4 装置的喷洒水方案设计

采用12V直流小水泵放置在一小水箱中，水泵出口与水管连接，再安装4个喷洒头并固定于装置上方，通过控制水泵的启停，即可控制喷洒水功能的运行与停止。

1.5 装置的电源方案设计

装置电源由一3000毫安蓄电池提供，将蓄电池与开关降压板连接后，由开关降压板分配电源。装置中电机均使用12V直流电压供电，单片机电路及喷水装置则使用6V直流电压供电。

2 机械结构设计

装置外框由四块板通过角码固定并连接成一个矩形框，内部结构由一根中轴以及固定在其上下两端的两块挡板组成。外框材料使用有机玻璃制作，具有较好的力学性能和耐候性，易于加工且外观优美。

一号板位于外框的顶端。图3中1所示的两条空隙用于固定角码。角码的另一端连接着吊轮用于固定装置。开孔为条形而非圆形是为了安装时可以自由调节角码的位置，进而调节装置距离黑板的最佳位置。图3中2所示的两个小孔用于固定轴承座。图3中3所示的孔用于主轴穿过，并通过固定的轴承座将内部结构与外框连接起来。图3中4所示的孔用于电机轴通过，电机轴连接滚轮带动装置移动。

二号板位于外框的底端，与一号板设计基本相同，唯一不同之处是少了一号板中插入电机的孔位。

装置内部采用中轴固定上下两块端板的基本结构，在端板上可固定用于两种清洁方式的各部件，如图4。

三号板通过中轴并用轴承座固定于中轴顶端位置。图5中1孔与2孔用于让电机转轴插入，电机转轴与刷棍连接，可带动刷棍转动。图5中3孔用于中轴穿过。图5中4孔用于固定轴承座。

四号板与三号板结构基本相同，通过主轴并用轴承座将其固定在主轴底端位置。 将上述基本结构部件装配后效果如图6。

3 控制部分设计

本装置的基本控制方式采用红外线遥控，控制器根据遥控指令输出PWM信号来控制装置中电机的起停、正反向、加减速等。系统中主控制器采用ATmega 48单片机，其PC0..5用于控制电机、水泵。其中PC0、PC1与PC2、PC3引脚分别用于控制主动力电机与旋转毛刷，通过L298N控制电路板，能用信号反接的方法实现正反转，用PWM实现电机调速的功能。PC4引脚用于驱动水泵，通过外接ULN2003驱动器控制水泵的工作状态，用于产生水喷雾，达到更好的洁净效果。PD2引脚则是用于红外线信号的接收与识别，用于控制整个系统的工作状态。系统控制程序流程如图7所示。

4 结论

现代社会，智能、自动化的理念已深入人心，黑板自动清洁装置的设计便是出于自动化的理念。本清洁装置具有合理的机械结构和自动化的控制方式，样机实验取得了较好的实验效果。经过进一步改进，该装置可以高效、全面的清洁黑板，代替了老师与学生的劳动力，能大大提高课堂的效率。

参考文献：

[1]查普曼.电机学（第五版）[M].北京：电子工业出版社，2012.

[2]段志坚，李改灵.SolidWorks2012机械设计[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]丁元杰.单片微机原理及应用（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2005.

[4]戴峻峰，付丽辉.多功能红外线遥控器的设计[J].传感器世界，2002（08）：16-18.

作者信息：刘晓洲（1993-），男，广东惠州人，本科，研究方向：电力系统自动化。