智能黑板擦控制系统研究

刘凌， 王恒， 周少勃

(西安文理学院 机械与材料工程学院，西安 710065)

0 引言

在国内外，通过调查了解到的当前市场板擦主要有3种，其概况分别是：第一种是纤维制成的手动黑板擦；第二种是电动吸尘黑板擦，采用干吸收；第三种是静电除尘黑板擦，利用产生的静电来接收粉尘。以上就是目前国内环保黑板擦的研究水平和概况。就目前而言我国研发的环保黑板擦的种类稀少，在这方面还处于起步阶段。而以上几种黑板擦或多或少存在一些缺点：吸收不彻底，耗电量大，价格昂贵，操作复杂等。

随着社会的发展，黑板的需求还不断上升，所以研发一种既节能环保，吸收彻底而又省力方便的新型无尘黑板擦，并使之得到全国范围内的认可和推广成为重点问题，该课题充分考虑到目前市场上黑板擦存在的不足和缺陷，研究一种利用单片机控制技术，完成对黑板擦的智能控制让其无尘智能黑板得到良好的应用。

推广前景及市场分析和经济效益预测：无尘智能黑板在运用智能控制后能有效的吸收粉尘，使粉尘污染大大减少。利用本产品可提高粉尘吸收3-5倍，这样既解决了师生的健康危害问题又改善了教学环境，并且随着人们环保意识的加强，该产品定将有良好的市场推广前景，其社会效益是无法用金钱来衡量的。

本项目研究的智能黑板擦的控制部分，通过单片机采集直流电机运动部件的速度作为研究对象，并对其调速，其中的主控模块和驱动模块提供装置的能量，运动控制模块控制电机的运动方向，最小相位系统完成整个电路的最小功率消耗，该装置通过实验表明，速度快，成本低，重量轻，而且改变目前对高层建筑的玻璃窗清洗工作主要还是由清洗工人搭乘吊篮或腰系绳索完成的状况。单片机主要实现电机转速的控制和正反转控制，以及制动性能。

1 系统总体设计

根据高楼自动擦玻璃装置的工作要求，要设计有关高楼自动擦玻璃装置电源模块和主控制电路。此主控制电路主要分为4个模块：主控模块、驱动模块、运动模块和限位模块。

主控模块：主要是采用单片机为承载程序的载体，作为最小系统电路，负责调控直流电动机正反转和转速。驱动模块：选择具有H桥式的驱动电路，负责单片机输出信号的放大，还有可以是电动机正反转。运动模块：选用合适的减速直流电动机，实现整个装置的上下运动和左右运动，并能在上下运动中实现自锁。限位模块：使用限位开关，限位开关具有反应速度快，在运动中限位准确，能够实现整个装置的准确定位。高楼自动擦玻璃装置的主控制电路的总设计方案硬件框图，如图1所示。

图1 系统总体框图

2 电源电路

由于使用的电池是9 V电压，而单片机的供电电源为DC5 V，需要用到LM7805三端稳压集成电路。根据LM7805的引脚示意图，系统所使用的是TO-220封装，可以得到将9 V转换为5 V稳压电路图，电路中的输入电容使用0.1 μF和22 μF正极接7805输入端，在输出电容是使用0.1 μF和47 μF正极接7805输出端，它们的负极接GND，接电容的作用是滤波，9 V电压通过电源电路输出稳定的5 V电源。电源电路，如图2所示。

图2 电源电路

3 主控制电路的设计

通过以上模块的设计，确定整个装置主控制电路的原理图，如图3所示。

3.1 运动模块的设计

根据高楼自动擦玻璃装置的运动需要，因为上下移动器要使擦洗装置在空中停止工作，所以上下移动器采用蜗轮蜗杆减速直流电动机，它的自锁性能最好，能够满足需要的工作性能。左右移动器是属于擦洗装置部分，它的电动机使用两个直流电动机，能够有正反转功能，并通过PWM对其进行调速。

图3 主控制电路原理图

3.2 驱动模块的设计

在高楼自动擦玻璃装置中驱动模块是主控模块和运动模块的媒介，它主要是有H桥式电路，来使直流电动机实现正反转，并且由于单片机的输出电压不高，故需要驱动电路来放大电压。L298N作为本项目的驱动电路简单，满足工作需要。线路如图3所示。

3.3 限位模块的设计

根据高楼自动擦玻璃装置的运动需要，选择限位开关，具有反应速度快，在运动中限位准确。限位开关通过触碰，确定装置所处的位置，最终将信号输入到单片机，从而驱动直流电动机运动，使整个装置根据需求运动起来。

4 单片机STC89C52最小系统的设计

单片机最小系统的设计，如图4所示。

对于51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、时钟电路、复位电路、输入/输出设备等。根据单片机最小系统设计出51单片机最小系统的电路图。时钟电路一般来说晶振可以在1.2～12 MHZ之间任选，甚至可以达到24 MHz或者更高，但是频率越高功耗也就越大。和晶振并联的两个电容的大小对震荡频率有微小的影响，可以起到微调作用。当采用石英晶振时，电容可以在20～40pF之间选择(这里使用30pF的电容)；当采用陶瓷谐振器件时，电容要适当的增大一些，在30～50pF之间选择。通常选取33pF的陶瓷电容就可以了。

复位电路是非常关键的，当程序运行不正常或停止运行时，就需要进行复位。

图4 单片机最小系统电路

P0口外接上拉电阻，51单片机的P0口为开漏输出，内部无上拉电阻。所以当做普通I/O口输出数据时，由于场效应管V2截止，输出级是漏极开路电路，要是“1”信号(即高电平)正常输出，必须外接上拉电阻，增加P0口的驱动负载的能力。

5 直流电动机的调速仿真

由于整个装置需要实现擦洗功能，因此在擦洗部分需要在限定的速度内运动，要对直流电动机进行调速。使用Proteus软件对进行调速仿真，通过波形图确定占空比。电机调速前的波形图，如图5所示。

图5 电机减速后前的脉冲波形占空比

整个线路的设计合理，能耗小。电机调速后的波形图，如图6所示。

图6 电机减速后的脉冲波形占空比

6 L298N驱动电机正反转和H桥式电路

使用直流/步进两用驱动器可以驱动两台直流电机。分别为M1和M2。引脚A，B可用于输入PWM脉宽调制信号对电机进行调速控制。(如果无须调速可将两引脚接5V，使电机工作在最高速状态，即将短接帽短接)实现电机正反转就更容易了，输入信号端IN1接高电平输入端IN2接低电平，电机M1正转。(如果信号端IN1接低电平， IN2接高电平，电机M1反转。)控制另一台电机是同样的方式，输入信号端IN3接高电平，输入端IN4接低电平，电机M2正转。(反之则反转)，PWM信号端A控制M1调速，PWM信号端B控制M2调速。电机正反转控制方式，如表1所示。

表1 电机正反转控制方式

7 系统连接与实物比较

以STC12C2052AD单片机为控制核心，通过无线发射模块将信号传送给接收模块；接收模块将信号输入到单片机中，由单片机通过P3.0与P3.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、驱动芯片L298N模块实现电动机转向与转速的控制。制作实体图如图7所示。

图7 连接整体实物图

安装后黑板擦的前后对比，擦完干净且效率高，如图8所示。

8 总结

本项目通过对智能黑板擦控制部分设计及仿真以及制作实物，仿真效果和实物实验效果基本一致，通过对主控电路的设计与电源设计，比较精准的控制了该装置的运动，一些主要参数，如表2所示。

表2 主要参数

线路新颖，利用单片机控制桥式电路，达到电机调速目的，通过实验表明该装置极大地方便了智能黑板擦的粉尘污染和手工操作，大大提高了擦黑板的效率，且使用寿命长，设计能耗小，传统的黑板擦通过人工手工完成，对人体肺部的刺激太大，黑板擦净率为90%，低噪音无污染，整个装置重量轻。另外通过电源设计满足了现场工作的实际需要，达到了运动速度平稳、运动精度高，能耗小，实用性强，顺应家居设备的发展方向。