基于物联网技术的智能黑板擦

2020-06-18

福建质量管理 2020年11期

(华北水利水电大学电力学院河南郑州 450000)

黑板擦广泛使用于诸多领域，但平时使用的人工黑板擦费时费力、粉尘飞扬、危害使用者的身体健康。为解决以上问题，本文设计了智能黑板擦。该设计可自动擦除粉笔痕迹，省时省力，同时降低了粉尘飘散对使用者身体健康的危害。

一、系统的总体设计

本文设计的是由直流电动机驱动的履带式黑板擦，电机电枢电压经整流器变压整流、PWM直流降压斩波电路调制后，控制电机转速；采用蓝牙模块将无线终端与单片机控制系统无线连接，实现无线终端控制继电器的功能，利用反转电路控制电机正反转，经传动装置控制黑板擦的移动，通过超声波测距模块反馈黑板擦的位置，工作异常时及时制动。总体设计系统框架如图1所示。

图1 系统总体设计图

二、系统的机械设计

(一)传动装置机械设计。传动装置由齿轮、传动轴、轴承、链条和链轮组成。智能黑板擦由直流电动机提供动力，齿轮与链轮焊接于传动轴，链轮咬合焊接于黑板擦的链条，完成电动机与黑板擦之间的动力传输。

(二)黑板擦结构设计。黑板擦由擦除材料、储粉盒、静电吸附装置、毛刷组成。工作时，黑板擦的擦除面竖直工作，黑板上的粉尘竖直掉落于黑板擦下方的储粉盒中；黑板擦背部的静电吸附装置，更好地清除履带上残留的粉尘，保证了后续的擦除效果；装置周围安装密集毛刷，确保工作时产生的粉尘封闭于装置之内，减少粉尘扩散。

三、系统的电路设计

系统控制电路由PWM直流降压斩波电路、单片机、蓝牙模块、超声波测距模块以及继电器组成。

(一)PWM调速装置的设计。电枢电流为I，电枢电路总电阻为R，每极磁通为Φ，电动机参数为Ke时直流电动机的稳态转速为:

直流电动机的调速方法有改变励磁磁通、改变电枢回路电阻以及改变电枢电压三种。本装置利用PWM技术产生占空比可调的方波，控制直流斩波降压电路的输出电压。

调速原理计算如下：电压变化周期为T，一个周期内高电平持续时间为t1，低电平持续时间为t2时占空比D为：

总电压为U0时,电枢电压平均值U为：

U=DU0

(二)单片机。本装置的控制系统以单片机作为控制核心调整黑板擦的工作状态，工作时，单片机运行相关程序，根据蓝牙模块接收的信息和超声波模块反馈的黑板擦运动情况，共同调整黑板擦的工作状态。

(三)继电器模块。单片机额定输出电压、电流有限，不足以控制大功率的电机，且内部芯片易在电机起动时受损，利用继电器将控制电路与主电路分开。

(四)超声波测距模块。单片机利用声音传播速度和超声波测距模块反馈信号时间差，计算出黑板擦到前方障碍物的距离。其具体工作过程如下所示：1.模块工作，单片机给模块Trig引脚一个高电平信号，模块触发，发送8个方波，单片机开始计时并自动检测返回信号。本单片机采用12M晶振，每过12个方波计数1。则计数器每计数一次，相当于时间

2.当超声波碰到障碍物后信号返回，通过ECHO引脚返回单片机一个高电平中断，停止计数，并将十六位二进制数转换为十进制数，

T1=TH0×256+TL0

由

得出黑板擦与边界的距离S，单位：厘米。

3.当所得距离S临近黑板擦长度或零，即代表黑板擦离边界距离过近，继电器断开，黑板擦停止运动。

(五)控制电路工作过程。单片机接收蓝牙信号，控制继电器；超声波测距模块作为反馈环节，时刻反馈黑板擦的位置信息，在黑板擦即将接触障碍物或者即将到达边界时，给单片机反馈信号，单片机响应中断，黑板擦工作停止。

主电路由变压整流电路、PWM直流降压斩波电路、继电器、直流永磁电机组成。电机电压由变压整流电路、PWM直流降压斩波电路共同调节，实现对黑板擦的调速。两个继电器的通断改变电机电枢电压方向实现调向。

(六)系统部件的选取。根据智能黑板擦需求的功能选择以下电子器件。1.给定装置：蓝牙模块(BT08B)，射频通信，低功耗，工作电压为DC3.6～6V。2.控制器：单片机(STM89C51)，进行运算处理，工作电压5V。3.执行机构：继电器，主控电路分离，系统更加安全，稳定，工作电压5V。4.被控对象：(1)直流电机，额定电压12V，额定电流5A,功率35W，转速200r/min；(2)黑板擦。5.反馈环节：超声波测距模块(US-100)，给控制器反馈黑板擦位置信息，异常时及时制动，工作电压为DC2.4～5.5V。