基于粉尘传感器的新型黑板擦的设计与实现

付晓飞 庞宁 马雅丽

摘 要 本设计产品为了老师和同学的健康考虑，提高空气质量。将日常可见的黑板擦进行了创新，通过简单的路径规划，让黑板擦遍历整个黑板的使用面。以吸尘器的吸尘方法作为基本原理，通过涡轮风扇产生气压差将粉尘吸入到黑板的内部，收集到黑板擦内，在这基础上加入粉尘传感器作为触发器，检测周围颗粒浓度作为启动黑板擦工作的条件，当达到空气洁净要求，自动关闭黑板擦中的风扇。

关键词 粉尘传感器 新型黑板擦

现如今，在教师教学过程中，粉笔板书是必不可少的。但是在教师用粉笔板书完之后，师生在清理黑板时制造出来的粉尘会对师生的呼吸健康造成威胁。研究表明，在使用粉笔时其产生的粉笔灰会在其3米范围内漂浮，其危害的严重程度与炼钢炉前工人受粉尘侵害极为相似，虽然后来出现了改良的无尘粉笔，也仅仅是在传统粉笔中加入油脂等物质作为粘合剂，使粉尘不易飞散，但在教师板书的过程中依旧会产生大量粉尘，效果并不是很明显，如果不及时清理就会长时间的漂浮在空气中，还是会危害老师和学生的健康。因此，我们所设计的新型黑板擦会通过粉尘传感器感应粉尘浓度，将信号发送给处理器，使用进步机电控制启动涡轮和方向移动，自动规划路径遍历黑板擦清黑板粉尘，将吸收的粉尘收集（与吸尘器同理），从而减少粉尘危害。

一、黑板擦的结构

（一）外壳选材

采用塑料作为外壳材料。它有较高的稳定性和耐热性，不易与其他物质产生化学反应，并且刚性也大，也不与周围其他材料发生物理变化。现如今3d打印技术的广泛应用，制作设计模型更为简易，且打印成本价格廉价常常作为材料首选。

（二）风扇选择

选用涡轮风扇（离心式风扇），这种风扇常用于在计算机散热领域之中，相对传统的散热风扇，离心风扇能在更小的空间占用下输出更大的风量，所产生的真空空间更大，通过这种方式能够产生的压差更大，进而加大涡轮对粉笔的吸引力。

（三）擦拭面

边缘分布使用羊毡毛和海绵，中间部分使用毛刷但有留一些空隙。毛刷刷负责擦扫粉笔，海绵和羊毡毛起到去除粉笔印记的作用，空隙吸入粉尘收集到特定位置粉尘收集盒当中。

（四）其他

可以拆卸的粉尘收集盒，位于擦拭面和风扇之间。黑板擦底盘四周加入条形磁石使黑板擦可以吸附在黑板上，四角加入驱动轮使黑板擦可以进行前进、左转、右转。

二、工作原理

电动机带动涡轮风扇工作产生负压吸尘，利用真空负压抽吸原理，产生吸力，通过空隙将气体吸入黑板擦中，通过出气孔排出，这样不断地将黑板擦擦除下来的粉笔粉尘吸进粉尘收集盒中。由于粉尘颗粒较大，与空气的惯性力、重力不同，根据这个特性，将含有粉尘的气流去撞击隔离板，改变气流方向，利用惯性和重力将粉尘颗粒下沉落入收集盒，在收集盒中加入隔离网木炭防止粉尘逸出。主要使用过滤除尘的方法，就是将含有粉尘的气流通过隔离网把粉尘拦截。輔用隔离板上的静电吸附板，利用静电吸附小型颗粒的原理除尘，加上惯性这一特性，结合使用以提高除尘效率，降低粉尘溢出的概率。

三、基于粉尘传感器的工作过程

主要是使用GP2Y1010AU0F粉尘传感器对黑板擦周围的粉尘浓度进行检测。粉尘检测传感器运行后，利用放光二极管发射的光，光亮射到粉尘之后发生反射，光反射程度成正比关系，光反射程度越大，粉笔粉尘浓度越大；反之，粉笔粉尘浓度越小。使用光电二极管接受反射光后，将光信号变为电信号，将数据发送到单片机处理，如图1所示。

引脚⑤输出的模拟电压与粉尘浓度进行比较，如图二所示，纵坐标代表输出电压（V），横坐标代表粉尘浓度（mg/m3）。当横坐标在0 – 0.5（mg/m3）时，由图2可以发现电压与粉尘浓度基本上为线性关系，当粉尘浓度高达0.6 mg/m3后电压不变。可认为当电压在0.6 – 1.2（V）时该位置的粉尘清理完成，因为空气中的粉尘不可以完全清楚干净存在误差考虑进去。

四、黑板擦的路径规划

在黑板擦完成指定位置擦除，粉尘传感器数值达到工作完成数值反馈到处理器后，黑板擦进行预先设定路线移动。

在新型黑板擦前端两侧安装防撞击和测距的红外传感器装置，以黑板擦为中心建立一个平面坐标系，黑板擦先沿纵坐标向上进行移动，直到移动到黑板顶部改变横坐标向右移动之后再沿着纵坐标向下移动；同理到达黑板底部再次改变横坐标后向上移动，反复操作直到红外感应器右侧和前端都接触到黑板边界，即到达黑板使用面的边角位置。黑板擦改变原始路径左转水平移动到黑板另一侧，黑板擦到达位置后，重复之前路径黑板擦沿纵坐标向上或向下移动重复路径路线。路径如图3所示。

五、新型黑板擦的特色

1.有两种清理方式。一种是手动，在指定位置擦除粉笔粉尘；另一种是自动，按照规定路径行动，打扫整个黑板粉笔印记。

2.利用惯性，粉尘颗粒特性以及过滤粉尘等多种技术结合使用吸收粉笔粉尘，提高洁净效率，减少粉尘被收集盒收纳之后逃离的概率。

3.使用粉尘传感器，粉尘浓度到达阈值作为触发黑板擦清理的启动条件，自动清理时节省电耗，到达延长使用时间的目的。

4.黑板擦底部的海绵和羊毡毛以及隔离层可以进行更换拆洗，粉尘收集盒可以抽出定时清理，也能检测防止堵塞发生。

六、结语

新型智能吸尘黑板擦将生活中常见现象与理论知识联系起来，在外形、结构、材料选择等很多方面均有创新，与现有的同类黑板擦相比，我们的智能吸尘黑板擦，只需要放在黑板上，可手动在指定的位置上擦除粉笔粉尘，也可以黑板擦按照规定的路径行动，更加方便快捷。新型智能黑板擦主要降低目前的黑板擦擦除粉笔导致粉尘飞扬等弊端。师生在使用它过程中能够减少粉笔灰的产生，减低粉尘吸入口腔导致的危害，使师生更加放心、安心。并且粉笔灰收纳在黑板擦中，既干净又卫生，为师生创造一个良好的教学环境。

参考文献：

[1]王志，方岳，洪图，柴源.基于健康考虑的智能吸尘黑板檫的设计与研究[J].计算机产品与流通，2019（04）：119.

[2]叶明亮，蔡正辉，张博鑫，王婷.新型吸尘式黑板擦的优化设计[J].湖北农机化，2019（09）：73- 74.

[3]孙昌祥，周威，徐素莉.基于STM32的粉尘检测系统设计[J].山西电子技术，2019（04）：31- 34.

[4]石为人，周学益.室内清洁机器人避障路径规划研究[J].计算机应用，2007（S1）：378- 379.