遥控吸尘黑板擦的设计

东南大学成贤学院机械与电气工程学院 马瑞栋 江泽辰 史一鸣 刘永沛

在传统黑板的使用场景中，黑板擦所造成的粉笔灰扬尘会引发呼吸道疾病，对师生的健康不利，本文设计了一种基于arduino单片机的遥控吸尘黑板擦，介绍了遥控吸尘黑板擦的结构设计和软件设计。遥控黑板擦是由步进电机作为驱动，由横向及纵向的长螺杆来构建二维十字坐标轴，轴上有一个吸尘和擦除模块可以通过遥控控制其运动，也可以自动选择擦除模式。

据国家有关报告1993年统计资料显示，我国的师生每年因上课吸入的粉笔灰约200g/人，患呼吸道、肺部疾病、癌症的约 20%/年。飞扬的粉笔灰对师生的个人卫生污染非常大。现阶段就社会状况而言，多媒体由于价格昂贵还未在中小学普及，大多数学校仍延续传统模式，往往要投入非常大的资金才能改善教学环境。而遥控吸尘黑板擦，可以大大减少此类资金支出。利用遥控吸尘黑板擦，改善中小学教学环境，降低师生呼吸道疾病的发病率有很大的积极作用。

1 硬件结构设计

本设备主要由驱动装置、传动机构、控制系统以及执行机构组成，其中驱动装置是由CNC拓展板搭载驱动芯片A4988 驱动 NEMA17， 电机（42步进电机）构成；为了使擦除效果更佳，Z轴采用丝杆滑台向黑板擦施加压力，以传动机构主要包含电机驱动轮，金属导轨，传动皮带三部分；控制系统支持蓝牙，红外及手柄多种控制；吸尘装置与擦除装置为该作品的执行机构核心。

驱动部分。将MCU产生频率、脉宽、步数可调系列脉冲，输入到驱动芯片A4988的步进脉冲引脚，进而可以根据需要调节擦除装置的移动速度，加速度以适应不同的工作情况。该设备还可以选择进入睡眠或唤醒状态，当无需频繁工作时，可进入睡眠模式以降低功耗。

基于经济性的考虑，传动机构采用皮带传动以降低成本。由驱动装置驱动步进电机X正（反）转以实现黑板擦在X轴方向运动；考虑到Y轴方向需要克服重力做功，故采用两个步进电机同步驱动，控制步进电机Y1和步进电机YA同速同向正（反）转来实现黑板擦在Y轴方向运 动，从而实现黑板擦在XY平面的任意轨迹运动；为了使擦除效果更佳，Z轴采用丝杆滑台向黑板擦施加压力，增大摩擦力，通过控制步进电机Z实现黑板擦在Z轴方向上的上下运动，从而实现黑板擦与黑板的接触与分离。

执行机构是由吸尘转置擦除装置集成为一体黑板盒。吸尘装置是利用高速运转的直流电机带动扇叶高速旋转形成空气流速较大的低气压区，使得吸尘装置内部气压远小于外部气压， 在内外压强差的作用下产生较强的吸附力，从而达到吸附粉尘的效果；擦除装置具备粉尘吸附及收集功能，同时还具备便于拆卸和清理的优点。

2 软件设计部分

本设备可支持蓝牙、红外遥控、手柄多种控制方式。软件流程图（如图1）蓝牙部分通过HC-05模块接收来自手机APP的数据，并将接收到数据送给MCU，MCU监测串口数据后调用数据处理函数对数据分析处理并调用相应的控制函数。

红外遥控发出的信号是一连串的二进制脉冲码。为了使其在无线传输过程中免受其他红外信号的干扰，通常都是先将其调制在特定的载波频率上，然后再经红外发射二极管发射出去，红外线接收装置则要滤除其他杂波，另接收该特定频率的信号并将其还原成二进制脉冲码。按下不同的遥控按键将在红外接收头解码后得到不同的地址码和命令码，根据对命令码的判断调用不同控制代码。

图1 软件流程图

手柄是由两个摇杆组成，摇杆L控制XY平面的二维运动，摇杆R控制Z轴方向运动实现黑板擦与黑板的接触与分离。摇杆位置的改变将会引起电位计的阻值改变，该摇杆为两个电位计X和电位计Y，分别分布于X，Y方向，摇杆的每个位置对应两个阻值x，y，由于摇杆的分压设计，可以获得个电压Vx，Vy组成一个有序数对，对此AD采集即可确定摇杆位置，在摇杆处于预定位置时，调用预置函数。

结语：本文介绍了基于arduino单片机的遥控吸尘黑板擦。方案实现不复杂，设计合理，对保障师生健康有积极作用，创新在于有不同的工作模式。