负压式自动除尘黑板擦

符永龙，杨树媛，郭 斌，谭治强，曾泽坤

（新疆农业大学 计算机与信息工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

0 引 言

黑板板书作为课堂教学的一种重要教学手段和表现形式，尤其是推导类课程如高等数学、物理、化学等的教学过程中，在黑板上通过板书进行公式单步推导，是帮助学生理清思路、加深理解的最好方法，也是提高教学质量的有效方法之一。粉笔板书是一种最为传统有效的黑板板书方式，但是粉笔板书在擦除的过程中，粉笔灰（石膏粉尘）在空气中短暂飘扬后会散落到黑板附近的物面上。有研究表明，擦拭黑板后，PM2.5、PM4、PM10的浓度均上升，粉笔灰对细颗粒物的质量浓度影响较大，会对人体产生较大危害，而教室是师生教学活动开展的主要场所，其空气质量直接关系到师生身体健康[1]。大量的粉笔灰吸入会造成鼻、咽、喉部的不适，由粉笔灰吸入引起的慢性咽炎已经成为教师的职业病之一[2]。我国劳动卫生部门在职业尘肺有关的规定中，也将长时间吸入粉笔灰作为尘肺病的病因之一。促进学校卫生管理，保护师生健康，当前粉笔灰污染的防治工作，基本是从教具的革新入手，各类无尘化板书教具相继出现，主要包括自动吸尘板擦、无尘书写白板笔和无尘粉笔三种[3]。相较于其他两种，自动吸尘板擦的优势在于无需改变现有的教室设备、使用长久、便捷等。刘春艳等人[4]通过调研分析发现，市场现推出的除尘黑板擦体积较大、成本较高、依旧未有效解决粉笔粉尘的漂浮问题。为此自动无尘板擦的进一步研究对于改善教室空气质量，减少粉尘污染显得更为重要。现有除尘黑板擦的设计原理主要以负压除尘和静电吸附为主，而静电吸附受环境湿度影响较大。刘晓磊等人[5]对静电除尘板擦的最佳工作电压数据进行测定，发现这类板擦静电吸附的效果和电压值呈线性关系，电压值越大，静电吸附效果越好，但是高压容易对人体生命安全造成危险，因此无法使用高电压值产生较强的静电吸附效应，从而也无法达到最佳的除尘效果。本文采用安全性能好、除尘效率高的负压除尘原理，设计了一个负压式除尘黑板擦，由电源管理、电机驱动、核心控制和过滤除尘等几大模块构成，旨在使用粉笔进行教学的过程中，消减粉笔粉尘在空气中的散播，为师生营造一个干净、环保的学习环境。

1 系统设计方案

1.1 结构设计

本设计实现的除尘黑板擦在整体结构上做到模块化，立体结构图和侧视图如图1和图2所示。整体外壳以长方体方舱为主体，内部由单片机控制模块、光电感应模块、电机驱动模块等组成。过滤清洁仓放置海绵活性炭组成的过滤滤材，外部设有擦拭海绵，共同构成了清洁单元。具体设计上尾部留有出气口，底部留有进气网格口，外部擦拭海绵留有间隙方便粉尘吸收。

图2 结构示意图（侧视图）

针对现有负压式除尘板擦存在的集尘模块易堵塞、更换电池需拆卸底层毛刷、控制开关繁琐等问题[6-7]，本设计采用负压除尘技术，如图1整体结构所示。本设计中尾部安装风机，风机运转，抽出系统内部空气，使整个系统内部形成负压，借助系统内外存在的气压差，通过擦拭海绵间隙的风道将粉尘吸入过滤清洁仓。本负压式除尘黑板擦动力气源置于除尘系统末端，大大减低粉尘对风扇的损耗，延长风扇轴承使用寿命。除此之外，本设计的优势还表现在以下三个方面：利用模块化结构灵活的优势，将过滤模块设计为抽屉式模型，便于抽取滤材清洁、更换；利用光电传感器响应快、性能可靠的特点，实时感应黑板擦的工作状态，从而可以自动控制除尘黑板擦电路工作；使用过程中无须改变使用者原有的板擦使用习惯。

1.2 控制流程

自动除尘黑板擦控制采用AT89C51作为主控芯片，外围功能电路主要由电机驱动电路、控制电路、电源管理电路组成。主控芯片在初始化系统后，光电传感模块处于工作状态，实时监测黑板反射的光强度变化，然后将其转换成电信号的变化来控制电路的导通和断开。当板擦靠近黑板时，光强度增强，电路导通，驱动电机转动，板擦开始完成擦黑板的工作，擦拭结束板擦离开黑板时，光强度变弱，光电传感器断开电路，电机驱动停止。板擦工作流程如图3所示。

图3 板擦工作流程

1.3 系统仿真

系统软件及流程实现后，为保证系统功能可以正常运行，绘制Proteus电路仿真如图4所示，将代码编入仿真完成理论测试。仿真采用D1、D2两个LED的亮、灭来模拟光电传感器控制电路的闭合和断开状态，时钟电路选用12 MHz频率的晶振，补偿电容选取两枚30 pF的瓷片电容，AT89C51单片机接收光电传感器采集到的信号，经过处理后发送信号控制电机驱动。

图4 Proteus电路仿真

2 模块功能设计

本负压式除尘黑板擦采用模块化设计方法，包含电路电源模块、控制模块、识别感应模块、驱动模块、过滤模块等功能模块，系统模块示意图如图5所示。

图5 系统模块示意图

2.1 电路电源模块

为实现自动除尘黑板擦整体结构轻巧便携，保证使用过程中安全、节能环保，工作时系统稳定运行，本设计采用18650锂电池供电，利用DC-DC升压模块体积小、具有较宽的输入和可调输出电压的特点，由DC-DC升压电源模块提高工作电压、稳定输出额定电压，设备提供了USB接口，支持系统Type-C充电。

2.2 核心控制模块

本设计采用低功耗高性能的AT89C51单片机作为核心主控，其有着抗干扰能力强、宽电压、不怕电源抖动的特点，单片机最小系统主要由时钟电路、复位电路、电源电路和STC89C51单片机组成[8]，符合本设计需求。晶振电路部分采用一枚12 MHz的晶振、两枚30 pF的电容，提供基本的时钟信号保证系统稳定。

2.3 环境感知模块

利用传感模块实现对环境的感知和鉴别是当前自动板擦中常用的方法。秦楠等人[9]基于多枚传感器反馈信号来控制除尘黑板擦电机的工作状态。杜春明等人[10]采用RPR220反射型传感器检测路线实现对系统的控制。分析发现这两种运行方式皆受既定轨迹影响，使得黑板擦使用过程中存在响应时间过长、误差较大等问题。鉴于光电式传感器具有非接触、响应快、响应可靠等特点，本系统采用光电传感器作为感知模块，该模块实时获取当前环境（黑板）反射的光照强度，并将其转换为电压值，当到达阈值时导通光敏二极管，实现对外电路的控制。具体实施过程中，将传感器放置在自动除尘黑板擦海绵一侧；当靠近黑板时，传感器控制电路导通，驱动模块开始工作，板擦离开黑板时电路停止工作。

2.4 驱动模块

负压式除尘的主要动力源是舱体内外的气压差。置于系统舱体尾部的高速风扇向外引流，使舱体内侧产生一个气压差，气体流动带动板擦吸附擦拭过程中产生的粉尘，经海绵擦间隙网格流入板擦内部，再由过滤模块处理，达到无尘化除尘的效果。谢小宇等人[11]经理论计算得出：转速越快，粉尘颗粒流速越快，负压吸附能力越强，合适的转速是提高黑板擦工作效率的关键因素。本系统采用高速静音风扇（额定转速为2 800 r/min），保证正常工作状态下有效吸收粉尘且做到无噪音，不影响课堂正常教学。

2.5 过滤模块

过滤模块置于自动除尘黑板擦内部，由大孔径海绵以及活性炭组成。这两种材料可以有效地过滤掉粉尘，但当粉尘积攒到一定量之后便需清理更换过滤材料。为了避免粉尘积攒过多影响气体流量，进而导致除尘效果降低，本设计的过滤模块在气流路线中位于驱动模块前端，含尘气体经过滤净化后再进入风机，有效地减少了粉尘在风扇上的附着，降低了对高速风扇轴承的损耗，同时延长了除尘黑板擦的使用周期。

3 结 语

本文从分析传统黑板擦产生的粉尘问题入手，基于大众常规使用的普通黑板擦，设计了一款自动处理粉笔粉尘的新型黑板擦，通过使用烟雾模拟擦拭黑板产生粉尘的环境，观察烟雾流向及流动速度，该板擦的烟雾吸收效果较好，使用过程中系统稳定，传感器反应敏捷，启动速度快。对比同类型除尘黑板擦，此款设计具有传感器自动感知环境、有效处理粉尘无噪音、使用便捷、生产成本低等优势，可以提高教室的环境质量，营造更好的教学环境，保护师生身体健康，具有大面积推广的价值。