嵌入式智能无尘板擦的设计
时间：2022-05-27 01:39:03
【摘要】针对目前中国大多数教室黑板的使用情况，为了使广大师生减少粉笔灰对健康以及环境造成的影响。设计了一种新型的智能无尘板擦装置。该系统由ARM9作为控制器，步进电机为动力源，导轨和滑块组成传动装置，带动板擦做左右上下移动来擦除粉笔字。最后由一个小型吸尘器作为除尘装置。本系统具有操作方便，环保，自动化程度高等特点。
1.前言
自我们上学开始，黑板就一直跟我们紧密相连。然而，粉笔灰对人体和环境的危害也是显而易见的。粉笔无毒，但粉笔灰有害！粉笔灰的微粒子有很强的病菌吸附能力，主要成份为碳酸钙（石灰石）和硫酸钙（石膏），氧化钙，以及其它少量的金属及重金属元素。即使后期出现的改进型无尘粉笔，只不过是在原始粉笔中加入油脂或聚醇类物质作粘合剂，再加入比重较大的原料，使粉笔的比重和体积都增大，不易飞散，但在实际应用中效果并不明显。在整个教学过程中依旧会产生大量粉尘，长时间飘浮在空气中，严重污染室内空气。对教师和学生的呼吸系统，皮肤，耳，鼻，喉部容易造成炎症。学生担负擦黑板任务又从早到晚在教室，粉笔灰对抵抗力较差的未成年学生的健康危害更大。
2.板擦系统的组成及功能介绍
该系统主要组成部分：触摸屏模块，嵌入式开发板，机械传动装置，摄像模块。图1所示为该系统的组成关系：
图1 系统组成框图
首先，安装在黑板前端的摄像头将黑板上的实时情况传给控制器，控制器通过处理将图像呈现在触摸屏上，触摸屏随时待机。当触摸屏受到外部中断请求时，触摸屏读取当前坐标并画点，最后在屏上显示一个待清洁区域。当按下确定键后控制器就会发出控制信号，执行机构就会将待擦除的区域擦除干净，并将粉末回收到回收盒。
3.系统各部分硬件设计
3.1 触摸屏
触摸屏（touch screen）又称触控屏或触摸面板。它是一种可以接收触头等输入信号的感应式液晶显示装置。当触控笔头接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统就会根据预先设定好的程序驱动各种连接装置，用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示器呈现出生动的影音效果。触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。
该系统采用四线电阻触摸屏（如图2所示），这种触控屏是利用压力感应进行控制。电阻屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏。它是一种多层的复合薄膜，它以一层硬塑料面板或者玻璃作为基层，表面涂有一层透明氧化金属（透明的导电电阻）导电层，上面再盖有一层外表面经过硬化处理，光滑
防擦的塑料层，他的内表面也涂有一层由许多细小的透明隔离点将内外导电层隔离绝缘。当手指或触控笔接触屏幕是，两层导电层在触摸点就有了接触，电阻发生了变化。在X和Y两个方向上就产生了信号并送到控制器。控制器侦测到这一接触并计算出（X，Y）的位置，再根据模拟鼠标的方式操作，这就是电阻触摸屏的工作原理。
图2 触摸屏原理图
3.2 传动装置设计方案
该装置是配合触摸屏和开发板共同完成擦除黑板字迹的任务。在接收到CPU发出的控制信号后。通过步进电机控制板擦的移动。
图3 黑板擦结构图
当有人在触摸屏上划下一个区域时，系统会提示是否将区域内的粉笔字擦除。当按下确定键后，CPU就发出控制信号，控制步进电机带动导轨上的滑块运动。在黑板的上下沿分别装有一条导轨，与黑板的边沿平行。导轨上有滑块，可带动板擦做左右方向的运动。在两个导轨之间有一条连动轴，他的作用是使上下导轨的滑块能够同步运动。在滑块上同时还装有一条纵向的导轨，导轨上也装有步进电机和滑块，而在滑块上固定了一块板擦，主要是用来带动板擦做上下方向的运动。当板擦运动到待擦区域时，电磁铁吸合，板擦与黑板表面接触，板擦按照设定的程序运动，完成擦黑板的任务。同时吸尘器打开，对飞扬的粉笔灰进行吸收并送到黑板下方的收尘盒内（如图3所示）。
3.3 步进电机的工作原理
该系统的动力源主要采用步进电机来实现。这里所用的步进电机是两相混合式步进电机。型号为57BYG250-56，57代表步进电机的机座边长为57mm，BYG代表混合式步进电机，2代表是两相，50代表点击转子的齿数，50个齿的步进电机的步距角为1.8°它的电磁转矩为0.9nm。
步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器。它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口。
步进电机驱动器主要采用2M542-N两相混合式步进驱动器。它是一款等角度恒力矩细分型驱动器。驱动器电压直流为24-58V，适配电流在4.2A以下，外径为42，57mm的各种型号两相混合式步进电机。该驱动器内部采用类似伺服控制原理的电路。此电路可以使电机低速运行平稳，几乎没有振动和噪音，发热小。步进脉冲停止超过100m/S，驱动器电流自动减半，定位精度最高可过25600步/转。图4所示为不见电机驱动器连接图。
图4 步进电机驱动器连线图
4.智能板擦系统的特点
经过我们研究设计、比较，本系统有以下特点。
（1）处理能力强、速度快：本系统采用的是32位ARM 9系列的CPU。从我们理论上的分析来看，本系统在机械结构损害低、电机力矩不变的情况下可以长时间正常运行。实时性好，教师在屏上确定所需的擦除位置一按确定键，CPU立即控制机械传动装置快速完成清洁工作。
（2）环保、减小危害：本系统采用吸尘器吸附技术，在板擦与黑板摩擦清洁时吸尘器将粉尘吸进管道并回收到回收盒中，当回收盒满了时可以轻松将盒内的粉笔灰倒掉。做到实时回收保护环境与人体健康。从此，教师上课告别了受粉尘影响的困境。
（3）结构简单、经济实用：本系统分为控制和机械结构两部分。控制部分由S3C2440 CPU处理;机械部分由电机带动板擦在X轴做左右方向运动、带动板擦在Y轴做上下方向清洁。
（4）操作方便，容易上手：本系统采用的是触摸式擦黑板技术。操作简便，只需用触摸笔或手指在屏上轻轻画上一个范围，再按下确定键，CPU便控制机械部分自动地将黑板清洁干净，无论是老师、学生或其他操作人员均可放心使用。
（5）市场范围广，发展前景好。无论是从小学还是到大学，黑板都是必不可少的，本系统面向的是整个受教育过程。
5.结束语
现阶段绝大多数教室还是采用传统的手动擦黑板的模式。老师和学生在擦黑板时飞扬的粉尘极易落到人的衣服和皮肤上，甚至被人吸入口鼻造成人体危害。同时洒落的粉笔灰容易造成教室环境的污染，清理起来也十分麻烦。本系统可实现自动擦除粉笔字，并将粉笔灰自动回收，方便快捷。使讲台环境干净整洁，避免粉笔灰对老师和学生造成的危害。推广性和实用性都很好。
参考文献
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[2]胡震禹，万卉.新型电动黑板擦吸尘器的研制[J].中国现代教育装备，2008.
[3]雷晓钧，李金铎.新型防尘黑板擦的研制[J].科技传播，2013，3.
[4]任志刚等.粉笔尘对教师健康危害的研究[J].中国学校卫生，2002，4.
作者简介：朱彬（1987―），男，宁夏银川人，北方民族大学硕士研究生，研究方向：计算机控制系统。
