劉曉洲　黃梓航　陳嘉成　周鑒潮

摘 要：粉筆和黑板是課堂必不可少的工具，但清潔黑板是一件費(fèi)時費(fèi)力的事情。針對擦黑板的難題，本文介紹含有兩種清潔方式的黑板自動清潔裝置，該裝置通過安裝在黑板上下的導(dǎo)軌固定，電機(jī)帶動滾輪旋轉(zhuǎn)使裝置可左右移動，具備高速旋轉(zhuǎn)的刷棍和帶噴水裝置的清潔棍兩種清潔方式，可獨(dú)立工作也可配合清潔。裝置操控方便，靈活性高，實(shí)用性強(qiáng)，能有效解決黑板清潔問題。

關(guān)鍵詞：黑板清潔；自動清潔；創(chuàng)新設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.127

0 引言

課堂教學(xué)中，教師在承擔(dān)繁重教學(xué)任務(wù)的同時，也需負(fù)責(zé)黑板的清潔工作。擦黑板既增加了教師的工作負(fù)擔(dān)，在一定程度上也浪費(fèi)了寶貴課堂時間。黑板教學(xué)主要采用的粉筆，其粉塵污染對師生身體的損害也不容忽視。采用板擦的傳統(tǒng)黑板清潔方法既浪費(fèi)時間也不衛(wèi)生，存在種種弊端。因此，設(shè)計一種可自動清潔黑板的裝置具有重要的實(shí)用意義，既能高效的清潔黑板，也能節(jié)省時間和勞動力，達(dá)到提高教學(xué)效率和改善教學(xué)環(huán)境的目的。

本文針對上述問題，在研究具備兩種清潔方式的黑板自動清潔裝置結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用SolidWorks軟件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計建模，并對其控制和操作方式及相關(guān)硬件、軟件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，制作了該裝置樣機(jī)。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計的合理性，達(dá)到了預(yù)期的功能需求。

1 方案設(shè)計

整體清潔裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，由黑板、導(dǎo)軌、滾輪、滾刷、電機(jī)、蓄電池、噴水等組件構(gòu)成，裝置左右移動，通過滾刷清潔黑板。

1.1 裝置橫向移動方案設(shè)計

裝置上下通過角碼連接滾輪，滾輪固定在導(dǎo)軌中使得裝置可移動。在圖1中的一號電機(jī)（圖1中8）安裝一滾輪，使其與墻壁接觸，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，滾輪與墻壁產(chǎn)生的摩擦力可帶動整個裝置的移動?？赏ㄟ^控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)選擇裝置的移動方向。

1.2 裝置清潔黑板方案設(shè)計

裝置有兩種清潔方式。一種是通過二號電機(jī)（圖1中5）帶動一號刷棍（圖1中3）高速旋轉(zhuǎn)，擦拭黑板。另一種是配合噴水裝置，先將黑板噴濕后，通過三號電機(jī)（圖1中6）將帶有擦布的二號刷棍（圖1中4）固定，增大與黑板的摩擦力，再通過裝置的左右移動擦凈黑板。兩種清潔方式可單獨(dú)使用，也可配合使用，清潔方式靈活可變。

1.3 裝置清潔方式的選擇

通過控制四號電機(jī)（圖1中7）的轉(zhuǎn)動方向與角度，可選擇其中一種清潔方式，使該清潔方式的刷棍與黑板接觸，再通過該清潔方式的電機(jī)轉(zhuǎn)動來清潔黑板。

1.4 裝置的噴灑水方案設(shè)計

采用12V直流小水泵放置在一小水箱中，水泵出口與水管連接，再安裝4個噴灑頭并固定于裝置上方，通過控制水泵的啟停，即可控制噴灑水功能的運(yùn)行與停止。

1.5 裝置的電源方案設(shè)計

裝置電源由一3000毫安蓄電池提供，將蓄電池與開關(guān)降壓板連接后，由開關(guān)降壓板分配電源。裝置中電機(jī)均使用12V直流電壓供電，單片機(jī)電路及噴水裝置則使用6V直流電壓供電。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

裝置外框由四塊板通過角碼固定并連接成一個矩形框，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由一根中軸以及固定在其上下兩端的兩塊擋板組成。外框材料使用有機(jī)玻璃制作，具有較好的力學(xué)性能和耐候性，易于加工且外觀優(yōu)美。

一號板位于外框的頂端。圖3中1所示的兩條空隙用于固定角碼。角碼的另一端連接著吊輪用于固定裝置。開孔為條形而非圓形是為了安裝時可以自由調(diào)節(jié)角碼的位置，進(jìn)而調(diào)節(jié)裝置距離黑板的最佳位置。圖3中2所示的兩個小孔用于固定軸承座。圖3中3所示的孔用于主軸穿過，并通過固定的軸承座將內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外框連接起來。圖3中4所示的孔用于電機(jī)軸通過，電機(jī)軸連接滾輪帶動裝置移動。

二號板位于外框的底端，與一號板設(shè)計基本相同，唯一不同之處是少了一號板中插入電機(jī)的孔位。

裝置內(nèi)部采用中軸固定上下兩塊端板的基本結(jié)構(gòu)，在端板上可固定用于兩種清潔方式的各部件，如圖4。

三號板通過中軸并用軸承座固定于中軸頂端位置。圖5中1孔與2孔用于讓電機(jī)轉(zhuǎn)軸插入，電機(jī)轉(zhuǎn)軸與刷棍連接，可帶動刷棍轉(zhuǎn)動。圖5中3孔用于中軸穿過。圖5中4孔用于固定軸承座。

四號板與三號板結(jié)構(gòu)基本相同，通過主軸并用軸承座將其固定在主軸底端位置。 將上述基本結(jié)構(gòu)部件裝配后效果如圖6。

3 控制部分設(shè)計

本裝置的基本控制方式采用紅外線遙控，控制器根據(jù)遙控指令輸出PWM信號來控制裝置中電機(jī)的起停、正反向、加減速等。系統(tǒng)中主控制器采用ATmega 48單片機(jī)，其PC0..5用于控制電機(jī)、水泵。其中PC0、PC1與PC2、PC3引腳分別用于控制主動力電機(jī)與旋轉(zhuǎn)毛刷，通過L298N控制電路板，能用信號反接的方法實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，用PWM實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的功能。PC4引腳用于驅(qū)動水泵，通過外接ULN2003驅(qū)動器控制水泵的工作狀態(tài)，用于產(chǎn)生水噴霧，達(dá)到更好的潔凈效果。PD2引腳則是用于紅外線信號的接收與識別，用于控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)。系統(tǒng)控制程序流程如圖7所示。

4 結(jié)論

現(xiàn)代社會，智能、自動化的理念已深入人心，黑板自動清潔裝置的設(shè)計便是出于自動化的理念。本清潔裝置具有合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)和自動化的控制方式，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)，該裝置可以高效、全面的清潔黑板，代替了老師與學(xué)生的勞動力，能大大提高課堂的效率。

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作者信息：劉曉洲（1993-），男，廣東惠州人，本科，研究方向：電力系統(tǒng)自動化。