張荊沙++劉陽(yáng)??

摘要：提出了一套由電源管理芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和單片機(jī)等一系列元器件組成的便攜式無(wú)塵黑板擦的設(shè)計(jì)方案。鋰電池供電技術(shù)為裝置的續(xù)航能力提供保障，模塊化設(shè)計(jì)思路降低了裝置的后期維護(hù)難度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明依據(jù)該方案設(shè)計(jì)的裝置有效的解決了揚(yáng)塵問(wèn)題，且具有小型化、便攜式等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無(wú)塵黑板擦；鋰電池供電技術(shù)；便攜式

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.23.084

1引言

無(wú)塵黑板擦相比普通黑板擦具有擦拭揚(yáng)塵少的特點(diǎn)，能有效保護(hù)師生健康，從而很受教師和學(xué)生歡迎，大有取代傳統(tǒng)黑板擦的趨勢(shì)，具有廣泛的推廣前景。近幾年來(lái)，大量研究者們發(fā)明了多種無(wú)塵黑板擦，各有優(yōu)勢(shì)，但是避免不了的幾乎都有很多缺點(diǎn)，最明顯的例如：體積較大、僅限一塊黑板、電網(wǎng)供電、成本高等。空氣負(fù)壓原理是個(gè)很好的除塵理論，但是利用好該原理卻是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，為了達(dá)到更好的除塵效果，大多會(huì)用到高轉(zhuǎn)速大容量的電機(jī)，這樣導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路龐大復(fù)雜，而且設(shè)計(jì)的除塵裝置體積必然較大。要想基于該原理設(shè)計(jì)一款無(wú)塵黑板擦，并且解決體積、可移動(dòng)性等多種因素與除塵效果之間的矛盾，必須認(rèn)真思考重新設(shè)計(jì)整體電路。

基于上述問(wèn)題，本文提出一種采用L9110S馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)空心杯航模直流電機(jī)產(chǎn)生空氣負(fù)壓，利用單片機(jī)控制技術(shù)、鋰電池充放電技術(shù)、合理的模具設(shè)計(jì)等方法設(shè)計(jì)無(wú)塵黑板擦的方案。最后進(jìn)行了實(shí)物測(cè)試，得出有效性結(jié)論。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用STC15W408AS單片機(jī)作為主控芯片，外圍電路主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、電量檢測(cè)及顯示電路、電源管理電路、報(bào)警電路組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3電路設(shè)計(jì)及流程控制

3.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)中，電機(jī)的選用很重要，決定了黑板擦的吸塵效果和電路的主要功率?？招谋绷麟姍C(jī)就可以達(dá)到這樣的效果。其采用的是無(wú)鐵芯轉(zhuǎn)子，由于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)變化而使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性得到了極大改善。主要特性有：功耗低、重量輕、轉(zhuǎn)速高、受控性能好。

要想實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，需要搭建一個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)電路，但受限于本系統(tǒng)PCB板的面積，選擇集成芯片驅(qū)動(dòng)是一個(gè)很好的方案，電路圖如圖2所示。小容量空心杯直流電機(jī)的工作電流一般較小，本系統(tǒng)中電機(jī)所需最大電流小于2A，綜合考慮選擇L9110S作為此系統(tǒng)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，此芯片價(jià)格便宜、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、內(nèi)阻低、損耗小、可靠性高，由于采用了雙電機(jī)設(shè)計(jì)，所以需要兩片L9110S。

3.2系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

電機(jī)的啟、停會(huì)產(chǎn)生大的電壓、電流尖峰，而可能導(dǎo)致主控芯片工作不穩(wěn)定，出現(xiàn)對(duì)電機(jī)控制無(wú)效的現(xiàn)象。為了解決這一問(wèn)題，本系統(tǒng)的功率電源與控制電路電源分別設(shè)計(jì)，并且兩部分電路的參考點(diǎn)需要單點(diǎn)連接。考慮到本系統(tǒng)使用電池供電且需要小型化設(shè)計(jì)，為了最大限度地提高系統(tǒng)的續(xù)航能力和盡量減小PCB板的面積，功率電路電源和控制電路電源均采用開(kāi)關(guān)電源控制芯片來(lái)完成相應(yīng)的調(diào)壓任務(wù)。

考慮到成本和實(shí)現(xiàn)充電功能方案的簡(jiǎn)潔性，本系統(tǒng)利用TP4056鋰電池線性充電管理芯片設(shè)計(jì)了如圖3所示的充電電路。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的充電電流為1A，充電狀態(tài)可根據(jù)L8的顏色變化來(lái)判斷。裝置外側(cè)預(yù)留的是micro USB的充電接口，增強(qiáng)了裝置的兼容性。

3.3流程控制

主要流程為電量檢測(cè)與模式選擇的綜合判斷。如果電量低于臨界值，則系統(tǒng)忽略模式選擇，并報(bào)警。如果電量在正常范圍內(nèi)，則系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)的工作模式。如此設(shè)計(jì)控制流程不僅直觀展現(xiàn)了剩余的電量，最主要的是能及時(shí)提醒用戶充電，避免了電池過(guò)放損壞，提高了系統(tǒng)的使用壽命。流程圖如圖4所示。

圖4系統(tǒng)工作流程圖

4裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，包括殼體、固定桿、毛刷、濾網(wǎng)、電機(jī)、扇葉、集灰裝置、集成控制器和控制開(kāi)關(guān)；殼體呈框架結(jié)構(gòu)，在殼體表面設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱的通孔；固定桿連接在通孔內(nèi)；毛刷套接在殼體的外表面；電機(jī)固定在固定桿遠(yuǎn)離毛刷的一面；扇葉連接在電機(jī)的輸出端；集灰裝置設(shè)有兩個(gè)，其分別位于殼體兩側(cè)；集成控制器位于殼體內(nèi)，其分別連接著電機(jī)、集灰裝置和控制開(kāi)關(guān)；控制開(kāi)關(guān)位于殼體側(cè)表面。裝置的俯視圖和側(cè)視圖如圖5，圖6所示。

5結(jié)語(yǔ)

本文研究了無(wú)塵黑板擦性能的優(yōu)化問(wèn)題，提出了一種小型化的可充電式無(wú)塵黑板擦設(shè)計(jì)方案。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，基于該方案設(shè)計(jì)的無(wú)塵黑板擦具有體積小、可移動(dòng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、除塵效率高、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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