張家源 王其申 常雪嬌 馬惜平

摘? ?要：本設(shè)計(jì)基于STM32單片機(jī)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)伺服黑板擦。系統(tǒng)由信息控制處理模塊、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)單元模塊、電路電源模塊、粉塵收集模塊等，使擦黑板環(huán)節(jié)更高效，環(huán)境更潔凈，師生更健康。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)、多媒體、人工智能等相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)與普及，為了滿足廣大師生對(duì)于教學(xué)設(shè)施更為符合人性化設(shè)置的高端教學(xué)需求，眾多與教育相關(guān)的教學(xué)設(shè)備例如智能黑板等進(jìn)而被發(fā)明和產(chǎn)生， 這是新技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)及方向所致。但是現(xiàn)有的高端教學(xué)設(shè)備有著成本高，智能性差的缺點(diǎn)，特別是還存在工程量較大的問(wèn)題，難以進(jìn)行普及，為此我們從體積小巧的黑板擦入手，進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：黑板擦? STM32單片機(jī)? 伺服驅(qū)動(dòng)? 激光識(shí)別? 粉塵收集

1? 產(chǎn)品研究?jī)?nèi)容

智能伺服型黑板擦主要是由驅(qū)動(dòng)裝置，控制裝置，粉塵收集裝置，激光識(shí)別控制裝置四部分組成。系統(tǒng)以STM32芯片為控制核心， 采用DSM501A傳感器測(cè)量PM2.5、DHT11傳感器測(cè)量溫濕度、伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)控制黑板擦運(yùn)動(dòng)，各裝置模塊分行其職，配合緊密，共同完成擦除工作（見(jiàn)圖1）。

使用者只需用特定的標(biāo)記筆在黑板上的擦除區(qū)域進(jìn)行選擇型圈圖，系統(tǒng)通過(guò)激光識(shí)別裝置在黑板上定位，會(huì)將擦除區(qū)域信息傳送至信息控制處理模塊進(jìn)行預(yù)處理，再將處理好的信息通過(guò)主控電路傳送至驅(qū)動(dòng)裝置模塊，然后便對(duì)黑板的特定區(qū)域進(jìn)行擦除，工作的同時(shí)粉塵收集裝置會(huì)對(duì)雜質(zhì)粉塵進(jìn)行收集。擦拭結(jié)束后，智能黑板擦能根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的程序恢復(fù)到黑板左上角的默認(rèn)初始位置。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 識(shí)別設(shè)計(jì)單元模塊

黑板邊緣處的X，Y軸能將黑板分割成無(wú)數(shù)個(gè)云點(diǎn)，用于識(shí)別設(shè)計(jì)單元模塊進(jìn)行定位。運(yùn)用測(cè)距原理測(cè)量光往返目標(biāo)所需要時(shí)間，然后通過(guò)光速c=299792458m/s和大氣折射系數(shù)n計(jì)算出距離D。激光光束通過(guò)黑板邊緣處特定裝置的調(diào)制經(jīng)過(guò)電子裝置發(fā)射出來(lái)，遇到高速率旋轉(zhuǎn)的粒子時(shí)能在光學(xué)棱鏡表面發(fā)生反射，最后以一個(gè)特地的角度α返回黑板表面，這樣就通過(guò)光學(xué)信息完成了對(duì)黑板表面的實(shí)況采集。

2.2 信息控制處理模塊

STM32微控制器是一款集成電路芯片， 包括一系列結(jié)合高性能以及低功耗和低電壓操作的32位產(chǎn)品， 具有高集成度和易于開(kāi)發(fā)的特性。STM32具有集成嵌入式閃存SRAM存儲(chǔ)器和ARM Cortex-M3內(nèi)核， 可與所有ARM工具和軟件兼容。信息控制處理模塊以STM32芯片為控制核心， 能夠高效精準(zhǔn)地完成所有信息輸入的處理以及指令的輸出，兼顧保持信息的完整性。

2.3 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)單元模塊

驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)單元模塊通過(guò)接收STM32單片機(jī)中信息控制處理模塊處理過(guò)的信號(hào)信息，傳至伺服驅(qū)動(dòng)器組中完成對(duì)黑板的擦除等工作。模塊中伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)組由三個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)組成，分別控制著黑板擦在黑板這個(gè)三維空間上的每一個(gè)動(dòng)作，X，Y軸方向的伺服電機(jī)主要負(fù)責(zé)在黑板平面上確定運(yùn)動(dòng)在要擦除的點(diǎn)，而Z軸上的伺服電機(jī)則負(fù)責(zé)在對(duì)應(yīng)擦除的區(qū)域放下黑板擦粉塵收集裝置，對(duì)定點(diǎn)擦除區(qū)域進(jìn)行擦除和粉塵的定點(diǎn)收集。之后通過(guò)激光識(shí)別設(shè)計(jì)單元對(duì)擦除區(qū)域的識(shí)別，將信息傳送至信息控制處理模塊，若判斷已經(jīng)擦除干凈，則返回在黑板左上角的默認(rèn)初始位置，否則對(duì)擦除區(qū)域進(jìn)行二次擦除和粉塵的收集。

2.4 電路電源模塊

電路電源模塊能夠針對(duì)不同去向的電能通過(guò)接入出口端的智能伺服變壓器變壓，其中激光定位裝置，伺服驅(qū)動(dòng)裝置，粉塵收集裝置經(jīng)過(guò)變壓后，可以達(dá)到對(duì)應(yīng)裝置的額定電壓，從而使整個(gè)智能黑板擦系統(tǒng)有一個(gè)完整的能源動(dòng)力。智能伺服變壓器的工作原理可以歸結(jié)為利用伺服系統(tǒng)的閉環(huán)和半閉環(huán)控制，通過(guò)智能傳感元件對(duì)負(fù)載進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，自動(dòng)監(jiān)測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器的功率、電壓、電流，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)需要多少能量，伺服變壓器就輸出多少能量，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能降耗。

2.5 粉塵收集模塊

粉塵收集模塊由DSM501A傳感器和特制的黑板擦頭兩部分組成。DSM501A傳感器利用激光散射原理連續(xù)采集數(shù)據(jù) （每隔1 s采集1次） 并計(jì)算單位體積空氣中浮物顆粒的個(gè)數(shù)， 再將其換算為濃度， 然后將濃度的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出， 實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中物質(zhì)濃度的監(jiān)測(cè)，從而檢測(cè)是否完成擦除指令。黑板擦頭采用四個(gè)“U”型設(shè)計(jì)的小擦頭來(lái)配合灰塵吸收器完成擦除吸收灰塵等工作，小擦頭使用滾筒海綿清塵技術(shù)，灰塵吸收器則應(yīng)用納米級(jí)過(guò)濾器。它不同于傳統(tǒng)的平面擦頭，四周多采用膠墊內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)，從而緩輕噪音過(guò)大和灰塵揚(yáng)起帶來(lái)的問(wèn)題。此外，在整個(gè)裝置的中央底下還放置有一個(gè)粉塵感應(yīng)收集器， 用它和單片機(jī)相互協(xié)同配合，能夠高效完成灰塵的收集與清除，使黑板面更潔凈。

3? 應(yīng)用及特色

本智能伺服黑板擦的特色顯著，具體體現(xiàn)在：第一，產(chǎn)品主體中心運(yùn)用STM32作為其處理器，并兼用激光定位裝置，對(duì)于問(wèn)題處的識(shí)別能變得更加高效，且相對(duì)于攝像頭來(lái)說(shuō)成本占優(yōu);核心芯板體積小巧，功能強(qiáng)大，具有容錯(cuò)率和可操作性，同時(shí)易于更換。第二，動(dòng)力方面依靠伺服驅(qū)動(dòng)和鋼絲繩傳動(dòng)為核心的機(jī)械系統(tǒng)：電源電路模塊通過(guò)變壓能夠確保黑板擦的伺服電機(jī)穩(wěn)定在額定工作電壓，從而提供完整的動(dòng)力支撐;機(jī)械傳動(dòng)裝置的輔助作用保證了產(chǎn)品運(yùn)作的精確性，零件之間的配合協(xié)調(diào)能使整個(gè)流程更加流暢。第三，傳統(tǒng)黑板擦帶來(lái)的灰塵揚(yáng)塵往往會(huì)給師生附加健康隱患，污染教室環(huán)境。本產(chǎn)品內(nèi)設(shè)的灰塵吸附模塊，能及時(shí)清理擦拭過(guò)程中產(chǎn)生的粉筆灰塵，從而最大限度地減少灰塵對(duì)師生健康的影響;擦板能夠用于儲(chǔ)塵的容量大，因而不需要頻繁更換，通常一周更換2～3次即可。

本產(chǎn)品定位更加準(zhǔn)確、成本更加低廉，且使用更為方便，可在大中小學(xué)實(shí)現(xiàn)普及，有一定的推廣意義。

4? 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于智能課堂的完整實(shí)現(xiàn)，我們一直在考慮如何從較小的細(xì)節(jié)方面入手，黑板擦雖不是舞臺(tái)的主角，但它也在這場(chǎng)“演出”中扮演了舉足輕重的角色。大可不必實(shí)現(xiàn)類似全自動(dòng)智能教學(xué)那樣滿含技術(shù)高度的效果，這樣反而會(huì)暴露出工程量浩大，推廣時(shí)間冗長(zhǎng)等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，一個(gè)小小黑板擦，便能為教學(xué)過(guò)程帶來(lái)該有的便捷。

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