符永龍，楊樹媛，郭 斌，譚治強，曾澤坤

（新疆農(nóng)業(yè)大學 計算機與信息工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引 言

黑板板書作為課堂教學的一種重要教學手段和表現(xiàn)形式，尤其是推導類課程如高等數(shù)學、物理、化學等的教學過程中，在黑板上通過板書進行公式單步推導，是幫助學生理清思路、加深理解的最好方法，也是提高教學質(zhì)量的有效方法之一。粉筆板書是一種最為傳統(tǒng)有效的黑板板書方式，但是粉筆板書在擦除的過程中，粉筆灰（石膏粉塵）在空氣中短暫飄揚后會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的濃度均上升，粉筆灰對細顆粒物的質(zhì)量濃度影響較大，會對人體產(chǎn)生較大危害，而教室是師生教學活動開展的主要場所，其空氣質(zhì)量直接關(guān)系到師生身體健康[1]。大量的粉筆灰吸入會造成鼻、咽、喉部的不適，由粉筆灰吸入引起的慢性咽炎已經(jīng)成為教師的職業(yè)病之一[2]。我國勞動衛(wèi)生部門在職業(yè)塵肺有關(guān)的規(guī)定中，也將長時間吸入粉筆灰作為塵肺病的病因之一。促進學校衛(wèi)生管理，保護師生健康，當前粉筆灰污染的防治工作，基本是從教具的革新入手，各類無塵化板書教具相繼出現(xiàn)，主要包括自動吸塵板擦、無塵書寫白板筆和無塵粉筆三種[3]。相較于其他兩種，自動吸塵板擦的優(yōu)勢在于無需改變現(xiàn)有的教室設(shè)備、使用長久、便捷等。劉春艷等人[4]通過調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，市場現(xiàn)推出的除塵黑板擦體積較大、成本較高、依舊未有效解決粉筆粉塵的漂浮問題。為此自動無塵板擦的進一步研究對于改善教室空氣質(zhì)量，減少粉塵污染顯得更為重要?，F(xiàn)有除塵黑板擦的設(shè)計原理主要以負壓除塵和靜電吸附為主，而靜電吸附受環(huán)境濕度影響較大。劉曉磊等人[5]對靜電除塵板擦的最佳工作電壓數(shù)據(jù)進行測定，發(fā)現(xiàn)這類板擦靜電吸附的效果和電壓值呈線性關(guān)系，電壓值越大，靜電吸附效果越好，但是高壓容易對人體生命安全造成危險，因此無法使用高電壓值產(chǎn)生較強的靜電吸附效應，從而也無法達到最佳的除塵效果。本文采用安全性能好、除塵效率高的負壓除塵原理，設(shè)計了一個負壓式除塵黑板擦，由電源管理、電機驅(qū)動、核心控制和過濾除塵等幾大模塊構(gòu)成，旨在使用粉筆進行教學的過程中，消減粉筆粉塵在空氣中的散播，為師生營造一個干凈、環(huán)保的學習環(huán)境。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計實現(xiàn)的除塵黑板擦在整體結(jié)構(gòu)上做到模塊化，立體結(jié)構(gòu)圖和側(cè)視圖如圖1和圖2所示。整體外殼以長方體方艙為主體，內(nèi)部由單片機控制模塊、光電感應模塊、電機驅(qū)動模塊等組成。過濾清潔倉放置海綿活性炭組成的過濾濾材，外部設(shè)有擦拭海綿，共同構(gòu)成了清潔單元。具體設(shè)計上尾部留有出氣口，底部留有進氣網(wǎng)格口，外部擦拭海綿留有間隙方便粉塵吸收。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖（側(cè)視圖）

針對現(xiàn)有負壓式除塵板擦存在的集塵模塊易堵塞、更換電池需拆卸底層毛刷、控制開關(guān)繁瑣等問題[6-7]，本設(shè)計采用負壓除塵技術(shù)，如圖1整體結(jié)構(gòu)所示。本設(shè)計中尾部安裝風機，風機運轉(zhuǎn)，抽出系統(tǒng)內(nèi)部空氣，使整個系統(tǒng)內(nèi)部形成負壓，借助系統(tǒng)內(nèi)外存在的氣壓差，通過擦拭海綿間隙的風道將粉塵吸入過濾清潔倉。本負壓式除塵黑板擦動力氣源置于除塵系統(tǒng)末端，大大減低粉塵對風扇的損耗，延長風扇軸承使用壽命。除此之外，本設(shè)計的優(yōu)勢還表現(xiàn)在以下三個方面：利用模塊化結(jié)構(gòu)靈活的優(yōu)勢，將過濾模塊設(shè)計為抽屜式模型，便于抽取濾材清潔、更換；利用光電傳感器響應快、性能可靠的特點，實時感應黑板擦的工作狀態(tài)，從而可以自動控制除塵黑板擦電路工作；使用過程中無須改變使用者原有的板擦使用習慣。

1.2 控制流程

自動除塵黑板擦控制采用AT89C51作為主控芯片，外圍功能電路主要由電機驅(qū)動電路、控制電路、電源管理電路組成。主控芯片在初始化系統(tǒng)后，光電傳感模塊處于工作狀態(tài)，實時監(jiān)測黑板反射的光強度變化，然后將其轉(zhuǎn)換成電信號的變化來控制電路的導通和斷開。當板擦靠近黑板時，光強度增強，電路導通，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，板擦開始完成擦黑板的工作，擦拭結(jié)束板擦離開黑板時，光強度變?nèi)?，光電傳感器斷開電路，電機驅(qū)動停止。板擦工作流程如圖3所示。

圖3 板擦工作流程

1.3 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)軟件及流程實現(xiàn)后，為保證系統(tǒng)功能可以正常運行，繪制Proteus電路仿真如圖4所示，將代碼編入仿真完成理論測試。仿真采用D1、D2兩個LED的亮、滅來模擬光電傳感器控制電路的閉合和斷開狀態(tài)，時鐘電路選用12 MHz頻率的晶振，補償電容選取兩枚30 pF的瓷片電容，AT89C51單片機接收光電傳感器采集到的信號，經(jīng)過處理后發(fā)送信號控制電機驅(qū)動。

圖4 Proteus電路仿真

2 模塊功能設(shè)計

本負壓式除塵黑板擦采用模塊化設(shè)計方法，包含電路電源模塊、控制模塊、識別感應模塊、驅(qū)動模塊、過濾模塊等功能模塊，系統(tǒng)模塊示意圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)模塊示意圖

2.1 電路電源模塊

為實現(xiàn)自動除塵黑板擦整體結(jié)構(gòu)輕巧便攜，保證使用過程中安全、節(jié)能環(huán)保，工作時系統(tǒng)穩(wěn)定運行，本設(shè)計采用18650鋰電池供電，利用DC-DC升壓模塊體積小、具有較寬的輸入和可調(diào)輸出電壓的特點，由DC-DC升壓電源模塊提高工作電壓、穩(wěn)定輸出額定電壓，設(shè)備提供了USB接口，支持系統(tǒng)Type-C充電。

2.2 核心控制模塊

本設(shè)計采用低功耗高性能的AT89C51單片機作為核心主控，其有著抗干擾能力強、寬電壓、不怕電源抖動的特點，單片機最小系統(tǒng)主要由時鐘電路、復位電路、電源電路和STC89C51單片機組成[8]，符合本設(shè)計需求。晶振電路部分采用一枚12 MHz的晶振、兩枚30 pF的電容，提供基本的時鐘信號保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.3 環(huán)境感知模塊

利用傳感模塊實現(xiàn)對環(huán)境的感知和鑒別是當前自動板擦中常用的方法。秦楠等人[9]基于多枚傳感器反饋信號來控制除塵黑板擦電機的工作狀態(tài)。杜春明等人[10]采用RPR220反射型傳感器檢測路線實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。分析發(fā)現(xiàn)這兩種運行方式皆受既定軌跡影響，使得黑板擦使用過程中存在響應時間過長、誤差較大等問題。鑒于光電式傳感器具有非接觸、響應快、響應可靠等特點，本系統(tǒng)采用光電傳感器作為感知模塊，該模塊實時獲取當前環(huán)境（黑板）反射的光照強度，并將其轉(zhuǎn)換為電壓值，當?shù)竭_閾值時導通光敏二極管，實現(xiàn)對外電路的控制。具體實施過程中，將傳感器放置在自動除塵黑板擦海綿一側(cè)；當靠近黑板時，傳感器控制電路導通，驅(qū)動模塊開始工作，板擦離開黑板時電路停止工作。

2.4 驅(qū)動模塊

負壓式除塵的主要動力源是艙體內(nèi)外的氣壓差。置于系統(tǒng)艙體尾部的高速風扇向外引流，使艙體內(nèi)側(cè)產(chǎn)生一個氣壓差，氣體流動帶動板擦吸附擦拭過程中產(chǎn)生的粉塵，經(jīng)海綿擦間隙網(wǎng)格流入板擦內(nèi)部，再由過濾模塊處理，達到無塵化除塵的效果。謝小宇等人[11]經(jīng)理論計算得出：轉(zhuǎn)速越快，粉塵顆粒流速越快，負壓吸附能力越強，合適的轉(zhuǎn)速是提高黑板擦工作效率的關(guān)鍵因素。本系統(tǒng)采用高速靜音風扇（額定轉(zhuǎn)速為2 800 r/min），保證正常工作狀態(tài)下有效吸收粉塵且做到無噪音，不影響課堂正常教學。

2.5 過濾模塊

過濾模塊置于自動除塵黑板擦內(nèi)部，由大孔徑海綿以及活性炭組成。這兩種材料可以有效地過濾掉粉塵，但當粉塵積攢到一定量之后便需清理更換過濾材料。為了避免粉塵積攢過多影響氣體流量，進而導致除塵效果降低，本設(shè)計的過濾模塊在氣流路線中位于驅(qū)動模塊前端，含塵氣體經(jīng)過濾凈化后再進入風機，有效地減少了粉塵在風扇上的附著，降低了對高速風扇軸承的損耗，同時延長了除塵黑板擦的使用周期。

3 結(jié) 語

本文從分析傳統(tǒng)黑板擦產(chǎn)生的粉塵問題入手，基于大眾常規(guī)使用的普通黑板擦，設(shè)計了一款自動處理粉筆粉塵的新型黑板擦，通過使用煙霧模擬擦拭黑板產(chǎn)生粉塵的環(huán)境，觀察煙霧流向及流動速度，該板擦的煙霧吸收效果較好，使用過程中系統(tǒng)穩(wěn)定，傳感器反應敏捷，啟動速度快。對比同類型除塵黑板擦，此款設(shè)計具有傳感器自動感知環(huán)境、有效處理粉塵無噪音、使用便捷、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢，可以提高教室的環(huán)境質(zhì)量，營造更好的教學環(huán)境，保護師生身體健康，具有大面積推廣的價值。