便攜式電動無塵黑板擦的設計

張荊沙++劉陽??

摘要：提出了一套由電源管理芯片、電機驅動器和單片機等一系列元器件組成的便攜式無塵黑板擦的設計方案。鋰電池供電技術為裝置的續航能力提供保障，模塊化設計思路降低了裝置的后期維護難度。實驗結果表明依據該方案設計的裝置有效的解決了揚塵問題，且具有小型化、便攜式等特點。

關鍵詞：無塵黑板擦；鋰電池供電技術；便攜式

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.23.084

1引言

無塵黑板擦相比普通黑板擦具有擦拭揚塵少的特點，能有效保護師生健康，從而很受教師和學生歡迎，大有取代傳統黑板擦的趨勢，具有廣泛的推廣前景。近幾年來，大量研究者們發明了多種無塵黑板擦，各有優勢，但是避免不了的幾乎都有很多缺點，最明顯的例如：體積較大、僅限一塊黑板、電網供電、成本高等。空氣負壓原理是個很好的除塵理論，但是利用好該原理卻是設計中的難點，為了達到更好的除塵效果，大多會用到高轉速大容量的電機，這樣導致驅動電路龐大復雜，而且設計的除塵裝置體積必然較大。要想基于該原理設計一款無塵黑板擦，并且解決體積、可移動性等多種因素與除塵效果之間的矛盾，必須認真思考重新設計整體電路。

基于上述問題，本文提出一種采用L9110S馬達驅動器驅動空心杯航模直流電機產生空氣負壓，利用單片機控制技術、鋰電池充放電技術、合理的模具設計等方法設計無塵黑板擦的方案。最后進行了實物測試，得出有效性結論。

2系統設計方案

本系統采用STC15W408AS單片機作為主控芯片，外圍電路主要由電機驅動電路、控制電路、電量檢測及顯示電路、電源管理電路、報警電路組成。系統結構框圖如圖1所示。

3電路設計及流程控制

3.1電機驅動電路設計

整個系統中，電機的選用很重要，決定了黑板擦的吸塵效果和電路的主要功率。空心杯直流電機就可以達到這樣的效果。其采用的是無鐵芯轉子，由于轉子的結構變化而使電動機的運轉特性得到了極大改善。主要特性有：功耗低、重量輕、轉速高、受控性能好。

要想實現直流電機的正反轉，需要搭建一個H橋驅動電路，但受限于本系統PCB板的面積，選擇集成芯片驅動是一個很好的方案，電路圖如圖2所示。小容量空心杯直流電機的工作電流一般較小，本系統中電機所需最大電流小于2A，綜合考慮選擇L9110S作為此系統直流電機的驅動芯片，此芯片價格便宜、驅動電路簡單、內阻低、損耗小、可靠性高，由于采用了雙電機設計，所以需要兩片L9110S。

3.2系統電源設計

電機的啟、停會產生大的電壓、電流尖峰，而可能導致主控芯片工作不穩定，出現對電機控制無效的現象。為了解決這一問題，本系統的功率電源與控制電路電源分別設計，并且兩部分電路的參考點需要單點連接。考慮到本系統使用電池供電且需要小型化設計，為了最大限度地提高系統的續航能力和盡量減小PCB板的面積，功率電路電源和控制電路電源均采用開關電源控制芯片來完成相應的調壓任務。

考慮到成本和實現充電功能方案的簡潔性，本系統利用TP4056鋰電池線性充電管理芯片設計了如圖3所示的充電電路。本系統設計的充電電流為1A，充電狀態可根據L8的顏色變化來判斷。裝置外側預留的是micro USB的充電接口，增強了裝置的兼容性。

3.3流程控制

主要流程為電量檢測與模式選擇的綜合判斷。如果電量低于臨界值，則系統忽略模式選擇，并報警。如果電量在正常范圍內，則系統進入相應的工作模式。如此設計控制流程不僅直觀展現了剩余的電量，最主要的是能及時提醒用戶充電，避免了電池過放損壞，提高了系統的使用壽命。流程圖如圖4所示。

圖4系統工作流程圖

4裝置結構設計

裝置的結構設計采用模塊化設計的思想，包括殼體、固定桿、毛刷、濾網、電機、扇葉、集灰裝置、集成控制器和控制開關；殼體呈框架結構，在殼體表面設有兩個對稱的通孔；固定桿連接在通孔內；毛刷套接在殼體的外表面；電機固定在固定桿遠離毛刷的一面；扇葉連接在電機的輸出端；集灰裝置設有兩個，其分別位于殼體兩側；集成控制器位于殼體內，其分別連接著電機、集灰裝置和控制開關；控制開關位于殼體側表面。裝置的俯視圖和側視圖如圖5，圖6所示。

5結語

本文研究了無塵黑板擦性能的優化問題，提出了一種小型化的可充電式無塵黑板擦設計方案。經實際測試，基于該方案設計的無塵黑板擦具有體積小、可移動性強、操作簡單、除塵效率高、續航時間長等優點，具有較高的應用價值。

參考文獻

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