基于STM32單片機智能伺服型黑板擦

張家源 王其申 常雪嬌 馬惜平

摘? ?要：本設計基于STM32單片機，設計了自動伺服黑板擦。系統由信息控制處理模塊、驅動設計單元模塊、電路電源模塊、粉塵收集模塊等，使擦黑板環節更高效，環境更潔凈，師生更健康。隨著計算機網絡科學、多媒體、人工智能等相關技術的出現與普及，為了滿足廣大師生對于教學設施更為符合人性化設置的高端教學需求，眾多與教育相關的教學設備例如智能黑板等進而被發明和產生， 這是新技術發展的趨勢及方向所致。但是現有的高端教學設備有著成本高，智能性差的缺點，特別是還存在工程量較大的問題，難以進行普及，為此我們從體積小巧的黑板擦入手，進行改進與創新。

關鍵詞：黑板擦? STM32單片機? 伺服驅動? 激光識別? 粉塵收集

1? 產品研究內容

智能伺服型黑板擦主要是由驅動裝置，控制裝置，粉塵收集裝置，激光識別控制裝置四部分組成。系統以STM32芯片為控制核心， 采用DSM501A傳感器測量PM2.5、DHT11傳感器測量溫濕度、伺服驅動器驅動伺服電機控制黑板擦運動，各裝置模塊分行其職，配合緊密，共同完成擦除工作（見圖1）。

使用者只需用特定的標記筆在黑板上的擦除區域進行選擇型圈圖，系統通過激光識別裝置在黑板上定位，會將擦除區域信息傳送至信息控制處理模塊進行預處理，再將處理好的信息通過主控電路傳送至驅動裝置模塊，然后便對黑板的特定區域進行擦除，工作的同時粉塵收集裝置會對雜質粉塵進行收集。擦拭結束后，智能黑板擦能根據預先設計的程序恢復到黑板左上角的默認初始位置。

2? 系統硬件設計

2.1 識別設計單元模塊

黑板邊緣處的X，Y軸能將黑板分割成無數個云點，用于識別設計單元模塊進行定位。運用測距原理測量光往返目標所需要時間，然后通過光速c=299792458m/s和大氣折射系數n計算出距離D。激光光束通過黑板邊緣處特定裝置的調制經過電子裝置發射出來，遇到高速率旋轉的粒子時能在光學棱鏡表面發生反射，最后以一個特地的角度α返回黑板表面，這樣就通過光學信息完成了對黑板表面的實況采集。

2.2 信息控制處理模塊

STM32微控制器是一款集成電路芯片， 包括一系列結合高性能以及低功耗和低電壓操作的32位產品， 具有高集成度和易于開發的特性。STM32具有集成嵌入式閃存SRAM存儲器和ARM Cortex-M3內核， 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 驅動設計單元模塊

驅動設計單元模塊通過接收STM32單片機中信息控制處理模塊處理過的信號信息，傳至伺服驅動器組中完成對黑板的擦除等工作。模塊中伺服驅動機組由三個驅動機組成，分別控制著黑板擦在黑板這個三維空間上的每一個動作，X，Y軸方向的伺服電機主要負責在黑板平面上確定運動在要擦除的點，而Z軸上的伺服電機則負責在對應擦除的區域放下黑板擦粉塵收集裝置，對定點擦除區域進行擦除和粉塵的定點收集。之后通過激光識別設計單元對擦除區域的識別，將信息傳送至信息控制處理模塊，若判斷已經擦除干凈，則返回在黑板左上角的默認初始位置，否則對擦除區域進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不同去向的電能通過接入出口端的智能伺服變壓器變壓，其中激光定位裝置，伺服驅動裝置，粉塵收集裝置經過變壓后，可以達到對應裝置的額定電壓，從而使整個智能黑板擦系統有一個完整的能源動力。智能伺服變壓器的工作原理可以歸結為利用伺服系統的閉環和半閉環控制，通過智能傳感元件對負載進行動態跟蹤，自動監測伺服驅動器的功率、電壓、電流，實現伺服電機需要多少能量，伺服變壓器就輸出多少能量，進而達到節能降耗。

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采集數據 （每隔1 s采集1次） 并計算單位體積空氣中浮物顆粒的個數， 再將其換算為濃度， 然后將濃度的數字信號轉換為電信號輸出， 實現對空氣中物質濃度的監測，從而檢測是否完成擦除指令。黑板擦頭采用四個“U”型設計的小擦頭來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，灰塵吸收器則應用納米級過濾器。它不同于傳統的平面擦頭，四周多采用膠墊內嵌式設計，從而緩輕噪音過大和灰塵揚起帶來的問題。此外，在整個裝置的中央底下還放置有一個粉塵感應收集器， 用它和單片機相互協同配合，能夠高效完成灰塵的收集與清除，使黑板面更潔凈。

3? 應用及特色

本智能伺服黑板擦的特色顯著，具體體現在：第一，產品主體中心運用STM32作為其處理器，并兼用激光定位裝置，對于問題處的識別能變得更加高效，且相對于攝像頭來說成本占優;核心芯板體積小巧，功能強大，具有容錯率和可操作性，同時易于更換。第二，動力方面依靠伺服驅動和鋼絲繩傳動為核心的機械系統：電源電路模塊通過變壓能夠確保黑板擦的伺服電機穩定在額定工作電壓，從而提供完整的動力支撐;機械傳動裝置的輔助作用保證了產品運作的精確性，零件之間的配合協調能使整個流程更加流暢。第三，傳統黑板擦帶來的灰塵揚塵往往會給師生附加健康隱患，污染教室環境。本產品內設的灰塵吸附模塊，能及時清理擦拭過程中產生的粉筆灰塵，從而最大限度地減少灰塵對師生健康的影響;擦板能夠用于儲塵的容量大，因而不需要頻繁更換，通常一周更換2～3次即可。

本產品定位更加準確、成本更加低廉，且使用更為方便，可在大中小學實現普及，有一定的推廣意義。

4? 結語

對于智能課堂的完整實現，我們一直在考慮如何從較小的細節方面入手，黑板擦雖不是舞臺的主角，但它也在這場“演出”中扮演了舉足輕重的角色。大可不必實現類似全自動智能教學那樣滿含技術高度的效果，這樣反而會暴露出工程量浩大，推廣時間冗長等現實問題，一個小小黑板擦，便能為教學過程帶來該有的便捷。

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