全自動無塵黑板擦 課程設計 參賽作品 創(chuàng)新大賽作品

1、全自動無塵黑板擦作品研究報告.目前國內同類工程研究水平概述在2009年1月之前，我們詳盡的搜索了所需要的資料，了解到目前自動化 黑板擦的研制及開展狀況，并深刻分析出目前這些工程所存在的問題。我們查得：2004年5月鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)高資中學曾經研制出新型黑板擦，不 過沒能實現(xiàn)全自動化擦黑板，仍需要人進行操作，在傳統(tǒng)黑板擦的基礎上僅僅多 了一個吸附粉筆灰的功能。2006年5月武漢大學曾經研制出一種負壓式黑板擦吸塵器，是利用裝置產 生負壓來吸附粉筆灰，需要有清灰裝置、過濾袋總成、氣流分布裝置、連接風管、 引風機、風機電機、排氣管等組成，這樣就使得裝置過于復雜，而且價格也相當 高。2008年4月，北京市一

2、中學生利用汽車上的雨刷制作出簡易的黑板擦，能 減少一點人力可是不能實現(xiàn)自動化，而且擦黑板的時候也會有死角，不能很有效 干凈的擦黑板，且不能吸附粉筆灰。由此我們得出結論：目前國內已研制生產出的自動黑板擦有的是不能實現(xiàn)全 自動清刷黑板，有的是不能吸附粉筆灰，有些那么是不能將黑板擦干凈，還有些裝 置價格過高，一般的學校難以承受這么大的經濟壓力等。在此基礎上我們提出了 幾種改進方法及具體方案，具體方案如下。.各部件的設計構想方案針對不能全自動的擦黑板的問題我們設計出在黑板的垂直方向安裝一個支 撐架，支撐架上安裝兩個黑板擦，黑板擦由電機驅動，旋轉擦除粉筆灰；支撐架 由安裝在黑板的上下兩側導軌進行限位，由

3、安裝在一側的電機通過牽引繩進行左 右運動，并且每一個運動都是由單片機驅動電機控制，實現(xiàn)了其擦黑板的完全自 動化，節(jié)省了人力，而且本工程的黑板擦還能實現(xiàn)全方位的擦除黑板上面任何地 方的粉筆灰，順利解決了有些自動黑板擦擦黑板時會留下死角等的問題。對于有些黑板擦在擦拭黑板時不能完全擦干凈的問題，我們設計出圓形的黑 板擦并且依靠電機的轉動來帶動黑板擦的轉動，這樣便產生了足夠大的摩擦力， 而且還相對增加了黑板擦擦黑板的時間，便能保證有效干凈的擦除黑板上面的粉 筆灰。并且為了能很好的擦拭黑板，我們還利用數(shù)學模型將理論知識與實踐相結合得出能高效清潔擦拭黑板的各的電機的最優(yōu)轉速。對于黑板擦擦除下來的粉筆灰，我

4、們在工程開始之初打算用靜電除塵的方法 加以解決，可是在具體實施的時候我們發(fā)現(xiàn)了用這種方法的一些弊端及難以實現(xiàn) 的地方，所以我們決定改用小型吸塵器依靠其吸附的作用來加以處理粉筆灰，對 于此及解決方法我們將在下面各階段方案實施情況里加以詳述。本工程的每一個部件都是利用簡易且廉價的材料制成，所以經濟性較好。.各階段方案實施情況2009年1月到2009年3月初在不斷試驗及咨詢老師的基礎上我們基本確定 了工程的最終方案。在此階段我們對此前所提出的方案的合理性及可行性進行了 試驗分析及咨詢，對各零部件的加工難易程度及經濟性進行了市場考察咨詢，并 逐步對各個方案進行了篩選和優(yōu)化，對一些不能實現(xiàn)的環(huán)節(jié)及可改進

5、的地方進行 了實驗論證及分析，并提出了最終合理化的設計方案。同時在此階段我們還解決 了本工程所需要的各種技術要求，例如繼電器的原理和使用方法以及能實現(xiàn)控制 電機正反轉及控制電機的延時等待作用的單片機。2009年3月初至今我們對方案的各最終零部件的配合情況及完成、實現(xiàn)項 目最終功能的情況進行了試驗分析，找出工程的問題所在，并對工程的方案進行 了局部修改。在此階段我們對靜電除塵器材的使用情況及利弊問題進行了市場調 查，我們發(fā)現(xiàn)靜電除塵在使用的過程中會帶來二次污染（產生臭氧），并且因為 要使得四散的粉筆灰?guī)щ娋捅仨毨靡欢ǖ母邏簛頁舸┧?，這樣會給裝置的平安 性帶來一定的問題。所以我們對除塵的方案進行

6、了改進，我們根據目前我國市場 上存在的一些小型吸塵器進行了改進，制作出適合于本工程使用的可以吸附灰塵 的裝置，依靠此裝置我們順利解決了吸附擦拭掉的粉筆灰的效果。在此階段我們還曾設想通過在黑板擦的底部打孔，來實現(xiàn)暫時儲存粉筆灰使 之不分散的效果，可是最終發(fā)現(xiàn)效果不佳，因此舍棄了此方法。在此階段我們還根據實驗和理論分析得出能保證高效潔凈的擦拭黑板的電 機的最優(yōu)轉速即功率。對于黑板上下兩側的導軌和支撐架我們原打算從工廠里面定做，后來在嘗試 著制作一個的基礎上進行了試驗和對其經濟性進行了考察分析，發(fā)現(xiàn)并不是很理 想，我們在此基礎上到建材市場上找到了能提供我們所需要的局部功能需求的導 軌，并對其進行了改

7、進和自行加工制成了能完全實現(xiàn)我們所需要的功能的導軌， 這樣做也在很大程度上提高了裝置的經濟性能。.裝置的最終設計方案裝置的基本組成在理論分析及不斷試驗的基礎上，我們制作出了工程的最終實體。本工程一 共用到了一個單片機及其外圍電路、一個中型電機、一個小型電機、兩個圓形的 黑板擦、兩個微型電機、兩個導軌、一個支撐架、一個連接裝置、兩條圓形皮帶、 滑輪假設干等組成。（具體方框圖見圖1）。滑輪支撐架/滑輪本工程的最終設計方案黑板擦設計成圓形殼狀，在里面加上海綿、棉花、帆布等柔軟性好且摩擦力 合適，能很好的擦拭黑板上的粉筆灰的材料，黑板擦的中間加工出一個小孔，通 過此小孔使得黑板擦與微型電機固定在一起，

8、通過微型電機的轉動來帶動黑板擦 轉動，以實現(xiàn)徹底清除黑板上面的粉筆灰的效果。微型電機通過連接裝置與支撐 架相連，在支撐架的上端安裝一個小型電機，電機上固定一個滑輪，在支撐架的 另外一端再安裝一個單獨的滑輪，滑輪通過我們自制的圓形皮帶連接上述所提到 的連接裝置（具體裝配圖見附圖5）。使得依靠支撐架上電機的正反轉（靠單片 機的來控制）來完成帶動黑板擦的上下運動。我們還根據數(shù)學建模的理論知識結合具體實驗得出既能有效擦拭黑板又能 節(jié)省時間的微型電機和小型電機的轉速。我們得出當微型電機的額定電壓是 12V、0.75W、轉速為80轉/分鐘，小型電機的額定電壓是24V、L5W、轉速為 30轉/分鐘時，既能有

9、效地擦拭黑板、又能保證在花費時間方面也比擬合適，而 且此時由于電機的功率比擬小，消耗的電能也比擬少。在支撐架的上面安裝有一個微型的吸塵器，使其跟隨黑板擦一起做上下運 動，以吸附黑板擦擦拭下來的粉筆灰。在黑板的上下兩端分別安裝一個導軌，用來支撐支撐架及提供支撐架能夠自 由的左右滑動的軌道。在黑板的左右兩側的中間部位及下端分別安裝一個滑輪，圓形皮帶通過滑輪 與支撐架相連，黑板左端的滑輪與一個中型電機相連，通過單片機控制電機的間 歇性轉動來帶輪滑輪轉動以實現(xiàn)帶動支撐架做我們需要的定時間歇性左右移動。 并且我們根據實驗得出當中型電機的電壓是24V時，能和小型電機共用一個變 壓器，此時既能提高裝置的經濟

10、性能又能簡化裝置的外觀，此時假設電機的額定功 率是2.0W,便能產生足夠大的扭矩，來有效快速的帶動支撐架在導軌上作左右 運動。.本工程的功能及使用說明將此工程通上電、啟動開關之后，首先與黑板擦相連的電機啟動，帶動黑板 擦一起轉動，與此同時支撐架上側的電機在單片機的作用下依據我們設定的時間 進行間歇性的正反轉，來帶動黑板擦沿著支撐架作上下運動，以擦拭黑板上面同 一豎直方向上的粉筆，黑板擦擦拭掉的粉筆灰由與其一起運動的微型吸塵器來吸 附，當黑板擦在沿著支撐架運行到一端的端點時，黑板左側的中型電機開始在單 片機的控制下啟動，來拉動支撐架使得黑板擦隨著支撐架一起做左右移動，移動 一定距離后停止，接下來

11、黑板擦在支撐架上的電機的帶動下向另外一側運動，來 擦拭另外有粉筆灰的黑板，如此往復，最終實現(xiàn)把黑板擦拭干凈功能。其工作路徑圖、控制流程圖及單片機的程序流程圖分別如下。5黑板擦工作路徑圖（如圖2）圖2說明：電機按照上述工作路徑擦拭黑板。52控制流程圖（如圖3）：圖3說明：首先電源供電通過5V變壓器驅動單片機電路，使得繼電器在單片機 的控制下翻開或關閉；與此同時電源通過24V的變壓器為電機供電，當不同的 繼電器翻開或關閉時，導致不同的電路斷開或導通，從而使得不同的電機按照設 定的程序斷電不工作或通電運轉，從而到達完全擦拭黑板的效果。具體單片機的 程序流程圖及說明如下。5.3單片機的程序流程圖（如圖

12、四）:圖4注釋：電機1控制黑板擦的上下運動電機2控制黑板擦的左右移動引入P2.1 口是因為數(shù)字非門的性質決定，經實驗得出，如果將P2.0 口和P2.7 口關閉的話，非門會出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象，所以要再引入一個高電位。說明：程序初始化之后單片機P2 口清零，單片機程序進入無條件循環(huán)狀態(tài), 首先通過單片機控制其P2.0翻開、P2.7關閉來實現(xiàn)控制電機1正轉，使得黑板 擦從黑板的上端轉動到黑板的下端，接著此電機進入延時等待階段，而后P2.0 關閉，P2.7翻開，電機2正轉，使得黑板擦在支撐架的作用下向左運動，到了設 定的時間，此電機也進入延時等待階段，而后單片機的P2.0關閉、P2.7關閉比、 P2.1翻開，使得電機1反轉，到了黑板的另一端時停止并進入第二次延時等待階 段，在接下來單片機的P2.0 口關閉、P2.7關閉、P2.1翻開，使得電機2反轉， 到了設定的時間進入第二次延時等待階段，如此裝置在單片機的控制下反復執(zhí)行 此操作，直到把黑板擦拭干凈為止。.總結奮戰(zhàn)了幾個月的工程就要結束了，仔細回想起來這幾個月的點點滴滴發(fā)現(xiàn)我 們感觸很深，還記得盡管被釘子刺破手，還堅持奮戰(zhàn)在“一線”的“戰(zhàn)友”；還 記得盡管感冒但是還帶病來實驗室一起同為一個愿望而努力的“戰(zhàn)友”；還有放 棄節(jié)假日休息而為我們指導的老師我們發(fā)現(xiàn)在感動之中我們每一個人都收 獲的很多很多。在這幾個月的時間里既為我們提供了把我