智能黑板擦设计

设计者：石立诚 刘佳阳 徐聪睿 姚力双

作品内容简介

设计的一款能够在擦黑板时减少空气中粉笔灰的智能的黑板擦。在黑板擦内部加装涡轮风扇，在擦黑板时能够将粉尘吸入黑板擦内，以减少在空气中粉笔灰的密度。当黑板擦被拿起擦黑板时自动启动涡轮风扇，不用时自动关闭风扇。在板擦内设置隔间，粉笔灰会被吸入隔间，隔间设有纱网，吸入的粉笔灰会留在隔间内部，在清理黑板擦时可以将隔间拆下，倒掉里面的粉笔灰即可。使用可充电电池，充电时指示灯灯为红色，充满时指示灯为黄色。

1 研制背景及意义

教师在授课时会在黑板上用粉笔写字，在擦黑板的过程中会有大量的粉笔灰在空气中飘荡，如果被吸入肺中，会对肺部造成很大的伤害，而现有的无尘粉笔并不能真正做到“无尘”，既然在粉笔上做的改变不能做到消灭粉尘，那么在黑板擦上做创新以做到减少甚至消灭粉尘。

当前市面上的吸尘黑板都没有加入智能的元素在里面，全是手动打开开关，而且售价在70到200之间，而在智能化的今天，手动操控已经显得繁琐而复杂，自动化是世界的主题，拿起来就擦，放下就停，是这款黑板擦的优势所在。

2 设计方案

2.1 硬件部分

2.1.1 主控芯片部分

（1）使用STM32F103作为主控芯片，晶振频率为8M，并联一个1MΩ的电阻用于辅助起振。

（2）SWD接口用于下载程序，设有电源指示灯，接通电源时，指示灯亮。

（3）设置电压：检测电路，检测电源电压，传给主控芯片。

（4）设有复位按键，按下时输入高电平使主控芯片复位。

2.1.2供电稳压部分

使用3.7V的充电锂电池作为电源，使用LM27313将3.7V升到5V供给涡轮风扇，再用XC6206P332将5V转为3.3V供给STM32以及MPU6050。

电源部分

2.1.3 MPU-6050部分

使用MPU6050姿态传感器检测黑板擦的运动状态。SDA与SCL引脚接上拉电阻保证输出信号的高电平能够达到IIC协议规定的高度。

MPU6050

2.1.4 充电管理部分

设有充电电路，用USB接口给电池充电。使用单刀双掷开关的目的是能一边充电一边调试程序而不用等电池充好电再调试。当电池充满电后亮绿灯，未充满时亮黄灯。

充电部分原理图

2.1.5 风机驱动电路

主控芯片输出PWM波，MOS管驱动涡轮风扇转动。

风扇部分原理图

2.1.6 总体PCB设计

2.2 软件部分

2.2.1          LED灯控制

GPIO 是通用输入输出端口的简称，简单来说就是 STM32 可控制的引脚， STM32 芯片的 GPIO 引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。

STM32 芯片的 GPIO 被分成很多组，每组有 16 个引脚，如型号为 STM32F103ZET6 型号的芯片有 GPIOA、 GPIOB、 GPIOC至 GPIOG共 7组 GPIO，芯片一共 144个引脚，其中 GPIO就占了一大部分，所有的 GPIO 引脚都有基本的输入输出功能。最基本的输出功能是由 STM32 控制引脚输出高、低电平，实现开关控制，如把 GPIO引脚接入到 LED灯，那就可以控制 LED灯的亮灭，

2.2.2          I2C通信

I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由 Phiilps 公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要 USART、 CAN 等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

物理层：

(1)   它是一个支持设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个 I2C 通讯总线中，可连接多个 I2C 通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。

(2)   一个 I2C 总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA) ，一条串行时钟线(SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。

协议层：

其中 S 表示由主机的 I2C 接口产生的传输起始信号(S)，这时连接到 I2C总线上的所有从机都会接收到这个信号。

起始信号产生后，所有从机就开始等待主机紧接下来 广播 的从机地址信号(SLAVE_ADDRESS)。 在 I2C 总线上，每个设备的地址都是唯一的， 当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。

根据 I2C 协议，这个从机地址可以是 7 位或 10 位。在地址位之后，是传输方向的选择位，该位为 0 时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为 1 时，则相反，即主机由从机读数据。从机接收到匹配的地址后，主机或从机会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号，只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据。

2.2.3          MPU6050

它是一种六轴传感器模块，采用 InvenSense 公司的MPU6050 作为主芯片，能同时检测三轴加速度、三轴陀螺仪(三轴角速度)的运动数据以及温度数据。

STM32与MPU6050之间通讯协议为I2C协议，SDA线传输数据，SCL线为由32给出的时钟信号，由PA1与PA2引脚模拟为SDA和SCL。

程序设计要点

1) 初始化 STM32 的 I2C；

2) 使用 I2C 向 MPU6050 写入控制参数；

3) 定时读取加速度、角速度及温度数据；

2.2.4          串口调试

串口通讯(Serial Communication)是一种设备间非常常用的串行通讯方式，因为它简单便捷，因此大部分电子设备都支持该通讯方式，电子工程师在调试设备时也经常使用该通讯方式输出调试信息。

协议层：

串口通讯的数据包由发送设备通过自身的 TXD 接口传输到接收设备的 RXD 接口。在串口通讯的协议层中，规定了数据包的内容，它由启始位、主体数据、校验位以及停止位组成，通讯双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据

异步通讯中由于没有时钟信号(如前面讲解的 DB9接口中是没有时钟信号的)，所以两个通讯设备之间需要约定好波特率，即每个码元的长度，以便对信号进行解码

编程要点

1) 使能 RX 和 TX 引脚 GPIO 时钟和 USART 时钟；

2) 初始化 GPIO，并将 GPIO 复用到 USART 上；

3) 配置 USART 参数；

4) 配置中断控制器并使能 USART 接收中断；

5) 使能 USART；

6) 在 USART 接收中断服务函数实现数据接收和发送。

2.2.5          主程序流程

上电先初始化GPIO、IIC、UART、MPU6050等程序的初始化工作。每隔0.5S对MPU6050的数据进行一次读取，之后对X和Y轴两个角速度的值取绝对值之后加和，若检测到角速度大于所设置的阈值则启动风机转动，同时并使得LED灯闪烁来表明板擦风机处于运行状态，当角速度之和小于所设置阈值时我们使得风机不转并且使得LED灯常亮来表明板擦处于开机状态。

2.3 外壳部分

2.3.1          设计思路：

我们对板擦设计了三个区域，PCB板放置区、风机放置区、粉尘盒区。PCB放置区要与其他两个区域隔离开来，防止扬尘对PCB产生静电干扰，并且要将开关、充电口、指示灯等引出到外壳外面；风机放置区要能使得风机紧贴底面而且固定牢固，风机出风口对准粉尘盒，还要考虑到粉尘盒的粉尘可能会倒灌到风机口所以设计了一段斜坡来保证粉尘不会倒灌风机口而且还要不影响出风口出风；粉尘盒的设计考虑做成抽屉的样子以便对粉尘盒的粉尘进行清理，并且打上格栅用于出风，在加上滤网挡住粉尘。还需要设计一个盖板来封装板擦，并且考虑打一圈凹槽来放置盖板。

外壳设计整体图

板擦主体和抽屉组装图

总体组装效果

锂电池以及PCB版部分：黑板擦内部的最右边的隔间装PCB版以及锂电池。

涡轮风扇部分：黑板擦内部中间的隔间放涡轮风扇，中间开有小圆口，直径为XX，粉尘由此吸入黑板擦内部。

分区设计

粉尘盒部分：黑板擦内部最右边为粉尘盒，隔间开有条形小孔，小孔上有纱网，由于粉笔灰的直径大都在7微米～14微米之间，故选用5微米直径的纱网，使空气能出去，而粉尘留在粉尘盒内，粉尘盒可以拆卸下来方便清洗。

抽屉设计

3.最终实物设计

抽屉处组装设计

外设开孔处设计

内部分区设计

底部开孔及毛刷设计

4.工作原理及性能分析

4.1 工作原理：

CPU每隔0.5S对MPU6050的数据进行一次读取，之后对X和Y轴两个角速度的值取绝对值之后加和，若检测到角速度大于所设置的阈值则启动风机转动，同时并使得LED灯闪烁来表明板擦风机处于运行状态，当角速度之和小于所设置阈值时我们使得风机不转并且使得LED灯常亮来表明板擦处于开机状态。

                                                                                               

    4.2性能分析：

  

                                     普通的黑板擦擦完后掉落的灰          智能黑板擦擦完后掉落的灰

            

板擦开风机和不开风机擦拭效果对比

 

                     擦前             擦后

可见，智能黑板擦的吸尘效果十分的明显。

5 创新点及应用

创新点：

1）全自动，拿起来就能擦，放下就停。

2）解决了在擦黑板时的扬尘问题，降低了空气污染。

3）外置式集尘盒设计，令清洁更加方便快捷。

应用：

该作品解决了擦黑板时粉笔灰漫天飞扬的问题，让老师跟学生的健康都有了保障，并且成本较低，拿起就擦，放手就停的功能也吸引着人们去使用它，所以本文提出的智能黑板擦具有很高的推广应用性。

有图吗楼主