劉凌， 王恒， 周少勃

(西安文理學(xué)院 機(jī)械與材料工程學(xué)院，西安 710065)

0 引言

在國(guó)內(nèi)外，通過(guò)調(diào)查了解到的當(dāng)前市場(chǎng)板擦主要有3種，其概況分別是：第一種是纖維制成的手動(dòng)黑板擦；第二種是電動(dòng)吸塵黑板擦，采用干吸收；第三種是靜電除塵黑板擦，利用產(chǎn)生的靜電來(lái)接收粉塵。以上就是目前國(guó)內(nèi)環(huán)保黑板擦的研究水平和概況。就目前而言我國(guó)研發(fā)的環(huán)保黑板擦的種類稀少，在這方面還處于起步階段。而以上幾種黑板擦或多或少存在一些缺點(diǎn)：吸收不徹底，耗電量大，價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜等。

隨著社會(huì)的發(fā)展，黑板的需求還不斷上升，所以研發(fā)一種既節(jié)能環(huán)保，吸收徹底而又省力方便的新型無(wú)塵黑板擦，并使之得到全國(guó)范圍內(nèi)的認(rèn)可和推廣成為重點(diǎn)問(wèn)題，該課題充分考慮到目前市場(chǎng)上黑板擦存在的不足和缺陷，研究一種利用單片機(jī)控制技術(shù)，完成對(duì)黑板擦的智能控制讓其無(wú)塵智能黑板得到良好的應(yīng)用。

推廣前景及市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：無(wú)塵智能黑板在運(yùn)用智能控制后能有效的吸收粉塵，使粉塵污染大大減少。利用本產(chǎn)品可提高粉塵吸收3-5倍，這樣既解決了師生的健康危害問(wèn)題又改善了教學(xué)環(huán)境，并且隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，該產(chǎn)品定將有良好的市場(chǎng)推廣前景，其社會(huì)效益是無(wú)法用金錢來(lái)衡量的。

本項(xiàng)目研究的智能黑板擦的控制部分，通過(guò)單片機(jī)采集直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的速度作為研究對(duì)象，并對(duì)其調(diào)速，其中的主控模塊和驅(qū)動(dòng)模塊提供裝置的能量，運(yùn)動(dòng)控制模塊控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向，最小相位系統(tǒng)完成整個(gè)電路的最小功率消耗，該裝置通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，速度快，成本低，重量輕，而且改變目前對(duì)高層建筑的玻璃窗清洗工作主要還是由清洗工人搭乘吊籃或腰系繩索完成的狀況。單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制和正反轉(zhuǎn)控制，以及制動(dòng)性能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)高樓自動(dòng)擦玻璃裝置的工作要求，要設(shè)計(jì)有關(guān)高樓自動(dòng)擦玻璃裝置電源模塊和主控制電路。此主控制電路主要分為4個(gè)模塊：主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、運(yùn)動(dòng)模塊和限位模塊。

主控模塊：主要是采用單片機(jī)為承載程序的載體，作為最小系統(tǒng)電路，負(fù)責(zé)調(diào)控直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)模塊：選擇具有H橋式的驅(qū)動(dòng)電路，負(fù)責(zé)單片機(jī)輸出信號(hào)的放大，還有可以是電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)。運(yùn)動(dòng)模塊：選用合適的減速直流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的上下運(yùn)動(dòng)和左右運(yùn)動(dòng)，并能在上下運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)自鎖。限位模塊：使用限位開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)具有反應(yīng)速度快，在運(yùn)動(dòng)中限位準(zhǔn)確，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)裝置的準(zhǔn)確定位。高樓自動(dòng)擦玻璃裝置的主控制電路的總設(shè)計(jì)方案硬件框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 電源電路

由于使用的電池是9 V電壓，而單片機(jī)的供電電源為DC5 V，需要用到LM7805三端穩(wěn)壓集成電路。根據(jù)LM7805的引腳示意圖，系統(tǒng)所使用的是TO-220封裝，可以得到將9 V轉(zhuǎn)換為5 V穩(wěn)壓電路圖，電路中的輸入電容使用0.1 μF和22 μF正極接7805輸入端，在輸出電容是使用0.1 μF和47 μF正極接7805輸出端，它們的負(fù)極接GND，接電容的作用是濾波，9 V電壓通過(guò)電源電路輸出穩(wěn)定的5 V電源。電源電路，如圖2所示。

圖2 電源電路

3 主控制電路的設(shè)計(jì)

通過(guò)以上模塊的設(shè)計(jì)，確定整個(gè)裝置主控制電路的原理圖，如圖3所示。

3.1 運(yùn)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)高樓自動(dòng)擦玻璃裝置的運(yùn)動(dòng)需要，因?yàn)樯舷乱苿?dòng)器要使擦洗裝置在空中停止工作，所以上下移動(dòng)器采用蝸輪蝸桿減速直流電動(dòng)機(jī)，它的自鎖性能最好，能夠滿足需要的工作性能。左右移動(dòng)器是屬于擦洗裝置部分，它的電動(dòng)機(jī)使用兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，能夠有正反轉(zhuǎn)功能，并通過(guò)PWM對(duì)其進(jìn)行調(diào)速。

圖3 主控制電路原理圖

3.2 驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

在高樓自動(dòng)擦玻璃裝置中驅(qū)動(dòng)模塊是主控模塊和運(yùn)動(dòng)模塊的媒介，它主要是有H橋式電路，來(lái)使直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，并且由于單片機(jī)的輸出電壓不高，故需要驅(qū)動(dòng)電路來(lái)放大電壓。L298N作為本項(xiàng)目的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，滿足工作需要。線路如圖3所示。

3.3 限位模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)高樓自動(dòng)擦玻璃裝置的運(yùn)動(dòng)需要，選擇限位開(kāi)關(guān)，具有反應(yīng)速度快，在運(yùn)動(dòng)中限位準(zhǔn)確。限位開(kāi)關(guān)通過(guò)觸碰，確定裝置所處的位置，最終將信號(hào)輸入到單片機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，使整個(gè)裝置根據(jù)需求運(yùn)動(dòng)起來(lái)。

4 單片機(jī)STC89C52最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如圖4所示。

對(duì)于51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、輸入/輸出設(shè)備等。根據(jù)單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)出51單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路圖。時(shí)鐘電路一般來(lái)說(shuō)晶振可以在1.2～12 MHZ之間任選，甚至可以達(dá)到24 MHz或者更高，但是頻率越高功耗也就越大。和晶振并聯(lián)的兩個(gè)電容的大小對(duì)震蕩頻率有微小的影響，可以起到微調(diào)作用。當(dāng)采用石英晶振時(shí)，電容可以在20～40pF之間選擇(這里使用30pF的電容)；當(dāng)采用陶瓷諧振器件時(shí)，電容要適當(dāng)?shù)脑龃笠恍?，?0～50pF之間選擇。通常選取33pF的陶瓷電容就可以了。

復(fù)位電路是非常關(guān)鍵的，當(dāng)程序運(yùn)行不正?；蛲Ｖ惯\(yùn)行時(shí)，就需要進(jìn)行復(fù)位。

圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

P0口外接上拉電阻，51單片機(jī)的P0口為開(kāi)漏輸出，內(nèi)部無(wú)上拉電阻。所以當(dāng)做普通I/O口輸出數(shù)據(jù)時(shí)，由于場(chǎng)效應(yīng)管V2截止，輸出級(jí)是漏極開(kāi)路電路，要是“1”信號(hào)(即高電平)正常輸出，必須外接上拉電阻，增加P0口的驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力。

5 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速仿真

由于整個(gè)裝置需要實(shí)現(xiàn)擦洗功能，因此在擦洗部分需要在限定的速度內(nèi)運(yùn)動(dòng)，要對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。使用Proteus軟件對(duì)進(jìn)行調(diào)速仿真，通過(guò)波形圖確定占空比。電機(jī)調(diào)速前的波形圖，如圖5所示。

圖5 電機(jī)減速后前的脈沖波形占空比

整個(gè)線路的設(shè)計(jì)合理，能耗小。電機(jī)調(diào)速后的波形圖，如圖6所示。

圖6 電機(jī)減速后的脈沖波形占空比

6 L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和H橋式電路

使用直流/步進(jìn)兩用驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。分別為M1和M2。引腳A，B可用于輸入PWM脈寬調(diào)制信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。(如果無(wú)須調(diào)速可將兩引腳接5V，使電機(jī)工作在最高速狀態(tài)，即將短接帽短接)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)就更容易了，輸入信號(hào)端IN1接高電平輸入端IN2接低電平，電機(jī)M1正轉(zhuǎn)。(如果信號(hào)端IN1接低電平， IN2接高電平，電機(jī)M1反轉(zhuǎn)。)控制另一臺(tái)電機(jī)是同樣的方式，輸入信號(hào)端IN3接高電平，輸入端IN4接低電平，電機(jī)M2正轉(zhuǎn)。(反之則反轉(zhuǎn))，PWM信號(hào)端A控制M1調(diào)速，PWM信號(hào)端B控制M2調(diào)速。電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制方式，如表1所示。

表1 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制方式

7 系統(tǒng)連接與實(shí)物比較

以STC12C2052AD單片機(jī)為控制核心，通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊將信號(hào)傳送給接收模塊；接收模塊將信號(hào)輸入到單片機(jī)中，由單片機(jī)通過(guò)P3.0與P3.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、驅(qū)動(dòng)芯片L298N模塊實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。制作實(shí)體圖如圖7所示。

圖7 連接整體實(shí)物圖

安裝后黑板擦的前后對(duì)比，擦完干凈且效率高，如圖8所示。

8 總結(jié)

本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)智能黑板擦控制部分設(shè)計(jì)及仿真以及制作實(shí)物，仿真效果和實(shí)物實(shí)驗(yàn)效果基本一致，通過(guò)對(duì)主控電路的設(shè)計(jì)與電源設(shè)計(jì)，比較精準(zhǔn)的控制了該裝置的運(yùn)動(dòng)，一些主要參數(shù)，如表2所示。

表2 主要參數(shù)

線路新穎，利用單片機(jī)控制橋式電路，達(dá)到電機(jī)調(diào)速目的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明該裝置極大地方便了智能黑板擦的粉塵污染和手工操作，大大提高了擦黑板的效率，且使用壽命長(zhǎng)，設(shè)計(jì)能耗小，傳統(tǒng)的黑板擦通過(guò)人工手工完成，對(duì)人體肺部的刺激太大，黑板擦凈率為90%，低噪音無(wú)污染，整個(gè)裝置重量輕。另外通過(guò)電源設(shè)計(jì)滿足了現(xiàn)場(chǎng)工作的實(shí)際需要，達(dá)到了運(yùn)動(dòng)速度平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)精度高，能耗小，實(shí)用性強(qiáng)，順應(yīng)家居設(shè)備的發(fā)展方向。