黑板粉尘绿色分区全自动收集系统技术报告

1、 “挑战杯”比赛项目技术报告题目 黑板粉尘绿色分区全自动收集系统 学生姓名 王春军 郭东 韩少博 指导教师 韦炜 周毓明 学校 西安文理学院 2013年4月黑板粉尘绿色分区全自动收集系统摘要：对传统黑板而言，市场上现有的粉尘收集系统有两大缺陷：只能收集黑板擦拭过程中产生的粉尘，而对写粉笔字时产生的粉尘无能为力；需要人的参与，无法实现全自动收集。针对上述缺点，研制了一种新型黑板粉尘收集系统。该装置在不改变传统黑板的基础上，将黑板分为四个区域，当人接近某一区域时，超静音风扇开始工作，对该区域写粉笔字和擦拭过程中产生的粉尘进行全自动收集。该装置包括机械结构和分区控制系统两部分，机械结构分为上体结构和

2、下体结构，通过对粉尘的受力模型分析，估算收集粉尘所需功率，从而选择静音风扇和吸尘装置，并对装置整体结构进行设计；分区控制系统是通过光电开关的检测状态控制风扇的运转，通过驱动直流电机控制风向板的角度，以STC89C52单片机作为控制核心实现区域控制逻辑。 该系统主要应用在教学环境中，以减少粉笔粉尘对人体和教学设备的损害。它具有高效节能，成本低廉，结构简单，便于操作，可靠性高，实用性强的特点。关键字：粉尘收集；单片机；自动控制；高效节能；目录第一章 绪 论11.1 研究目的及意义11.2 市场调研及需求分析11.3 主要研究内容21.4 本章小结2第二章 总体方案设计32.1 结构部分设计32.2

3、 分区控制系统设计32.3 本章小结4第三章 装置上体结构设计53.1 静音风扇选取53.2 风向板设计93.3 支承架设计93.4 本章小结10第四章 装置下体结构设计114.1 吸尘装置确定114.2 导风板设计124.3 导尘板设计124.4 粉尘收集盒设计134.5 箱体设计144.6 面板设计154.7 本章小结15第五章 分区控制系统硬件设计165.1 光电检测模块165.2 单片机最小系统165.3 风扇驱动模块175.4 电机驱动模块175.5 本章小结18第六章 控制系统的软件设计196.1 开发环境及端口定义196.2 控制系统子程序196.3 控制系统主程序216.4 本

4、章小结22结束语23致谢25参考文献26附录27附录1 导尘板零件图27附录2 支承架零件图27附录3 粉尘盒零件图28附录4 装配图29附录5 控制系统原理图30附录6 控制系统源程序32“挑战杯”比赛项目技术报告第一章 绪 论1.1 研究目的及意义根据国家有关统计资料显示：我国师生每年因上课吸入的粉笔灰约200克/人，患呼吸道、肺部疾病的约为20%/年。一些教学设备，如多媒体工作台，精密实验仪器等也会因为粉尘污染而大大减少使用寿命。黑板粉尘已经成为教学环境污染的一大危害。      为了解决这一难题，我们研制了黑板粉尘自动收集装置，希望藉由此装置来改

5、善教学环境，保证师生的身体健康和教学设备的正常工作。1.2 市场调研及需求分析虽然现在多媒体教学设备得到了广泛应用，但很多学科教学还需要写大量的板书。现有的传统黑板不能有效收集粉笔灰，无法控制粉笔灰的飘散。 根据调研，目前市场上的粉尘收集装置都只对一部分粉尘进行收集,如图1.1所示的黑板擦拭装置，都仅仅只对擦黑板时产生的粉尘进行收集而没有考虑到写粉笔字时粉尘四处飘扬的问题。本装置通过人体感应光电开关驱动超静音风扇转动从而使在写粉笔字和擦黑板时产生的粉尘都能被自动分区收集。由于使用了超静音风扇和分区控制手段，该系统不会影响师生的正常上课，同时具有绿色环保性。装置只需固定在黑板上下的墙体上，安装方

6、便，所以初步估计本产品具有很大的潜在市场需求量，值得开发推广。 (a) (b)图1.1常见黑板擦拭装置1.3 主要研究内容1、通过收集有关资料，对现有黑板进行详细研究，确定总体方案；2、外部结构的材料选择，尺寸、位置确定；3、控制系统硬件设计；4、控制系统软件设计；5、相关工程图样绘制及模型制作。1.4 本章小结本章介绍了设计此装置的目的和意义，对产品进行市场调研和需求分析，确定主要研究内容。第二章 总体方案设计2.1 结构部分设计2.1.1 上体结构设计装置上体结构由静音风扇, 支承架和风向板三部分组成。静音风扇向下吹风形成风帘。支承架支承静音风扇和风向板。风向板使粉尘紧贴黑板向下运动。2.

7、1.2 下体结构设计黑板下体结构包括吸尘装置、导风板、导尘板、粉尘收集盒、面板和箱体。箱体用于固定所有下体结构部件和放置控制系统中的光电开关和电路板。装置只需安装在黑板的上下墙体上，不用改造黑板，简单方便，节省成本。风路如下图所示,风沿着黑板进入装置下部分,再从黑板左右的出风口出去。这一设计还可将从从黑板两侧落下的粉尘吹入装置工作区域内。图2.1 总体结构示意图2.2 分区控制系统设计分区控制系统是以单片机为主控制器，主要由光电检测模块，风扇驱动模块和电机驱动模块组成。光电检测模块将检测到的信号送入单片机，风扇驱动模块驱动风扇工作，电机驱动模块控制风向板正反转，从而调节风向。收集粉尘的整个过程

8、自动进行，只需定期清理位于装置两侧粉尘收集盒即可，环保方便。控制系统结构框图如图2.2所示 图2.2 控制系统结构框图图2.3 分区控制示意图 (注：17号光电开关依次控制图中七个纵向区域的粉尘收集)2.3 本章小结本章分析了黑板粉尘自动收集装置的整体方案，介绍了结构部分和控制系统的组成，并画出整体结构示意图。第三章 装置上体结构设计本设计选用教学中普遍且常见的黑板，黑板的规格统一为3000mm×20mm×1000mm。3.1 静音风扇选取3.1.1 噪声要求教室是学生上课自习的地方，应保持安静无噪音，由于此风扇需要在教学过程中随时启停，因此选择风扇时应首要考虑该风扇的噪音

9、指数。查得噪音小于40db时属微弱噪音，对教学环境影响很小，因此本次设计选择的风扇所产生声音的最大分贝不得超过40db。3.1.2 尺寸要求若风扇外形尺寸过小，风速和通风量等都会减小，会直接影响到粉尘收集的质量，无法满足设计要求。故风扇的外形尺寸应在90mm×90mm×25mm至150mm×150mm×35mm之间。3.1.3 型号确定根据以上几个方面设计要求，选用型号为3610ML-05W-B49的静音风扇，实物图见图3.1。尺寸为90mm×90mm×25mm，电压24V，电流0.16A。 该型号静音风扇有以下特点：1、噪音指数小；

10、2、强度高；3、质量轻；4、紧凑性设计节约安装空间；5、轮缘式支架安装非常简便。 图3.1 风扇实物图3610ML-05W-B49型静音风扇的风量、静压特性如图3.2所示：图3.2 风量-静压特性图3.1.4 风扇校核本装置选用的静音风扇的风力大小必须使得规定区域内的粉尘全部收集至装置内，即只要保证黑板最下端的粉尘颗粒的速度不为0即可满足设计要求。(1)粉尘颗粒受力分析通过实验表明，粉尘在下落过程中，由于颗粒质量太轻，通常是脱离黑板表面漂浮在空气中缓慢下落，因此可以忽略颗粒与黑板的摩擦力。对粉尘颗粒进行受力分析，可以得到粉尘颗粒受到垂直向下的重力，和来自静音风扇的力。要证明所选用的风扇满足设计

11、要求，只需验证黑板最下端的粉尘颗粒受力不为0即可。(2)静音风扇校核图3.3是黑板粉尘自动收集装置上半部分的结构示意图，其中，静音风扇固定在板上，是出风口到装置下体部分垂直高度，是风扇的厚度，为风扇出风口到装置下体部分的最长距离。已知 ，则 （3.1）带入数据得： 图3.3 上半部分结构示意图将出风口到吸尘装置的入风口平均分为10段，每段长度为108.17mm,取另每段的速度为,由于风力在向前吹的过程中，主要受到空气阻力，风力随着距离的增大而逐渐减小,因此风是做匀减速运动。风扇通风量的计算公式 （3.2）式中： 风扇的通风量（） 风扇出风口面积（） 风扇第一段初速度已知风扇通风量,风扇出风口面

12、积带入数据：在一个大气压下的标准空气阻力： （3.3）式中： 空气阻力系数，通常 空气密度，（) 风扇出风口面积（）带入数据：计算空气质量： （3.4）带入数据：可由式 （3.5） 得到加速度：由于风力做的是匀减速运动故加速度应为负值，故 计算每一段的风速： （3.6） （3.7）由（3.6）和（3.7）联立可以解得每段的风速，以下是计算数据： ;因为，故该风扇满足设计要求。3.2 风向板设计风向板位于风扇前面，通过直流电机调节风向板的角度。从而将粉尘控制在吸尘装置作用范围内。3.2.1 材料选择风向板的长宽比例较大，且只通过两端的两根轴固定在支承架上，因此材料必须轻质，经讨论后选择工程塑料。

13、3.2.2 尺寸确定为便于安装，风向板的长度稍短于支承架的长度，为2990mm，宽度与风扇宽相等，总体尺寸为2990mm×100mm×2mm，其结构如图3.4所示：图3.4 风向板结构示意图（单位mm）3.3 支承架设计支承架位于黑板上方,通过膨胀螺钉固定在墙体上，其作用是固定静音风扇和风向板。3.3.1 材料选择由于要承载静音风扇和风向板的重量，并使整个上体结构稳固固定在墙体上，该材料应该具备一定的强度刚度，质量轻。为满足设计加工要求，材料还应具备一定的韧性。综合考虑，选择铝合金板。铝合金密度低，强度比较高，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性。3.

14、3.2 结构确定 根据静音风扇的外形尺寸和风向板的角度调节，确定支承架的整体尺寸为3000mm×120mm×120mm，风扇前面支承架高为30mm，其结构如图3.5所示： 图3.5 支承架结构示意图（单位mm） 3.4 本章小结本章对黑板粉尘自动收集装置的上体结构进行分析设计，确定了静音风扇的型号，并对风扇进行校核，对风向板和支承架的选材、整体尺寸都进行了设计。第四章 装置下体结构设计由于黑板尺寸较长，为保证整体装配方便，将下体装置分为左右两完全相同部分。4.1 吸尘装置确定4.1.1 选择吸尘装置由于市场上现有的吸尘器大多体积较大，噪音较大，不符合本次设计的环境要求。选择

15、通过反装静音风扇，吸风面向上，吹风面朝下，将粉尘吸入。选用风扇型号与上体部分风扇相同。反装风扇实物图如图4.1所示图4.1 反装静音风扇实物图4.1.2 结构设计为保证支承架受力均衡，使吹下的灰尘顺利通过吸尘装置，将支承架设计成燕尾式。具体尺寸如图4.2所示：图4.2 风扇结构示意图（单位mm）4.2 导风板设计由于吸尘装置是竖直向下吹，为避免各个风扇吸进的粉尘相互干扰产生扬尘，需在风扇一侧安装倾斜一定角度的导风板，使收集到的粉尘能够更顺利地通过导尘板进入收集盒，同时也使风路畅通。4.2.1 材料选择 导风板只起引导风向的作用，材料需轻质，为安装方便，选择工程塑料。4.2.2 结构确定由于导尘

16、板的倾斜角度为3o，三个导风板最底端所在直线应与导尘板平行，因此左箱体从左到右导风板长度分别为158mm,129mm,100mm，右箱体相同，宽均为120mm，方向与水平面夹角均为135o。其结构如图4.3所示图4.3 左部分导风板结构示意图（单位mm）4.3 导尘板设计粉尘通过吸尘装置无法直接到达收集盒内，需要一个导尘板将吸入的粉尘导入盒内。4.3.1 材料选择导尘板的作用是引导灰尘进入粉尘盒，为方便加工和安装，材料选择铝合金。4.3.2 结构确定由于黑板较长，故装置设计成两边对称结构。将导尘板设计为V形结构，使接收到的粉尘能够聚集在导尘板最底端，利于粉尘滑落至粉尘盒。尺寸为1495mm&#

17、215;120mm×28mm。导尘板应倾斜一角度，为防止导尘V板与静音风扇和光电开关发生干涉，经反复试验，选择导尘板与水平面的夹角为3o。在导尘板底端400mm冲压出十个10mm×60mm的槽，导下的粉尘由此滑落，同时确保风路畅通。其结构如图4.4所示图4.4 导尘板结构示意图（单位mm）4.4 粉尘收集盒设计4.4.1 材料选择粉尘收集盒只起收集粉尘作用，为了加工方便，选择铝合金。4.4.2 结构确定为了方便对收集的粉尘进行集中清理，将收集盒设计成推拉式放置在箱体左右下角导尘板下面，材料同样为铝合金，同时为使收集盒的尺寸与整个装置的下半部分相协调，将收集盒设计为长方形结构

18、，尺寸4000mm×120mm×80mm,同样做成对称结构，清理方便。其结构如图4.5所示 图4.5 粉尘收集盒结构示意图（单位mm）4.5 箱体设计箱体固定吸尘装置，导风板和导尘板，放置粉尘收集盒和控制装置的元器件。两侧面上的出风口将黑板两边飘落的粉尘吹回至装置工作区域内。4.5.1 材料选择由于装置尺寸较大，箱体要承受各个零部件的力，还要将整个装置固定在墙上，因此应有足够的强度与硬度，还应有足够的韧性和塑形，经比较，选择和装置上部分支承架相同的材料:铝合金。4.5.2 结构确定由于黑板尺寸较大，为了保证箱体受力均匀，将箱体设计为左右两相同部分，外形呈长方体，尺寸各为15

19、00mm×120mm×265mm。在左箱体的左侧面和右箱体的右侧面各有两个尺寸为80mm×10mm的出风口,在左箱体右边留出尺寸为200mm×80mm的检修口放置控制器件，便于检修。其结构如图4.6所示图4.6 箱体结构示意图（单位mm）4.6 面板设计面板位于装置下半部分最上面,平铺于整个箱体上。面板上布满直径4mm的孔,各孔间距5mm,使粉尘顺利导下。材料选择铝合金，两面板尺寸均为1500mm×120mm×5mm。其结构如图4.7所示图4.7 面板部分结构示意图（单位mm）4.7 本章小结本章对黑板粉尘收集装置的下半部分进行分析设

20、计，确定了吸尘装置及安装方式,确定导风、导尘及收集装置，完成了对箱体的设计。至此黑板粉尘自动收集装置外部结构设计过程全部结束。第五章 分区控制系统硬件设计5.1 光电检测模块本装置的使用环境是教室，黑板距讲台的距离不到一米,为不影响老师正常讲课，只在写字和擦黑板时装置工作，经试验测量检测距离在200mm300mm内比较适宜。最终确定光电开关型号为E3F-DS30C4，检测方式为漫反射型,调整检测距离为270mm。光电开关实物图及参数见图5.1和表5.1。图5.1光电开关实物图表5.1 光电开关参数额定电压5V消耗电流5mA-30mA响应时间DC:<2.5msAC:<30ms检测距离

21、300mm5.2 单片机最小系统单片机是整个系统的核心，控制各个模块正常工作，以确保系统的正常运行。本装置采用STC89C52作为处理器,最小系统由电源、上电复位电路、时钟振荡电路组成。 其硬件电路如图5.2所示图5.2 单片机最小系统电路图5.3 风扇驱动模块本装置选用的风扇电压为24V，而单片机的电压只有5V，因此外接24V开关电源通过三极管放大电路来驱动风扇。+5V电源加到继电器线圈两端，当单片机P0口输出低电平时，三极管饱和和导通，继电器吸合,其常开触点闭合，相当于风扇接通24V电源，驱动风扇运转。继电器线圈在断电时易产生反向电动势，为了防止反向电动势击穿三极管，在继电器线圈两端并接一

22、个二极管IN4148，目的在于吸收释放继电器断电时产生的反向电动势，从而保护三极管。驱动电路如图5.3所示 图5.3 风扇驱动模块电路图5.4 电机驱动模块本装置选用ZGA37RG微型直流齿轮减速电机。电机实物图及参数见图5.4及表5.2 表5.2 ZGA37RG直流电机的参数表型号ZGA37RG104i额定电压DC24（V）额定转矩6.3kg.cm额定电流0.36（A） 产品类型有刷直流电动机额定转速50（rpm） 图5.4 直流电机实物图电机驱动模块电路如图5.5所示。设定两个按键（P3.2口和P3.3口）作为控制输入，通过单片机的输出口P2.2、P2.3 输出的电平变化来控制相应继电器的

23、通断。通过这两个按键的状态变化来实现电机的启动和换向功能。ZGA37RG直流电机的额定电压为24V，而单片机输出的电压只有5V，为了驱动电机工作，必须外加24V电源，与继电器构成电机驱动模块，通过单片机控制电机的正反转从而调节风向板的角度。图5.5 电机驱动模块电路设计5.5 本章小结本章从硬件的设计角度论述了控制系统的硬件组成和工作原理，以及各模块电路的作用、器件选型等内容，全面的分析总结了装置的整个硬件设计过程。第六章 控制系统的软件设计6.1 开发环境及端口定义控制系统的软件部分是根据各电路模块的控制关系，利用51单片机软件开发工具Keil C51，对系统功能进行开发。整体采用模块化结构

24、，将系统功能模块化，依据硬件电路对各模块功能进行编程实现，经过对各模块进行单独测试后，整合各模块程序，对系统总程序进行测试，最终形成系统软件。各主要端口定义如表6.1所示表6.1各端口主要定义P00-P071-8号静音风扇P10-P161-7号光电开关P32,P33控制正反转按键P23,P22电机正反转6.2 控制系统子程序6.2.1 静音风扇驱动程序静音风扇驱动子程序流程如图6.1所示：程序说明：51单片机上电后，所有I/O口默认为高电平，初始化P0端口为低电平，P1，P2，P3端口为高电平。当光电开关接收到有外界信号输入时，即单片机的P1端口有低电平输入时，信号会经过单片机的P0端口传送给

25、继电器，通过电磁感应控制静音风扇电路的通断，驱动风扇工作；如果光电开关没有检测到有信号输入，则继续进行检测工作。当人体离开感应区域时，光电传感器无信号输入，风扇停止工作。6.2.2 直流电机驱动程序直流电机驱动子程序流程如图6.2所示：程序说明：51单片机上电后，所有I/O口默认为高电平，故应先初始化。保证系统稳定后，再判断正转按键（up）是否按下。如果按下，延时5ms，目的是防止按键抖动。随后二次检测按键是否按下，确定按下后，控制信号将传送给单片机的P3.2端口，由单片机P2.3端口输出信号，驱动直流电机正转；如果第一次按键没有按下，系统则会检测反转按键（down）是否按下，如果有信号输入，

26、则会通过单片机的P2.2端口输出，驱动直流电机反转。由于单片机执行代码的速度非常快，而且是循环检测按键，因此在程序即将返回前，要进行按键释放检测。图6.1 电机控制子程序流程图 (1)(2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) 图6.2 静音风扇分区控制流程图6.3 控制系统主程序系统软件主程序不仅体现了系统的操作全过程，而且反应出各模块之间的关系。它是各程序模块的总成。其流程如图6.3所示:程序说明：系统上电之后，单片机首先要进行初始化。其次调用直流电机和静音风扇的子程序。图6.3 系统主程序流程图6.4 本章小结 本章从系统软件的开发环境到包含的各个模块，详细介绍了该控制装置的

27、软件构成。对各主要模块程序的编写过程和模块程序之间的调用关系通过程序流程图和文字说明的方式进行论述。结束语图1为本系统的前期试验模型，该模型结构材料为镀锌铁皮，经试验收集效果良好，本装置即对该模型的不断改进而得来的。图1图2为前期试验模型的内部结构部分，第一层是静音风扇，第二层为导尘板。图2通过该模型我们现场进行粉尘收集试验，绝大多数粉尘都经由装置被收集到粉尘盒内, 如图3所示, 证明了该装置有很好的粉尘收集效果。图3尽管多媒体技术在不断发展，黑板仍是课堂教学所不可缺少的。由于传统黑板存在着很多弊端，在当今节能环保的趋势下，这种弊端越来越突出，黑板粉尘绿色分区全自动收集系统依靠其分区控制响应很

28、迅速，充分节约电能；且运行过程声音很小，不会影响师生的正常上课等优点,势必会在教学设备中占有一席之地。致 谢从十月份报名参加校级挑战杯比赛到现在整体设计制造结束，整个装置终于成型并投入使用。首先要感谢我们的导师韦炜老师和周毓明老师,分别从系统控制部分和外部结构部分给与我们很多的意见及建议,整个过程韦炜老师都悉心指教,每当遇到困难时，他总能给我们提出一个方向，启发我们的思维。他严谨的学风、渊博的知识、敏锐的思维和对学生温和谦虚的态度使我受益终身。特此向韦老师表示衷心的感谢，并致以崇高的敬意！参 考 文 献1郭天祥新概念51单片机CM北京：电子工业出版社，20092于永，戴佳51单片机C语言常用模

29、块与综合系统设计实例精讲(第二版)M北京：电子工业出版社，20083张义和例说51单片机M北京：人民邮电出版社，20084邬勤文，袁芳单片机原理、应用与实验M北京：科学出版社，20095冯晓，刘仲电机与电气控制M北京：机械工业出版社，20056 谭浩强.C程序设计M.北京：清华大学出版社，2000.7江思敏 陈明Protel电路设计教程（第二版）M北京：清华大学出版社，2007附录附录1 导尘板零件图附录2 支承架零件图附录3 粉尘盒零件图附录4 装配图附录5 控制系统原理图附录6 控制系统源程序#include<reg52.h> /52系列单片机头文件/#define uint

30、unsigned int /宏定义/#define uchar unsigned char sbit up=P32; /直流电机正转/sbit down=P33; /直流电机反转/sbit fan=P22;sbit zheng=P23;/定义光电开关检测端/sbit key1=P10; sbit key2=P11; sbit key3=P12;sbit key4=P13;sbit key5=P14; sbit key6=P15;sbit key7=P16;/风扇驱动端口/sbit out1=P00; sbit out2=P01;sbit out3=P02;sbit out4=P03;sbit

31、out5=P04;sbit out6=P05;sbit out7=P06;sbit out8=P07; void delayms(uint xms) /延时函数/ uint i,j; for(i=xms;i>0;i-) /i=xms,即延时约xms毫秒/ for(j=110;j>0;j-);void motor_z() /直流电机/if(up=0) delayms(5); if(up=0) while(!up) fan=1; elsefan=0;else fan=0; if(down=0) delayms(5); if(down=0) while(!down) zheng=1; e

32、lsezheng=0; else zheng=0; /光电开关检测/void keyscan1() if(key1&&key2) delayms(10); if(key1&&key2) out1=0; else delayms(10); out1=1; else out1=1; void keyscan2() if(key3&&key1&&key2) delayms(10); if(key1&&key2&&key3) out2=0; else delayms(10); out2=1; else out2=1; void keyscan3() if(key3&&key1&&key2&&key4) delayms(10); if(key1&&key2&&key3&