便携式电动无尘黑板擦的设计

张荆沙++刘阳��

摘要：提出了一套由电源管理芯片、电机驱动器和单片机等一系列元器件组成的便携式无尘黑板擦的设计方案。锂电池供电技术为装置的续航能力提供保障，模块化设计思路降低了装置的后期维护难度。实验结果表明依据该方案设计的装置有效的解决了扬尘问题，且具有小型化、便携式等特点。

关键词：无尘黑板擦；锂电池供电技术；便携式

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.23.084

1引言

无尘黑板擦相比普通黑板擦具有擦拭扬尘少的特点，能有效保护师生健康，从而很受教师和学生欢迎，大有取代传统黑板擦的趋势，具有广泛的推广前景。近几年来，大量研究者们发明了多种无尘黑板擦，各有优势，但是避免不了的几乎都有很多缺点，最明显的例如：体积较大、仅限一块黑板、电网供电、成本高等。空气负压原理是个很好的除尘理论，但是利用好该原理却是设计中的难点，为了达到更好的除尘效果，大多会用到高转速大容量的电机，这样导致驱动电路庞大复杂，而且设计的除尘装置体积必然较大。要想基于该原理设计一款无尘黑板擦，并且解决体积、可移动性等多种因素与除尘效果之间的矛盾，必须认真思考重新设计整体电路。

基于上述问题，本文提出一种采用L9110S马达驱动器驱动空心杯航模直流电机产生空气负压，利用单片机控制技术、锂电池充放电技术、合理的模具设计等方法设计无尘黑板擦的方案。最后进行了实物测试，得出有效性结论。

2系统设计方案

本系统采用STC15W408AS单片机作为主控芯片，外围电路主要由电机驱动电路、控制电路、电量检测及显示电路、电源管理电路、报警电路组成。系统结构框图如图1所示。

3电路设计及流程控制

3.1电机驱动电路设计

整个系统中，电机的选用很重要，决定了黑板擦的吸尘效果和电路的主要功率。空心杯直流电机就可以达到这样的效果。其采用的是无铁芯转子，由于转子的结构变化而使电动机的运转特性得到了极大改善。主要特性有：功耗低、重量轻、转速高、受控性能好。

要想实现直流电机的正反转，需要搭建一个H桥驱动电路，但受限于本系统PCB板的面积，选择集成芯片驱动是一个很好的方案，电路图如图2所示。小容量空心杯直流电机的工作电流一般较小，本系统中电机所需最大电流小于2A，综合考虑选择L9110S作为此系统直流电机的驱动芯片，此芯片价格便宜、驱动电路简单、内阻低、损耗小、可靠性高，由于采用了双电机设计，所以需要两片L9110S。

3.2系统电源设计

电机的启、停会产生大的电压、电流尖峰，而可能导致主控芯片工作不稳定，出现对电机控制无效的现象。为了解决这一问题，本系统的功率电源与控制电路电源分别设计，并且两部分电路的参考点需要单点连接。考虑到本系统使用电池供电且需要小型化设计，为了最大限度地提高系统的续航能力和尽量减小PCB板的面积，功率电路电源和控制电路电源均采用开关电源控制芯片来完成相应的调压任务。

考虑到成本和实现充电功能方案的简洁性，本系统利用TP4056锂电池线性充电管理芯片设计了如图3所示的充电电路。本系统设计的充电电流为1A，充电状态可根据L8的颜色变化来判断。装置外侧预留的是micro USB的充电接口，增强了装置的兼容性。

3.3流程控制

主要流程為电量检测与模式选择的综合判断。如果电量低于临界值，则系统忽略模式选择，并报警。如果电量在正常范围内，则系统进入相应的工作模式。如此设计控制流程不仅直观展现了剩余的电量，最主要的是能及时提醒用户充电，避免了电池过放损坏，提高了系统的使用寿命。流程图如图4所示。

图4系统工作流程图

4装置结构设计

装置的结构设计采用模块化设计的思想，包括壳体、固定杆、毛刷、滤网、电机、扇叶、集灰装置、集成控制器和控制开关；壳体呈框架结构，在壳体表面设有两个对称的通孔；固定杆连接在通孔内；毛刷套接在壳体的外表面；电机固定在固定杆远离毛刷的一面；扇叶连接在电机的输出端；集灰装置设有两个，其分别位于壳体两侧；集成控制器位于壳体内，其分别连接着电机、集灰装置和控制开关；控制开关位于壳体侧表面。装置的俯视图和侧视图如图5，图6所示。

5结语

本文研究了无尘黑板擦性能的优化问题，提出了一种小型化的可充电式无尘黑板擦设计方案。经实际测试，基于该方案设计的无尘黑板擦具有体积小、可移动性强、操作简单、除尘效率高、续航时间长等优点，具有较高的应用价值。

参考文献

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[2]Sanjaya Maniktala.著.王健强等译.精通开关电源的设计（第2版）[M].北京：人民邮电出版社.2015，（1）.

[3]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计（第2版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.endprint