基于静电吸附原理的环保黑板擦

王佳妮 马纪豪 王振丰 徐丹咪 贾宇周

摘要：众所周知，粉笔粉尘具有较强的吸附能力，因此本文從空气中的粉笔粉尘对人类健康的威胁这一全球性问题入手，以静电吸附原理为基础，介绍了目前静电除尘技术的研究现状。而本项目的这款以太阳能电池板为供电材料的的无尘黑板擦正是基于此原理，通过改造使得颗粒较大的粉笔灰直接掉入黑板擦中，而一些细小的粉笔飞尘则将利用静电吸附原理被电极所吸附而靠近电机板中，从而达到除尘的效果，既方便又环保。

1.前言

随着社会科技的进步，越来越多的矿物资源被转变成工业原材料和生活产品，随之而来的污染也越来越多，尤其是在空气中漂浮的粉尘颗粒。静电除尘作为一项重要的防治大气污染环保技术手段，在有了一个多世纪的发展基础上其理论研究也已非常成熟，应用也已几乎涵盖整个工业领域，尤其广泛应用于含尘废气治理、气固分离、粉状物料回收等。静电除尘的一般方法是利用静电吸附力来实现对气体中的各种颗粒进行分离，其优点是：效率高、处理烟气量大、运维方便成本低等。原理是将含粉尘颗粒的气体通过静电场后使粉尘颗粒带电荷，在电场作用下，使带电荷的粉尘颗粒在库仑力的作用下沉积在相应的收集粉尘颗粒的装置上，从而达到去除粉尘的目的。

2.硬件设计

本项目使用STM32f10x系单片机为其主控芯片，用户可以通过手机端APP操作界面上提供的功能按键或语音来实现控制。项目整体系统框图如图1所示。接通电源并收到清除指令后风扇转动，将毛刷清除黑板上字迹所产生的粉尘吸入收纳槽中，气流经过过滤层（含活性炭层和尼龙网层）后才排出，使得空气中的粉尘过滤得更好。STM32单片机控制与电机相连的驱动模块使电机转动达到除尘的效果。该装置有部分机械传动装置、吸尘动力来源、吸尘袋等几部分组成，具体结构如图2所示。

该黑板擦使用直流供电，可以用相应电源适配器对其进行充电或太阳能电池板对锂电池进行持续充电，解决了黑板擦续航的实际难题，实现随时随地充电。静电除尘部位的两块金属丝提供高压直流的电流，使其产生高强度电场将粉尘电离，进而使粉尘发生荷电，在电场力也就是粉尘所受的库仑力的作用下，将空气中的粉尘吸附并收集起来。

本设计使用额定电压为12V的直流电机，用LM7805将L298n的供电引脚12V降为5V，同时LM7805上接了散热片防止过热而烧坏芯片。输入极接的二极管是防止反接烧坏芯片，电源正负极接入的电容起滤波作用。电机驱动模块采用了TLP521芯片来进行，该芯片是通过光耦来进行开关量的传输，这样STM32和电机就不会有干扰，电源也相对稳定。导通时L298n的Input和Enable引脚的典型输入值为30uA，最大值为100uA，在Input和Enable端串联10K电阻使其输入值为50uA。电机正负端接8个二极管是防止当电机反转时发生泄流。

3.系统的软件设计

本设计的程序主要包括起动文件传到主程序、主程序包换串口初始化及使能程序，定时器初始化及使能程序、定时器中断服务及使能程序、蓝牙模块初始化程序与子程序，语音识别程序、串口彩屏程序等。

（1）主程序

首先程序进行初始化，检测语音识别，发生中断主程序中断响应，等待APP上的功能按键被按下后串口彩屏上的按键按下，进入电机驱动程序让电机开始转动，实现相应功能。

（2）串口初始化

接收串口彩屏和蓝牙的数据是在中断处理函数完成的，每接收到一帧数据，相应的模块就会给主控芯片中断指令接着进入一次中断处理函数，中断收到之后会对帧进行校验，若匹配，则STM32单片机控制电机，黑板擦执行相应的功能。

（3）手机APP

手机APP具有功能按键和语音控制功能，通过E4A平台用中文编写的，然后编译为java在它自己的linux进程中运行。

（4）串口彩屏程序

操作界面使用的是串口彩屏。在屏幕区域中设计功能键区，如果被单击下去，将进行有线数据传送。串口彩屏操作界面可以设置许多功能按键，按键代码区又分为按下事件和弹起事件，每个都是在弹起事件里写代码的。当按键被按下弹起的时候，STM32单片机的串口将会收到串口彩屏发来的数据。

（5）定时器及服务函数

返回相应的霍尔传感器检测值并计算距离，利用给予不同的时间和功率来实现黑板的定位，将黑板分成四部分，利用二维数组来储存黑板的当前位置和下一位置要调用的时间和功率，当发送的数据被单片机接受的时候，根据要移动位置自动判断要移动的时间和功率从数组选取合适的数值来进行移动，利用定时器中断中断到来时进行状态判断，然后送出相应的PWM来控制功率，进行一定的延时时间来移动到所需要的位置。

4.结束语

相比传统黑板擦，本文的黑板擦降低了粉尘对人们环境的污染，将机械惯性力除尘法、静电吸尘法和过滤除尘法进行有机结合。同时，使用太阳能锂电池可循环使用，既环保又节能。也可以解决传统黑板擦在使用过程中飞扬的粉尘对师生健康和教室环境卫生造成不良影响，因此具有广阔的发展前景。

参考文献：

[1]王灵甫，马书毫.浅谈静电除尘原理

[2]仝世学，褚庆忠，李全通，史正旭，韩宁，喻永顺，杨超.基于静电吸附原理的光能无尘黑板擦的研究

资助项目：衢州学院大学生科技创新项目Q20X061