黑板粉尘绿色分区全自动收集系统技术报告

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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

2、械结构和分区控制系统两部分，机械结构分为 上体结构和下体结构，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；目录第一章第一章 绪绪 论论11.1 研究目的及意义 11.2 市场调研及需求分析 11.3

3、主要研究内容 21.4 本章小结2第二章第二章 总体方案设计总体方案设计 32.1 结构部分设计 32.2 分区控制系统设计 32.3 本章小结4第三章第三章 装置上体结构设计装置上体结构设计 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第四章第四章 装置下体结构设计装置下体结构设计 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第五章第五章 分区控制系统硬件设计分区控制系统硬件设计 165.1 光电检测模块 165.2 单片机最

4、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第六章第六章 控制系统的软件设计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 本章小结22结束语结束语23致谢致谢25参考文献参考文献26附录附录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第一章第一章 绪绪 论论1.11.1 研究目的及意义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

5、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。1.21.2 市场调研及需求分析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

6、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1.31.3 主要研究内容主要研究内容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.

7、41.4 本章小结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。第二章第二章 总体方案总体方案设计设计2.2.1 1 结构结构部分设计部分设计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。2.1.2 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

8、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2.22.2 分区控制系统设计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)2.32.3 本章

9、小结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。第三章第三章 装置上体结构设计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3000mm20mm1000mm。3.13.1 静音风扇静音风扇选取选取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

10、，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90mm90mm25mm 至 150mm150mm35mm 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 90mm90mm25mm，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； 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

11、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ABADAE风扇的厚度，为风扇出

12、风口到装置下体部分的最长距离。CD已知 ，1100mmAD 120mmAB 25mmAE 则 22ABEDCD（3.1） 带入数据得： 1075mmED 1081.7mmCD 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108mmL90vv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）0vsQ式中： 风扇的通风量（）Qh/m3风扇出风口面积（）s2m风扇第一段初速度0v已知风扇通风量,风扇出风口面积hm /158.8Q320.0081Sm带

13、入数据：smv 5.450在一个大气压下的标准空气阻力：（3.32 0SvC21F）式中： 空气阻力系数，通常C1C 空气密度，（)1.2053m/kg风扇出风口面积（）S2m带入数据：0.289NF 计算空气质量： （3.4）sLvm带入数据：kgm48. 0可由式（3.5maF ） 得到加速度：2/6 . 0smmFa由于风力做的是匀减速运动故加速度应为负值，故 2/6 . 0smmFa计算每一段的风速：atvv01（3.6） Lat21tv2 0（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：;0.03st ;smv432. 51;smv414. 52smv39

14、6. 53smv378. 54smv36. 55;smv342. 56smv324. 57smv306. 58smv288. 59因为，故该风扇满足设计要求。0v93.23.2 风向板设计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。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 2990mm100mm2mm，其结构如图 3.4所示：图3.4 风向板结构示意图（单位

15、mm）3.33.3 支承架设计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。3.3.2 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 3000mm120mm120mm，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） 3.43.4 本章小结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。第四章第四章 装置下体结构设计装置下体结构设计由于