基于單片機(jī)的環(huán)保黑板設(shè)計(jì)

1、濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) PAGE 22 -1 前言1.1 研究現(xiàn)狀傳統(tǒng)的黑板大多數(shù)屬于人工作業(yè)，產(chǎn)生的粉塵極多，不但污染環(huán)境而且影響師生身體健康。目前國(guó)內(nèi)已有不少企業(yè)正在從事綠色環(huán)保黑板的研制和開(kāi)發(fā)，并有一些初步的產(chǎn)品出現(xiàn)。這些產(chǎn)品在自動(dòng)清洗方面有許多的創(chuàng)新，基本的實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。但是這些產(chǎn)品還是存在許多不足之處需要改進(jìn)，譬如，這些產(chǎn)品在清洗黑板的時(shí)候大多都是一次性清洗干凈，不能進(jìn)行局部的清洗；操作系統(tǒng)過(guò)于簡(jiǎn)單，不能充分發(fā)揮出理想的效果；其次，對(duì)于粉塵的處理方面也不盡如人意，一直影響著師生的身體健康?；趩纹瑱C(jī)的環(huán)保黑板設(shè)計(jì)的課題是一個(gè)較為嶄新的課題，相關(guān)的研究不是很多。因此設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)擦除以

2、及回收粉塵，成本也不是很高的環(huán)保黑板刻不容緩。1.2 預(yù)期效果基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吸塵擦字，擦字的效果顯著，吸塵的功能強(qiáng)大。機(jī)械部分中：傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用齒輪齒條傳動(dòng)，軌道部分通過(guò)硬塑料的滾輪滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確；控制系統(tǒng)：控制電路簡(jiǎn)單，操作容易，易于實(shí)現(xiàn)。原材料容易得到，制作工藝簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，安裝方便2。通過(guò)對(duì)原有黑板進(jìn)行簡(jiǎn)易改造，即可安裝本設(shè)計(jì)的綠色環(huán)保黑板，普及率較高，可以在各學(xué)校中使用。而且，價(jià)格低廉，便于接受。1.3 創(chuàng)新之處自動(dòng)吸塵擦字，擦字效果顯著；擦字環(huán)境是封閉的，吸塵功能強(qiáng)大，粉塵很難進(jìn)入大氣污染環(huán)境，影響師生健康；傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；控制電路簡(jiǎn)單易懂，便于實(shí)現(xiàn)

3、。1.4 推廣應(yīng)用價(jià)值制造成本較低。材料極易得到，可以直接由市場(chǎng)購(gòu)買，降低了生產(chǎn)成本；制作工藝簡(jiǎn)單，性價(jià)比較高，容易在中小學(xué)校和會(huì)議室等場(chǎng)合普及使用；不但安裝方便，而且操作簡(jiǎn)單，師生可以很容易的實(shí)現(xiàn)操作；裝置的維護(hù)和保養(yǎng)易實(shí)現(xiàn)。配件容易得到，更換較簡(jiǎn)單方便。2 總體方案設(shè)計(jì)2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1.1 支架設(shè)計(jì)由基本的金屬材料焊接得到，材料可以在市場(chǎng)上直接購(gòu)買，降低了生產(chǎn)成本。金屬支架主要起到一個(gè)支撐的作用。2.1.2擦字系統(tǒng)設(shè)計(jì) 使用類似凸輪的機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)擦字系統(tǒng)與黑板板面的貼合和分離：當(dāng)需要擦字時(shí),擦字系統(tǒng)與板壁貼合，實(shí)現(xiàn)擦字操作;當(dāng)不需要擦字時(shí)，擦字系統(tǒng)將與板壁分離。因此保證了基于單片機(jī)的

4、環(huán)保黑板能夠?qū)崿F(xiàn)有針對(duì)性的工作，保證了擦字系統(tǒng)對(duì)局部的清理。2.1.3粉塵吸收系統(tǒng)設(shè)計(jì) 粉塵吸收系統(tǒng)與擦字系統(tǒng)是協(xié)調(diào)進(jìn)行工作的，在擦字的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了粉塵的吸收。初步設(shè)想的粉塵吸收系統(tǒng)采用吸塵器的基本原理實(shí)現(xiàn)粉塵回收。可以使用的方式有機(jī)械清洗和清潔液清洗方式。機(jī)械力清洗原理，包括三個(gè)階段：1介質(zhì)施布，2污物解離和分散，3（包含污物的）介質(zhì)分離回收。清洗液循環(huán)系統(tǒng)可以由凈水箱、污水箱、負(fù)壓發(fā)生器、過(guò)濾器和循環(huán)水泵等組成采用清洗液循環(huán)裝置，克服了傳統(tǒng)的無(wú)回收式清洗方式水資源浪費(fèi)，存在環(huán)境污染的缺陷。因此，節(jié)水環(huán)保是基于單片機(jī)的環(huán)保黑板的特點(diǎn)之一。2.1.4 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)初步設(shè)想傳動(dòng)系統(tǒng)使用渦輪蝸桿或

5、類似與工作臺(tái)傳動(dòng)的絲杠傳動(dòng)，導(dǎo)軌固定。設(shè)計(jì)的基本要求為運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的操作要求。 2.2 電器控制設(shè)計(jì) 整個(gè)電器控制的設(shè)計(jì)應(yīng)該力求能夠?qū)崿F(xiàn)基于單片機(jī)的環(huán)保黑板的自動(dòng)化操作，而且考慮到漏電等安全問(wèn)題，選擇低壓工作環(huán)境較好，其次，所選電機(jī)的噪音不宜過(guò)大，以免影響師生的身體健康，最后電機(jī)的體積亦不能過(guò)大?；谝陨弦蛩氐目紤]，此設(shè)計(jì)選擇低壓直流電機(jī)并且采用8051單片機(jī)控制永磁式換向器電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制以及各個(gè)電機(jī)的啟?？刂啤? 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1 固定連接部分的設(shè)計(jì)3.1.1 支架部分的設(shè)計(jì)支架不僅要承受起整個(gè)黑板的重量，而且起到了固定導(dǎo)軌的作用，因此必須要有足夠的強(qiáng)度。設(shè)計(jì)過(guò)程中

6、，考慮到上下兩組支架受力方式不同，即上支架主要是用來(lái)固定導(dǎo)軌，承受Z方向上的力，而下支架主要是承受大部分的重量，受Y方向上的力，決定對(duì)上下支架采用不同的設(shè)計(jì)方法。上下兩組支架都是通過(guò)埋在墻體內(nèi)的螺栓使用螺母固定的。上支架使用的是如圖3.1所示的結(jié)構(gòu)：支架的上下分別開(kāi)有直徑為16mm的光孔，使螺栓可以穿過(guò)。支架的中心開(kāi)有四個(gè)對(duì)稱的盲孔，這四個(gè)盲孔的直徑為8mm。四個(gè)盲孔的用處是利用螺釘將上導(dǎo)軌固定到支架上。下支架的機(jī)構(gòu)如圖3.2所示。為了保證下支架有足夠強(qiáng)度承受黑板的絕大多數(shù)重量，把下支架設(shè)計(jì)為三角形的結(jié)構(gòu)，并用肋板保證強(qiáng)度。在肋板的左右兩側(cè)分別開(kāi)有四個(gè)光孔，下支架同樣使用通過(guò)埋在墻體內(nèi)的螺栓固

7、定。在下支架的上水平面上開(kāi)有四個(gè)直徑為10mm的光孔，用來(lái)固定下軌道。軌道和支架的連接使用螺栓連接在一起。圖3.1 上支架圖3.2 下支架3.1.2 軌道部分的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的環(huán)保黑板的軌道部分使用的是鋁合金材料。如圖3.3。這種材料比較容易得到，而且價(jià)格便宜，有效的降低了環(huán)保黑板的成本。在軌道的左右兩端分別開(kāi)有四個(gè)直徑為8mm的光孔，提供螺栓穿過(guò)光孔分別固定到上下兩組支架上,而軌道右側(cè)的開(kāi)口部分可以穿過(guò)滾輪的軸。圖3.3 軌道3.1.3 滾動(dòng)件及其固定裝置在完成了軌道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行滾動(dòng)組件的設(shè)計(jì)。對(duì)于滾動(dòng)組件的設(shè)計(jì)要求是設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)力求能夠保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，盡量減小摩擦，避免X和Y方向的竄

8、動(dòng)，在擦黑板的運(yùn)動(dòng)中保證Z方向上不會(huì)因?yàn)槭芰Χa(chǎn)生較大的位移。圖3.4 滾動(dòng)輪組件如圖3.4是設(shè)計(jì)的滾動(dòng)輪組件，其中滾動(dòng)輪采用的是硬塑料的輪子，大輪一個(gè)，小輪兩組，其中大輪的直徑為60mm，小輪的直徑為22mm。大輪通過(guò)螺母固定到軸的一端，小輪通過(guò)開(kāi)口銷安裝到與軸連接的兩個(gè)小滾輪軸上。滾動(dòng)輪組件與軌道的配合是根據(jù)滾動(dòng)輪組件與軌道的不同的受力方式?jīng)Q定的。其中上滾動(dòng)輪組件與上軌道的配合方式如圖3.5。左側(cè)的小輪承受的是在擦黑板的過(guò)程中受到的沿黑板面指向外的Z向的力，因此它們?yōu)槌兄剌?，大輪的作用是保障滾動(dòng)輪組件沿Y方向的運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)，顯然它為導(dǎo)向輪，右側(cè)的兩個(gè)小輪的作用是防止?jié)L動(dòng)輪組件在Z方向的竄動(dòng)。

9、同理下滾動(dòng)輪組件與下軌道的配合方式與上滾動(dòng)輪組件與上軌道的配合方式相似，只是方向變?yōu)樨Q直的方向，其中大輪為導(dǎo)向輪，上邊的兩個(gè)小輪為承重輪，下面的兩個(gè)小輪是為了防止Y方向的竄動(dòng)而設(shè)置的。圖3.5 滾動(dòng)輪組件與軌道的配合上下兩組滾動(dòng)輪的組件中，每一組都有兩個(gè)滾動(dòng)輪的組件通過(guò)固定板連接在一起，滾動(dòng)輪組件的軸穿過(guò)固定版的孔，用螺母固定。其中上方的固定板豎直放置，下方的固定板水平放置。圖3.6 固定板3.1.4 Y方向支架設(shè)計(jì)Y方向上的支架是用來(lái)連接上下兩個(gè)滑輪組件，并且安裝擦字機(jī)構(gòu)用的，在擦字的過(guò)程中，擦字機(jī)構(gòu)所受到的力通過(guò)支架最終會(huì)傳到上下支架上。在支架的下方和上方各開(kāi)有直徑為18mm的孔1和孔6，

10、通過(guò)滾動(dòng)輪組件的軸的螺紋連接到上下兩個(gè)固定板上。支架的中央部分開(kāi)有直徑12mm的孔3和孔5，用來(lái)連接擦字機(jī)構(gòu)與Y方向支架貼合分離機(jī)構(gòu)中的彈簧擋桿。在以3和4為中心的圓上另開(kāi)有8個(gè)直徑為8mm的圓，是用來(lái)連接貼合分離機(jī)構(gòu)的外套筒。圖3.7 Y方向的支架3.2 擦子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)擦字系統(tǒng)是基于單片機(jī)的環(huán)保黑板設(shè)計(jì)中最為重要的一部分，它是集擦字和粉塵吸收為一體的綜合性裝置，它的存在最終體現(xiàn)了基于單片機(jī)的環(huán)保黑板的應(yīng)用價(jià)值。因此在擦字機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中首先要考慮的就是改善擦字機(jī)構(gòu)，提高其擦字的效率，力爭(zhēng)達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)目的。3.2.1 擦字盒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)擦字盒是用來(lái)與黑板面接觸，參與清理黑板工作的部分。因此在設(shè)

11、計(jì)的過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)的要求：1.保證結(jié)構(gòu)合理，在擦字過(guò)程中必須有足夠的力將粉筆字殘留物擦除干凈；2.設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)必須避免粉塵飛出進(jìn)入空氣中，因此最好能夠設(shè)計(jì)為一個(gè)封閉的環(huán)境。3力求將整個(gè)板面都能清理干凈，不留下死角；鑒于以上的幾點(diǎn)要求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了能夠提供一個(gè)良好的密封工作環(huán)境，在擦字盒的四個(gè)邊上固定安裝橡膠密封條。當(dāng)擦字盒與黑版面接觸的時(shí)候，橡膠密封條處于壓緊的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)密封的目的，從而能夠防止粉筆屑泄露出來(lái)。設(shè)計(jì)黑板刷的構(gòu)造時(shí)，要考慮的因素比較多，既能把黑板擦的干凈，又能保證其行程能夠達(dá)到黑板的上下兩端。設(shè)計(jì)中，對(duì)黑板刷的選擇有兩種，一種是條形的，令一種是圓形的，其中圓形的設(shè)計(jì)，不

12、能對(duì)黑板的邊緣死角進(jìn)行清除，而且在工作行程完成后會(huì)留下一系列的不規(guī)則的殘留痕跡，效果不是相當(dāng)理想，所以最終放棄了這個(gè)思路，選擇了如圖3-8所示的條形刷，此種結(jié)構(gòu)的黑板刷的主運(yùn)動(dòng)方式為如圖3.8所示的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并伴隨Y方向支架沿著軌道在X方向上移動(dòng)。在條形刷的上方有四個(gè)連接柱，其上有V型孔，這四個(gè)連接柱能夠插入與連桿連接的連接塊內(nèi)，并使用緊固螺釘固定到連接塊上，四個(gè)緊固螺釘可以手工操作擰緊、卸下，使得條形刷的更換和清洗來(lái)得非常方便。圖3.8 條形刷條形刷固定與圖3.9所示的連接塊后，將連接塊固定到滑動(dòng)桿上：將滑動(dòng)桿穿過(guò)連接塊的右側(cè)的光孔內(nèi)，再使用開(kāi)槽錐端緊定螺釘緊定。為了保證其穩(wěn)定性，連接塊在每

13、一根滑動(dòng)桿上都設(shè)有四個(gè)。圖3.9連接塊將帶有條形刷的連接塊固定到滑動(dòng)桿上后，需要設(shè)計(jì)一種支撐結(jié)構(gòu)來(lái)安置這一套裝置，這種支撐必須能夠保證滑動(dòng)桿在其內(nèi)自由的滑動(dòng)。其結(jié)構(gòu)如圖3.10 固定滑動(dòng)單元所示。圖中3所示的2為聚四氟乙烯材料的中空的圓柱形滑塊?；瑒?dòng)桿穿過(guò)2上的孔1，在孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，3為光孔，利用螺栓將固定滑動(dòng)單元連接到擦字盒的箱體上。圖3.10 固定滑動(dòng)單元滑動(dòng)桿固定以后，要完成將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑動(dòng)桿帶動(dòng)條形刷作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這就需要一種特殊的傳動(dòng)件。結(jié)合縫紉機(jī)的設(shè)計(jì)，將圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)如圖3.11所示的裝置，這種結(jié)構(gòu)的下方使用螺栓將滑動(dòng)桿固定住，上方為T型槽，與

14、電機(jī)相連的軸上有磙子在T型槽內(nèi)滾動(dòng)，以便完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)。圖3.11 滑動(dòng)桿傳動(dòng)件3.2.2 吸塵設(shè)備的設(shè)計(jì)擦字機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，以上的設(shè)計(jì)過(guò)程已經(jīng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)粉筆痕跡擦干凈的目的，但是，對(duì)于擦字過(guò)程中產(chǎn)生的粉筆屑的處理將會(huì)是一個(gè)新的問(wèn)題，在擦字機(jī)構(gòu)內(nèi)的粉筆屑是處于一種無(wú)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，需要依靠重力和風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的吸力將其回收，而完成這個(gè)工作的就是吸塵盒。圖3.12 吸塵裝置如圖3.12所示為吸塵盒裝置，其中的1為塑料支座，從擦字機(jī)構(gòu)的側(cè)面插入固定住。其上端面做成斜坡?tīng)睿欣诜蹓m進(jìn)入。2和8為吸塵風(fēng)扇。3為擦字機(jī)構(gòu)的外壁。4為集塵盒。5和6為密度不同的過(guò)濾網(wǎng)，其中6的密度較5的要大，它們都是可以更

15、換的，7為通氣孔。另外在集塵盒的內(nèi)壁上還有交叉的兩個(gè)塑料片，呈倒立的喇叭狀，上大下小，這樣的結(jié)構(gòu)能夠保證粉塵易進(jìn)難出，防止因?yàn)轱L(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)力產(chǎn)生環(huán)形氣流將進(jìn)入集塵盒的粉筆屑重新吹回擦字機(jī)構(gòu)內(nèi)，難以完全回收。其中使用的風(fēng)扇為24V的直流風(fēng)扇。3.3擦字機(jī)構(gòu)與Y方向支架連接及分離貼合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)由擦字盒和吸塵裝置組成的擦字機(jī)構(gòu)是作為一個(gè)單獨(dú)的單元來(lái)工作的，即在不進(jìn)行擦字的常態(tài)下，擦字機(jī)構(gòu)是與黑板面分開(kāi)的，當(dāng)進(jìn)行擦字的時(shí)候，才會(huì)利用控制系統(tǒng)，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)凸輪將擦字機(jī)構(gòu)壓向板面，如此設(shè)計(jì)，可以避免電機(jī)在啟動(dòng)的一瞬間由于阻力作用而無(wú)法啟動(dòng)。所以必須還要設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)，使擦字結(jié)構(gòu)在常態(tài)下是處于遠(yuǎn)離黑板面的狀態(tài)

16、。3.3.1擦字機(jī)構(gòu)與Y方向支架的連接部分的設(shè)計(jì)擦字機(jī)構(gòu)與Y方向支架的連接部分如圖3.13。圖中結(jié)構(gòu)中，其中1為擦字盒的外壁，5是與1相連接的內(nèi)套筒，1和5之間是通過(guò)螺栓連接在一起的。4為Y方向支架。3是與4之間使用螺母緊固的彈簧擋桿。圖3.13 擦字機(jī)構(gòu)與Y方向支架的連接部分3與5之間的彈簧處在壓緊的狀態(tài)，它的力，只能夠保證將1壓向4。所以在常態(tài)時(shí)，由于彈簧的作用，擦字機(jī)構(gòu)是遠(yuǎn)離黑板面的。3.3.2令擦字機(jī)構(gòu)與Y方向支架貼合和分離的機(jī)構(gòu)如圖3-13中所示，在正常狀態(tài)下，擦字機(jī)構(gòu)是遠(yuǎn)離黑板面的。所以需要一種機(jī)構(gòu)能給擦字機(jī)構(gòu)一個(gè)力使它能夠貼近黑板面，進(jìn)而能夠順利的完成擦字的動(dòng)作。綜合考慮各種基本

17、機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，凸輪機(jī)構(gòu)是比較適合這種要求的機(jī)構(gòu)之一。電機(jī)帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，電機(jī)斷電，同時(shí)電機(jī)自鎖住，進(jìn)行擦字操作，完成后，電機(jī)反轉(zhuǎn)，復(fù)位。3.4 動(dòng)力系統(tǒng)的選擇3.4.1 電機(jī)的選擇電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩個(gè)類型，雖然直流電動(dòng)機(jī)不及交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便，但是由于一直以來(lái)交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問(wèn)題未能得到滿意的解決，而直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問(wèn)題已經(jīng)解決，所以，在速度調(diào)節(jié)要求較高，正，反轉(zhuǎn)和啟、制動(dòng)頻繁或多單元同步協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械上，一般使用直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)。假使板擦在100s內(nèi)完成3m長(zhǎng)的黑板的單程運(yùn)動(dòng)。整個(gè)黑板擦系統(tǒng)的質(zhì)量是2.5Kg，所有的接觸為橡膠與鋼板的接觸取

18、 =0.4，導(dǎo)軌為滑動(dòng)取=0.1易得=0.5 (3-1)得 = 0.03 (m/s)則電機(jī)運(yùn)動(dòng)的線速度為= 0.03 （m/s）又因?yàn)?(3-2)則 （mm） =1.5 （r/s）又因?yàn)?(3-3)則 （r/s） 繼續(xù)化得 n=246（r/min）再有 (3-4)得 T=0.350（N/m）所選的直流電機(jī)參數(shù)為（見(jiàn)下表3.1所示）表3.1 直流電機(jī)參數(shù)輸出轉(zhuǎn)速輸出轉(zhuǎn)矩額定功率額定電壓187.5（r/min）1.060（Nm）40(W)24(V)從以上的數(shù)據(jù)可以看出滿足設(shè)計(jì)要求。所選的直流電機(jī)為汽車上經(jīng)常使用的雨刷電機(jī)。 這種電機(jī)的軸以蝸桿蝸桿的形式輸出轉(zhuǎn)矩，蝸桿旋轉(zhuǎn)一周，蝸輪只轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，因

19、而能實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比，一般的傳動(dòng)比i=580之間，所選的電機(jī)的i=20，很好的實(shí)現(xiàn)了減速的目的。由于傳動(dòng)比大，零件數(shù)目較少，因而結(jié)構(gòu)緊湊。而且，當(dāng)蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當(dāng)量摩擦角是，蝸桿傳動(dòng)便具有自鎖性，雨刷電機(jī)的這種性能恰能實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，斷電鎖住的要求。雨刷電機(jī)一般有永磁式和勵(lì)磁式兩種，而永磁式電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠性好，被廣泛采用10。永磁式電機(jī)應(yīng)用很廣泛，只要在它上面加適當(dāng)電壓，電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)。這種電機(jī)由轉(zhuǎn)子、定子、換向器、電刷等組成，定子用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子是在定子磁場(chǎng)作用下，得到轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)起來(lái)。換向器即使改變電流方向，使轉(zhuǎn)子能連續(xù)旋轉(zhuǎn)下去。也就是說(shuō)直流電壓加到點(diǎn)刷上

20、，經(jīng)換向器加到轉(zhuǎn)子線圈，流過(guò)電流而長(zhǎng)生磁場(chǎng)，這種磁場(chǎng)與定子的固定磁場(chǎng)作用，轉(zhuǎn)子被迫轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)它轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于磁場(chǎng)的相互作用，也將產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，它的大小正比于轉(zhuǎn)子的速度，方向和所加的直流電壓相反。電機(jī)的啟停控制是用開(kāi)關(guān)晶體管來(lái)代替機(jī)械開(kāi)關(guān)，無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花干擾，速度快。電路如圖所示。當(dāng)輸入端為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)晶體管Q1截止，電機(jī)無(wú)電流而處于停止?fàn)顟B(tài)。如果輸入端為高電平時(shí)，Q1飽和導(dǎo)通，電機(jī)中有電流，因此電機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。圖3-14二極管D1和D2是保護(hù)二極管，防止反電動(dòng)勢(shì)損壞晶體管。電容C是消除射頻干擾而外加的。R1基極限流電阻，限制Q1的基極電流。在6V電源時(shí)，基極電流不超過(guò)52mA。在這種情況下，Q1提

21、供電機(jī)的最大電流為1A左右。圖3.14 晶體管控制電機(jī)的啟停永磁式換向器電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，可以用改變電源極性的方法，使得電機(jī)反轉(zhuǎn)。假使用正、負(fù)雙極性電源，可用一個(gè)單刀進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因?yàn)殡姍C(jī)的電流直接通過(guò)開(kāi)關(guān)，容易燒壞開(kāi)關(guān)接點(diǎn),所以可以改用功率開(kāi)關(guān)晶體管來(lái)代替機(jī)械開(kāi)關(guān)，就能克服上述缺點(diǎn)。電路如圖3-15所示：圖3.15 晶體管開(kāi)關(guān)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路工作原理：當(dāng)開(kāi)關(guān)SW1置于“正轉(zhuǎn)”位時(shí)，Q1和Q3的基極加上偏流；Q2和Q4的偏置電路被斷開(kāi)。所以Q1和Q3導(dǎo)通，Q2和Q4截止。電流從VQ3發(fā)射極Q3集電極電機(jī)正端電機(jī)負(fù)端地形成回路，此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)。同理，如果SW1置于“反轉(zhuǎn)位置時(shí)，Q2和Q4得到偏流而導(dǎo)通

22、；01和Q3截止。電流從電源地端電機(jī)負(fù)端電機(jī)正端Q4集電極Q4發(fā)射極電源負(fù)端形成回路，故電機(jī)電源與上述情況相反，因此電機(jī)反轉(zhuǎn)。而SW1置于斷時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。吸塵盒內(nèi)的吸塵電機(jī)，選用的是一般電腦上的散熱電機(jī)，如圖所示。其基本上就能夠?qū)崿F(xiàn)有效的吸塵目的。4 控制部分的設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)8051單片機(jī)來(lái)控制永磁式換向器電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及電機(jī)的啟停。下面介紹下8051單片機(jī)管腳的分布以及各個(gè)管腳的功能，管腳分布如圖所示：圖4.1 8051管腳圖引腳功能詳細(xì)介紹：（1）、主電源引腳Vss和Vcc Vss（20腳）：接地端。 Vcc（40腳）：電源端，接+5V。 （2）、外接晶振或外部振蕩器引

23、腳 XTAL1（19腳）：接外部晶振和微調(diào)電容的一端,在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入,若使用外部TTL時(shí)鐘時(shí),該引腳必須接地。 XTAL2（18腳）：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端,在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出, 若使用外部TTL時(shí)鐘時(shí),該引腳為外部時(shí)鐘的輸入端。（3）、控制或與其它電源復(fù)用引腳RST/VPD，和 （29腳）： 是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，低電平有效。 （31腳）：為內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和外部程序存儲(chǔ)器選擇端。當(dāng)為高電平時(shí)，訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，當(dāng)為低電平時(shí)，則訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于EPROM型單片機(jī)，在EPROM編程期間，此引腳上加21伏EPROM編程電源（Vpp）。（4）、

24、輸入/輸出引腳P0.0 - P0.7，P1.0 - P1.7，P2.0 - P2.7，P3.0 - P3.7 P0口（P0.0 - P0.7）（3239腳）：該端口為漏極開(kāi)路的8位準(zhǔn)雙向口，它為外部低8位地址線和8位數(shù)據(jù)線復(fù)用端口，驅(qū)動(dòng)能力為8個(gè)LSTTL負(fù)載。 P1口（P1.0 - P1.7）（18腳）：它是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的準(zhǔn)雙向I/O口, P1口的驅(qū)動(dòng)能力為4個(gè)LSTTL負(fù)載。 P2口（P2.0 - P2.7）（2128腳）：它為一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的準(zhǔn)雙向I/O口, P2口的驅(qū)動(dòng)能力也為4個(gè)LSTTL負(fù)載。 P3口（P3.0 - P3.7）（1017腳）：為內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向并

25、行I/O端口，而且每個(gè)引腳都具有第二功能。第二特殊功能具體含義為：P3.0（10腳）RXD：串行數(shù)據(jù)接收端。P3.1（11腳）TXD：串行數(shù)據(jù)發(fā)送端。P3.2（12腳）：外部中斷0請(qǐng)求端，低電平有效。P3.3（13腳）：外部中斷1請(qǐng)求端，低電平有效。P3.4（14腳）T0：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0外部事件計(jì)數(shù)輸入端。P3.5（15腳）T1：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1外部事件計(jì)數(shù)輸入端。P3.6（16腳）：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通，低電平有效。P3.7（17腳）：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通，低電平有效8051單片機(jī)的復(fù)位電路和晶振電路為圖4.2和圖4.3 圖4.2 復(fù)位電路 圖4.3 晶振電路4.2 限位開(kāi)關(guān)限位開(kāi)關(guān)是用來(lái)

26、限定機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)的極限位置的電氣開(kāi)關(guān)。這種開(kāi)關(guān)分接觸式的和非接觸式的。接觸式的較為直觀，機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)的部件上，安裝有行程開(kāi)關(guān)，與其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的固定點(diǎn)上安裝極限位置的擋塊，或者安裝在相反位置。當(dāng)行程開(kāi)關(guān)的機(jī)械觸頭碰上擋塊時(shí)，切斷了（或改變了）控制電路，機(jī)械設(shè)備就停止運(yùn)行或者是改變運(yùn)行。但是由于機(jī)械的慣性運(yùn)動(dòng)，這種行程開(kāi)關(guān)有一定的“超行程”以保護(hù)開(kāi)關(guān)不受損壞。非接觸式的形式有很多種，常見(jiàn)的有干簧管、光電式、感應(yīng)式等，在電梯中均能看見(jiàn)這幾種形式,當(dāng)然還有許多的先進(jìn)形式。 限位開(kāi)關(guān)主要就是限定位置，比如行車之類的，當(dāng)?shù)竭_(dá)末端位置，限位開(kāi)關(guān)就會(huì)觸動(dòng)，停止繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，不至于出軌，如果僅靠機(jī)械阻擋制動(dòng)不僅不利于

27、設(shè)備，而且也浪費(fèi)電能。4.3 LMD18200直流電機(jī)控制電路圖4.6 LMD18200直流電機(jī)控制電路該電路是用來(lái)控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)、調(diào)速、急停等功能用的,信號(hào)控制芯片8051端口P0.0通過(guò)脈沖信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，端口P0.2用來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的速度實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速控制端口，端口P0.1用于電機(jī)的急停。內(nèi)部電路框圖如圖4.7所示圖4.7 LMD18200內(nèi)部電路框圖功能介紹如下所示：（1）1，11為橋臂1，2的自舉輸入電容連接端；（2）2，10為H橋輸出端；（3）3為方向控制端，控制輸出1與輸出2（腳2、10）之間電流的方向，從而控制馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的方向；（4）4，剎車輸入端，通過(guò)該端將馬達(dá)繞組

28、短路而使其剎車。剎車時(shí)，將該腳置邏輯高電平，并將PWM信號(hào)輸入端（腳5）置邏輯高電平，3腳的邏輯狀態(tài)決定于短路馬達(dá)所用的器件。3腳為邏輯高電平時(shí)，H橋中2個(gè)高端晶體管導(dǎo)通；3腳呈邏輯低電平時(shí)，H橋中2個(gè)低端晶體管導(dǎo)通。腳4置邏輯高電平、腳5置邏輯低電平時(shí)，H橋中所有晶體管關(guān)斷，此時(shí)，每個(gè)輸出端只有很小的偏流（1.5mA）。（5）5，PWM信號(hào)輸入端，該端與3腳（方向輸入）如何使用，決定于PWM信號(hào)類型；（6）6，7分別為電源的正端與負(fù)端；（7）8，電流取樣輸出端，提供電流取樣信號(hào)；（8）9，溫度報(bào)警輸出，溫度報(bào)警輸出，提供溫度報(bào)警信號(hào)。芯片結(jié)溫達(dá)145時(shí)，該端變?yōu)榈碗娖剑唤Y(jié)溫達(dá)170 表4.1

29、為L(zhǎng)MD18200的邏輯真值表。表4.1 LMD18200的邏輯真值表：PWM轉(zhuǎn)向剎車實(shí)際輸出驅(qū)動(dòng)電流電機(jī)工作狀態(tài)HHL流出1、流入2正轉(zhuǎn)HLL流入1、流出2反轉(zhuǎn)LL流出1、流出2停止HHH流出1、流出2停止HLH流入1、流入2停止LXHNONE4.4 光電隔離電路脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，控制直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組，由于直流電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓比較高（幾十伏），電流也較大（幾安到幾十安），如果將I/O口輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正常運(yùn)行，重則將導(dǎo)致計(jì)算機(jī)接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣控制，通常使用最多的是光

30、電耦合器。如圖4.8圖4.8 光電耦合器其中直流電機(jī)控制框圖如圖4.9光電隔離電路光電隔離電路功率放大器直流電機(jī)電源電路脈沖分配圖4.9 直流電機(jī)控制框圖主程序和中斷程序入口: ORG 0000H； 程序執(zhí)行開(kāi)始地址 AJMP START； 跳至START執(zhí)行 ORG 0003H； 外部中斷0入口 AJMP INT0P； 跳至INT0P執(zhí)行 ORG 0013H； 外部中斷1入口 AJMP INT1P； 跳至INT1P執(zhí)行；主程序 MAIN： CLR A ； A 清零 MOV P2，A ； P2口清零 SETB EX0 ； SETB EA ； SETB EXO ； SETB EX1 ； SETB

31、 PX1 ； 開(kāi)中斷 SETB P2.2 ; SETB P2.0 ; H ： SJMP H ； 執(zhí)行重復(fù)動(dòng)作，直到有中斷請(qǐng)求；中斷服務(wù)程序0 INT0P： JB P2.4 ，MAIN； JB P2.5 ，SV1 ； JB P2.6 ，SV2 ； JB P2.7 ，STOP；SETB P3.7 ； 關(guān)中斷 RETI ； 返回；中斷服務(wù)程序1 INT1P： JB P0.0 ，SV2； JB P0.1 ，SV1； RETI ；SV1程序 SV1： SETB P2.0 ； SETB P2.3 ；SV2程序 SV2： CLR P2.0； SETB P2.1； SETB P2.2；STOP程序 STOP：

32、 CLR P2.2； CLR P2.3； CLR P2.0；清零，所有電機(jī)不工作 RET ；返回5 結(jié) 論此課題的設(shè)計(jì)研究中融入了機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新以及單片機(jī)的自動(dòng)控制。綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)思路是整個(gè)設(shè)計(jì)的基調(diào)，貫穿了整個(gè)過(guò)程。尤其是在現(xiàn)如今，大力提倡環(huán)保的大前提下，基于單片機(jī)的環(huán)保黑板的設(shè)計(jì)將是一個(gè)十分有發(fā)展前景的設(shè)計(jì)課題。我在設(shè)計(jì)的過(guò)程中充分考慮到了將改善機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)與電器部分的設(shè)計(jì)相結(jié)合，最終設(shè)計(jì)出可行性較強(qiáng)的設(shè)計(jì)課題。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量選擇采用機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的，材料在市場(chǎng)上易得到，力求將設(shè)計(jì)產(chǎn)品的成本降低到最低，以方便實(shí)現(xiàn)環(huán)保黑板的普及使用?？刂撇糠值脑O(shè)計(jì)中，力求用簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)完成最全面的控制。機(jī)械部分的設(shè)計(jì)基本上實(shí)現(xiàn)了將清理黑板和粉塵的吸收相結(jié)合，運(yùn)動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，可靠?？刂撇糠植捎脝纹瑱C(jī)控制直流電機(jī)，操作簡(jiǎn)單，可行性強(qiáng)。當(dāng)然由于此設(shè)計(jì)的時(shí)間過(guò)短，本人的考慮肯定不是很全面，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中難免有疏