CN108382106B - 一种基于倾角测量的自动吸尘黑板擦 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于倾角测量的自动吸尘黑板擦，包括毛刷层、吸尘储尘层、电路控制层和保护外壳，其中，电路控制层包括电能管理模块、可充电锂电池和电机控制模块，电机控制模块利用倾角测量电路和主控电路，检测黑板擦所处的位置状态，对倾角处理判断后做出正确的输出响应，实现电机的自动控制。本发明可实现最大程度地吸尘，减少粉尘对环境以及人体健康的危害，同时根据倾角测量，通过软件判断处理，对电机进行自动准确控制，避免出现硬件开关损耗、失灵以及损坏等问题。

Description

一种基于倾角测量的自动吸尘黑板擦

技术领域

本发明涉及传感检测技术领域，更具体地说，涉及一种基于倾角测量的自动吸尘黑板擦。

背景技术

黑板擦是教学过程中不可或缺的教具之一，尽管随着经济教育水平的提高，教学方式发生了很大改变，多媒体设备和网络的普及使得教学用具逐渐现代化，但由于黑板书写因其便捷直观等突出优点，仍具有不可替代性而广泛应用，故黑板擦的使用频率依旧很高。

然而普通黑板擦在使用过程中存在的最大的问题就是粉笔灰尘问题，由于普通板擦未做任何吸尘处理，擦黑板的事便会导致粉尘四处飘扬，粉尘不仅污染了教室环境更是大大增加了呼吸系统疾病发病率，严重威胁师生健康。

目前市场上也存在部分吸尘黑板擦产品，主要分为两类：一类是利用海绵等吸尘材料作为毛刷部分制成的板擦，但因材料本身特性的限制，其吸尘效果微弱；一类是电动吸尘黑板擦，此类黑板擦参照吸尘器的原理，总体吸尘效果较好，但使用过程中存在一明显问题：反复开关，目前此类电动吸尘黑板擦均只设置了外部按钮开关用以启动关闭，但是由于黑板擦使用频率较高，需在短时间内反复操作开关，这对开关的使用寿命具有很大影响，易造成开关的损坏，加之暴露的开关在擦黑板的过程中会不可避免的覆盖粉尘，使得开关灵敏度下降，导致电机无法启动或误启，影响产品使用。此外，频繁的开关的状态会产生较大的开关损耗，浪费了电能，缩短了使用时限。因此一种能够实现自动控制启动关闭的高效吸尘黑板擦成为解决以上痛点问题的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于倾角测量的自动吸尘黑板擦，可以通过测量倾角，判断黑板擦是处于使用时竖直放置状态还是闲置时水平放置状态，继而正确启动或关闭电机，利用扇叶高速转动产生的气压差，实现自动高效吸尘。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：设计一种基于倾角测量的自动吸尘黑板擦，包括毛刷层、吸尘储尘层、电路控制层和保护外壳，所述毛刷层、吸尘储尘层、电路控制层通过两两卡扣组合后加盖保护外壳；所述毛刷层的一面开有多个长方形的凹槽，作为用于安放毛刷的毛刷槽，且毛刷包围的中央位置开有一个圆孔，作为吸尘口；所述吸尘储尘层包括吸尘装置和储尘装置，所述吸尘装置包括安放在电机承载结构上的直流电机，所述直流电机轴上装有扇叶，在扇叶正下方开有与吸尘口相配的圆孔，两孔之间做密封处理并与电机承载结构共同组成吸尘腔；所述储尘装置包括长方体支架结构，所述长方体支架结构上靠近吸尘装置一端设有卡槽，用于固定可拆卸的储尘网兜，网兜入口与吸尘腔的出口紧密相接；所述电路控制层包括电能管理模块、可充电锂电池、电机控制模块；所述电能管理模块包括锂电池充电电路和降压电路，所述电能管理模块上设有USB充电接口，外接220V交流电源通过电源适配器与所述USB充电接口相接，提供5V充电电压，所述锂电池充电电路的输入端接入5V充电电压，所述锂电池充电电路的输出端锂电池充电端口与可充电锂电池连接，对所述可充电锂电池进行充电蓄能，所述可充电锂电池的输出端接入降压电路，所述降压电路将锂电池3.7V额定电压作为输入电压进行降压调整，所述降压电路的输出端3.3V电压供电端口为电机控制模块及直流电机提供工作电压；所述电机控制模块包括依次电连接的倾角测量电路、主控电路、PNP功率三极管，所述PNP功率三极管的集电极与直流电机连接，所述倾角测量电路和主控电路的工作电压均为3.3V并由3.3V电压供电端口提供，所述倾角测量电路测量电路控制层所在平面与水平面之间的倾斜角，将测试数据输入所述主控电路，所述主控电路处理判断后输出相应的电平控制PNP功率三极管的导通截止状态，实现对直流电机开启或关闭状态的自动控制。

优选地，所述锂电池充电电路采用TP40563集成芯片。

优选地，所述降压电路采用TPS7333集成芯片。

优选地，所述倾角测量电路采用ADXL345加速度传感器集成芯片。

优选地，所述主控电路采用MSP430集成芯片。

优选地，所述PNP功率三极管的基极与MSP430集成芯片的I/O口相接，所述PNP功率三极管的发射极与3.3V电压供电端口的正极相接，所述PNP功率三极管的集电极通过电机接入端口与直流电机相接。

优选地，所述电路控制层所在平面与水平面之间的倾斜角为90°时，所述PNP功率三极管与MSP430集成芯片相接的引脚输出低电平，所述PNP功率三极管导通，所述直流电机启动；所述电路控制层所在平面与水平面之间的倾斜角为非90°时，所述PNP功率三极管与MSP430集成芯片相接的引脚输出高电平，所述PNP功率三极管截止，所述直流电机关闭。

优选地，在所述保护外壳的表面与USB充电接口相匹配的位置开有方孔，用于接入电源适配器。

优选地，所述保护外壳由光敏树脂制成。

本发明中黑板擦按功能进行分层设计，共四层，每一层均针对特定的功能进行合理的机械结构设计，既保证各个元件的安放位置合适，同时提供了密封性好、通畅性好的吸尘腔室结构，为良好的吸尘效果提供保障。各功能层按照一定的顺序两两之间借助边沿的凹凸阶梯结构紧密组合在一起，组装拆卸方便简单。

电能管理模块包括以TP40563集成芯片为核心的锂电池充电电路和TPS7333集成芯片为核心的降压电路，实现将充电蓄能降压的功能。TP40563集成芯片是一款单节锂离子电池恒流/恒压线性充电器，采用底部带散热片的SOP-8封装以及简单的外部应用电路，体积小，非常适合便携式设备应用，内部采用防倒充电路，不需要外部隔离二极管；热反馈可对充电电流进行自动调节，以便在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制；同时充电电路设计中加入稳压模块，对太阳能及电磁充电电路的输出电压进行限制，既保护了电路又保证了能源管理模块的稳定工作。TPS7333集成芯片是一款超低压差LDO，集成的精密电源电压监控器可对稳压器的输出电压进行监控，具有超低压差，带复位输出，静态电流低的突出优点。电机控制模块包括以ADXL345加速度传感器集成芯片为核心的倾角测量电路和以MSP430集成芯片为核心的主控电路，实现对黑板擦位置状态的监测，并对数据进行处理，进而对电机进行启动关闭控制。ADXL345加速度传感器集成芯片是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高(13位)，测量范围达±16g，数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问，非常适合移动设备应用；它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度；其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。MSP430集成芯片是一种16位超低功耗的混合信号处理器，集成了诸多的模拟电路、数字电路和微处理器，具有超低功耗和强大的处理能力等特点。本发明在电路控制方面使用集成芯片，实现模块化设计，不仅工作稳定、能耗低，同时具有结构简单、体积小、应用性广的特点。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明可最大程度吸取擦黑板过程中产生的粉尘，减少对环境以及人体健康的危害，同时本发明根据黑板擦的使用特点，取消了外置开关结构，创新性地利用倾角测量，通过软件判断处理对电机进行自动准确控制，避免开关损耗、失灵以及损坏等问题，保证产品使用更便捷体验更良好。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例基于倾角测量的自动吸尘黑板擦的毛刷层结构示意图；

图2为本发明实施例基于倾角测量的自动吸尘黑板擦的吸尘储尘层结构示意图；

图3为本发明实施例基于倾角测量的自动吸尘黑板擦的电路控制层结构示意图；

图4为本发明实施例基于倾角测量的自动吸尘黑板擦的保护外壳结构示意图；

图5为本发明实施例基于倾角测量的自动吸尘黑板擦的整体电路图；

图6为本发明实施例基于倾角测量的自动吸尘黑板擦的原理图；

图7为本发明实施例基于倾角测量的自动吸尘黑板擦的电机控制过程流程图。

图中：毛刷层1(其中：毛刷槽11，吸尘口12)，吸尘储尘层2(其中，吸尘装置21，电机承载结构211，圆孔212，吸尘腔213，储尘装置22，长方体支架结构221，卡槽222)，电路控制层3(其中，电能管理模块31，锂电池充电电路311，TP40563集成芯片3111，降压电路312，TPS7333集成芯片3121，可充电锂电池32，电机控制模块33，倾角测量电路331，ADXL345加速度传感器集成芯片3311，主控电路332，MSP430集成芯片3321，PNP功率三极管333，USB充电接口34，锂电池充电端口35，3.3V电压供电端口36，直流电机37，电机接入端口38)，保护外壳4(其中，方孔41)，电源适配器5。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明实施例中，提供一种基于倾角测量的自动吸尘黑板擦，包括毛刷层1、吸尘储尘层2、电路控制层3和保护外壳4。如图1所示，毛刷层1，其一面开有三个长方形的凹槽，作为毛刷槽11，用于安放三条毛刷，且毛刷包围的中央位置开有一个圆孔，作为吸尘口12。如图2所示，吸尘储尘层2主要包括吸尘装置21和储尘装置22，吸尘装置21的构成主要是在一特殊的电机承载结构211上安放直流电机37，直流电机37轴上装有扇叶，在扇叶正下方开有与吸尘口12相配的圆孔212，两孔之间做密封处理，与电机承载结构211共同组成吸尘腔213，作为吸尘的主体结构；储尘装置22结构设计上主体为一长方体支架结构221，其上靠近吸尘装置一端设有卡槽222，用于固定可拆卸的储尘网兜，网兜入口与吸尘腔213出口紧密相接，确保随气流吸入的粉尘全部进入网兜，避免四处飞散。如图3所示，电路控制层3，主要包括电能管理模块31、可充电锂电池32、电机控制模块33，电能管理模块31上设有USB充电接口34，用于通过电源适配器5外接电源引入充电电压，继而由电能管理模块31实现对可充电锂电池32的充电蓄能和降压输出；电机控制模块33由电能管理模块31的降压输出端提供工作电压，先后进行倾角测量，数据判断处理以及输出响应，最终达到对直流电机37的开关操作，实现自动控制，同时设有电机接入端口38，用于将直流电机37接入控制电路。毛刷层1，吸尘储尘层2以及电路控制层3通过两两卡扣组合后，加盖保护外壳4，起到对内部元件、结构的围护作用，构成黑板擦整体，同时在其表面与电路控制层3上USB充电接口34相匹配的位置开有方孔41，用于接入电源适配器5。

参考图5，电路控制层3整体电路可分为两大部分：电能管理模块31和电机控制模块33。电能管理模块31又分为锂电池充电电路311和降压电路312；锂电池充电电路311以TP40563集成芯片3111为核心搭建，电能输入端即USB充电接口34，接入5V的充电电压，锂电池充电电路311输出端即锂电池充电端口35，与可充电锂电池32连接，对可充电锂电池32进行充电蓄能；降压电路312以TPS7333集成芯片3112为核心搭建，其输入端与可充电锂电池32连接，电路以锂电池3.7V额定电压作为输入电压对其进行降压调整，其输出端即3.3V电压供电端口36，可为电机控制模块33中的芯片及直流电机37提供合适的工作电压。电机控制模块33分为两部分：倾角测量电路331和主控电路332，倾角测量电路331以ADXL345加速度传感器集成芯片3311为核心搭建，主控电路332以MSP430集成芯片3321为核心搭建，两芯片工作电压为3.3V，均由降压电路312的3.3V电压供电端口36提供，ADXL345加速度传感器集成芯片3311的其他应交按照各自的功能分别与主控芯片MSP430集成芯片3321的响应引脚相连，实现由加速度传感芯片测量芯片固定平面即电路控制层3平面与水平面的倾斜角，测量数据送入MSP430集成芯片3321进行倾角判断，若擦黑板时倾角为90°，PNP功率三极管333与主控芯片相接的引脚输出低电平，使得三极管导通，直流电机37启动，对于非擦黑板状态时，倾角非90°，引脚输出高电平，三极管截止，直流电机37关闭；PNP功率三极管333基极与主控芯片的I/O口相接，发射极接3.3V电压供电端口36的正极，直流电机37接于三极管的集电极。

参考图6，该基于倾角测量的自动吸尘黑板擦整体工作过程为：外接220V交流电源通过电源适配器5与USB充电接口34相接，提供5V充电电压，通过锂电池充电电路311经由锂电池充电端口35为可充电锂电池32充电，可充电锂电池32的输出端接入降压电路312，降压调整后由3.3V供电端口36提供3.3V工作电压为倾角测量电路331和主控电路332供电，倾角测量电路331中加速度传感器对倾角进行测量后将数据送入主控电路332中的主控芯片，处理判断后输出相应的电平控制PNP功率三极管333的导通截止状态，进而实现对直流电机37的自动控制。

参考图7，电机控制模块33的程序控制流程为：系统初始化，加速度传感器进行倾角测量，对所测得的倾角进行判断，若倾角满足90°，主控芯片对应引脚输出低电平，导通PNP功率三极管333，启动直流电机37；返回继续倾角测量，一旦倾角不满足90°要求时，主控芯片对应引脚输出高电平，直流电机37关闭；重复以上过程，反复检测判断处理，实现吸尘自动控制。

由以上的具体实施方式可以看出，本发明基于倾角测量的自动吸尘黑板擦可实现最大程度地吸尘，减少粉尘对环境以及人体健康的危害，同时根据倾角测量，通过软件判断处理，对电机进行自动准确控制，避免出现硬件开关损耗、失灵以及损坏等问题。

附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种基于倾角测量的自动吸尘黑板擦，其特征在于，包括毛刷层（1）、吸尘储尘层（2）、电路控制层（3）和保护外壳（4），所述毛刷层（1）、吸尘储尘层（2）、电路控制层（3）通过两两卡扣组合后加盖保护外壳（4）；所述毛刷层（1）的一面开有多个长方形的凹槽，作为用于安放毛刷的毛刷槽（11），且毛刷包围的中央位置开有一个圆孔，作为吸尘口（12）；所述吸尘储尘层（2）包括吸尘装置（21）和储尘装置（22），所述吸尘装置（21）包括安放在电机承载结构（211）上的直流电机（37），所述直流电机（37）轴上装有扇叶，在扇叶正下方开有与吸尘口（12）相配的圆孔（212），两孔之间做密封处理并与电机承载结构（211）共同组成吸尘腔（213）；所述储尘装置（22）包括长方体支架结构（221），所述长方体支架结构（221）上靠近吸尘装置（21）一端设有卡槽（222），用于固定可拆卸的储尘网兜，网兜入口与吸尘腔（213）的出口紧密相接；所述电路控制层（3）包括电能管理模块（31）、可充电锂电池（32）、电机控制模块（33）；所述电能管理模块（31）包括锂电池充电电路（311）和降压电路（312），所述电能管理模块（31）上设有USB充电接口（34），外接220V交流电源通过电源适配器（5）与所述USB充电接口（34）相接，提供5V充电电压，所述锂电池充电电路（311）的输入端接入5V充电电压，所述锂电池充电电路（311）的输出端锂电池充电端口（35）与可充电锂电池（32）连接，对所述可充电锂电池（32）进行充电蓄能，所述可充电锂电池（32）的输出端接入降压电路（312），所述降压电路（312）将锂电池3.7V额定电压作为输入电压进行降压调整，所述降压电路（312）的输出端3.3V电压供电端口（36）为电机控制模块（33）及直流电机（37）提供工作电压；所述电机控制模块（33）包括依次电连接的倾角测量电路（331）、主控电路（332）、PNP功率三极管（333），所述PNP功率三极管（333）的集电极与直流电机（37）连接，所述倾角测量电路（331）和主控电路（332）的工作电压均为3.3V并由3.3V电压供电端口（36）提供，所述倾角测量电路（331）测量电路控制层（3）所在平面与水平面之间的倾斜角，将测试数据输入所述主控电路（332），

所述电路控制层（3）所在平面与水平面之间的倾斜角为90°时，所述PNP功率三极管（333）与主控电路（332）相接的引脚输出低电平，所述PNP功率三极管（333）导通，所述直流电机（37）启动；所述电路控制层（3）所在平面与水平面之间的倾斜角为非90°时，所述PNP功率三极管（333）与主控电路（332）相接的引脚输出高电平，所述PNP功率三极管（333）截止，所述直流电机（37）关闭。

2.根据权利要求1所述的一种基于倾角测量的自动吸尘黑板擦，其特征在于，所述锂电池充电电路（311）采用TP40563集成芯片（3111）。

3.根据权利要求1所述的一种基于倾角测量的自动吸尘黑板擦，其特征在于，所述降压电路（312）采用TPS7333集成芯片（3112）。

4.根据权利要求1所述的一种基于倾角测量的自动吸尘黑板擦，其特征在于，所述倾角测量电路（331）采用ADXL345加速度传感器集成芯片（3311）。

5.根据权利要求1所述的一种基于倾角测量的自动吸尘黑板擦，其特征在于，所述主控电路（332）采用MSP430集成芯片（3321）。

6.根据权利要求5所述的一种基于倾角测量的自动吸尘黑板擦，其特征在于，所述PNP功率三极管（333）的基极与MSP430集成芯片（3321）的I/O口相接，所述PNP功率三极管（333）的发射极与3.3V电压供电端口（36）的正极相接，所述PNP功率三极管（333）的集电极通过电机接入端口（38）与直流电机（37）相接。

7.根据权利要求1所述的一种基于倾角测量的自动吸尘黑板擦，其特征在于，在所述保护外壳（4）的表面与USB充电接口（34）相匹配的位置开有方孔（41），用于接入电源适配器（5）。

8.根据权利要求1所述的一种基于倾角测量的自动吸尘黑板擦，其特征在于，所述保护外壳（4）由光敏树脂制成。

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