環(huán)保節(jié)能、健身書桌

1、環(huán)保節(jié)能、健身書桌 目 錄1：摘要42研究目的和研究背景6；3總體方案設(shè)計：74 照明、充電參數(shù)的設(shè)計和選擇：75. 環(huán)保節(jié)能、健身書桌的電路設(shè)計：135.1直流發(fā)電機(jī)技術(shù)指標(biāo)確定及選型改裝： 5.2直流發(fā)電機(jī)防回流電路設(shè)計：5.3自動控制恒流穩(wěn)定照明電路的設(shè)計5.4自動充電控制保護(hù)電路的設(shè)計及工作原理：6.機(jī)械踏板傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計:7. 電路制作安裝：8. 測試9. 環(huán)保節(jié)能、健身書桌使用方法：10.環(huán)保節(jié)能、健身書桌的結(jié)果分析：2211完善該項目的設(shè)想：2412 結(jié)束語：24參考文獻(xiàn):25附件：26摘 要 本文開發(fā)一種環(huán)保節(jié)能、健身書桌。在課桌上學(xué)習(xí)疲倦時，緩慢轉(zhuǎn)動踏板以腳腕為軸進(jìn)行運(yùn)動帶動發(fā)

2、電機(jī)發(fā)電，將電能儲存使用，既得到了鍛煉身體，又收集了電能，其設(shè)計方案為：，利用了人體腳踏運(yùn)動能量，推動機(jī)械裝置帶動直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動發(fā)電，供學(xué)習(xí)照明和提供充電池電源。通過控制電路電能可靠照明，光度穩(wěn)定、并能達(dá)到自動可靠安全存儲電能的目的。 裝置由六部分組成,由機(jī)械踏板傳動機(jī)構(gòu)，直流發(fā)電機(jī)，防回流電路，LED臺燈，充電保護(hù)電路、恒流控制電路 ，3.7V充電電源輸出和1.2V充電電池夾，等部分組成,在課桌上學(xué)習(xí)疲倦時，只要緩慢轉(zhuǎn)動踏板以腳腕為軸進(jìn)行運(yùn)動就能源源不斷地提供人們所需的電能，經(jīng)測試和使用實踐證明,本裝置簡單有效。推廣該裝置將是一項既有經(jīng)濟(jì)效益又有社會效益, 既回收了綠色能源，又有利于降低能源

3、消耗,是造福于人類的事業(yè)。關(guān)鍵詞：組合式 再生能源 身體保健 自動充電 2 研究目的和研究背景：當(dāng)前，節(jié)能環(huán)保低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展理念已經(jīng)成為我們?nèi)祟惪沙掷m(xù)發(fā)展的行動指南，要實現(xiàn)低碳的生活方式，必須要改變我們?nèi)祟惈@取能源的方式。因此只有積極探索并拓寬其他低碳能源獲得渠道，廣泛采用節(jié)能環(huán)保的清潔能源，逐步減少化石能源的使用，才能有效減少溫室氣體的排放，保護(hù)我們賴以生存的地球環(huán)境。環(huán)保節(jié)能、健身書桌是合理運(yùn)用法拉第電磁感應(yīng)（發(fā)電機(jī)）原理，以獨(dú)特的機(jī)械和電路設(shè)計，利用了人體腳踏運(yùn)動能量，推動機(jī)械裝置發(fā)電，供學(xué)習(xí)照明及充電使用。該設(shè)計獲得的電能來源可靠、照明光度穩(wěn)定、并能達(dá)到自動儲能充電的目的。能夠滿足人們

4、學(xué)習(xí)所需的照明和健身要求。增加題目來源：如學(xué)生在家學(xué)習(xí)疲倦想到不影響學(xué)習(xí)由能鍛煉，如手壓發(fā)電電筒啟發(fā)。3 總體方案設(shè)計： 要實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能、健身書桌功能，我們提出了以下方案:將踏板機(jī)械能轉(zhuǎn)換為高速的轉(zhuǎn)速動力，帶動直流發(fā)電機(jī)發(fā)電，提供書桌照明，同時將電能變換成標(biāo)準(zhǔn)充電電壓提供用戶充電使用。裝置設(shè)計基本結(jié)構(gòu)由六部分組成,由機(jī)械踏板傳動機(jī)構(gòu)、直流發(fā)電機(jī)，防回流電路、LED臺燈、充電保護(hù)電路、恒流控制電路、 3.7V充電電源輸出1.2V充電電池夾、等部分組成,裝置基本結(jié)構(gòu)原理框圖?！疽妶D1】LED臺燈 充電保護(hù)電路、恒流控制電路 防回流電路 直流發(fā)電機(jī) 機(jī)械踏板傳動機(jī)構(gòu) 3.7V充電電源輸出 1.2V充

5、電電池夾(9 圖1 環(huán)保節(jié)能、健身書桌基本結(jié)構(gòu)原理框圖 本裝置設(shè)計目標(biāo)是應(yīng)用能量守恒定理，通過腳踏發(fā)電所產(chǎn)生的電能點(diǎn)亮8枚高效節(jié)發(fā)光二極管照明（規(guī)格為3.2V、20mA），來滿足學(xué)習(xí)的照明需要。設(shè)計思路是：由已知設(shè)計目標(biāo)中的LED燈珠照明和充電池耗電量推導(dǎo)出微型直流發(fā)電機(jī)的應(yīng)發(fā)電量，由應(yīng)發(fā)電量再推導(dǎo)應(yīng)該達(dá)到的轉(zhuǎn)速比和設(shè)計出腳踏機(jī)械結(jié)構(gòu)。設(shè)計思路的路徑為：照明、充電功率設(shè)計和選擇發(fā)電機(jī)及控制電路設(shè)計 機(jī)械踏板傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計4. 照明、充電參數(shù)的設(shè)計和選擇:書桌照明燈的設(shè)計和選擇：書桌照明燈的選擇應(yīng)考慮兩方面問題，一是不要消耗腳踏板太多動力，二是用較小的功率提供足夠的書桌照明，以達(dá)到節(jié)能的目的。這里

6、選用FX-DZSZ055Y型 節(jié)能高亮度發(fā)光二極LED燈，其光 通 量6-7流明，色溫6000-6500K高亮正白，LED各項指標(biāo)基本符合書桌照明。LED額定電壓3.2V，額定電流20毫安，其功率=3.2V*20毫安=0.064W要達(dá)到足夠的書桌照明根據(jù)光通量確定用8只LED燈組成書桌照明燈，其書桌照明燈總功率=0.064W*8只=0.512 W。儲能充電池電壓參數(shù)的確定：課題為了提供家庭常用電池充電，我們分別對家庭常用充電設(shè)備進(jìn)行了調(diào)查。家庭常用設(shè)備是手機(jī)，MP3，學(xué)習(xí)機(jī)，MP4，電筒，半導(dǎo)體收音機(jī)，電動玩具車，電子照相機(jī)，主要是兩種型號充電器，3.7V鋰離子電池和1.2

7、V鎳鎘電池，因此可確定充電對象電壓是3.7V和1.2V充電池，充電電流選取200MA較為合適。裝置技術(shù)指標(biāo)：a) 書桌照明功率：0.512W。b) 輸出可對3.7V鋰電池和1.2V*3枚標(biāo)準(zhǔn)充電池充電。d) 輸出充電電壓4.2V，電流200MA。e) 充電保護(hù)控制電壓4.34V。5. 環(huán)保節(jié)能、健身書桌的電路設(shè)計：組合式環(huán)保節(jié)能、保健一體書桌的電路由直流發(fā)電機(jī)，直流發(fā)電機(jī)防回流電路，自動控制恒流穩(wěn)定照明電路，自動充電控制保護(hù)電路組成。圖中設(shè)計的大容量電容器C的作用是解決腳踏板速度不均是造成照明亮度不穩(wěn)定的問題，開關(guān)K作用是切換白天，晚上使用的功能開關(guān)。以下進(jìn)行各電路單元的詳細(xì)設(shè)計，總電路原理圖

8、【見圖2】。圖 2 環(huán)保節(jié)能、健身書桌總電路原理圖5.1直流發(fā)電機(jī)技術(shù)指標(biāo)確定及選型改裝： 直流發(fā)電機(jī)功率確定：根據(jù)總體方案，本裝置儲能蓄電池電壓定為4.2V、書桌照明電壓5V、從實用性和性價比以及給予一定余量等因素，選定的直流發(fā)電機(jī)功率為2w，電壓5v，電流400mA。發(fā)電機(jī)選型：由于我們不具備發(fā)電機(jī)制作方面專業(yè)知識和能力，我們只能在市場上選擇比效符合我們技術(shù)要求的發(fā)電機(jī)，但這種微型直流發(fā)電機(jī)很難找到，基本符合我們要求的是DL61型直流發(fā)電機(jī)，經(jīng)踏板機(jī)械傳動帶負(fù)載力矩偏大，說明直流發(fā)電機(jī)功率偏大而空載可以轉(zhuǎn)動，通過學(xué)習(xí)發(fā)電機(jī)工作原理得知：是由于電磁力矩過大，電磁力矩與磁通，匝比N成正比，根據(jù)

9、剖析測試DL61直流發(fā)電機(jī)，發(fā)現(xiàn)本發(fā)電機(jī)磁通是用永磁鐵產(chǎn)生，是常數(shù)，不能改變，唯有減少匝比N才能減少電磁力矩，根據(jù)這原理，通過計算減少了相應(yīng)匝比已基本達(dá)到設(shè)計要求。5.2直流發(fā)電機(jī)防回流電路設(shè)計： 直流發(fā)電機(jī)供電必須解決的問題是：當(dāng)直流發(fā)電機(jī)停止發(fā)電時，儲能電池電壓會回流到直流發(fā)電機(jī)中消耗電能。這里利用二極管單向?qū)щ娞匦栽陔娐分性O(shè)計串入一個二極管D9可以有效防止電流倒流問題。為了降低二極管導(dǎo)通時功耗，通過電子元件手冊選擇IN5819型肖特基二極管較為合適,其導(dǎo)通電壓降在0.2V左右，電流1A符合我們設(shè)計要求，以降低有限的能源損耗。5.3自動控制恒流穩(wěn)定照明電路的設(shè)計在踩踏板直流發(fā)電機(jī)在供電過程

10、中，直流電源電壓是不穩(wěn)定的，不能恒定功率地供給高亮度發(fā)光二極管照明，因此照明亮度會有變化，產(chǎn)生照明不穩(wěn)定問題。為了解決這個問題，我在這里設(shè)計了一個自動恒流供電電路來保證LED照明時電流相對穩(wěn)定。設(shè)計方案是用三極管BG來組成自控恒流源，根據(jù)三極管工作原理Ib=Ic/可知，只要提供恒定的Ib基級電流就可穩(wěn)定Ic電流，來保證LED照明亮度穩(wěn)定。電路中紅色發(fā)光二極管D10，電阻R1，來組成自動穩(wěn)壓電路，其原理是利用紅色發(fā)光二極管D10導(dǎo)通時Vw正向壓降1.8 V穩(wěn)定不變，來提供穩(wěn)定的基級Ib電流，另外紅色發(fā)光二極管做還同時用它兼顧裝置的面板工作狀態(tài)顯示，做到一舉兩得節(jié)約成本。照明燈由8個高亮LED【D

11、1-D8】發(fā)光二極管組成,采取并聯(lián)的方式連接，自控恒流照明供電原理圖。（見圖3）由三極管放大公式得出：Ib基級電流=Ic集電極電流/放大倍數(shù)，只要提供穩(wěn)定的Ib基級電流就能保證串聯(lián)在Ic集電極的照明發(fā)光二極管電流恒流穩(wěn)定。上式放大倍數(shù)是常數(shù)一般選取120倍左右。Ic集電極電流的計算：通過集電極電流由8個LED發(fā)光二極管并聯(lián)方式組成：則Ic集電極電流=20ma*8支路=160maIb基級電流的計算：圖中R1、D10組成1.8V穩(wěn)壓源以穩(wěn)定提供三極管基極電壓，來供給恒流基極Ib電流。基級Ib電流計算如下：Ib=Ic160ma/120=1.33ma 由Ib基級電流計算R2電阻值： R2=Vw1.8V

12、-Vb0.7V/Ib1.33ma=827 從以上設(shè)計圖可以分析只要穩(wěn)定恒定Ib基極電流，串聯(lián)在集電極的發(fā)光照明二極管電流就可以相對穩(wěn)定在160mA。書桌照明燈功率的計算：160ma*3.2v=0.512w充電功率的計算：200ma*4.2v=0.84w總功率的計算：0.512w+0.84w=1.35w圖3 自控恒流照明供電原理圖5.4自動充電控制保護(hù)電路的設(shè)計及工作原理：設(shè)計目的：在存儲電能的時候要考慮到儲電池電壓過充保護(hù)問題，否則電池內(nèi)的電解質(zhì)會被分解,使得溫度上升并產(chǎn)生氣體,降低電池的使用壽命，嚴(yán)重時甚至?xí)鸨?，所以電池保護(hù)電路一定要保證電池絕對不可過度充電，因此該部分考慮設(shè)計自動保護(hù)

13、電路。自動充電控制電路IC選擇：這里選擇SC451型IC，它的過充保護(hù)電壓在4.284.38之間，典型值為4.34V，符合常用3.7V鋰電池要求。SC451型IC工作原理是即當(dāng)達(dá)到儲電池充電限制電壓值4.34V（標(biāo)準(zhǔn)電壓的15%）時，則自動切斷充電電壓。當(dāng)?shù)陀跇?biāo)準(zhǔn)電壓的15%時，則可自動進(jìn)行充電，以提高最佳充電效率和保護(hù)儲電池工作壽命。電池保護(hù)工作原理圖【見圖4】充電輸入電壓8V充電輸出4.2VSC451圖4  電池保護(hù)工作原理圖6. 機(jī)械踏板傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計:設(shè)計目的：是用機(jī)械踏板傳動機(jī)構(gòu)帶動減速直流發(fā)電機(jī)發(fā)電設(shè)計參數(shù)：直流發(fā)電機(jī)的減速比1/4。踏板速度30次/分鐘時減速電機(jī)轉(zhuǎn)速260

14、轉(zhuǎn)/分鐘。設(shè)計思路：（1）采用兩個互成一定角度的擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，導(dǎo)桿直接與踏板焊接。當(dāng)左邊的踏板進(jìn)入死點(diǎn)位置時，右邊的踏板剛好處在最高點(diǎn)處，這時右腳對右踏板施加一個外力時，力的方向垂直于滑塊，因此將對右邊的軸產(chǎn)生一個水平向前的分力F1，由于是S形軸，也將對左邊踏板產(chǎn)生一個向后的水平力F1，水平力F1推支滑塊繞軸承做圓周運(yùn)動，滑塊繞軸承做圓周運(yùn)動的同時使左邊的踏板越過死點(diǎn)位置向上運(yùn)動，有效度過死點(diǎn)位置；同理，左踏板的水平分力使右踏板越過死點(diǎn)位置。這樣交替蹬踏，都有效度過死點(diǎn)位置，避免了卡死的情況。（2）采用直齒圓柱齒輪傳動，齒輪模數(shù)為1的標(biāo)準(zhǔn)圓柱直齒輪，齒數(shù)分別為15和200（或225）。當(dāng)踏板速

15、度30次/分鐘時，減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速剛好為260轉(zhuǎn)/分鐘。 機(jī)械踏板傳動結(jié)構(gòu)主要由S形軸、滑塊、導(dǎo)桿、踏板、大圓柱直齒輪、軸承、軸承支架、底座、直流發(fā)電機(jī)支架組成。其裝配示意圖如圖1和圖2所示：圖3為機(jī)械踏板傳動結(jié)構(gòu)裝配三視圖圖1 機(jī)械踏板傳動結(jié)構(gòu)示裝配意圖圖2 機(jī)械踏板傳動結(jié)構(gòu)裝配示意圖圖3 機(jī)械踏板傳動結(jié)構(gòu)裝配三視圖7. 電路的制作安裝：1. PCB印刷板制作：使用PROTEL畫好SCH圖，再利用SCH圖網(wǎng)絡(luò)表生成對應(yīng)的PCB圖，將PCB圖打印到熱轉(zhuǎn)印紙上，將打印好PCB的轉(zhuǎn)印紙平鋪在覆銅板上，用制板機(jī)加溫至150，將轉(zhuǎn)印紙上黑色塑料粉壓在覆銅板上形成高精度的抗腐層。將PCB三氯化鐵溶液進(jìn)行腐

16、蝕。鉆孔。再涂上助焊劑松香的酒精配制的溶液，有利于焊接。2. PCB印刷板安裝應(yīng)注意事項：各元件排列分布要合理和均勻，力求達(dá)到整齊，美觀，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に囈?。元件平放放置方式；兩個焊盤間的距離一般取200400mil。3. 電路板的元件安裝與檢查:通過萬用表來測量的，對照原理圖，一個點(diǎn)一個點(diǎn)的測試，這樣才可以找出未連接好的線，然后再把斷線連接上。首先，接上電源，主要是檢查各處電源是不是通電。并用萬用表測試通過電源兩端的電流，分析工作狀態(tài)是否正常。8.測試：測試目的是對踏板發(fā)電節(jié)能保健書桌技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行驗證，下面對具有代表性的，踏板速度對直流發(fā)電機(jī)輸出電壓和鎳氫電池（1.2V）最大電流進(jìn)行測試。測

17、試儀器：優(yōu)利德UT700數(shù)字多用表，勝利VC203數(shù)字萬用表，DT-2856型轉(zhuǎn)速表踏板速度對直流發(fā)電機(jī)輸出電壓的測試：直流發(fā)電機(jī)的電壓與電流成正比例關(guān)系變化，轉(zhuǎn)速提高可相應(yīng)提高直流發(fā)電機(jī)的輸出功率，反之則降低功率，以下是踏板速度與直流發(fā)電機(jī)電壓及直流發(fā)電機(jī)對應(yīng)測試表【見表1】：踏板速度15次數(shù)/分25次數(shù)/分30次數(shù)/分35次數(shù)/分40次數(shù)/分電機(jī)轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分1500轉(zhuǎn)/分2000轉(zhuǎn)/分2500轉(zhuǎn)/分3000轉(zhuǎn)/分發(fā)電機(jī)輸出電壓2.6V4.1V5.2V6.4V7.8V 表1 踏板速度與直流發(fā)電機(jī)電壓及直流發(fā)電機(jī)對應(yīng)測試表從上表測試數(shù)據(jù)看踏板速度30次數(shù)/分左右，直流發(fā)電機(jī)的輸出電壓可達(dá)

18、到設(shè)計要求。鎳氫電池（1.2V）最大電流測試：測試實際充電對象帶負(fù)載能力，用具有代表性鎳氫電池測試，準(zhǔn)備好3枚放空電量鎳氫電池，按圖5連接。儲能充電測試參數(shù)：直流電壓（V）直流電流（MA）測試條件：踏板速度30次數(shù)/分，3枚放空電量鎳氫電池。測試方法：3枚鎳氫電池串聯(lián)后接到輸出端，測試示意圖【見圖5】：充電電壓4.2v鎳氧電池v鎳氧電池鎳氫電池圖5：鎳氫電池【1.2V】最大電流測試圖測試結(jié)果為：充電電壓.5.2V，電流203mA，符合設(shè)計要求。9. 環(huán)保節(jié)能、健身書桌使用方法：白天使用方法：當(dāng)白天不需要書桌照明時，面板開關(guān)K撥向B位，書桌照明燈關(guān)掉，白天健身鍛煉腳踏發(fā)電所產(chǎn)生的電能，會自動存儲

19、到充電池中，以備晚上書桌照明使用。晚上使用方法一：晚上需要照明時【當(dāng)輸出未裝充電池】，面板開關(guān)K撥向A位，接通書桌照明燈，腳踏發(fā)電所產(chǎn)生的電能可提供書桌照明。【注：當(dāng)腳踏停止動力時，書桌照明只能維持20秒左右】晚上使用方法二：晚上需要照明時【當(dāng)輸出已裝充電池】，面板開關(guān)K撥向A位，接通書桌照明燈，腳踏發(fā)電所產(chǎn)生的電能可提供書桌照明。并同時對充電池儲電。當(dāng)腳踏停止動力時，充電池電能會自動接通書桌照明燈，可做到人性化提供書桌照明。10.環(huán)保節(jié)能、健身書桌的結(jié)果分析： 本課題的研究找到了家庭用電可再生回收資源，并研制出簡單，成本較低的資源綜合利用方法。環(huán)保節(jié)能、健身書桌可以全天候工作，太太提高裝置效

20、能，裝置具有以下特點(diǎn)：增加特點(diǎn)本裝置每年可節(jié)約電能量計算： 假設(shè)裝置以較低的指標(biāo)工作粗略計算：每天工作2小時，每年工作260天，工作時提供1.5 W 電能計算，則本裝置每年提供電能：1.5 W×6小時×280天=0.78度。另外據(jù)中國青少年研究中心所做“2007年中國青少年人口詳數(shù)”調(diào)查研究顯示，全國小學(xué)、初中、高中高等教育階段在校學(xué)生總數(shù)約為23527.68萬人。如本裝置能在1/5學(xué)生中推廣使用：則每年可為國家節(jié)約電能=5千萬（學(xué)生用戶）×0.78度×=3900萬度計算結(jié)果說明每個家庭用電量雖是微不足道的，卻全國用電量是一個相當(dāng)驚人的數(shù)字，用本裝置一年將為國家節(jié)省3900萬度電能經(jīng)濟(jì)效益顯著，本項目能推廣使用既得到了鍛煉身體提高了全民學(xué)生身體素質(zhì)，又收集了電能是一項即有經(jīng)濟(jì)效益又有社會效益的環(huán)保節(jié)能課題