環(huán)保節(jié)能、健身書桌(DOC)

1、環(huán)保節(jié)能、健身書桌1 摘要.32 研究目的和研究背景. 53 總體方案設(shè)計：.64 照明、充電參數(shù)的設(shè)計和選擇：. 65.環(huán)保節(jié)能、 健身書桌的電路設(shè)計： . 錯誤!5.1 直流發(fā)電機技術(shù)指標(biāo)確定及選型改裝：5.2 直流發(fā)電機防回流電路設(shè)計：5.3 自動控制恒流穩(wěn)定照明電路的設(shè)計5.4 自動充電控制保護電路的設(shè)計及工作原理：6. 機械踏板傳動結(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： .1511 完善該項目的設(shè)想：.1612 結(jié)束語：.17參考文獻:.17附件：. 錯誤!未定義書簽未定義書簽摘要本文開發(fā)一種環(huán)保節(jié)能、健身書桌

2、。在課桌上學(xué)習(xí)疲倦時，緩慢 轉(zhuǎn)動踏板以腳腕為軸進行運動帶動發(fā)電機發(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：，利用了人體腳踏運動能 量，推動機械裝置帶動直流發(fā)電機轉(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、并能達到自動可靠安全 存儲電能的目的。裝置由六部分組成，由機械踏板傳動機構(gòu)，直流發(fā)電機，防回流電 路，LED 臺燈，充電保護電路、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 腕為軸進行運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

3、廣該裝置將是一項既有經(jīng)濟效益又有社會效 益，既回收了綠色能源，又有利于降低能源消耗，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，廣泛米用節(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 我們賴以生存的地球環(huán)境。環(huán)保節(jié)能、健身書桌是合理運用法拉第電磁感 應(yīng)（發(fā)電機）原理，以獨特的機械和電路設(shè)計，利用了人體腳踏運動能量， 推動機械裝置發(fā)電，供學(xué)習(xí)照明及充電

4、使用。該設(shè)計獲得的電能來源可靠、 照明光度穩(wěn)定、并能達到自動儲能充電的目的。能夠滿足人們學(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：將踏板機械 能轉(zhuǎn)換為高速的轉(zhuǎn)速動力，帶動直流發(fā)電機發(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，由機械踏板傳動機構(gòu)、直流發(fā)電機，防回流電路、LED 臺燈、充電保護電路、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D 1】圖 1

5、 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 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)電機的應(yīng)發(fā)電量，由應(yīng)發(fā)電量再推導(dǎo)應(yīng)該達到的轉(zhuǎn)速比和 設(shè)計出腳踏機械結(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，以達到節(jié)能的目的。這里選用 FX-DZSZ055Y 型節(jié)能高亮度發(fā)光二極

6、 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)備進行了調(diào)查。家庭常用設(shè)備是手機，MP3，學(xué)習(xí)機，MP4，電筒，半導(dǎo)體收音機，電動玩具車，電子照相機，主要是兩 種型號充電器，3.7V 鋰離子電池和 1.2V 鎳鎘電池，因此可確定

7、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 200MAe）充電保護控制電壓 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，直流發(fā)電機防回流電路，自動控制恒流穩(wěn)定照明電路，自動充電控制保護電路組成。圖123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)。以下進圖 2 環(huán)保節(jié)能、健身書桌總

8、電路原理圖5.1 直流發(fā)電機技術(shù)指標(biāo)確定及選型改裝：el t iT直流發(fā)電機功率確定：根據(jù)總體方案，本裝置儲能蓄電池電壓定為ezi S rebruNA44.2V、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，201電路設(shè)計汪老師圖紙123選定的直流發(fā)電機功率為 2w,電壓 5v，電流 400mA發(fā)電機選型：由于我們不具備發(fā)電機制作方面專業(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，但這種微型直流發(fā)電機很難找到，基本符合我們要求的是 DL61 型直流發(fā)電機，經(jīng)踏板機械O行各電路單元的詳細(xì)設(shè)計，總電路原理圖【見圖 2】傳動帶負(fù)載力矩偏大，說明直流發(fā)電機功率偏大而空載

9、可以轉(zhuǎn)動，通過學(xué)習(xí)發(fā)電機工作原理得知：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)剖析測試 DL61 直流發(fā)電機，發(fā)現(xiàn)本發(fā)電機磁通 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)匝比已基本達到設(shè)計要求。5.2 直流發(fā)電機防回流電路設(shè)計：直流發(fā)電機供電必須解決的問題是：當(dāng)直流發(fā)電機停止發(fā)電時，儲能 電池電壓會回流到直流發(fā)電機中消耗電能。 這里利用二極管單向?qū)щ娞匦?在電路中設(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 0.2

10、V 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)電機在供電過程中， 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 lb=lc/B可知，只要提供恒定的 lb基級電 流就可穩(wěn)定 lc 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

11、 Vw 正向壓降 1.8 V 穩(wěn)定不變，來提供穩(wěn)定的基級 lb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123節(jié)約成本。照明燈由 8 個高亮 LED【D1-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：lb基級電流=lc集電極電流/B放大倍數(shù)，只要提供穩(wěn)定的 lb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B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：貝 S Ic 集電極電流=20ma*8 支路= 1

12、60maIb基級電流的計算：圖中 R、 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 lb電流?；?lb電流計算如下：|b=lc160ma/B120=1.33ma由 lb基級電流計算 R 電阻值：R2二Vw1.8V-Vb0.7V/lb1.33ma=827Q從以上設(shè)計圖可以分析只要穩(wěn)定恒定 lb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

13、護電路的設(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,它的過充保護電壓在 4.284.38 之間，典23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%寸，則可自動進行充電，以提高最佳充

14、 電效率和保護儲電池工作壽命。電池保護工作原理圖【見圖4】圖 4電池保護工作原理圖6.機械踏板傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計：設(shè)計目的：是用機械踏板傳動機構(gòu)帶動減速直流發(fā)電機發(fā)電設(shè)計參數(shù)： 直流發(fā)電機的減速比 1/4。 踏板速度 30 次/分鐘時減速電機轉(zhuǎn) 速 260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)桿機構(gòu)， 導(dǎo)桿直接與踏板焊接。當(dāng)左邊的踏板進入死點位置時，右邊的踏板剛好處在最高點處，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動，滑塊繞軸

15、 承做圓周運動的同時使左邊的踏板越過死點位置向上運動，有效度過死點位置；同理，左踏板的水平分力使右踏板越過死點位置。這樣交替蹬踏， 都有效度過死點位置，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 板速度30 次/分鐘時，減速電機的轉(zhuǎn)速剛好為 260 轉(zhuǎn)/分鐘。機械踏板傳 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)電機支架組成。其裝配示意圖如圖 1 和圖 2 所示：圖 3為機械踏板傳動結(jié)構(gòu)裝配三視圖滑塊F2軸承F直凌發(fā)申機空架袖汞支架圖 1 機械踏板傳動結(jié)構(gòu)示裝配意

16、圖直逡岌電機導(dǎo)桿大廂柱戌齒輪圖 2 機械踏板傳動結(jié)構(gòu)裝配示意圖圖 3 機械踏板傳動結(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 PROTE 畫好 SCH 圖，再利用 SCF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，用制板機加溫至 150C,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 PC4 氯化鐵溶液進行腐蝕。鉆孔。再涂 上助焊劑一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

17、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 個點一個點的測試，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)進行驗證，下面 對具有代表性的，踏板速度對直流發(fā)電機輸出電壓和鎳氫電池 （1.2V）最 大電流進行測試。測試儀器：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)電機輸出電壓的測試：直流發(fā)電機的電壓與電流成正比例關(guān)系變化，

18、轉(zhuǎn)速提高可相應(yīng)提高直流發(fā)電機的輸出功率，反之則降低功率，以下是踏板速度與直流發(fā)電機電壓及直流發(fā)電機對應(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)電機輸出 電壓2.6V4.1V5.2V6.4V7.8V表 1 踏板速度與直流發(fā)電機電壓及直流發(fā)電機對應(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)電機的輸出電壓可達到設(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

19、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】: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

20、所產(chǎn)生的電能可提供書桌照明?！咀ⅲ?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 較低充電電壓 4.2v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 高裝置效能，裝置具有以下特點：增加特點本裝置每年可節(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

21、：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 WX6 小時X280 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）X0.78 度X=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