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總體方案設計：74 照明、充電參數(shù)的設計和選擇：75. 環(huán)保節(jié)能、健身書桌的電路設計：135.1直流發(fā)電機技術指標確定及選型改裝： 5.2直流發(fā)電機防回流電路設計：5.3自動控制恒流穩(wěn)定照明電路的設計5.4自動充電控制保護電路的設計及工作原理：6.機械踏板傳動結構設計: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、健身書桌的結果分析：2211完善該項目的設想：2412 結束語：24參考文獻:25附件：26摘 要 本文開發(fā)一種環(huán)保節(jié)能、健身書桌。在課桌上學習疲倦時，緩慢轉動踏板以腳腕為軸進行運動帶動發(fā)

2、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)電機轉動發(fā)電，供學習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，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,在課桌上學習疲倦時，只要緩慢轉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

3、消耗,是造福于人類的事業(yè)。關鍵詞：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：當前，節(jié)能環(huán)保低碳經濟的發(fā)展理念已經成為我們人類可持續(xù)發(fā)展的行動指南，要實現(xiàn)低碳的生活方式，必須要改變我們人類獲取能源的方式。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（發(fā)電機）原理，以獨特的機械和電路設計，利用了人體腳踏運動能量，推動機械裝置發(fā)電，供學習照明及充電使用。該設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

4、學習所需的照明和健身要求。增加題目來源：如學生在家學習疲倦想到不影響學習由能鍛煉，如手壓發(fā)電電筒啟發(fā)。3 總體方案設計： 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:將踏板機械能轉換為高速的轉速動力，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準充電電壓提供用戶充電使用。裝置設計基本結構由六部分組成,由機械踏板傳動機構、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,裝置基本結構原理框圖?！疽妶D1】LED臺燈 充電保護電路、恒流控制電路 防回流電路 直流發(fā)電機 機械踏板傳動機構 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、健身書桌基本結構原理框圖 本裝置設計目標是應用能量守恒定理，通過腳踏發(fā)電所產生的電能點亮8枚高效節(jié)發(fā)光二極管照明（規(guī)格為3.2V、20mA），來滿足學習的照明需要。設計思路是：由已知設計目標中的LED燈珠照明和充電池耗電量推導出微型直流發(fā)電機的應發(fā)電量，由應發(fā)電量再推導應該達到的轉速比和設計出腳踏機械結構。設計思路的路徑為：照明、充電功率設計和選擇發(fā)電機及控制電路設計 機械踏板傳動結構設計4. 照明、充電參數(shù)的設計和選擇:書桌照明燈的設計和選擇：書桌照明燈的選擇應考慮兩方面問題，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

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備進行了調查。家庭常用設備是手機，MP3，學習機，MP4，電筒，半導體收音機，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1.2

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。裝置技術指標：a) 書桌照明功率：0.512W。b) 輸出可對3.7V鋰電池和1.2V*3枚標準充電池充電。d) 輸出充電電壓4.2V，電流200MA。e) 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。圖中設計的大容量電容器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K作用是切換白天，晚上使用的功能開關。以下進行各電路單元的詳細設計，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)電機技術指標確定及選型改裝： 直流發(fā)電機功率確定：根據總體方案，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，經踏板機械傳動帶負載力矩偏大，說明直流發(fā)電機功率偏大而空載可以轉動，通過學習發(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

9、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，根據這原理，通過計算減少了相應匝比已基本達到設計要求。5.2直流發(fā)電機防回流電路設計： 直流發(fā)電機供電必須解決的問題是：當直流發(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導電特性在電路中設計串入一個二極管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,其導通電壓降在0.2V左右，電流1A符合我們設計要求，以降低有限的能源損耗。5.3自動控制恒流穩(wěn)定照明電路的設計在踩踏板直流發(fā)電機在供電過程

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，產生照明不穩(wěn)定問題。為了解決這個問題，我在這里設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。設計方案是用三極管BG來組成自控恒流源，根據三極管工作原理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自動充電控制保護電路的設計及工作原理：設計目的：在存儲電能的時候要考慮到儲電池電壓過充保護問題，否則電池內的電解質會被分解,使得溫度上升并產生氣體,降低電池的使用壽命，嚴重時甚至會引起爆炸，所以電池保護電路一定要保證電池絕對不可過度充電，因此該部分考慮設計自動保護

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工作原理是即當達到儲電池充電限制電壓值4.34V（標準電壓的15%）時，則自動切斷充電電壓。當?shù)陀跇藴孰妷旱?5%時，則可自動進行充電，以提高最佳充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】充電輸入電壓8V充電輸出4.2VSC451圖4  電池保護工作原理圖6. 機械踏板傳動結構設計:設計目的：是用機械踏板傳動機構帶動減速直流發(fā)電機發(fā)電設計參數(shù)：直流發(fā)電機的減速比1/4。踏板速度30次/分鐘時減速電機轉速260

14、轉/分鐘。設計思路：（1）采用兩個互成一定角度的擺動導桿機構，導桿直接與踏板焊接。當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的標準圓柱直齒輪，齒數(shù)分別為15和200（或225）。當踏板速

15、度30次/分鐘時，減速電機的轉速剛好為260轉/分鐘。 機械踏板傳動結構主要由S形軸、滑塊、導桿、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為機械踏板傳動結構裝配三視圖圖1 機械踏板傳動結構示裝配意圖圖2 機械踏板傳動結構裝配示意圖圖3 機械踏板傳動結構裝配三視圖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圖網絡表生成對應的PCB圖，將PCB圖打印到熱轉印紙上，將打印好PCB的轉印紙平鋪在覆銅板上，用制板機加溫至150，將轉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，結構嚴謹?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)能保健書桌技術指標進行驗證，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

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系變化，轉速提高可相應提高直流發(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)/分電機轉速1000轉/分1500轉/分2000轉/分2500轉/分3000轉/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)電機對應測試表從上表測試數(shù)據看踏板速度30次數(shù)/分左右，直流發(fā)電機的輸出電壓可達

18、到設計要求。鎳氫電池（1.2V）最大電流測試：測試實際充電對象帶負載能力，用具有代表性鎳氫電池測試，準備好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果為：充電電壓.5.2V，電流203mA，符合設計要求。9. 環(huán)保節(jié)能、健身書桌使用方法：白天使用方法：當白天不需要書桌照明時，面板開關K撥向B位，書桌照明燈關掉，白天健身鍛煉腳踏發(fā)電所產生的電能，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【當輸出未裝充電池】，面板開關K撥向A位，接通書桌照明燈，腳踏發(fā)電所產生的電能可提供書桌照明?！咀ⅲ寒斈_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【當輸出已裝充電池】，面板開關K撥向A位，接通書桌照明燈，腳踏發(fā)電所產生的電能可提供書桌照明。并同時對充電池儲電。當腳踏停止動力時，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：增加特點本裝置每年可節(jié)約電能量計算： 假設裝置以較低的指標工作粗略計算：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。另外據中國青少年研究中心所做“2007年中國青少年人口詳數(shù)”調查研究顯示，全國小學、初中、高中高等教育階段在校學生總數(shù)約為23527.68萬人。如本裝置能在1/5學生中推廣使用：則每年可為國家節(jié)約電能=5千萬（學生用戶）×0.78度×=3900萬度計算結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生身體素質，又收集了電能是一項即有經濟效益又有社會效益的環(huán)保節(jié)能課題