环保节能、健身书桌(DOC)

1、环保节能、健身书桌1 摘要.32 研究目的和研究背景. 53 总体方案设计：.64 照明、充电参数的设计和选择：. 65.环保节能、 健身书桌的电路设计： . 错误!5.1 直流发电机技术指标确定及选型改装：5.2 直流发电机防回流电路设计：5.3 自动控制恒流稳定照明电路的设计5.4 自动充电控制保护电路的设计及工作原理：6. 机械踏板传动结构设计：7. 电路制作安装：8. 测试9. 环保节能、健身书桌使用方法：10. 环保节能、健身书桌的结果分析： .1511 完善该项目的设想：.1612 结束语：.17参考文献:.17附件：. 错误!未定义书签未定义书签摘要本文开发一种环保节能、健身书桌

2、。在课桌上学习疲倦时，缓慢 转动踏板以脚腕为轴进行运动带动发电机发电，将电能储存使用，既得 到了锻炼身体，又收集了电能，其设计方案为：，利用了人体脚踏运动能 量，推动机械装置带动直流发电机转动发电，供学习照明和提供充电池 电源。通过控制电路电能可靠照明，光度稳定、并能达到自动可靠安全 存储电能的目的。装置由六部分组成，由机械踏板传动机构，直流发电机，防回流电 路，LED 台灯，充电保护电路、恒流控制电路，3.7V 充电电源输出和 1.2V 充电电池夹，等部分组成，在课桌上学习疲倦时，只要缓慢转动踏板以脚 腕为轴进行运动就能源源不断地提供人们所需的电能，经测试和使用实 践证明,本装置简单有效。推

3、广该装置将是一项既有经济效益又有社会效 益，既回收了绿色能源，又有利于降低能源消耗，是造福于人类的事业。关键词：组合式 再生能源 身体保健自动充电2 研究目的和研究背景:当前，节能环保低碳经济的发展理念已经成为我们人类可持续发展的 行动指南，要实现低碳的生活方式，必须要改变我们人类获取能源的方式。 因此只有积极探索并拓宽其他低碳能源获得渠道，广泛米用节能环保的清 洁能源，逐步减少化石能源的使用，才能有效减少温室气体的排放，保护 我们赖以生存的地球环境。环保节能、健身书桌是合理运用法拉第电磁感 应（发电机）原理，以独特的机械和电路设计，利用了人体脚踏运动能量， 推动机械装置发电，供学习照明及充电

4、使用。该设计获得的电能来源可靠、 照明光度稳定、并能达到自动储能充电的目的。能够满足人们学习所需的 照明和健身要求。增加题目来源：如学生在家学习疲倦想到不影响学习由 能锻炼，如手压发电电筒启发。3 总体方案设计:要实现环保节能、健身书桌功能，我们提出了以下方案：将踏板机械 能转换为高速的转速动力，带动直流发电机发电，提供书桌照明，同时将 电能变换成标准充电电压提供用户充电使用。 装置设计基本结构由六部分 组成，由机械踏板传动机构、直流发电机，防回流电路、LED 台灯、充电保护电路、恒流控制电路、3.7V 充电电源输出 1.2V 充电电池夹、等部 分组成,装置基本结构原理框图。【见图 1】图 1

5、 环保节能、健身书桌基本结构原理框图本装置设计目标是应用能量守恒定理，通过脚踏发电所产生的电能点 亮8 枚高效节发光二极管照明（规格为 3.2V、20mA,来满足学习的照明 需要。设计思路是：由已知设计目标中的 LED 灯珠照明和充电池耗电量推 导出微型直流发电机的应发电量，由应发电量再推导应该达到的转速比和 设计出脚踏机械结构。设计思路的路径为：照明、充电功率设计和选择4照明、充电参数的设计和选择：书桌照明灯的设计和选择： 书桌照明灯的选择应考虑两方面问题，一是不要消耗脚踏板太多动力，二是用较小的功率提供足够的书桌照明，以达到节能的目的。这里选用 FX-DZSZ055Y 型节能高亮度发光二极

6、 LED 灯, 其光通 量 6-7流明，色温 6000-6500K 高亮正白，LED 各项指标基本符合 书桌照明。LED 额定电压 3.2V,额定电流 20 毫安，其功率=3.2V*20 毫安=0.064W 要 达到足够的书桌照明根据光通量确定用 8 只 LED 灯组成书桌照明灯，其书 桌照明灯总功率=0.064W*8只=0.512 W。储能充电池电压参数的确定：课题为了提供家庭常用电池充电，我们分别对家庭常用充电设备进行了调查。家庭常用设备是手机，MP3，学习机，MP4，电筒，半导体收音机，电动玩具车，电子照相机，主要是两 种型号充电器，3.7V 锂离子电池和 1.2V 镍镉电池，因此可确定

7、充电对象 电压是 3.7V 和 1.2V 充电池，充电电流选取 200MA 较为合适。装置技术指标：a）书桌照明功率：0.512W。b）输出可对 3.7V 锂电池和 1.2V*3 枚标准充电池充电。d）输出充电电压 4.2V，电流 200MAe）充电保护控制电压 4.34V。5.环保节能、健身书桌的电路设计：组合式环保节能、保健一体书桌的电路由直流发电机，直流发电机防回流电路，自动控制恒流稳定照明电路，自动充电控制保护电路组成。图123中设计的大容量电容器 C 的作用是解决脚踏板速度不均是造成照明亮度不稳定的问题，开关 K 作用是切换白天，晚上使用的功能开关。以下进图 2 环保节能、健身书桌总

8、电路原理图5.1 直流发电机技术指标确定及选型改装：el t iT直流发电机功率确定：根据总体方案，本装置储能蓄电池电压定为ezi S rebruNA44.2V、书桌照明电压 5V、从实用性和性价比以及给予一定余量等因素，201电路设计汪老师图纸123选定的直流发电机功率为 2w,电压 5v，电流 400mA发电机选型：由于我们不具备发电机制作方面专业知识和能力，我们只能在市场上选择比效符合我们技术要求的发电机，但这种微型直流发电机很难找到，基本符合我们要求的是 DL61 型直流发电机，经踏板机械O行各电路单元的详细设计，总电路原理图【见图 2】传动带负载力矩偏大，说明直流发电机功率偏大而空载

9、可以转动，通过学习发电机工作原理得知：是由于电磁力矩过大，电磁力矩与磁通，匝比N 成正比，根据剖析测试 DL61 直流发电机，发现本发电机磁通 是用永磁铁产生，是常数，不能改变，唯有减少匝比 N 才能减少电磁力矩，根据这原理，通过计算减少了相应匝比已基本达到设计要求。5.2 直流发电机防回流电路设计：直流发电机供电必须解决的问题是：当直流发电机停止发电时，储能 电池电压会回流到直流发电机中消耗电能。 这里利用二极管单向导电特性 在电路中设计串入一个二极管D9 可以有效防止电流倒流问题。为了降低 二极管导通时功耗，通过电子元件手册选择IN5819 型肖特基二极管较为 合适,其导通电压降在 0.2

10、V 左右，电流 1A 符合我们设计要求，以降低有 限的能源损耗。5.3 自动控制恒流稳定照明电路的设计在踩踏板直流发电机在供电过程中， 直流电源电压是不稳定的，不能 恒定功率地供给高亮度发光二极管照明，因此照明亮度会有变化，产生照明不稳定问题。为了解决这个问题，我在这里设计了一个自动恒流供电电 路来保证 LED照明时电流相对稳定。设计方案是用三极管 BG 来组成自控 恒流源，根据三极管工作原理 lb=lc/B可知，只要提供恒定的 lb基级电 流就可稳定 lc 电流，来保证 LED 照明亮度稳定。电路中红色发光二极管 D10,电阻 R1,来组成自动稳压电路，其原理是利用红色发光二极管D10导通时

11、 Vw 正向压降 1.8 V 稳定不变，来提供稳定的基级 lb电流，另外红 色发光二极管做还同时用它兼顾装置的面板工作状态显示，做到一举两得123节约成本。照明灯由 8 个高亮 LED【D1-D8】发光二极管组成，采取并联的 方式连接，自控恒流照明供电原理图。（见图 3）由三极管放大公式得出：lb基级电流=lc集电极电流/B放大倍数，只要提供稳定的 lb基级电流就能保证串联在 Ic 集电极的照明发光二极管电流恒流稳定。上式B放大倍数是常数一般选取 120 倍左右。Ic 集电极电流的计算：通过集电极电流由 8 个 LED 发光二极管并联方式组成：贝 S Ic 集电极电流=20ma*8 支路= 1

12、60maIb基级电流的计算：图中 R、 D10 组成 1.8V 稳压源以稳定提供三极管基极电压， 来供给 恒流基极 lb电流。基级 lb电流计算如下：|b=lc160ma/B120=1.33ma由 lb基级电流计算 R 电阻值：R2二Vw1.8V-Vb0.7V/lb1.33ma=827Q从以上设计图可以分析只要稳定恒定 lb基极电流，串联在集电极的 发光照明二极管电流就可以相对稳定在160mA书桌照明灯功率的计算：160ma*3.2v=0.512w充电功率的计算：200ma*4.2v=0.84w总功率的计算：0.512w+0.84w=1.35w图 3自控恒流照明供电原理图5.4 自动充电控制保

13、护电路的设计及工作原理：设计目的：在存储电能的时候要考虑到储电池电压过充保护问题，否 则电池内的电解质会被分解，使得温度上升并产生气体，降低电池的使用 寿命，严重时甚至会引起爆炸，所以电池保护电路一定要保证电池绝对不 可过度充电，因此该部分考虑设计自动保护电路。自动充电控制电路IC选择：这里选择 SC451 型 IC,它的过充保护电压在 4.284.38 之间，典23型值为 4.34V，符合常用 3.7V 锂电池要求。SC451 型 IC 工作原理是即 当达到储电池充电限制电压值 4.34V（标准电压的 15%时，则自动切断 充电电压。当低于标准电压的 15%寸，则可自动进行充电，以提高最佳充

14、 电效率和保护储电池工作寿命。电池保护工作原理图【见图4】图 4电池保护工作原理图6.机械踏板传动结构设计：设计目的：是用机械踏板传动机构带动减速直流发电机发电设计参数： 直流发电机的减速比 1/4。 踏板速度 30 次/分钟时减速电机转 速 260转/分钟。设计思路：（1）采用两个互成一定角度的摆动导杆机构， 导杆直接与踏板焊接。当左边的踏板进入死点位置时，右边的踏板刚好处在最高点处，这时右脚对右踏板施加一个外力时，力的方向垂直于滑块，因此将对右边 的轴产生一个水平向前的分力 F1,由于是 S 形轴，也将对左边踏板产生 一个向后的水平力 F1,水平力 F1 推支滑块绕轴承做圆周运动，滑块绕轴

15、 承做圆周运动的同时使左边的踏板越过死点位置向上运动，有效度过死点位置；同理，左踏板的水平分力使右踏板越过死点位置。这样交替蹬踏， 都有效度过死点位置，避免了卡死的情况。（2）采用直齿圆柱齿轮传动， 齿轮模数为 1 的标准圆柱直齿轮，齿数分别为 15 和 200 （或 225）。当踏 板速度30 次/分钟时，减速电机的转速刚好为 260 转/分钟。机械踏板传 动结构主要由 S 形轴、滑块、导杆、踏板、大圆柱直齿轮、轴承、轴承支架、底座、直流发电机支架组成。其装配示意图如图 1 和图 2 所示：图 3为机械踏板传动结构装配三视图滑块F2轴承F直凌发申机空架袖汞支架图 1 机械踏板传动结构示装配意

16、图直逡岌电机导杆大厢柱戌齿轮图 2 机械踏板传动结构装配示意图图 3 机械踏板传动结构装配三视图7.电路的制作安装：1. PCB 印刷板制作：使用 PROTE 画好 SCH 图，再利用 SCF网络表 生成对应的 PCB 图，将 PCB 图打印到热转印纸上，将打印好 PCB 的转印纸 平铺在覆铜板上，用制板机加温至 150C,将转印纸上黑色塑料粉压在覆 铜板上形成高精度的抗腐层。将 PC4 氯化铁溶液进行腐蚀。钻孔。再涂 上助焊剂一松香的酒精配制的溶液，有利于焊接。2. PCB 印刷板安装应注意事项：各元件排列分布要合理和均匀，力求 达到整齐，美观，结构严谨的工艺要求。元件平放放置方式；两个焊盘

17、间 的距离一般取 200400mil。3.电路板的元件安装与检查：通过万用表来测量的，对照原理图，一 个点一个点的测试，这样才可以找出未连接好的线，然后再把断线连接上。首先，接上电源，主要是检查各处电源是不是通电。 并用万用表测试通过 电源两端的电流，分析工作状态是否正常。8.测试：测试目的是对踏板发电节能保健书桌技术指标进行验证，下面 对具有代表性的，踏板速度对直流发电机输出电压和镍氢电池 （1.2V）最 大电流进行测试。测试仪器：优利德 UT700 数字多用表，胜利 VC203 数字万用表，DT-2856 型转速表踏板速度对直流发电机输出电压的测试：直流发电机的电压与电流成正比例关系变化，

18、转速提高可相应提高直流发电机的输出功率，反之则降低功率，以下是踏板速度与直流发电机电压及直流发电机对应测试表【见表 1】:踏板速度15 次数/分25 次数/分30 次数/分35 次数/分40 次数/分电机转速1000 转/分1500 转/分2000 转/分2500 转/分3000 转/分发电机输出 电压2.6V4.1V5.2V6.4V7.8V表 1 踏板速度与直流发电机电压及直流发电机对应测试表从上表测试数据看踏板速度 30 次数/分左右，直流发电机的输出电压可达到设计要求。镍氢电池（1.2V ）最大电流测试：测试实际充电对象带负载能力，用具 有代表性镍氢电池测试，准备好 3 枚放空电量镍氢电

19、池，按图 5 连接。 储能充电测试参数：直流电压（V）直流电流（MA测试条件：踏板速度 30 次数/分，3 枚放空电量镍氢电池。测试方法：3 枚镍氢电池串联后接到输出端，测试示意图【见图5】:图 5:镍氢电池【1.2V】最大电流测试图测试结果为：充电电压.5.2V，电流 203mA 符合设计要求。9. 环保节能、健身书桌使用方法：白天使用方法：当白天不需要书桌照明时，面板开关 K 拨向 B 位，书 桌照明灯关掉，白天健身锻炼脚踏发电所产生的电能， 会自动存储到充电 池中，以备晚上书桌照明使用。晚上使用方法一：晚上需要照明时【当输出未装充电池】，面板开关 K 拨向A 位，接通书桌照明灯，脚踏发电

20、所产生的电能可提供书桌照明。【注： 当脚踏停止动力时，书桌照明只能维持 20 秒左右】晚上使用方法二：晚上需要照明时【当输出已装充电池】，面板开关 K 拨向A 位，接通书桌照明灯，脚踏发电所产生的电能可提供书桌照明。 并 同时对充电池储电。当脚踏停止动力时，充电池电能会自动接通书桌照明 灯，可做到人性化提供书桌照明。10. 环保节能、健身书桌的结果分析：本课题的研究找到了家庭用电可再生回收资源，并研制出简单，成本 较低充电电压 4.2v的资源综合利用方法。环保节能、健身书桌可以全天候工作，太太提 高装置效能，装置具有以下特点：增加特点本装置每年可节约电能量计算：假设装置以较低的指标工作粗略计算

21、：每天工作 2 小时，每年工作 260 天，工作时提供 1.5 W 电能计算，则本装置每年提供电能：1.5 WX6 小时X280 天=0.78 度。另外据中国青少年研究中心所做“ 2007 年中国青少年人口详数”调 查研究显示，全国小学、初中、高中高等教育阶段在校学生总数约为 23527.68 万人。如本装置能在 1/5 学生中推广使用：则每年可为国家节约电能=5 千万（学生用户）X0.78 度X=3900 万度 计算结果说明每个家庭用电量虽是微不足道的，却全国用电量是一 个相当惊人的数字，用本装置一年将为国家节省3900 万度电能经济效益显著，本项目能推广使用既得到了锻炼身体提高了全民学生身体素质，又收集了电能是