环保节能、健身书桌

1、环保节能、健身书桌 目 录1：摘要42研究目的和研究背景6；3总体方案设计：74 照明、充电参数的设计和选择：75. 环保节能、健身书桌的电路设计：135.1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：2211完善该项目的设想：2412 结束语：24参考文献:25附件：26摘 要 本文开发一种环保节能、健身书桌。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

2、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

3、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，广泛采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

4、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】LED台灯 充电保护电路、恒流控制电路 防回流电路 直流发电机 机械踏板传动机构 3.7V充电电源输出 1.2V充

5、电电池夹(9 图1 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发电机及控制电路设计 机械踏板传动结构设计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

6、选用FX-DZSZ055Y型 节能高亮度发光二极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1.2

7、V镍镉电池，因此可确定充电对象电压是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200MA。e) 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。以下进行各电路单元的详细设计，总电路原理图

8、【见图2】。图 2 环保节能、健身书桌总电路原理图5.1直流发电机技术指标确定及选型改装： 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4.2V、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，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，经踏板机械传动带负载力矩偏大，说明直流发电机功率偏大而空载可以转动，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

9、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0.2V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

10、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Ib=Ic/可知，只要提供恒定的Ib基级电流就可稳定Ic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Vw正向压降1.8 V稳定不变，来提供稳定的基级Ib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，做到一举两得节约成本。照明灯由8个高亮LED【D

11、1-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：Ib基级电流=Ic集电极电流/放大倍数，只要提供稳定的Ib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：则Ic集电极电流=20ma*8支路=160maIb基级电流的计算：图中R1、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Ib电流。基级Ib电流计算如下：Ib=Ic160ma/120=1.33ma 由Ib基级电流计算R2电阻值： R2=Vw1.8V

12、-Vb0.7V/Ib1.33ma=827 从以上设计图可以分析只要稳定恒定Ib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

13、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%时，则可自动进行充电，以提高最佳充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】充电输入电压8V充电输出4.2VSC451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

14、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

15、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图1 机械踏板传动结构示装配意图图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PROTEL画好SCH图，再利用SCH图网络表生成对应的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150，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PCB三氯化铁溶液进行腐

16、蚀。钻孔。再涂上助焊剂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

17、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，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

18、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】：充电电压4.2v镍氧电池v镍氧电池镍氢电池图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

19、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

20、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：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 W×6小时×280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）×0.78度×=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，又收集了电能是一项即有经济效益又有社会效益的环保节能课题