特色環(huán)保課桌椅的設(shè)計與應(yīng)用

張文芳+馬文靜+郭慶+李治瑛+張曉敏

[摘 要]目前學(xué)生上課都是自帶書籍，經(jīng)常發(fā)生學(xué)生忘帶教科書的情況，影響學(xué)生上課的學(xué)習(xí)質(zhì)量。在不同的人以及不同的年齡之間，身高都存在差異。因此，舊式課桌的同一高度可能會對某些同學(xué)帶來不便，從而影響學(xué)習(xí)效率。針對該問題，設(shè)計了一款的課桌，綠色環(huán)保，實現(xiàn)資源可循環(huán)利用的理念，不僅達到了合理利用資源，而且利用簡單的機械結(jié)構(gòu)卻產(chǎn)生夢幻的感覺。該裝置具有安全和保密的特性，因此該裝置不但能實現(xiàn)存放課本，還可以存放其他用品；其腿部可以伸縮，這樣學(xué)生們都可以根據(jù)自己的身高進行調(diào)節(jié)，從而更好地學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率。

[關(guān)鍵詞]環(huán)保課桌；可循環(huán)利用；資源利用

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.15.104

1 設(shè)計背景及意義

環(huán)境是人類生存和發(fā)展的基本前提。環(huán)境為我們生存和發(fā)展提供了必需的資源和條件。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境問題已經(jīng)作為一個不可回避的重要問題提上了各國政府的議事日程。保護環(huán)境，減輕環(huán)境污染，遏制生態(tài)惡化趨勢，成為政府社會管理的重要任務(wù)。對于我們國家，保護環(huán)境是我國的一項基本國策，解決全國突出的環(huán)境問題，促進經(jīng)濟、社會與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展和實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，是政府面臨的重要而又艱巨的任務(wù)。

針對我們國家現(xiàn)在的資源短缺，環(huán)境污染也是較嚴(yán)重的問題，為緩解該問題，國家提出了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，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。在這樣的背景下，就想到設(shè)計一個既能節(jié)約資源又能環(huán)保的課堂教具，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。而且考慮到平時使用的基礎(chǔ)課本，相同年級學(xué)的課本都相同，但年級不同用的課本也不同，所以，如果每一屆用過的課本能循環(huán)使用，同時又能夠方便學(xué)生取閱，那就可以節(jié)省制造課本的資源，以及相繼帶來的環(huán)境污染，繼而就想到了課桌這個暫存教具，利用課桌的空間，進行對書的存放，但又考慮到書本的丟失和缺損現(xiàn)象，就設(shè)計一款全封閉式的課桌，結(jié)合電氣裝置，實現(xiàn)機電一體化的控制。

2 設(shè)計方案

2.1 尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）本課桌最大尺寸是620mm×430mm×694mm，桌腿最大伸展長度是657mm，桌腿最小收縮長度是270mm。桌面、課斗、桌腿高的允許誤差范圍為±2mm，在其中的一面桌壁上安裝射頻插卡裝置，只需學(xué)生用學(xué)生證對準(zhǔn)該射頻裝置，便可使射頻裝置啟動，為防止書出現(xiàn)丟失現(xiàn)象，學(xué)生在選擇書的時候，要輸入相應(yīng)的密碼，在射頻裝置中安裝讀卡器可以讀取并記錄學(xué)生的信息。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。

（2）考慮到書傳出和收回時，采用用齒輪齒條機械結(jié)構(gòu)，由于該機構(gòu)簡單且易加工。在書傳出時，通過單片機控制驅(qū)動板驅(qū)動電機正傳前進一段時間，使書到達指定的位置。

（3）為方便學(xué)生取書，我們在桌匣下安裝桿和小滑軌，通過該機構(gòu)將書的一部分支起，停止一段時間能讓學(xué)生取得書之后，讓電動機反轉(zhuǎn)，回到初始位置，停止。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。

（4）通過鍵盤及LCD12864顯示屏，選擇所需要的書，初步擬定為桌膛可放四本書，為上、下兩層，中間用隔板隔開，用顯示屏可以看到每個號碼所對應(yīng)的書：分別為1-高等數(shù)學(xué)，2-材料力學(xué)，3-英語，假設(shè)需要高等數(shù)學(xué)書，則按下1按鈕，便可得到該書。

（5）由于該裝置是通過電控制的，所以，為防止停電時無法用書，我們在桌膛內(nèi)安裝了可充電式備用電池。

2.2 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=0.512W。

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。

（c）輸出充電電壓4.2V，電流200MA。

2.3 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Ib=Ic/β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1.8V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【D1-D8】發(fā)光二極管組成，采取并聯(lián)的方式連接。

2.4 傳動機構(gòu)方案的確定

（1）曲柄滑塊機構(gòu)

該機構(gòu)實現(xiàn)直線運動較簡單，但所占空間較大，在設(shè)計計算也較煩瑣，要求耐磨性能好，平行度較高。

（2）凸輪機構(gòu)

凸輪機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、運動可靠等優(yōu)點，但由于點、線接觸，接觸應(yīng)力較大，易磨損，因為用于課堂，產(chǎn)生的噪聲也較大，不易加工。

（3）齒輪齒條機構(gòu)

結(jié)構(gòu)簡單，傳動效率高、壽命長、傳動比準(zhǔn)確、傳遞功率與適用的速度范圍大、工作安全可靠，且易加工。

通過對以上三種機械傳動機構(gòu)的比較，我們最終采用齒輪齒條機械機構(gòu)。

2.5 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。

3 應(yīng)用

該裝置在推廣使用上是非常有意義的，雖然，它的成本比一般課桌要高，但它卻能實現(xiàn)普通課桌實現(xiàn)不了的功能，讓課堂在開始就充滿了未知的向往。在現(xiàn)在高科技迅速發(fā)展的時代，我們應(yīng)該讓學(xué)生更多地了解機械，運用它，并喜歡上對機械的制造和研發(fā)，能夠讓學(xué)生更加積極主動地加入到機械的行列，而且針對現(xiàn)在環(huán)保對于人類生存發(fā)展的重要性，雖然，它不能完全解決環(huán)境帶來的影響，卻能對環(huán)境保護產(chǎn)生一定影響，而且該課桌成批量生產(chǎn)成本會較低。

參考文獻：

[1]趙茂泰.智能儀器原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，1999.

[2]王化祥，張淑英.傳感器原理及其應(yīng)用[M].天津：天津大學(xué)出版社，1999.