特色環保課桌椅的設計與應用

張文芳+馬文靜+郭慶+李治瑛+張曉敏

[摘 要]目前學生上課都是自帶書籍，經常發生學生忘帶教科書的情況，影響學生上課的學習質量。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帶來不便，從而影響學習效率。針對該問題，設計了一款的課桌，綠色環保，實現資源可循環利用的理念，不僅達到了合理利用資源，而且利用簡單的機械結構卻產生夢幻的感覺。該裝置具有安全和保密的特性，因此該裝置不但能實現存放課本，還可以存放其他用品；其腿部可以伸縮，這樣學生們都可以根據自己的身高進行調節，從而更好地學習，提高學習效率。

[關鍵詞]環保課桌；可循環利用；資源利用

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

1 設計背景及意義

環境是人類生存和發展的基本前提。環境為我們生存和發展提供了必需的資源和條件。隨著社會經濟的發展，環境問題已經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。保護環境，減輕環境污染，遏制生態惡化趨勢，成為政府社會管理的重要任務。對于我們國家，保護環境是我國的一項基本國策，解決全國突出的環境問題，促進經濟、社會與環境協調發展和實施可持續發展戰略，是政府面臨的重要而又艱巨的任務。

針對我們國家現在的資源短缺，環境污染也是較嚴重的問題，為緩解該問題，國家提出了可持續發展的戰略，當前，節能環保低碳經濟的發展理念已經成為我們人類可持續發展的行動指南，要實現低碳的生活方式，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，廣泛采用節能環保的清潔能源，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境。在這樣的背景下，就想到設計一個既能節約資源又能環保的課堂教具，合理運用法拉第電磁感應（發電機）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、照明光度穩定，并能達到自動儲能充電的目的。能夠滿足人們學習所需的照明和健身要求。而且考慮到平時使用的基礎課本，相同年級學的課本都相同，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使用，同時又能夠方便學生取閱，那就可以節省制造課本的資源，以及相繼帶來的環境污染，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象，就設計一款全封閉式的課桌，結合電氣裝置，實現機電一體化的控制。

2 設計方案

2.1 尺寸及結構設計

（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，只需學生用學生證對準該射頻裝置，便可使射頻裝置啟動，為防止書出現丟失現象，學生在選擇書的時候，要輸入相應的密碼，在射頻裝置中安裝讀卡器可以讀取并記錄學生的信息。將踏板機械能轉換為高速的轉速動力，帶動直流發電機發電，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。

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

（3）為方便學生取書，我們在桌匣下安裝桿和小滑軌，通過該機構將書的一部分支起，停止一段時間能讓學生取得書之后，讓電動機反轉，回到初始位置，停止。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的書：分別為1-高等數學，2-材料力學，3-英語，假設需要高等數學書，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，我們在桌膛內安裝了可充電式備用電池。

2.2 照明、充電參數的設計和選擇

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，以達到節能的目的。這里選用FX-DZSZ055Y型節能高亮度發光二極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=0.512W。

儲能充電池電壓參數的確定：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1.2V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。

（c）輸出充電電壓4.2V，電流200MA。

2.3 自動控制恒流穩定照明電路的設計

在踩踏板直流發電機在供電過程中，直流電源電壓是不穩定的，不能恒定功率地供給高亮度發光二極管照明，因此照明亮度會有變化，產生照明不穩定問題。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/β可知，只要提供恒定的Ib[基級電流]就可穩定Ic電流，來保證LED照明亮度穩定。電路中紅色發光二極管D10，電阻R1，來組成自動穩壓電路，其原理是利用紅色發光二極管D10導通時Vw正向壓降1.8V穩定不變，來提供穩定的基級Ib電流，另外紅色發光二極管做還同時用它兼顧裝置的面板工作狀態顯示，做到一舉兩得節約成本。照明燈由8個高亮LED【D1-D8】發光二極管組成，采取并聯的方式連接。

2.4 傳動機構方案的確定

（1）曲柄滑塊機構

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

（2）凸輪機構

凸輪機構具有結構簡單、緊湊、運動可靠等優點，但由于點、線接觸，接觸應力較大，易磨損，因為用于課堂，產生的噪聲也較大，不易加工。

（3）齒輪齒條機構

結構簡單，傳動效率高、壽命長、傳動比準確、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的比較，我們最終采用齒輪齒條機械機構。

2.5 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電機發電。

設計參數：直流發電機的減速比1/4。踏板速度30次/分鐘時減速電機轉速260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，齒輪模數為1的標準圓柱直齒輪，齒數分別為15和200（或225）。當踏板速度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、直流發電機支架組成。

3 應用

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，但它卻能實現普通課桌實現不了的功能，讓課堂在開始就充滿了未知的向往。在現在高科技迅速發展的時代，我們應該讓學生更多地了解機械，運用它，并喜歡上對機械的制造和研發，能夠讓學生更加積極主動地加入到機械的行列，而且針對現在環保對于人類生存發展的重要性，雖然，它不能完全解決環境帶來的影響，卻能對環境保護產生一定影響，而且該課桌成批量生產成本會較低。

參考文獻：

[1]趙茂泰.智能儀器原理及應用[M].北京：電子工業出版社，1999.

[2]王化祥，張淑英.傳感器原理及其應用[M].天津：天津大學出版社，1999.