基于3D打印技術的DIY創意節能小夜燈設計

摘 要 本文基于3D打印技術設計了一種以手機為原型的綠色環保、高效節能、安全可靠、長久耐用的DIY創意小夜燈。設計思路為先利用三維建模對小夜燈的外觀進行設計，然后再用FDM型3D打印機來打印燈箱，采用具有高透亮度、絕緣性能優良的、可回收的綠色環保的亞克力板制作色彩豐富的燈蓋，采用聲光硬件模塊化設計和微波雷達控制兩種方案設計電路，12V的LED燈條作為光源。該綠色環保節能的便攜式小夜燈，不光節約電費，并且無需布線，減少了瑣碎的開關元件，有了它，隨到隨亮，隨走隨滅，綠色環保，生活輕松簡單。

關鍵詞 3D打印；亞克力；聲控；雷達

中圖分類號 TB4 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）188-0040-02

在日常生活中，有時我們會遇到夜晚起夜摸黑去找開關，并且在燈打開的瞬間看到刺眼的強光，讓眼睛感覺到非常的不舒服的情況，為此我們設計了一種基于手機形狀的便攜式的綠色環保節能DIY創意小夜燈。該小夜燈具有人體感應功能，白天光線充足時燈不亮，晚上或者光線暗的時候則通過聲光感應或者雷達感應到人（感應距離為1～5米可調）自動亮燈，如果一直感應到人的活動，燈不會滅，人靜止不動，或者人離開后，燈延長30s左右的時間（時間可調）自動滅。該小夜燈采用FDM型3D打印技術打印燈箱體，和傳統的燈箱相比，它在結構設計上不受復雜程度的限制，發揮創意可以實現任意復雜結構的制作，設計制作周期短，效率高，成本低。另外采用半透明的PLA材料的綠色環保的亞克力彩色板作為燈蓋，12V的LED燈帶作為光源，更增強了小夜燈的柔亮效果，電源部分采用寬電壓恒流穩壓電源設計，防雷，防電壓波動，安全可靠，大大降低了成本，提高了使用效率。該小夜燈可用于客廳、廁所、地下車庫或廚房、衣柜、櫥柜等光線不足的地方，無需布線和開關元件，有了它，隨到隨亮，隨走隨滅，綠色環保，生活輕松簡單。

1 利用三維建模、分層切割、3D打印技術打印燈箱

3D打印機是快速成型設備的一個分支，它通過對電腦中三維軟件的識別，進行三角網格格式（STL）的轉換，再結合切層軟件確定擺放位置，支撐結構生成分層擠出路徑，然后從下到上一層層構建實體模型。利用3D打印技術最突出的優點是，它無需在工廠進行機械加工也不需要任何模具，僅僅通過桌面上的打印機就可以把計算機圖形數據中生成任何形狀的零件打印出來，從而極大地縮短產品的研制周期，提高生產率和降低生產成本。該設計的燈箱體采用噴頭直徑為1.75mm的FDM型3D打印機制作，其工藝參數有：層厚0.2mm、填充密度10%、打印速度25mm/s、打印溫度215℃、熱床溫度60℃、打印時間為7～8小時。燈箱的箱體是以常用的手機為原型進行創意設計的，加上支架可以方便放在房間里的任何位置，也可以粘貼到墻壁上，隨拿隨放，不受限制。圖1為小夜燈燈箱三維設計，圖2為小夜燈支架的三維設計。

2 采用綠色環保的亞克力彩色板制作燈罩

采用綠色環保的亞克力板作為小夜燈的燈罩。亞克力板的特性有：透明度極高，透光率達92%以上，所需的燈光強度較小，節省電能；具有良好的表面硬度與光澤，加工可塑性大，可制成各種所需要的形狀與產品；亞克力板材的種類繁多色彩艷麗、亮度高；絕緣性能優良，適合各種電器設備；可回收率高，易清潔，綠色環保。傳統亞克力板的切割工藝是手工劃線—鋸切—磨削—膠水粘結。此類制作工藝費時費力，切割的亞克力側邊質量很難保證統一，且制作過程有噪聲、鋸屑、強酸性氣體揮發，容易造成環境污染。本設計制作采用計算機繪圖—激光切割加工—粘結。計算機繪圖具有智能化、個性化、數字化特征，激光切割加工效率高，切割邊質量具有較好的統一性與平整性。

3 電路設計

方案一：采用聲光硬件模塊化設計電路。聲—光模塊化硬件系統，它只要充電電池有電，有5m的聲源，LED燈就可以發光，延時30s斷電，節約能源。在聲源范圍內，持續有聲音則持續照明。聲-光硬件部分通過采用模塊化設計，使硬件系統更加可靠穩定，同時有利于以后的維修和完善。通過聲音傳感模塊和光敏傳感模塊從外界環境獲取相關數據，通過電壓比較器LM393來調整傳感器的靈敏度，并且通過STC15F104E處理芯片來捕捉LM393芯片輸出端電平實現智能聲光控制，提高電路板的穩定性，同時減小電路板的體積。為了進一步提高電路板的可靠性和增強電路板的驅動能力，通過采用PC817光耦來隔離驅動芯片IRF5303與處理器的連接。而本設計的輸入電壓是12V，電流1mA，輸出電壓為5V，電流0.3mA。通過多次的試驗測試，聲-光電路板可以檢測到5m內的聲音，不受物品阻擋而影響，驅動能力電壓可達100V，電流可達14A。采用12V的LED燈條作為光源，3顆18 650鋰電池組成12V電池組，總容量達2 200mAh。根據公式：放電時間=電池標稱容量X效率÷LED的電流2 600mAh x0.8÷1mA=2 080h，2080h÷24=87天，基本幾個月不用充電。圖4為DIY創意節能小夜燈聲控電路主控與驅動電路。

方案二：用微波雷達控制。微波雷達智能控制采用多普勒效應的微波雷達，超高靈敏度，4～7米內感受到使用者相位移動，就會被觸發，不受聲音等其他干擾影響，擴展了工作環境，加裝光敏電阻作為光感感應。微波雷達-光硬件部分采用模塊化設計，用12V鋰電池作為電源，微波雷達作為感應裝置來識別人體，相比聲控等抗干擾性低的感應裝置，可防止太陽光的紅外線干擾，加裝光敏電阻作為感應，避免在白天光線充足的情況下被觸發浪費電量。微波雷達控制開關部分使用XYC-WB3-12高頻微波感應模塊，可在4～7米半徑內感應到人則觸發，微波感應開關是利用多普勒效應原理設計的移動物體探測器。它以非接觸方式探測物體的位置是否發生移動，繼而產生相應的開關操作。與紅外、聲控等產品相比，具有抗射頻干擾能力強、不受溫度、濕度、光線、氣流、塵埃、煙霧等影響，可以安裝在一定厚度的塑料、玻璃、木制等非金屬的外殼里面，而對其探測功能技術沒有影響，能夠非常方便的應用設備控制、環境輔助光源控制、地下停車場、通道照明等各種干擾源多的領域。XYC-WB3-12高頻微波感應模塊額定輸入電壓為12V～35V，輸出電壓基本等于輸入電壓。本燈具功耗0.012W，內置12V、2200mAh鋰電池，續航時間超長，大大增加其可移動性，不被插座所束縛；亮度大，可照亮5m×5m的空間；加有光敏電阻，根據外界的光線強度，控制模塊的輸出狀態，達到節能效果，做到最大限度的節能

環保。

4 結論

該小夜燈解決了上樓總要按開關，上衛生間總忘關燈，半夜起床到處抹黑，開車回車庫來回找開關，布線麻煩，到處安裝開關的問題。綠色環保節能方便的小夜燈為日常生活提供了便捷，很有推廣價值。

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作者簡介：張軍，廣東省華立技師學院。