特色环保课桌椅的设计与应用

张文芳+马文静+郭庆+李治瑛+张晓敏

[摘 要]目前学生上课都是自带书籍，经常发生学生忘带教科书的情况，影响学生上课的学习质量。在不同的人以及不同的年龄之间，身高都存在差异。因此，旧式课桌的同一高度可能会对某些同学带来不便，从而影响学习效率。针对该问题，设计了一款的课桌，绿色环保，实现资源可循环利用的理念，不仅达到了合理利用资源，而且利用简单的机械结构却产生梦幻的感觉。该装置具有安全和保密的特性，因此该装置不但能实现存放课本，还可以存放其他用品；其腿部可以伸缩，这样学生们都可以根据自己的身高进行调节，从而更好地学习，提高学习效率。

[关键词]环保课桌；可循环利用；资源利用

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

1 设计背景及意义

环境是人类生存和发展的基本前提。环境为我們生存和发展提供了必需的资源和条件。随着社会经济的发展，环境问题已经作为一个不可回避的重要问题提上了各国政府的议事日程。保护环境，减轻环境污染，遏制生态恶化趋势，成为政府社会管理的重要任务。对于我们国家，保护环境是我国的一项基本国策，解决全国突出的环境问题，促进经济、社会与环境协调发展和实施可持续发展战略，是政府面临的重要而又艰巨的任务。

针对我们国家现在的资源短缺，环境污染也是较严重的问题，为缓解该问题，国家提出了可持续发展的战略，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。在这样的背景下，就想到设计一个既能节约资源又能环保的课堂教具，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。能够满足人们学习所需的照明和健身要求。而且考虑到平时使用的基础课本，相同年级学的课本都相同，但年级不同用的课本也不同，所以，如果每一届用过的课本能循环使用，同时又能够方便学生取阅，那就可以节省制造课本的资源，以及相继带来的环境污染，继而就想到了课桌这个暂存教具，利用课桌的空间，进行对书的存放，但又考虑到书本的丢失和缺损现象，就设计一款全封闭式的课桌，结合电气装置，实现机电一体化的控制。

2 设计方案

2.1 尺寸及结构设计

（1）本课桌最大尺寸是620mm×430mm×694mm，桌腿最大伸展长度是657mm，桌腿最小收缩长度是270mm。桌面、课斗、桌腿高的允许误差范围为±2mm，在其中的一面桌壁上安装射频插卡装置，只需学生用学生证对准该射频装置，便可使射频装置启动，为防止书出现丢失现象，学生在选择书的时候，要输入相应的密码，在射频装置中安装读卡器可以读取并记录学生的信息。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。

（2）考虑到书传出和收回时，采用用齿轮齿条机械结构，由于该机构简单且易加工。在书传出时，通过单片机控制驱动板驱动电机正传前进一段时间，使书到达指定的位置。

（3）为方便学生取书，我们在桌匣下安装杆和小滑轨，通过该机构将书的一部分支起，停止一段时间能让学生取得书之后，让电动机反转，回到初始位置，停止。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。

（4）通过键盘及LCD12864显示屏，选择所需要的书，初步拟定为桌膛可放四本书，为上、下两层，中间用隔板隔开，用显示屏可以看到每个号码所对应的书：分别为1-高等数学，2-材料力学，3-英语，假设需要高等数学书，则按下1按钮，便可得到该书。

（5）由于该装置是通过电控制的，所以，为防止停电时无法用书，我们在桌膛内安装了可充电式备用电池。

2.2 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=0.512W。

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。

（c）输出充电电压4.2V，电流200MA。

2.3 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Ib=Ic/β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1.8V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【D1-D8】发光二极管组成，采取并联的方式连接。

2.4 传动机构方案的确定

（1）曲柄滑块机构

该机构实现直线运动较简单，但所占空间较大，在设计计算也较烦琐，要求耐磨性能好，平行度较高。

（2）凸轮机构

凸轮机构具有结构简单、紧凑、运动可靠等优点，但由于点、线接触，接触应力较大，易磨损，因为用于课堂，产生的噪声也较大，不易加工。

（3）齿轮齿条机构

结构简单，传动效率高、寿命长、传动比准确、传递功率与适用的速度范围大、工作安全可靠，且易加工。

通过对以上三种机械传动机构的比较，我们最终采用齿轮齿条机械机构。

2.5 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。

3 应用

该装置在推广使用上是非常有意義的，虽然，它的成本比一般课桌要高，但它却能实现普通课桌实现不了的功能，让课堂在开始就充满了未知的向往。在现在高科技迅速发展的时代，我们应该让学生更多地了解机械，运用它，并喜欢上对机械的制造和研发，能够让学生更加积极主动地加入到机械的行列，而且针对现在环保对于人类生存发展的重要性，虽然，它不能完全解决环境带来的影响，却能对环境保护产生一定影响，而且该课桌成批量生产成本会较低。

参考文献：

[1]赵茂泰.智能仪器原理及应用[M].北京：电子工业出版社，1999.

[2]王化祥，张淑英.传感器原理及其应用[M].天津：天津大学出版社，1999.