机电产品创新设计大赛作品设计说明书

机电产品创新设计大赛参赛作品说明书

作品名称：简单“幸福生活”新式台灯设计New-style design project of table lamp

to simple ‘Happy Life’

原名：具有“断电保护”和“定时提醒”功能台灯设计

小组成员：张利张胜张宝龙许淑红

专业年级：2009级机械专业

指导老师：宁淑荣

目录

设计灵感： (2)

设计原理及思路： (2)

设计作品的功能、创新点解说： (3)

创新点1： (4)

创新点2： (7)

创新点3： (9)

实物作品完善与改进： (10)

作品的推广： (10)

设计作品实物图： (11)

程序附录： (12)

设计灵感：

（一）、现在许多家长担心的除了孩子的学习成绩外，还有就是孩子眼睛的度数。现在学生的眼睛近视无论人数比例还是眼镜度数都呈现了大幅上升的趋势，其中很大一部分原因是因为学生不注意用眼时间。如果孩子在家中所使用的台灯除了能调节光亮之外（现在大多数台灯都已具备光线调整功能），还能够提醒用眼时间，并且在持续用眼时间过长时采取强制断电措施，让孩子的眼睛暂时休息一段时间，就能够有效保护孩子的眼睛。

（二）、在我们的日常生活中所使用的普通台灯虽然具有可任意旋转定姿的功能（由可塑性的灯身完成），但是只有一个灯头，并且只能提供一种灯光。现代“幸福生活”中我们对生活质量也同样注重，我们所需要的台灯不仅仅要能给人们提供物理上的感受（照明），而且要给使用者带来心情上的体验。闲暇时，可以坐在灯前欣赏，让你平常使用的台灯给你带来幸福与快乐的享受，产生一种心灵上的互动。我们独特的可旋转式灯头设计鼓励人们多去触摸，感觉。每天与自己的心爱台灯玩耍，享受其中DIY的乐趣。

（三）、在生活中你是否有过忘记关灯的经历，你是否有让灯亮一个大白天的教训。“幸福生活”当道的今天，在大家都在为节能减排而贡献自己的一份力量，你是否为你浪费一天的电而内疚，是否为你付出的不必要电费而心疼。如果在我们的生活中使用的台灯能够具有光线强度判断电量开关和人体红外线监测的功能那么这些问就都能够迎刃而解了。

设计原理及思路：

如果要实现以上功能可以使用硬件来实现，比如采用继电器及其驱动电路，但是其体积较大，消耗电量也较多，并且现在越来越多的装置的众多功能大都通过软件在通用性强的硬件的支持下实现的。其好处是：若想改变、以及扩充其功能，均可通过对软件的修改来扩充实现其功能。所以，我们采用模块化的单片机系统来实现相应功能。

模块化单片机系统的使用实现了弱电控制强电，即实现了在安全电压范围内控制对人体来讲相对危险的强电。用单片机控制的双向可控硅过零触发电路可以实现5V电压的单片机来控制220V交流电的大功率交流负载。

在此基础上我们实现了“断电保护”、“定时长断电”、“亮度调节”和“时间长度微调”功能。我们的此单片机控制系统可推广到工业大功率负载的控制中去，安全可靠、易于实现。

可旋转式两灯头设计则是采取在一个灯头上不同位置安装两个灯管，一个是日常照明灯管，另一个是为生活平添乐趣的DIY灯管。使用这个台灯我们可以通过简单的旋转来实现不同灯管的转换，进而产生不同的灯光效果，而不仅仅是依靠华丽的灯罩来进行装饰。为安全起见，我们设计采用插针式的供电装置，外包有隔电橡胶软套。

可旋转式三灯头设计将两灯头设计中插针式的供电结构改为刷卡式供电结构。这样的设计结构能方便灯头实现单方向的完全旋转。为实现准确定位，在旋转灯头的轴和灯座上设计有棘轮机构。

在功能的扩展方面我们让我们所设计的作品具有感知外界光线强度和感应人体红外线的功能。该功能的实现我们采用市场上批量销售的普通灯具感应开关，简单易行并且功能可靠。并且通过调整该开关之后的调整螺丝我们可以方便的改变可感应的距离和外界光线强度。使我们每次坐在台灯前面时，通过自己的调整都能够有一个舒适良好的工作、学习氛围。

原设计为实现“断电保护”，即为一次断电之后，在再次通电时用电设备（台灯）在无人状态下不会自动通电。若想使用电设备（台灯）再次通电必须人为动作才可以。使用红外线人体感应开关对该项功能进行改进，不仅可以达到在无人状态下不通电，更能省去人为动作才通电的麻烦，使该作品更具人性化。

设计作品的功能、创新点解说：

我们的作品在注重电路的设计和调试的同时，加上了机械结构的创新与仿真，使我们的作品能在利用软件进行方便生活的同时，同样体现硬件的人性化。

创新点1：

关键词：断电保护；定时长断电；亮度调节；定时微调

根据大多数人群持续用眼的疲劳极限，设定最长用眼时间，使用单片机系统实现定时提醒和定时长断电功能。在简单的单片机最小电路上配备专门的“弱电控制强电”电路加上针对该硬件的软件程序来实现相应功能。

使用双向可控硅的过零触发电路的设计分为两部分：过零检测电路（检测电路）、过零触发电路（控制电路）。

利用单片机控制系统中双向可控硅设计的过零触发电路，对220V交流电进行通断控制，实现弱电对强电的控制。

工作原理简述：当过零检测电路中检测到INTO引脚过零时产生中断请求，通过中断服务子程序控制，使单片机的P2.4引脚发出触发脉冲即可触发双向可控硅导通控制强电通断。通过控制触发脉冲发送的时间延迟长短，可以实现电压大小的控制，从而实现亮度调节功能；通过采样单片机的外部引脚（控制位）电压值结，并合软件实现时间长度微调、断电保护和定时长断电功能。

过零检测电路

为了提高效率，使触发脉冲与交流电压同步，要求每隔半个交流电的周期输出一个触发脉冲，并且触发脉冲的电压应大于4V，脉冲宽度大于2us。

一个指令周期为1~4us，为了保证触发完全，我们采用了双指令，一个是触发指令，另一个是辅助指令。

在中断服务子程序中使用定时器累计移相时间（时间的控制即为移相时间的控制），然后发出双向可控硅的同步触发信号，经由过零触发电路实现控制。

PC817芯片：用于电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增强安全性，减少电路干扰，简化电路设计。

LM393N芯片：双电压比较集成器，检测前序电路交流电产生跳变时产生的

高电平，进而在单片机INT0产生中断。

在220V交流电的每一次电压产生跳变时，会在LM393N芯片的2号和3号管脚产生比较，当2号管脚电压值大于3号管脚电压值时（电压差值达到2mv 以上），在单片机的INT0管脚会产生一个电压高→低的跳变。

图一：过零检测电路

过零触发电路

在过零触发电路中我们采用了MOC3061芯片和双向可控硅BT136-600来实现相应功能。MOC3061是光电耦合双向可控硅驱动器，属光电耦合器的一种，用来驱动双向可控硅，并且起到隔离的作用。

一般在双向可控硅两极间并联一个RC阻容吸收电路，实现双向可控硅的过电压保护功能，图中的两个39欧电阻和0.01uf的电容组成了RC阻容吸收电路。

MOC3061芯片：新型的光电耦合器件，用于直流低电压、小电流来控制交流高电压、大电流。

双向可控硅BT136-600：是一种具有3个PN节的4层结构的大功率半导体器件，由两晶闸管反向连接而成。它的功用不仅是整流，还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，它使半导体技术进入强电领域。

图二：过零触发电路

图三：整体电路

创新点2：

关键词：定姿转换；功能多项选择灯头设计；

安全插针式通电结构；刷卡式通电结构

在注重生活质量的今天，单单实现照明功能已经满足不了人们的生活需求。在家居市场单纯的白炽灯、节能灯已经不多见，大都换上华丽的灯罩。但是仍然不能创造出咖啡屋和KTV中变化的DIY灯光效果来点缀你的生活。

其实那种灯光效果可以使用日常的彩色LED灯外加荧光材料来实现同样的效果。我们设计的可自动旋转的灯头设计，在调整好台灯方位姿势时，只需简单旋转灯头，就可以实现灯光效果的转换。

两灯头结构创新设计：

两灯头结构创新设计的灯头采用可旋转式灯头设计，两个灯头分别提供两种光源。通过简单的手动旋转即可实现不同灯光的切换。

因为使用的是市电220V的电压，从安全角度出发，我们设计并使用的是插针式通电结构，该插针式通电结构安装在可旋转的灯头和固定供电灯座之间。

插针式通电结构由两部分组成，一部分是是带有隔电橡胶软套的供电插孔座，安装在固定供电灯座之上；另一部分是同样带有隔电橡胶软套的插针，安装在可旋转的灯头的尾部，用来实现供电和固定灯头。

静触点安装在外层灯罩上，起供电和固定位置的作用；动触点安装在可旋转式功能多项选择灯头上，形状为插针型，方便供电和固定。设计灵感来自于平时听歌时使用的耳机插孔和插头，方便快捷同时又因为外面加有隔电橡胶软套安全可靠。这种设计在满足孩子的好奇心的同时又保证了孩子的安全。

三灯头结构创新设计：

三灯头结构创新设计仍然借鉴两灯头的可旋转式灯头设计思路。但由原来的

一侧供电，对面侧亮灯的不完全旋转结构改为完全旋转的结构。同时采用刷卡式的供电装置，用来满足全周旋转时的供电。

旋转轴采用三棱柱形结构，在灯座位置使用简单棘轮棘爪结构的间歇运动实现位置固定功能。在灯身位置固定的基础上，只需简单的手动旋转灯头即可实现不同功能灯具之间的转换。省去了简单两用灯具在更换之后还需继续调整姿态的麻烦和不便。

由于时间和条件有限我们未能做出实物，但是我们使用三位绘图软件UG对我们的设想进行了实体仿真。并实现了相应功能的三维动画演示。

图四：UG仿真--整体效果图

图五：两灯头结构创新设计

图六：三灯头结构创新设计

创新点3：

关键词：人体自动感应；外界光线强度判断

原创意为在日常使用的台灯上实现断电保护功能，即在上次通电时未将电源开关断开，在再次通电时不会自发通电亮灯。该功能是从学校晚上实行断电政策，有些学生晚上由于断电灯灭而忘记关上自己的台灯，导致在第二天通电时台灯自己点亮浪费资源，同时会导致宿舍早上的智能断电。

在秉承原创意节能方便的基础上，我们对我们的思路进行了拓展和延伸。使用市场上已经批量使用的红外线自动感应系统对我们的作品进行改进。

在灯具市场这种红外线人体自动感应系统可以灵敏的感应出人体发出的红外线，并且可以进行外界光线强度判断。在外界光线较强的情况下，即便有人坐在台灯前，该系统仍然不会对我们的台灯进行供电；只有在光线低达一定阈值时，并且在该系统能感知的范围内有人，台灯才会亮，两者缺一不可。

在对台灯进行改装之后，非常方便了广大的同学们，使用该款台灯，基本上不用在人为去扳动开关对台灯进行开关控制，一切都有灯具内部的各功能元件进行判断控制。又由于该款台灯具有外界光线强度判断功能，避免了在光线足够的情况下仍然开灯照明造成的不必要浪费。

实物作品完善与改进：

不足1：我们做出的实物作品使用了LCD显示屏来显示时间，在单片机实现台灯的断电控制后，我们的作品开始并不能实现LCD的断电。相比之下LCD 在断电后显示消耗的电量不属于实际所需电量。

改进1：我们在基础电路的基础上利用继电器（耐压值为6.5v）对LCD显示屏进行单独控制。实现了当台灯在定时结束时，LCD显示屏也一同熄灭，很好的解决了LCD消耗不必要电量的问题。

不足2：我们做出的实物作品虽能够实现规定时间长度的断电控制，时间为人体持续用眼最佳时间45min，为方便演示我们将时间定为了2.5min左右。但是每个人的持续用眼最佳时间不同，在初始时我们对台灯通电时间的不能在一定范围内进行微调控制，不能很好的满足学生的个人需求。

改进2：我们在软件上进行了改进，在单片机的最小系统模块上安装了两个复位按键，一个是进行增时微调，另一个是进行减时微调。增时和减时只能在一定时间范围内进行，大致时间仍然为人体持续用眼最佳时间（演示时为两分钟左右）。

作品的推广：

我们的作品中应用的必要电路采用模块化的设计思路，可以批量生产，进行简单组装后便可应用于其他用电器。

比如说在电风扇中采用可控硅实现降压来实现调速。只需通过改变触发脉冲的发送时间，即可实现。

简单的模块化设计，更多的依赖软件的开发，使硬件更加标准化、简单化。

设计作品实物图：

图八：实物一（组装前）

图九：实物二（组装后）

程序附录：