多功能台灯设计与制作——2020年江苏省普高通用技术学业水平考试技术实践能力评定项目

发布于 2021-04-09 14:45

“多功能台灯设计与制作”是2020年江苏省普通高中通用技术学业水平考试技术实践能力评定设计项目。项目需求：贫困山区的儿童迫切需要台灯提供书写照明，并可以折叠携带以照亮上学走的夜路。请用你的聪明才智，奉献你的爱心，为贫困偏远地区小学生设计一盏多功能的便携式木质台灯。

具体设计要求如下：

1.采用木头为材料制作台灯支架、底座，台灯可以稳定摆放在桌上；

2.可以作为停电时的应急灯（装充电电池的空间约为70mm×55mm×20mm）；

3.能折叠，可收纳在书包里；携带方便，可以作为外出时照明使用。

我对此进行了设计分析：要适合山区孩子的使用需要，其制作的重点是：材料选取便捷、结构设计巧妙可折叠、便携式双电源设计。台灯的设计主要有木制外壳与电气两大部分。第一是：木制外壳的结构设计：要考虑台灯的外形要大方实用，结构要稳固耐用，折叠尺寸小而规则，重量轻，便于携带。关键要解决灯座、灯柱与灯头的折叠方式，三者铰接转动部分的可靠性。同时还要考虑制作的经济性，加工简单，方便实施。

电气部分的设计：台灯电路主要有光源、充电电池、灯光亮度调节电路、充电电路、充电电池的保护电路组成。主要考虑使用常用的电路器材，购买方便，所设计的电路安全可靠与经济。

一、设计方案

1.木制外壳设计方案

①  灯头外壳设计（见图①—图④）

②  底座外壳设计（见图⑤—图⑧）

③  灯柱设计（见图⑨）

灯柱两端的缺口间隙为32mm，小灯头与灯座转动小块的长度33mm，这样做的优点是：灯头与灯座安装在灯柱上时增加了一个夹紧力量，有利于提高灯头与灯座的定位性能，提高台灯的机械稳定性能。

2.电路部分设计

①光源选择与灯板设计

光源使用多颗F5草帽高亮度暖白光LED，小功率LED具有发光效率高，省电，寿命长，经济等优点，配上直流电驱动，发光稳定，无频闪，能有效保护视力；灯板设计上打破传统照明灯板无反光层的缺陷，利用废弃的易拉罐铝皮贴于电路板上，经过定位打孔与扩孔处理，安装上LED后，能够有效提高照明亮度，同时改善LED的散热效果，提高电路使用寿命，美观上也会有较大的进步。

②控制电路设计

电路框图见图⑩所示，电路使用了无极调光技术，能满足不同场景需要。LED光源有两种供电方式：第一种由外部输入5V直流电源供电，第二种由台灯内置1.6AH/3.8V聚合物锂电池供电，使台灯的使用更加方便，适用范围更广。外部电源有两个作用，一是给照明电路提供电能，二是给锂电池充电。

台灯内部锂电池采用淘汰手机的旧电板，废物利用，性能优良，电路对锂电池做了四重保护（见图⑾）

a.锂电池输入或输出意外过电流保护，由保险丝FU实现；

b.锂电池过充电保护，由输出调整电路、采样电路、基准电源、比较放大器1完成，严格限制最高充电电压，本台灯使用了3.7V聚合物锂电池，最高充电电压设为4.2V；

c.充电电路最高充电电流设为800mA，机内锂电池为1650mAh，最大充电电流小于0.5C，在实现快充电功能的同时，又能有效保证电池的使用寿命；

d.电路属原创设计，与传统电路比较具有更小的自损耗电流，台灯无外输入电源和关灯状态下，电路损耗电流小于0.3mA，有效保护了电池的使用寿命。

二、制作结果和功能测试

1．多功能台灯使用说明（见图 ⑿ ）

1灯头  2灯柱  3灯座 4开关、调光旋钮

5外部电源指示红灯6内部电池充满指示绿灯

7电源适配器输入接口8灯头铰链转轴9灯座铰链转轴

2.主要规格参数：

光源额定功率：1W、外部输入最大功率：5W、台灯调节亮度：0—60cd、色温：3000K、显色指数：80、灯头、灯座旋转角度：0-180°、供电方式：a：内置1.6AH/3.8V聚合物锂电池供电，最高亮度下连续工作8小时，低亮度下使用时间更长；b：台灯用适配器供电，适配器输入100—240VAC，输出5VDC/1A,带ø5.5mm输出插头。

折叠尺寸：260mm＊62mm＊33mm、净重：242克。

3.台灯的功能功能测试

①台灯折叠性能：灯头与灯座能够顺畅地绕灯柱旋转，旋转角大于180°，旋转中无卡滞、侧偏、松动现象，旋转时的摩擦力稳定，定位准确。

②分别使用机内电池与外输入电源试验照明性能：无极调光柔顺，调光旋钮与电源开关为一体，操作简单方便，光照柔和，不刺眼，亮度高，16颗LED光源发光均匀，无色差，无频闪。

③充电性能:内置电池放完电后，使用外置DC5V/1A电源充电，2小时完成充电，外部电源指示灯与充电指示灯工作正常。

④  续航测试：使用内置电池供电，台灯调至最高亮度，连续照明时间为7小时。

⑤  台灯规格与重量：折叠尺寸为265mm*62mm*33mm，重242克 。

4.测试木制多功能台灯的机械稳定性能

①定位性能测试：将台灯水平放置于桌面上，灯柱于桌面垂直，灯头水平，调节灯柱角度，灯柱的稳定角超过±10°，调节灯头角度，灯头的稳定角为±90°，1米内用电风扇从不同角度，以最大风力吹过，台灯不晃不动。

②折叠功能耐久性试验：频繁折叠台灯7天后，折叠时的摩擦力没有明显变化，台灯无任何损伤。

③暴力试验:台灯折叠后水平放置于地板上，70KG的成年人踩在上面，保持3分钟后，台灯无损伤，一切功能正常。

5.测试台灯的电气安全性能

①工作温度测试：分别使用机内电池与外输入电源开机试验，台灯调至最大亮度，在长时间照明和充电过程中，任意部位无高温产生。

②检查充电电池的安全使用情况：电池安装牢固，空间充足，电池四周无危险物品；测量到最高充电电压为4.18V；带有安全保险丝；使用内置电池时，关灯后电路的损耗电流小0.3mA，电池电压低于3V时亮灯电路停止工作，符合锂电池安全使用要求。

④ 低温试验:将台灯放入零下20度的冰箱内，12小时后台灯工作正常。

④高温试验:将台灯放入50度的高温试验箱内，台灯插上外部电源，亮度调至最大，8小时后台灯工作正常。

三、我的收获研究结论

1.项目价值体现：

    取材便捷，适合自制；结构紧凑，便捷照明；电路稳定，无极调光；光色柔和，续航力强。

2.我的收获：

①通过绘制模型草图，绘制了灯座、灯柱还有灯头的折叠方式，理解了台灯的构造和工程力学中的稳定性原理；

②通过对电源、电路板、电池的大小体积的规划，使自己对整体性设计有个全面的理解；

③通过对木质台灯立柱的制作，熟悉了木器工具的使用方法，如弓锯、推刨、锉刀、砂纸、手枪钻、不锈钢自攻螺丝的使用；

④焊接电路板时，首先要分清元器件，由低到高、先小后大顺序焊接，再按照电路安装图进行焊接安装。

⑤本台灯使用了3.7V 1650mAh聚合物锂电池，最高充电电压设为4.2V，需要严格限制最高充电电压，内含锂电板的充电电路原理和锂电池过充电保护电路。

⑥进一步测试台灯的机械、电气性能，完成整机装配任务，经过几轮改进，使台灯便携、续航能力强，更好地服务山区孩子。

总之，经过对多功能台灯的制作，使我理解了一个项目的完整性要求，不仅要有机械构图绘制的能力，还要有机械加工能力。要使产品具有实用性，必须对电路的设计有很高的要求，感谢指导教师缪耀东对我的精心指导，经过此项任务的制作，使我增强了学习科学知识的信心，技术以人为本，希望我们的科技之光能让山区的孩子在一片光明中走向成功。

江苏省张家港市沙洲中学  缪帛洋  

指导教师  缪耀东

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