基于3D打印技术的DIY创意节能小夜灯设计

摘 要 本文基于3D打印技术设计了一种以手机为原型的绿色环保、高效节能、安全可靠、长久耐用的DIY创意小夜灯。设计思路为先利用三维建模对小夜灯的外观进行设计，然后再用FDM型3D打印机来打印灯箱，采用具有高透亮度、绝缘性能优良的、可回收的绿色环保的亚克力板制作色彩丰富的灯盖，采用声光硬件模块化设计和微波雷达控制两种方案设计电路，12V的LED灯条作为光源。该绿色环保节能的便携式小夜灯，不光节约电费，并且无需布线，减少了琐碎的开关元件，有了它，随到随亮，随走随灭，绿色环保，生活轻松简单。

关键词 3D打印；亚克力；声控；雷达

中图分类号 TB4 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）188-0040-02

在日常生活中，有时我们会遇到夜晚起夜摸黑去找开关，并且在灯打开的瞬间看到刺眼的强光，让眼睛感觉到非常的不舒服的情况，为此我们设计了一种基于手机形状的便携式的绿色环保节能DIY创意小夜灯。该小夜灯具有人体感应功能，白天光线充足时灯不亮，晚上或者光线暗的时候则通过声光感应或者雷达感应到人（感应距离为1～5米可调）自动亮灯，如果一直感应到人的活动，灯不会灭，人静止不动，或者人离开后，灯延长30s左右的时间（时间可调）自动灭。该小夜灯采用FDM型3D打印技术打印灯箱体，和传统的灯箱相比，它在结构设计上不受复杂程度的限制，发挥创意可以实现任意复杂结构的制作，设计制作周期短，效率高，成本低。另外采用半透明的PLA材料的绿色环保的亚克力彩色板作为灯盖，12V的LED灯带作为光源，更增强了小夜灯的柔亮效果，电源部分采用宽电压恒流稳压电源设计，防雷，防电压波动，安全可靠，大大降低了成本，提高了使用效率。该小夜灯可用于客厅、厕所、地下车库或厨房、衣柜、橱柜等光线不足的地方，无需布线和开关元件，有了它，随到随亮，随走随灭，绿色环保，生活轻松简单。

1 利用三维建模、分层切割、3D打印技术打印灯箱

3D打印机是快速成型设备的一个分支，它通过对电脑中三维软件的识别，进行三角网格格式（STL）的转换，再结合切层软件确定摆放位置，支撑结构生成分层挤出路径，然后从下到上一层层构建实体模型。利用3D打印技术最突出的优点是，它无需在工厂进行机械加工也不需要任何模具，仅仅通过桌面上的打印机就可以把计算机图形数据中生成任何形状的零件打印出来，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。该设计的灯箱体采用喷头直径为1.75mm的FDM型3D打印机制作，其工艺参数有：层厚0.2mm、填充密度10%、打印速度25mm/s、打印温度215℃、热床温度60℃、打印时间为7～8小时。灯箱的箱体是以常用的手机为原型进行创意设计的，加上支架可以方便放在房间里的任何位置，也可以粘贴到墙壁上，随拿随放，不受限制。图1为小夜灯灯箱三维设计，图2为小夜灯支架的三维设计。

2 采用绿色环保的亚克力彩色板制作灯罩

采用绿色环保的亚克力板作为小夜灯的灯罩。亚克力板的特性有：透明度极高，透光率达92%以上，所需的灯光强度较小，节省电能；具有良好的表面硬度与光泽，加工可塑性大，可制成各种所需要的形状与a品；亚克力板材的种类繁多色彩艳丽、亮度高；绝缘性能优良，适合各种电器设备；可回收率高，易清洁，绿色环保。传统亚克力板的切割工艺是手工划线―锯切―磨削―胶水粘结。此类制作工艺费时费力，切割的亚克力侧边质量很难保证统一，且制作过程有噪声、锯屑、强酸性气体挥发，容易造成环境污染。本设计制作采用计算机绘图―激光切割加工―粘结。计算机绘图具有智能化、个性化、数字化特征，激光切割加工效率高，切割边质量具有较好的统一性与平整性。

3 电路设计

方案一：采用声光硬件模块化设计电路。声―光模块化硬件系统，它只要充电电池有电，有5m的声源，LED灯就可以发光，延时30s断电，节约能源。在声源范围内，持续有声音则持续照明。声-光硬件部分通过采用模块化设计，使硬件系统更加可靠稳定，同时有利于以后的维修和完善。通过声音传感模块和光敏传感模块从外界环境获取相关数据，通过电压比较器LM393来调整传感器的灵敏度，并且通过STC15F104E处理芯片来捕捉LM393芯片输出端电平实现智能声光控制，提高电路板的稳定性，同时减小电路板的体积。为了进一步提高电路板的可靠性和增强电路板的驱动能力，通过采用PC817光耦来隔离驱动芯片IRF5303与处理器的连接。而本设计的输入电压是12V，电流1mA，输出电压为5V，电流0.3mA。通过多次的试验测试，声-光电路板可以检测到5m内的声音，不受物品阻挡而影响，驱动能力电压可达100V，电流可达14A。采用12V的LED灯条作为光源，3颗18 650锂电池组成12V电池组，总容量达2 200mAh。根据公式：放电时间=电池标称容量X效率÷LED的电流2 600mAh x0.8÷1mA=2 080h，2080h÷24=87天，基本几个月不用充电。图4为DIY创意节能小夜灯声控电路主控与驱动电路。

方案二：用微波雷达控制。微波雷达智能控制采用多普勒效应的微波雷达，超高灵敏度，4～7米内感受到使用者相位移动，就会被触发，不受声音等其他干扰影响，扩展了工作环境，加装光敏电阻作为光感感应。微波雷达-光硬件部分采用模块化设计，用12V锂电池作为电源，微波雷达作为感应装置来识别人体，相比声控等抗干扰性低的感应装置，可防止太阳光的红外线干扰，加装光敏电阻作为感应，避免在白天光线充足的情况下被触费电量。微波雷达控制开关部分使用XYC-WB3-12高频微波感应模块，可在4～7米半径内感应到人则触发，微波感应开关是利用多普勒效应原理设计的移动物体探测器。它以非接触方式探测物体的位置是否发生移动，继而产生相应的开关操作。与红外、声控等产品相比，具有抗射频干扰能力强、不受温度、湿度、光线、气流、尘埃、烟雾等影响，可以安装在一定厚度的塑料、玻璃、木制等非金属的外壳里面，而对其探测功能技术没有影响，能够非常方便的应用设备控制、环境辅助光源控制、地下停车场、通道照明等各种干扰源多的领域。XYC-WB3-12高频微波感应模块额定输入电压为12V～35V，输出电压基本等于输入电压。本灯具功耗0.012W，内置12V、2200mAh锂电池，续航时间超长，大大增加其可移动性，不座所束缚；亮度大，可照亮5m×5m的空间；加有光敏电阻，根据外界的光线强度，控制模块的输出状态，达到节能效果，做到最大限度的节能

环保。

4 结论

该小夜灯解决了上楼总要按开关，上卫生间总忘关灯，半夜起床到处抹黑，开车回车库来回找开关，布线麻烦，到处安装开关的问题。绿色环保节能方便的小夜灯为日常生活提供了便捷，很有推广价值。

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作者简介：张军，广东省华立技师学院。