節(jié)能無線鼠標(biāo)的設(shè)計方案研究

孫宏宇，李 萍

（北京信息科技大學(xué)，北京100192）

1 引言

目前，無線鼠標(biāo)已成為很多筆記本電腦和臺式電腦用戶的選擇，同時有很多公司正在生產(chǎn)和銷售各自的無線鼠標(biāo)，說明無線鼠標(biāo)在將來有著廣闊的發(fā)展前景。但目前市面上的大部分鼠標(biāo)仍在使用干電池提供電能。

廢舊電池的處理不當(dāng)會造成很大的危害性，而現(xiàn)有無線鼠標(biāo)大部分仍然在使用干電池作為內(nèi)部能源，這是一種潛在的危險，電池處理不當(dāng)會造成污染。日常所用的普通干電池，主要有酸性鋅錳電池和堿性鋅錳電池兩類，它們都含有汞、錳、鎘、鉛、鋅等各種金屬物質(zhì)，廢舊電池被遺棄后，電池的外殼會慢慢腐蝕，其中的重金屬物質(zhì)會逐漸滲入水體和土壤，造成污染。重金屬污染的最大特點(diǎn)是它在自然界是不能降解的，只能通過凈化作用，將污染消除。

本設(shè)計使用了太陽能電池板為內(nèi)部供能，將鋰電池作為內(nèi)部儲能器件，而鋰電池可以反復(fù)使用，減少了電池材料的浪費(fèi)。同時還設(shè)計了一種電容式非接觸人體感應(yīng)電路，可以感應(yīng)人體來控制鼠標(biāo)的工作狀態(tài)。不但能夠減少干電池的使用，還能使鼠標(biāo)在使用過程實(shí)現(xiàn)實(shí)時省電，隨時使用，更加方便，具有一定的社會價值和經(jīng)濟(jì)價值。本設(shè)計體現(xiàn)出來的節(jié)能能源、愛護(hù)壞境的生活理念將是未來社會發(fā)展的方向。

2 基本內(nèi)容

采用鋰電池供能使無線鼠標(biāo)正常工作。太陽能電池板產(chǎn)生電能經(jīng)整流穩(wěn)壓電路進(jìn)入充電電路給鋰電池充電。電容式非接觸人體感應(yīng)電路，包括一個感應(yīng)焊盤和感應(yīng)電路，設(shè)計以使得在手不操作鼠標(biāo)時（即手離開鼠標(biāo)時），鼠標(biāo)進(jìn)入一種待機(jī)狀態(tài)。

3 節(jié)能無線鼠標(biāo)設(shè)計

3.1 無線收發(fā)部分及光電鼠標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

鑒于現(xiàn)有無線鼠標(biāo)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，無線收發(fā)部分將直接采用當(dāng)前的無線鼠標(biāo)技術(shù)，并對其電源功能部分加以改進(jìn)。圖1、圖2為安華高科技有限公司的ADNS～7050芯片應(yīng)用的無線鼠標(biāo)電路原理圖。

圖1 無線鼠標(biāo)電路原理

圖2 安華高科無線鼠標(biāo)電路原理

3.2 太陽能充電電路設(shè)計

3.2.1 太陽能電池板供能電路設(shè)計

本設(shè)計的初衷主要是體現(xiàn)一種節(jié)能減排的生活理念，而太陽能是新能源發(fā)展的方向。所以設(shè)計引入太陽能電池板為鼠標(biāo)供能方式之一，在鼠標(biāo)不被使用的時候也可以通過太陽能為其充電。太陽能電池板及升壓電路[1]的參數(shù)見圖3、圖4、圖5。

圖3 太陽能電池板

圖4 太陽能電池板及升壓電路

圖5 太陽能電池板參數(shù)

3.2.2 升壓穩(wěn)壓電路設(shè)計

太陽能電池板產(chǎn)生的電能不能直接利用，所以必須經(jīng)過整流電路后，進(jìn)入升壓穩(wěn)壓到5V才能供給鋰電池充電芯片使用。現(xiàn)采用ME2100A50升壓穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)。

ME2100A50芯片是采用CMOS工藝制造的低靜態(tài)電流的PFM 開關(guān)型DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器[2]。該系列芯片采用先進(jìn)的電路設(shè)計和制造工藝，極大地改善了開關(guān)電路固有的噪聲問題，減小對周圍電路的干擾。輸出電壓為2.0～7.0V（按0.1V 的級差），振蕩頻率為100kHz（典型值）。對內(nèi)置開關(guān)晶體管的ME2100X50，組成DC/DC升壓電路只需接3個外圍元件，一只肖特基二極管、一只電感和一只電容。帶CE端的 ME2100C50，具有關(guān)斷功能，可使芯片功耗達(dá)到最小，圖6為升壓穩(wěn)壓電路原理圖[2]。

圖6 升壓穩(wěn)壓電路原理

3.2.3 鋰電池充電電路設(shè)計

鋰電池充電電路設(shè)計采用TP4056鋰電池充電芯片作為控制充電的核心控制器。TP4056是一款完整的單節(jié)鋰電池離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器。其底部帶有散熱片的SOP8封裝與較少的外部元件數(shù)目使得TP4056成為便攜式應(yīng)用的理想選擇。TP4056可以適合USB電源和適配器電源工作。由于采用了內(nèi)部PMOSFET架構(gòu)，加上反倒充電路，所以不需要外部隔離二極管。熱反饋可對充電電流進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，以便在大功率操作或高環(huán)境溫度條件下對芯片溫度加以限制。充電電壓固定于4.2V，而充電電流可通過一個電阻進(jìn)行外部設(shè)置。當(dāng)充電電流在達(dá)到最終浮充電壓后降至設(shè)定值的1/10時，TP4056將自動終止充電循環(huán)[6]。

鋰電池選用3.7V300mA·h的聚合物鋰電池（Lithium ion polymer），采用導(dǎo)電聚合物作為正極材料，其比容量相對增加。由于用固體電解質(zhì)代替了液體電解質(zhì)，與液態(tài)鋰離子電池相比，聚合物鋰離子電池具有可薄形化、任意面積化與任意形狀化等優(yōu)點(diǎn)。因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼，從而可以改善整個電池的比容量；聚合物鋰離子電池還可以采用高分子作正極材料，其質(zhì)量比能量將會比目前的液態(tài)鋰離子電池提高20%以上。聚合物鋰離子電池，具有小型化、薄型化、輕量化的特點(diǎn)[6]。圖7為鋰電池充電電路原理圖。

圖7 鋰電池充電電路原理

3.3 電容式人體感應(yīng)電路設(shè)計

由于鼠標(biāo)是由手來控制的，而手不與鼠標(biāo)接觸的時候，鼠標(biāo)是沒有必要工作的。利用這一工作特點(diǎn)，采用新型電容式觸摸傳感器技術(shù)[4]，即電容式觸摸按鍵芯片來實(shí)現(xiàn)節(jié)能模式。

電容式觸摸按鍵主要是為了克服電阻屏的耐用性所提出的，電容式觸摸按鍵的結(jié)構(gòu)與電阻式的相似，但是其采用電容量為判斷標(biāo)準(zhǔn)。簡單來說，就是一個IC控制的電路，該電路包括一個能放置在任何介質(zhì)面板后的簡單阻性環(huán)形電極組件，因此，按鍵的操作界面可以是一整塊普通絕緣體（如有機(jī)玻璃一類材料都可），不需要在界面上挖孔，按鍵在介質(zhì)下面，人手接近界面和下面的電極片形成電容，靠偵測電容量的變化來感應(yīng)[4]（圖8）。溫度、靜電、水、灰塵等外界因素一般不會影響，界面沒有太多要求，可以加上背光，音效等，靠人手感應(yīng)，整個界面沒有按鍵，使用長久，便于清潔，讓產(chǎn)品在外觀上更顯高檔美觀[5]。

圖8 原理示意

控制器采用TS～01，TS～01是一顆低成本高可靠度的電容式觸摸感應(yīng)IC，提供1個觸摸感應(yīng)通道；外圍元件少，設(shè)計簡單，只需極少的元件即可完成硬件設(shè)計。提供2種輸出模式，輸出高/低電平可選。觸摸感應(yīng)按鍵的靈敏度，可根據(jù)需要通過調(diào)節(jié)外部電容（CS）的容值進(jìn)行調(diào)整，增加了產(chǎn)品的可操作性，使設(shè)計更加靈活多變[3，7]（圖9）。TS～01具備環(huán)境溫度及濕度的自動適應(yīng)能力，不會受天氣變化影響其靈敏度及工作穩(wěn)定性。超低的工作電流使產(chǎn)品更加省電，特別適合于要求省電的產(chǎn)品。涵蓋了低EMI/EMC及高抗噪聲電路設(shè)計，可防止來自外界的無線電、磁場、高壓等干擾源，增強(qiáng)抗干擾能力[4]。

圖9 電容式人體感應(yīng)電路示意圖及電路原理

另外，在鼠標(biāo)的背面，手與鼠標(biāo)接觸的地方設(shè)置一個電容式觸摸按鍵，用它來控制鼠標(biāo)的工作。當(dāng)手與按鍵接觸，鼠標(biāo)正常工作，當(dāng)手不與鼠標(biāo)接觸，鼠標(biāo)處于待機(jī)裝態(tài)，直到手接觸按鍵，鼠標(biāo)繼續(xù)正常工作。

4 結(jié)語

經(jīng)過多次的調(diào)試和改良設(shè)計，節(jié)能無線鼠標(biāo)的初步樣品已經(jīng)完成（圖10），雖然結(jié)構(gòu)上有些粗糙，還需進(jìn)一步優(yōu)化，但所設(shè)計的各項(xiàng)功能都能實(shí)現(xiàn)。經(jīng)測試在不充電的條件下可以正常使用250h左右，太陽強(qiáng)度正常情況下20h可以充滿電。節(jié)能無線鼠標(biāo)的設(shè)計體現(xiàn)了節(jié)約能源、愛護(hù)壞境的生活理念。這一富有創(chuàng)意產(chǎn)品的推廣，將會給社會高效發(fā)展注入不可缺少的動力，為中國的節(jié)能減排事業(yè)貢獻(xiàn)一份力量。

圖10 實(shí)物

[1]王兆安.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]李先允.電力電子技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2006.

[3]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1980.

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[5]高 峰.電容傳感器在使用中存在的幾個問題及處理方法[J].商丘師范學(xué)院學(xué)報，2009，25（9）：79～80.

[6]白永志，曹龍漢，李建勇.鋰離子電池充電方法研究[J].重慶通信學(xué)院學(xué)報，2003，22（4）：76～80.

[7]張占松.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.