自發(fā)電無線鼠標的設(shè)計方案及工作原理

余子倩，李 洋，王 瑩，張 亮

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

隨著我國科技進步，信息化的重要性日漸顯著，直接帶動電腦等電子產(chǎn)品成為日常生活中不可或缺的一部分，鼠標作為重要的命令發(fā)射工具也備受關(guān)注。

雖然無線鼠標的出現(xiàn)解決了鼠標工作時空間上的局限性，但市面上出售的無線鼠標多由干電池提供電能支持其工作。干電池屬于化學(xué)電源中的原電池，是一種一次性電池，存儲能源有限。頻繁地更換干電池不利于當今快速便捷的生活節(jié)奏，這不僅增加無線鼠標使用成本，給使用者日常工作、學(xué)習(xí)帶來不便，更造成了嚴重的資源浪費。廢棄的電池中含有大量的鉛、汞等重金屬等有害物質(zhì)，如果回收處理不當，極易造成環(huán)境二次污染，不利于社會可持續(xù)發(fā)展。

該項目從社會可持續(xù)發(fā)展、節(jié)約能源、保護環(huán)境的角度出發(fā)，采用壓電陶瓷等新型材料，通過無線鼠標內(nèi)置重力感應(yīng)小球運動撞擊按壓壓電陶瓷產(chǎn)生電能，并通過升壓穩(wěn)壓電路產(chǎn)生平穩(wěn)電流，存儲在鋰電池中支持鼠標工作。鋰電池可以反復(fù)使用，有效緩解因大量使用干電池造成能源消耗過度及大量廢棄干電池造成環(huán)境二次污染的問題，實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展。

1 設(shè)計方案

該項目本著實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展、節(jié)約能源以及保護環(huán)境的原則，在充分了解市面現(xiàn)有無線鼠標[1-2]工作原理、各部件連接方式以及外形構(gòu)造的基礎(chǔ)上進行改進，采用壓電陶瓷、硅膠等新型材料進行設(shè)計。

在原始無線鼠標底部及兩側(cè)安裝3個串聯(lián)的壓電陶瓷，并放置重力小球。當無線鼠標靜止時，通過重力小球自身重量對鼠標底部壓電陶瓷施加壓力產(chǎn)生電能；當無線鼠標運動時，除小球自重對底部壓電陶瓷施加壓力產(chǎn)生電能外，通過無線鼠標運動撞擊鼠標兩側(cè)壓電陶瓷產(chǎn)生電能，模擬無線鼠標[3]閑置及使用者在使用的過程中無線鼠標的發(fā)電情況。增添使用者在日常學(xué)習(xí)、工作中的辦公樂趣，緩解枯燥的工作壓力。由于日常使用中不能保證產(chǎn)生的電能均衡穩(wěn)定，因此，該項目采用ME2100A50/C50升壓穩(wěn)壓芯片電路，對產(chǎn)生的電能進行調(diào)節(jié)，輸出平穩(wěn)的充電電流和充電電壓。

為了保證使用者持續(xù)使用，該項目采用TP4056鋰電池沖電芯片電路將升壓穩(wěn)壓后的電能存儲在鋰電池中。為直觀地反映鋰電池內(nèi)電聯(lián)存儲情況，該項目采用簡易的鋰電池電量顯示器，令使用者在使用過程中，能夠直觀地知曉電量信息。自發(fā)電無線鼠標研究方案設(shè)計框架如圖1所示。同時，為避免因重力小球撞擊導(dǎo)致無線鼠標碎裂等問題，該項目采用硅膠等極具柔韌性、不易變形的新型材料延長無線鼠標使用壽命。從而達到節(jié)約能源、緩解環(huán)境污染壓力，為實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

圖1 自發(fā)電無線鼠標研究方案設(shè)計框架

2 設(shè)計原理

在充分了解市面上現(xiàn)有無線鼠標[4]工作原理、各部件連接方式以及外形構(gòu)造的基礎(chǔ)上對電源供能部分進行改進。采用重力小球撞擊壓電陶瓷的方式產(chǎn)生電能，通過升壓穩(wěn)壓電路調(diào)節(jié)輸出穩(wěn)定電流和電壓，并將其存儲在鋰電池中代替原有干電池提供電能支持無線鼠標工作。

2.1 發(fā)電裝置設(shè)計

壓電陶瓷[5-6]是一種能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，屬于無機非金屬材料。壓電陶瓷利用其材料在機械應(yīng)力作用下，引起內(nèi)部正負電荷中心相對位移而發(fā)生極化，導(dǎo)致材料兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷即壓電效應(yīng)而制作，具有敏感的特性。

在原始無線鼠標底部及兩側(cè)安裝3個串聯(lián)的壓電陶瓷，并放置重力小球，模擬無線鼠標閑置及使用者在使用的過程中無線鼠標的發(fā)電情況。當無線鼠標靜止時，通過重力小球自身重量對鼠標底部壓電陶瓷施加壓力產(chǎn)生電能，如圖2所示；當無線鼠標運動時，除小球自重對底部壓電陶瓷施加壓力產(chǎn)生電能外，通過無線鼠標運動撞擊鼠標兩側(cè)壓電陶瓷產(chǎn)生電能，如圖3所示。

圖2 無線鼠標靜止時壓電陶瓷受力情況

圖3 無線鼠標運動時壓電陶瓷受力情況

2.2 升壓穩(wěn)壓電路設(shè)計

由于按壓壓電陶瓷產(chǎn)生的電流較小且不穩(wěn)定，不能直接利用，因此該項目采用升壓穩(wěn)壓電路[7-8]進行整流，現(xiàn)采用ME2100系列中的ME2100A50/C50升壓穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)，如圖4所示，參數(shù)見表1。ME2100系列 DC/DC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。

圖4 ME2100A50/C50升壓穩(wěn)壓電路

表1 ME2100A50/C50升壓穩(wěn)壓電路相關(guān)參數(shù)

測試條件：VIN=Vout*0.6，VSS=0V，IOUT=10mA，Topt=25℃。有特殊說明除外。

2.3 鋰電池充電電路設(shè)計

目前，能源和環(huán)境問題逐漸提上日程，鋰電池由于能量密度高、長循環(huán)壽命等優(yōu)勢備受關(guān)注。通過TP4056芯片[9-10](如圖5所示)為鋰電池充電。TP4056是一款完整的單節(jié)鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓現(xiàn)行充電器。由于帶有較少的外部元件數(shù)目使得TP4056成為便攜式應(yīng)用的理想選擇。TP4056充電電壓固定于4.2 V。當充電電流在達到最終浮充電壓之后降至設(shè)定值1/10時，TP4056將自動終止充電循環(huán)。

圖5 鋰電池充電電路原理

2.4 鋰電池電量顯示電路設(shè)計

為直觀地反映鋰電池內(nèi)電量存儲情況，該項目采用簡易的鋰電池電量顯示器，如圖6所示，令使用者在使用過程中，能夠直觀的知曉電量信息。

鋰電池充電完成后的端電壓約為4.2 V，經(jīng)VD1、VD2 和VD3 分壓后逐點送入兩只三極管V1和V2。由于分壓值不相同，兩只LED 的驅(qū)動電壓也不同，隨著電源電壓的降低而降低。

當電源電壓為4.2 V 時，兩只LED 均發(fā)光，指示電量充足。當電源電壓降至3.6 V 時，VD5 因達不到8 V 壓降而緩緩熄滅，指示電量變?nèi)?。當電源電壓再降?.1 V 時，VD4 也會逐漸熄滅，指示電量已經(jīng)耗盡，需要及時充電了。該設(shè)計電路耗電較低，因VD4 完全熄滅需要很長的時間，無需擔心損壞鋰電池。

圖6 簡易鋰電池電量顯示器

2.5 外觀材料

自發(fā)電無線鼠標材料的選擇能夠在一定程度上增加其使用壽命，為避免因重力小球撞擊導(dǎo)致無線鼠標碎裂等問題，該項目采用硅膠等極具柔韌性、不易變形的新型材料。硅膠材料化學(xué)性能穩(wěn)定、使用壽命長，綠色環(huán)保不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，外表光滑手感柔軟，具有很高的電阻率，能夠在很寬的溫度及頻率內(nèi)保持穩(wěn)定的阻值，硅膠材料價格便宜、品種多樣，可根據(jù)使用者要求調(diào)配不同顏色，達到美化外觀的作用，增添辦公學(xué)習(xí)樂趣。

3 結(jié)束語

隨著現(xiàn)今社會快速發(fā)展，人民生活質(zhì)量要求不斷提高，環(huán)境污染問題及產(chǎn)品便捷高效成為熱議的焦點。遵循降低能源過度消耗、保護環(huán)境、滿足產(chǎn)品便捷高效的要求以及實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展的原則，采用重力小球撞擊壓電陶瓷的方式發(fā)電，經(jīng)升壓穩(wěn)壓存儲后代替干電池支持無線鼠標工作。緩解

原始無線鼠標大量使用干電池造成能源消耗過度的問題和大量廢棄干電池造成環(huán)境二次污染，有利于實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展。

在電子信息日益發(fā)展的時代，鼠標作為主要的重要的命令發(fā)出工具，在人們?nèi)粘９ぷ鲗W(xué)習(xí)之中起著至關(guān)重要的作用，無線鼠標自發(fā)電將是未來鼠標發(fā)展的重要趨勢。該項目通過理論闡釋結(jié)合實驗?zāi)M實現(xiàn)鼠標自發(fā)電的功能，但就發(fā)電效率還存在一定弊端，建議后續(xù)研究可針對無線鼠標自發(fā)電效率深入展開。

【參 考 文 獻】

[1]王兆安.電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(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.

[4]彭明虎，李美霞，黃勝敏，等.無線自供電鼠標設(shè)計與實現(xiàn)[J].科技視界，2013(31)：38-38.

[5]雷淑梅，匡同春，白曉軍，等.壓電陶瓷材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].佛山陶瓷，2005，15(3)：36-39.

[6]魏雙會，褚金奎.壓電陶瓷發(fā)電特性及其應(yīng)用研究[D].遼寧：大連理工大學(xué)，2007.

[7]孫宏宇，李 萍.節(jié)能無線鼠標的設(shè)計方案研究[J].綠色科技，2012(3)：292-295.

[8]徐國棟，鄧月光，劉 靜.人工驅(qū)動的超級電容充電型LED家用照明系統(tǒng)[J].2009，20(4)：43-47.

[9]張洪斌，曾樂才，廖文俊，等.鋰電池產(chǎn)業(yè)概況及其在儲能中的應(yīng)用[J].裝備機械，2012(1)：38-44.

[10]劉曉宇，周 鋒，蔡友剛.鋰電池充電器芯片的設(shè)計與研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2012.