自发电无线鼠标的设计方案及工作原理

余子倩，李 洋，王 莹，张 亮

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

随着我国科技进步，信息化的重要性日渐显著，直接带动电脑等电子产品成为日常生活中不可或缺的一部分，鼠标作为重要的命令发射工具也备受关注。

虽然无线鼠标的出现解决了鼠标工作时空间上的局限性，但市面上出售的无线鼠标多由干电池提供电能支持其工作。干电池属于化学电源中的原电池，是一种一次性电池，存储能源有限。频繁地更换干电池不利于当今快速便捷的生活节奏，这不仅增加无线鼠标使用成本，给使用者日常工作、学习带来不便，更造成了严重的资源浪费。废弃的电池中含有大量的铅、汞等重金属等有害物质，如果回收处理不当，极易造成环境二次污染，不利于社会可持续发展。

该项目从社会可持续发展、节约能源、保护环境的角度出发，采用压电陶瓷等新型材料，通过无线鼠标内置重力感应小球运动撞击按压压电陶瓷产生电能，并通过升压稳压电路产生平稳电流，存储在锂电池中支持鼠标工作。锂电池可以反复使用，有效缓解因大量使用干电池造成能源消耗过度及大量废弃干电池造成环境二次污染的问题，实现社会可持续发展。

1 设计方案

该项目本着实现社会可持续发展、节约能源以及保护环境的原则，在充分了解市面现有无线鼠标[1-2]工作原理、各部件连接方式以及外形构造的基础上进行改进，采用压电陶瓷、硅胶等新型材料进行设计。

在原始无线鼠标底部及两侧安装3个串联的压电陶瓷，并放置重力小球。当无线鼠标静止时，通过重力小球自身重量对鼠标底部压电陶瓷施加压力产生电能；当无线鼠标运动时，除小球自重对底部压电陶瓷施加压力产生电能外，通过无线鼠标运动撞击鼠标两侧压电陶瓷产生电能，模拟无线鼠标[3]闲置及使用者在使用的过程中无线鼠标的发电情况。增添使用者在日常学习、工作中的办公乐趣，缓解枯燥的工作压力。由于日常使用中不能保证产生的电能均衡稳定，因此，该项目采用ME2100A50/C50升压稳压芯片电路，对产生的电能进行调节，输出平稳的充电电流和充电电压。

为了保证使用者持续使用，该项目采用TP4056锂电池冲电芯片电路将升压稳压后的电能存储在锂电池中。为直观地反映锂电池内电联存储情况，该项目采用简易的锂电池电量显示器，令使用者在使用过程中，能够直观地知晓电量信息。自发电无线鼠标研究方案设计框架如图1所示。同时，为避免因重力小球撞击导致无线鼠标碎裂等问题，该项目采用硅胶等极具柔韧性、不易变形的新型材料延长无线鼠标使用寿命。从而达到节约能源、缓解环境污染压力，为实现社会可持续发展做出贡献。

图1 自发电无线鼠标研究方案设计框架

2 设计原理

在充分了解市面上现有无线鼠标[4]工作原理、各部件连接方式以及外形构造的基础上对电源供能部分进行改进。采用重力小球撞击压电陶瓷的方式产生电能，通过升压稳压电路调节输出稳定电流和电压，并将其存储在锂电池中代替原有干电池提供电能支持无线鼠标工作。

2.1 发电装置设计

压电陶瓷[5-6]是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性。

在原始无线鼠标底部及两侧安装3个串联的压电陶瓷，并放置重力小球，模拟无线鼠标闲置及使用者在使用的过程中无线鼠标的发电情况。当无线鼠标静止时，通过重力小球自身重量对鼠标底部压电陶瓷施加压力产生电能，如图2所示；当无线鼠标运动时，除小球自重对底部压电陶瓷施加压力产生电能外，通过无线鼠标运动撞击鼠标两侧压电陶瓷产生电能，如图3所示。

图2 无线鼠标静止时压电陶瓷受力情况

图3 无线鼠标运动时压电陶瓷受力情况

2.2 升压稳压电路设计

由于按压压电陶瓷产生的电流较小且不稳定，不能直接利用，因此该项目采用升压稳压电路[7-8]进行整流，现采用ME2100系列中的ME2100A50/C50升压稳压芯片实现，如图4所示，参数见表1。ME2100系列 DC/DC芯片是采用CMOS工艺制造的低静态电流的PFM开关型DC/DC升压转换器。

图4 ME2100A50/C50升压稳压电路

表1 ME2100A50/C50升压稳压电路相关参数

测试条件：VIN=Vout*0.6，VSS=0V，IOUT=10mA，Topt=25℃。有特殊说明除外。

2.3 锂电池充电电路设计

目前，能源和环境问题逐渐提上日程，锂电池由于能量密度高、长循环寿命等优势备受关注。通过TP4056芯片[9-10](如图5所示)为锂电池充电。TP4056是一款完整的单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压现行充电器。由于带有较少的外部元件数目使得TP4056成为便携式应用的理想选择。TP4056充电电压固定于4.2 V。当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值1/10时，TP4056将自动终止充电循环。

图5 锂电池充电电路原理

2.4 锂电池电量显示电路设计

为直观地反映锂电池内电量存储情况，该项目采用简易的锂电池电量显示器，如图6所示，令使用者在使用过程中，能够直观的知晓电量信息。

锂电池充电完成后的端电压约为4.2 V，经VD1、VD2 和VD3 分压后逐点送入两只三极管V1和V2。由于分压值不相同，两只LED 的驱动电压也不同，随着电源电压的降低而降低。

当电源电压为4.2 V 时，两只LED 均发光，指示电量充足。当电源电压降至3.6 V 时，VD5 因达不到8 V 压降而缓缓熄灭，指示电量变弱。当电源电压再降至3.1 V 时，VD4 也会逐渐熄灭，指示电量已经耗尽，需要及时充电了。该设计电路耗电较低，因VD4 完全熄灭需要很长的时间，无需担心损坏锂电池。

图6 简易锂电池电量显示器

2.5 外观材料

自发电无线鼠标材料的选择能够在一定程度上增加其使用寿命，为避免因重力小球撞击导致无线鼠标碎裂等问题，该项目采用硅胶等极具柔韧性、不易变形的新型材料。硅胶材料化学性能稳定、使用寿命长，绿色环保不产生有毒有害物质，外表光滑手感柔软，具有很高的电阻率，能够在很宽的温度及频率内保持稳定的阻值，硅胶材料价格便宜、品种多样，可根据使用者要求调配不同颜色，达到美化外观的作用，增添办公学习乐趣。

3 结束语

随着现今社会快速发展，人民生活质量要求不断提高，环境污染问题及产品便捷高效成为热议的焦点。遵循降低能源过度消耗、保护环境、满足产品便捷高效的要求以及实现社会可持续发展的原则，采用重力小球撞击压电陶瓷的方式发电，经升压稳压存储后代替干电池支持无线鼠标工作。缓解

原始无线鼠标大量使用干电池造成能源消耗过度的问题和大量废弃干电池造成环境二次污染，有利于实现社会可持续发展。

在电子信息日益发展的时代，鼠标作为主要的重要的命令发出工具，在人们日常工作学习之中起着至关重要的作用，无线鼠标自发电将是未来鼠标发展的重要趋势。该项目通过理论阐释结合实验模拟实现鼠标自发电的功能，但就发电效率还存在一定弊端，建议后续研究可针对无线鼠标自发电效率深入展开。

【参 考 文 献】

[1]王兆安.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]李先允.电力电子技术[M].北京：中国电力出版社，2006.

[3]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，1980.

[4]彭明虎，李美霞，黄胜敏，等.无线自供电鼠标设计与实现[J].科技视界，2013(31)：38-38.

[5]雷淑梅，匡同春，白晓军，等.压电陶瓷材料的研究现状与发展趋势[J].佛山陶瓷，2005，15(3)：36-39.

[6]魏双会，褚金奎.压电陶瓷发电特性及其应用研究[D].辽宁：大连理工大学，2007.

[7]孙宏宇，李 萍.节能无线鼠标的设计方案研究[J].绿色科技，2012(3)：292-295.

[8]徐国栋，邓月光，刘 静.人工驱动的超级电容充电型LED家用照明系统[J].2009，20(4)：43-47.

[9]张洪斌，曾乐才，廖文俊，等.锂电池产业概况及其在储能中的应用[J].装备机械，2012(1)：38-44.

[10]刘晓宇，周 锋，蔡友刚.锂电池充电器芯片的设计与研究[D].上海：复旦大学，2012.