一种自供电无线鼠标的设计

温州大学机电工程学院 黄 晶 申允德 成泰洪 郑良骏 周苏洁

一种自供电无线鼠标的设计

温州大学机电工程学院 黄 晶 申允德 成泰洪 郑良骏 周苏洁

设计了一种基于的自供电无线鼠标，给出了具体的无线鼠标的技术设计方案.采用了压电陶瓷发电原理，利用鼠标滚珠滚动通过齿轮增速带动花轮转动敲击压电陶瓷片振动发电，并通过升压稳压电路产生平稳电流，充入锂电池中代替干电池供鼠标使用。利用模态分析设计了具有压电发电装置的悬臂梁，并通过实验分析验证了其方案的可行性。该方案可以实现能量再利用，降低干电池的使用以及对环境产生的污染。

压电陶瓷；无线鼠标；自供电；锂电池；悬臂梁

现在广泛使用的无线鼠标都需要外置供电电源，大多以干电池提供电量，因此需要频繁地更换电池，不符合当今快速便捷的生活节奏，不仅给使用者日常工作、学习带来不便，还增加了成本，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。

论文从社会可持续发展、节能环保的角度出发，提供一种无需外置电源、节能环保的基于压电陶瓷复合式能量收集技术的无线鼠标， 将人们使用鼠标滚珠时的机械能重新加以利用，省去了以往使用的干电池，具有一定的经济效益，减少了环境的污染，节能环保。

1.设计方案

在充分了解无线鼠标工作原理、各部件连接方式以及外形构造的基础上[1]进行相应的改进，增加压电陶瓷发电单元，合理地设计空间分配，使自供电无线鼠标的外形尺寸不至于过大，更加方便使用者使用。

在原有的无线鼠标的滚珠轴伸出端加上一对带轮，再增加一二级齿轮增速器，通过鼠标滚轮的转动，经过二级增速箱增速带动花轮敲击悬臂梁式双晶压电发电片，使其产生电能。由于日常使用鼠标滚珠的滚速不是恒定的，因此，采用CE8301A50升压稳压芯片电路，输出稳定的充电电流和充电电压，为了更合理地给锂电池充电，采用TP4056锂电池充电管理芯片将升压后的电能储存到锂电池当中。设计方案框图如图1-1所示。

图1-1 基于压电能量收集技术的自供电无线鼠标设计框图

2.设计原理

首先必须充分了解无线鼠标的工作原理以及内部外形结构构造，在原有的无线鼠标的基础上进行改造[2]。利用鼠标滚珠滚动通过齿轮增速带动花轮转动敲击压电陶瓷片振动发电，并通过升压稳压电路产生平稳电流，充入锂电池中代替干电池供鼠标使用。

2.1 压电陶瓷发电装置设计

压电陶瓷作为具有压电效应的一种压电材料，压电效应是指其可以将应力和电场互相转换[3]。

主要基于悬臂梁式双晶压电陶瓷片振动发电，如图2-1所示：其中1、4为支架；2为鼠标滚珠轴；3为鼠标滚珠；5为皮带；6、7为带轮；8为二级齿轮增速箱；7为固定垫块；8为螺钉；9为双晶压电陶瓷发电片；10为花轮。

压电发电单元进一步包括与齿轮增速箱输出轴相连的花轮和经螺钉与固定块固定的长方形压电发电片。其中，花轮位于压电片上方，固定块安置于鼠标底板。当鼠标滚珠转动时带动花轮敲击位于下方的悬臂梁压电陶瓷片使之振动产生形变进而发电。

图2-1 自供电无线鼠标内部装置图

2.2 压电总电路设计

压电陶瓷片由于产生的是交流电，需要整流使之转换为直流电。在压电模块连接一整流后并联一超级电容C，再与DC-DC升压稳压电路和锂电池充电管理芯片连接，具体电路如图2-2所示。当鼠标滚珠转动时，压电陶瓷片振动产生电压导通整流桥中的二极管，将电量贮存在超级电容C中，电容放电通过后续电路给锂电池充电。

图2-2 总电路原理图

3.理论计算

当使用者在使用自供电无线鼠标时，通过滚动鼠标滚珠带动花轮击打悬臂梁压电片从而使之产生电能发电，花轮击打悬臂梁压电片的频率可由小型发电机的转速确定。

初步设计的花轮上一周上共有四个击打点，最终使得击打频率为：

当击打频率与悬臂梁压电片的固有频率相接近时，系统产生共振，得到更大的振幅，有利于悬臂梁压电模型产生更大的电量，进而为设计或优化鼠标结构提供依据。

4.Ansys模拟仿真

本压电悬臂梁结构是基于Ansys workbench来设计的。通过对压电悬臂梁进行模态分析并优化设计使其一阶共振频率控制在70Hz左右。最终经过调试得到铝压电梁的尺寸为60mm×15mm×0.66mm。其的Ansys workbench模态分析结果，如图4-1所示：

图4-1 压电悬臂梁六阶振型模态图

表4-1 压电悬臂梁前三阶固有频率

由上表可知一阶共振频率附近，悬臂上下振动，并且

则这个压电悬臂梁满足所设计的需求。

5.实验验证

5.1 实验平台的搭建

通过实验平台的搭建，对本文提出的Ansys workbench模型进行验证。STI的实验系统结构如图5-1及图5-2所示。首先，通过系统控制箱和STI振动台实现对压电悬臂梁的振动激励，其次通过示波器测量和记录了输出的电压值。此次选择的STI振动台型号为DS-300-3-04。

图5-1 实验设备图1

图5-2 实验设备图2

5.2 实验平台测试分析

为了对Ansys workbench仿真模型的参数进行验证，将梁的固定端夹在STI水平滑台的夹具上，通过STI振动台进行振动测试。在振动台上对压电悬臂梁施加恒定加速度的简谐激励，测量在不同频率下的输出电压，取最大电压所对应的频率为压电悬臂梁的固有频率[4]。结果如图5-3所示

图5-3 2.5g加速度不同频率下的收集峰峰值电压

由图可见，由Ansys workbench仿真出来的频率与实验吻合结果良好。在70.9Hz的频率下，进行不同加速度简谐激励，测量不同的收集电压，结果如图5-4所示：

图5-4 70.9Hz频率不同加速度下的收集峰峰值电压

由图可见随着加速度变大，其收集的电压也随之增大。

5.3 实物模型测试分析

压电发电测试数据（鼠标正常转动）：

使电池充满需要2小时，充满的电池可供本鼠标使用9个小时左右；电池在完全没电的情况下，充12分钟电就可以正常驱动鼠标。

6.结束语

基于压电发电的自供电无线鼠标提供了一种无需外置电源的无线鼠标，通过转动鼠标滚珠，将其滚动放大带动花轮转动敲打压电陶瓷悬臂梁产生发电实现锂电池的充电过程。与传统无线鼠标相比，其结构紧密、寿命长及清洁环保，省去了以往使用的干电池，具有一定的经济效益。

[1]王兆安.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2011.

[2]余子倩,李洋,王莹,等.自发电无线鼠标的设计方案及工作原理[J].森林工程,2014,30(4):124-126.

[3]周明龙,程晶晶,李文,等.基于压电陶瓷无线鼠标的设计[J].佳木斯大学学报,2014,32(2).

[4]贺学锋,杜志刚,赵兴强,温志渝,印显方.悬臂梁式压电振动能采集器的建模及实验验证[J].光学精密工程. 2011,19(8):1771-1778.

申允德（1963-），吉林延吉人，博士，高级工程师，副教授，研究方向：机器人技术,振动控制。

2015年度大学生创新训练项目（201510351028）。

黄晶（1995-），浙江宁波人，本科生，研究方向：机械设计。