節能無線鼠標的設計方案研究

孫宏宇，李 萍

（北京信息科技大學，北京100192）

1 引言

目前，無線鼠標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和銷售各自的無線鼠標，說明無線鼠標在將來有著廣闊的發展前景。但目前市面上的大部分鼠標仍在使用干電池提供電能。

廢舊電池的處理不當會造成很大的危害性，而現有無線鼠標大部分仍然在使用干電池作為內部能源，這是一種潛在的危險，電池處理不當會造成污染。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，廢舊電池被遺棄后，電池的外殼會慢慢腐蝕，其中的重金屬物質會逐漸滲入水體和土壤，造成污染。重金屬污染的最大特點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。

本設計使用了太陽能電池板為內部供能，將鋰電池作為內部儲能器件，而鋰電池可以反復使用，減少了電池材料的浪費。同時還設計了一種電容式非接觸人體感應電路，可以感應人體來控制鼠標的工作狀態。不但能夠減少干電池的使用，還能使鼠標在使用過程實現實時省電，隨時使用，更加方便，具有一定的社會價值和經濟價值。本設計體現出來的節能能源、愛護壞境的生活理念將是未來社會發展的方向。

2 基本內容

采用鋰電池供能使無線鼠標正常工作。太陽能電池板產生電能經整流穩壓電路進入充電電路給鋰電池充電。電容式非接觸人體感應電路，包括一個感應焊盤和感應電路，設計以使得在手不操作鼠標時（即手離開鼠標時），鼠標進入一種待機狀態。

3 節能無線鼠標設計

3.1 無線收發部分及光電鼠標的實現

鑒于現有無線鼠標技術已經相當成熟，無線收發部分將直接采用當前的無線鼠標技術，并對其電源功能部分加以改進。圖1、圖2為安華高科技有限公司的ADNS～7050芯片應用的無線鼠標電路原理圖。

圖1 無線鼠標電路原理

圖2 安華高科無線鼠標電路原理

3.2 太陽能充電電路設計

3.2.1 太陽能電池板供能電路設計

本設計的初衷主要是體現一種節能減排的生活理念，而太陽能是新能源發展的方向。所以設計引入太陽能電池板為鼠標供能方式之一，在鼠標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

3.2.2 升壓穩壓電路設計

太陽能電池板產生的電能不能直接利用，所以必須經過整流電路后，進入升壓穩壓到5V才能供給鋰電池充電芯片使用。現采用ME2100A50升壓穩壓芯片實現。

ME2100A50芯片是采用CMOS工藝制造的低靜態電流的PFM 開關型DC/DC升壓轉換器[2]。該系列芯片采用先進的電路設計和制造工藝，極大地改善了開關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）。對內置開關晶體管的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，具有關斷功能，可使芯片功耗達到最小，圖6為升壓穩壓電路原理圖[2]。

圖6 升壓穩壓電路原理

3.2.3 鋰電池充電電路設計

鋰電池充電電路設計采用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目使得TP4056成為便攜式應用的理想選擇。TP4056可以適合USB電源和適配器電源工作。由于采用了內部PMOSFET架構，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行自動調節，以便在大功率操作或高環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行外部設置。當充電電流在達到最終浮充電壓后降至設定值的1/10時，TP4056將自動終止充電循環[6]。

鋰電池選用3.7V300mA·h的聚合物鋰電池（Lithium ion polymer），采用導電聚合物作為正極材料，其比容量相對增加。由于用固體電解質代替了液體電解質，與液態鋰離子電池相比，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點。因此可以用鋁塑復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，其質量比能量將會比目前的液態鋰離子電池提高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[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 電容式人體感應電路設計

由于鼠標是由手來控制的，而手不與鼠標接觸的時候，鼠標是沒有必要工作的。利用這一工作特點，采用新型電容式觸摸傳感器技術[4]，即電容式觸摸按鍵芯片來實現節能模式。

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構與電阻式的相似，但是其采用電容量為判斷標準。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面板后的簡單阻性環形電極組件，因此，按鍵的操作界面可以是一整塊普通絕緣體（如有機玻璃一類材料都可），不需要在界面上挖孔，按鍵在介質下面，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[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，整個界面沒有按鍵，使用長久，便于清潔，讓產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IC，提供1個觸摸感應通道；外圍元件少，設計簡單，只需極少的元件即可完成硬件設計。提供2種輸出模式，輸出高/低電平可選。觸摸感應按鍵的靈敏度，可根據需要通過調節外部電容（CS）的容值進行調整，增加了產品的可操作性，使設計更加靈活多變[3，7]（圖9）。TS～01具備環境溫度及濕度的自動適應能力，不會受天氣變化影響其靈敏度及工作穩定性。超低的工作電流使產品更加省電，特別適合于要求省電的產品。涵蓋了低EMI/EMC及高抗噪聲電路設計，可防止來自外界的無線電、磁場、高壓等干擾源，增強抗干擾能力[4]。

圖9 電容式人體感應電路示意圖及電路原理

另外，在鼠標的背面，手與鼠標接觸的地方設置一個電容式觸摸按鍵，用它來控制鼠標的工作。當手與按鍵接觸，鼠標正常工作，當手不與鼠標接觸，鼠標處于待機裝態，直到手接觸按鍵，鼠標繼續正常工作。

4 結語

經過多次的調試和改良設計，節能無線鼠標的初步樣品已經完成（圖10），雖然結構上有些粗糙，還需進一步優化，但所設計的各項功能都能實現。經測試在不充電的條件下可以正常使用250h左右，太陽強度正常情況下20h可以充滿電。節能無線鼠標的設計體現了節約能源、愛護壞境的生活理念。這一富有創意產品的推廣，將會給社會高效發展注入不可缺少的動力，為中國的節能減排事業貢獻一份力量。

圖10 實物

[1]王兆安.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]李先允.電力電子技術[M].北京：中國電力出版社，2006.

[3]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：清華大學出版社，1980.

[4]張白莉.電容式傳感器的應用和發展[J].忻州師范學院學報，2005，21（2）：24～26.

[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].商丘師范學院學報，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].重慶通信學院學報，2003，22（4）：76～80.

[7]張占松.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2003.