一種自供電無線鼠標的設計

溫州大學機電工程學院 黃 晶 申允德 成泰洪 鄭良駿 周蘇潔

一種自供電無線鼠標的設計

溫州大學機電工程學院 黃 晶 申允德 成泰洪 鄭良駿 周蘇潔

設計了一種基于的自供電無線鼠標，給出了具體的無線鼠標的技術設計方案.采用了壓電陶瓷發電原理，利用鼠標滾珠滾動通過齒輪增速帶動花輪轉動敲擊壓電陶瓷片振動發電，并通過升壓穩壓電路產生平穩電流，充入鋰電池中代替干電池供鼠標使用。利用模態分析設計了具有壓電發電裝置的懸臂梁，并通過實驗分析驗證了其方案的可行性。該方案可以實現能量再利用，降低干電池的使用以及對環境產生的污染。

壓電陶瓷；無線鼠標；自供電；鋰電池；懸臂梁

現在廣泛使用的無線鼠標都需要外置供電電源，大多以干電池提供電量，因此需要頻繁地更換電池，不符合當今快速便捷的生活節奏，不僅給使用者日常工作、學習帶來不便，還增加了成本，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，如果回收處理不當，極易造成環境二次污染，不利于社會可持續發展。

論文從社會可持續發展、節能環保的角度出發，提供一種無需外置電源、節能環保的基于壓電陶瓷復合式能量收集技術的無線鼠標， 將人們使用鼠標滾珠時的機械能重新加以利用，省去了以往使用的干電池，具有一定的經濟效益，減少了環境的污染，節能環保。

1.設計方案

在充分了解無線鼠標工作原理、各部件連接方式以及外形構造的基礎上[1]進行相應的改進，增加壓電陶瓷發電單元，合理地設計空間分配，使自供電無線鼠標的外形尺寸不至于過大，更加方便使用者使用。

在原有的無線鼠標的滾珠軸伸出端加上一對帶輪，再增加一二級齒輪增速器，通過鼠標滾輪的轉動，經過二級增速箱增速帶動花輪敲擊懸臂梁式雙晶壓電發電片，使其產生電能。由于日常使用鼠標滾珠的滾速不是恒定的，因此，采用CE8301A50升壓穩壓芯片電路，輸出穩定的充電電流和充電電壓，為了更合理地給鋰電池充電，采用TP4056鋰電池充電管理芯片將升壓后的電能儲存到鋰電池當中。設計方案框圖如圖1-1所示。

圖1-1 基于壓電能量收集技術的自供電無線鼠標設計框圖

2.設計原理

首先必須充分了解無線鼠標的工作原理以及內部外形結構構造，在原有的無線鼠標的基礎上進行改造[2]。利用鼠標滾珠滾動通過齒輪增速帶動花輪轉動敲擊壓電陶瓷片振動發電，并通過升壓穩壓電路產生平穩電流，充入鋰電池中代替干電池供鼠標使用。

2.1 壓電陶瓷發電裝置設計

壓電陶瓷作為具有壓電效應的一種壓電材料，壓電效應是指其可以將應力和電場互相轉換[3]。

主要基于懸臂梁式雙晶壓電陶瓷片振動發電，如圖2-1所示：其中1、4為支架；2為鼠標滾珠軸；3為鼠標滾珠；5為皮帶；6、7為帶輪；8為二級齒輪增速箱；7為固定墊塊；8為螺釘；9為雙晶壓電陶瓷發電片；10為花輪。

壓電發電單元進一步包括與齒輪增速箱輸出軸相連的花輪和經螺釘與固定塊固定的長方形壓電發電片。其中，花輪位于壓電片上方，固定塊安置于鼠標底板。當鼠標滾珠轉動時帶動花輪敲擊位于下方的懸臂梁壓電陶瓷片使之振動產生形變進而發電。

圖2-1 自供電無線鼠標內部裝置圖

2.2 壓電總電路設計

壓電陶瓷片由于產生的是交流電，需要整流使之轉換為直流電。在壓電模塊連接一整流后并聯一超級電容C，再與DC-DC升壓穩壓電路和鋰電池充電管理芯片連接，具體電路如圖2-2所示。當鼠標滾珠轉動時，壓電陶瓷片振動產生電壓導通整流橋中的二極管，將電量貯存在超級電容C中，電容放電通過后續電路給鋰電池充電。

圖2-2 總電路原理圖

3.理論計算

當使用者在使用自供電無線鼠標時，通過滾動鼠標滾珠帶動花輪擊打懸臂梁壓電片從而使之產生電能發電，花輪擊打懸臂梁壓電片的頻率可由小型發電機的轉速確定。

初步設計的花輪上一周上共有四個擊打點，最終使得擊打頻率為：

當擊打頻率與懸臂梁壓電片的固有頻率相接近時，系統產生共振，得到更大的振幅，有利于懸臂梁壓電模型產生更大的電量，進而為設計或優化鼠標結構提供依據。

4.Ansys模擬仿真

本壓電懸臂梁結構是基于Ansys workbench來設計的。通過對壓電懸臂梁進行模態分析并優化設計使其一階共振頻率控制在70Hz左右。最終經過調試得到鋁壓電梁的尺寸為60mm×15mm×0.66mm。其的Ansys workbench模態分析結果，如圖4-1所示：

圖4-1 壓電懸臂梁六階振型模態圖

表4-1 壓電懸臂梁前三階固有頻率

由上表可知一階共振頻率附近，懸臂上下振動，并且

則這個壓電懸臂梁滿足所設計的需求。

5.實驗驗證

5.1 實驗平臺的搭建

通過實驗平臺的搭建，對本文提出的Ansys workbench模型進行驗證。STI的實驗系統結構如圖5-1及圖5-2所示。首先，通過系統控制箱和STI振動臺實現對壓電懸臂梁的振動激勵，其次通過示波器測量和記錄了輸出的電壓值。此次選擇的STI振動臺型號為DS-300-3-04。

圖5-1 實驗設備圖1

圖5-2 實驗設備圖2

5.2 實驗平臺測試分析

為了對Ansys workbench仿真模型的參數進行驗證，將梁的固定端夾在STI水平滑臺的夾具上，通過STI振動臺進行振動測試。在振動臺上對壓電懸臂梁施加恒定加速度的簡諧激勵，測量在不同頻率下的輸出電壓，取最大電壓所對應的頻率為壓電懸臂梁的固有頻率[4]。結果如圖5-3所示

圖5-3 2.5g加速度不同頻率下的收集峰峰值電壓

由圖可見，由Ansys workbench仿真出來的頻率與實驗吻合結果良好。在70.9Hz的頻率下，進行不同加速度簡諧激勵，測量不同的收集電壓，結果如圖5-4所示：

圖5-4 70.9Hz頻率不同加速度下的收集峰峰值電壓

由圖可見隨著加速度變大，其收集的電壓也隨之增大。

5.3 實物模型測試分析

壓電發電測試數據（鼠標正常轉動）：

使電池充滿需要2小時，充滿的電池可供本鼠標使用9個小時左右；電池在完全沒電的情況下，充12分鐘電就可以正常驅動鼠標。

6.結束語

基于壓電發電的自供電無線鼠標提供了一種無需外置電源的無線鼠標，通過轉動鼠標滾珠，將其滾動放大帶動花輪轉動敲打壓電陶瓷懸臂梁產生發電實現鋰電池的充電過程。與傳統無線鼠標相比，其結構緊密、壽命長及清潔環保，省去了以往使用的干電池，具有一定的經濟效益。

[1]王兆安.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社,2011.

[2]余子倩,李洋,王瑩,等.自發電無線鼠標的設計方案及工作原理[J].森林工程,2014,30(4):124-126.

[3]周明龍,程晶晶,李文,等.基于壓電陶瓷無線鼠標的設計[J].佳木斯大學學報,2014,32(2).

[4]賀學鋒,杜志剛,趙興強,溫志渝,印顯方.懸臂梁式壓電振動能采集器的建模及實驗驗證[J].光學精密工程. 2011,19(8):1771-1778.

申允德（1963-），吉林延吉人，博士，高級工程師，副教授，研究方向：機器人技術,振動控制。

2015年度大學生創新訓練項目（201510351028）。

黃晶（1995-），浙江寧波人，本科生，研究方向：機械設計。