一種自供電無線鼠標(biāo)的設(shè)計

溫州大學(xué)機電工程學(xué)院 黃 晶 申允德 成泰洪 鄭良駿 周蘇潔

一種自供電無線鼠標(biāo)的設(shè)計

溫州大學(xué)機電工程學(xué)院 黃 晶 申允德 成泰洪 鄭良駿 周蘇潔

設(shè)計了一種基于的自供電無線鼠標(biāo)，給出了具體的無線鼠標(biāo)的技術(shù)設(shè)計方案.采用了壓電陶瓷發(fā)電原理，利用鼠標(biāo)滾珠滾動通過齒輪增速帶動花輪轉(zhuǎn)動敲擊壓電陶瓷片振動發(fā)電，并通過升壓穩(wěn)壓電路產(chǎn)生平穩(wěn)電流，充入鋰電池中代替干電池供鼠標(biāo)使用。利用模態(tài)分析設(shè)計了具有壓電發(fā)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(xiàn)能量再利用，降低干電池的使用以及對環(huán)境產(chǎn)生的污染。

壓電陶瓷；無線鼠標(biāo)；自供電；鋰電池；懸臂梁

現(xiàn)在廣泛使用的無線鼠標(biāo)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(dāng)今快速便捷的生活節(jié)奏，不僅給使用者日常工作、學(xué)習(xí)帶來不便，還增加了成本，更造成了嚴(yán)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(dāng)，極易造成環(huán)境二次污染，不利于社會可持續(xù)發(fā)展。

論文從社會可持續(xù)發(fā)展、節(jié)能環(huán)保的角度出發(fā)，提供一種無需外置電源、節(jié)能環(huán)保的基于壓電陶瓷復(fù)合式能量收集技術(shù)的無線鼠標(biāo)， 將人們使用鼠標(biāo)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(jīng)濟效益，減少了環(huán)境的污染，節(jié)能環(huán)保。

1.設(shè)計方案

在充分了解無線鼠標(biāo)工作原理、各部件連接方式以及外形構(gòu)造的基礎(chǔ)上[1]進行相應(yīng)的改進，增加壓電陶瓷發(fā)電單元，合理地設(shè)計空間分配，使自供電無線鼠標(biāo)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(biāo)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(biāo)滾輪的轉(zhuǎn)動，經(jīng)過二級增速箱增速帶動花輪敲擊懸臂梁式雙晶壓電發(fā)電片，使其產(chǎn)生電能。由于日常使用鼠標(biāo)滾珠的滾速不是恒定的，因此，采用CE8301A50升壓穩(wěn)壓芯片電路，輸出穩(wěn)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(dāng)中。設(shè)計方案框圖如圖1-1所示。

圖1-1 基于壓電能量收集技術(shù)的自供電無線鼠標(biāo)設(shè)計框圖

2.設(shè)計原理

首先必須充分了解無線鼠標(biāo)的工作原理以及內(nèi)部外形結(jié)構(gòu)構(gòu)造，在原有的無線鼠標(biāo)的基礎(chǔ)上進行改造[2]。利用鼠標(biāo)滾珠滾動通過齒輪增速帶動花輪轉(zhuǎn)動敲擊壓電陶瓷片振動發(fā)電，并通過升壓穩(wěn)壓電路產(chǎn)生平穩(wěn)電流，充入鋰電池中代替干電池供鼠標(biāo)使用。

2.1 壓電陶瓷發(fā)電裝置設(shè)計

壓電陶瓷作為具有壓電效應(yīng)的一種壓電材料，壓電效應(yīng)是指其可以將應(yīng)力和電場互相轉(zhuǎn)換[3]。

主要基于懸臂梁式雙晶壓電陶瓷片振動發(fā)電，如圖2-1所示：其中1、4為支架；2為鼠標(biāo)滾珠軸；3為鼠標(biāo)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(fā)電片；10為花輪。

壓電發(fā)電單元進一步包括與齒輪增速箱輸出軸相連的花輪和經(jīng)螺釘與固定塊固定的長方形壓電發(fā)電片。其中，花輪位于壓電片上方，固定塊安置于鼠標(biāo)底板。當(dāng)鼠標(biāo)滾珠轉(zhuǎn)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(chǎn)生形變進而發(fā)電。

圖2-1 自供電無線鼠標(biāo)內(nèi)部裝置圖

2.2 壓電總電路設(shè)計

壓電陶瓷片由于產(chǎn)生的是交流電，需要整流使之轉(zhuǎn)換為直流電。在壓電模塊連接一整流后并聯(lián)一超級電容C，再與DC-DC升壓穩(wěn)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(dāng)鼠標(biāo)滾珠轉(zhuǎn)動時，壓電陶瓷片振動產(chǎn)生電壓導(dǎo)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(xù)電路給鋰電池充電。

圖2-2 總電路原理圖

3.理論計算

當(dāng)使用者在使用自供電無線鼠標(biāo)時，通過滾動鼠標(biāo)滾珠帶動花輪擊打懸臂梁壓電片從而使之產(chǎn)生電能發(fā)電，花輪擊打懸臂梁壓電片的頻率可由小型發(fā)電機的轉(zhuǎn)速確定。

初步設(shè)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(dāng)擊打頻率與懸臂梁壓電片的固有頻率相接近時，系統(tǒng)產(chǎn)生共振，得到更大的振幅，有利于懸臂梁壓電模型產(chǎn)生更大的電量，進而為設(shè)計或優(yōu)化鼠標(biāo)結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

4.Ansys模擬仿真

本壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)是基于Ansys workbench來設(shè)計的。通過對壓電懸臂梁進行模態(tài)分析并優(yōu)化設(shè)計使其一階共振頻率控制在70Hz左右。最終經(jīng)過調(diào)試得到鋁壓電梁的尺寸為60mm×15mm×0.66mm。其的Ansys workbench模態(tài)分析結(jié)果，如圖4-1所示：

圖4-1 壓電懸臂梁六階振型模態(tài)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(shè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5-1及圖5-2所示。首先，通過系統(tǒng)控制箱和STI振動臺實現(xiàn)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(shè)備圖1

圖5-2 實驗設(shè)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(shù)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(yīng)的頻率為壓電懸臂梁的固有頻率[4]。結(jié)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(jié)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(jié)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(fā)電測試數(shù)據(jù)（鼠標(biāo)正常轉(zhuǎn)動）：

使電池充滿需要2小時，充滿的電池可供本鼠標(biāo)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(qū)動鼠標(biāo)。

6.結(jié)束語

基于壓電發(fā)電的自供電無線鼠標(biāo)提供了一種無需外置電源的無線鼠標(biāo)，通過轉(zhuǎn)動鼠標(biāo)滾珠，將其滾動放大帶動花輪轉(zhuǎn)動敲打壓電陶瓷懸臂梁產(chǎn)生發(fā)電實現(xiàn)鋰電池的充電過程。與傳統(tǒng)無線鼠標(biāo)相比，其結(jié)構(gòu)緊密、壽命長及清潔環(huán)保，省去了以往使用的干電池，具有一定的經(jīng)濟效益。

[1]王兆安.電力電子技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[2]余子倩,李洋,王瑩,等.自發(fā)電無線鼠標(biāo)的設(shè)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(biāo)的設(shè)計[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報,2014,32(2).

[4]賀學(xué)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(xué)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(shù),振動控制。

2015年度大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（201510351028）。

黃晶（1995-），浙江寧波人，本科生，研究方向：機械設(shè)計。