节能无线鼠标的设计方案研究

2012-07-19孙宏宇

绿色科技 2012年3期

孙宏宇，李萍

（北京信息科技大学，北京100192）

1 引言

目前，无线鼠标已成为很多笔记本电脑和台式电脑用户的选择，同时有很多公司正在生产和销售各自的无线鼠标，说明无线鼠标在将来有着广阔的发展前景。但目前市面上的大部分鼠标仍在使用干电池提供电能。

废旧电池的处理不当会造成很大的危害性，而现有无线鼠标大部分仍然在使用干电池作为内部能源，这是一种潜在的危险，电池处理不当会造成污染。日常所用的普通干电池，主要有酸性锌锰电池和碱性锌锰电池两类，它们都含有汞、锰、镉、铅、锌等各种金属物质，废旧电池被遗弃后，电池的外壳会慢慢腐蚀，其中的重金属物质会逐渐渗入水体和土壤，造成污染。重金属污染的最大特点是它在自然界是不能降解的，只能通过净化作用，将污染消除。

本设计使用了太阳能电池板为内部供能，将锂电池作为内部储能器件，而锂电池可以反复使用，减少了电池材料的浪费。同时还设计了一种电容式非接触人体感应电路，可以感应人体来控制鼠标的工作状态。不但能够减少干电池的使用，还能使鼠标在使用过程实现实时省电，随时使用，更加方便，具有一定的社会价值和经济价值。本设计体现出来的节能能源、爱护坏境的生活理念将是未来社会发展的方向。

2 基本内容

采用锂电池供能使无线鼠标正常工作。太阳能电池板产生电能经整流稳压电路进入充电电路给锂电池充电。电容式非接触人体感应电路，包括一个感应焊盘和感应电路，设计以使得在手不操作鼠标时（即手离开鼠标时），鼠标进入一种待机状态。

3 节能无线鼠标设计

3.1 无线收发部分及光电鼠标的实现

鉴于现有无线鼠标技术已经相当成熟，无线收发部分将直接采用当前的无线鼠标技术，并对其电源功能部分加以改进。图1、图2为安华高科技有限公司的ADNS～7050芯片应用的无线鼠标电路原理图。

图1 无线鼠标电路原理

图2 安华高科无线鼠标电路原理

3.2 太阳能充电电路设计

3.2.1 太阳能电池板供能电路设计

本设计的初衷主要是体现一种节能减排的生活理念，而太阳能是新能源发展的方向。所以设计引入太阳能电池板为鼠标供能方式之一，在鼠标不被使用的时候也可以通过太阳能为其充电。太阳能电池板及升压电路[1]的参数见图3、图4、图5。

图3 太阳能电池板

图4 太阳能电池板及升压电路

图5 太阳能电池板参数

3.2.2 升压稳压电路设计

太阳能电池板产生的电能不能直接利用，所以必须经过整流电路后，进入升压稳压到5V才能供给锂电池充电芯片使用。现采用ME2100A50升压稳压芯片实现。

ME2100A50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[2]。该系列芯片采用先进的电路设计和制造工艺，极大地改善了开关电路固有的噪声问题，减小对周围电路的干扰。输出电压为2.0～7.0V（按0.1V 的级差），振荡频率为100kHz（典型值）。对内置开关晶体管的ME2100X50，组成DC/DC升压电路只需接3个外围元件，一只肖特基二极管、一只电感和一只电容。带CE端的 ME2100C50，具有关断功能，可使芯片功耗达到最小，图6为升压稳压电路原理图[2]。

图6 升压稳压电路原理

3.2.3 锂电池充电电路设计

锂电池充电电路设计采用TP4056锂电池充电芯片作为控制充电的核心控制器。TP4056是一款完整的单节锂电池离子电池采用恒定电流/恒定电压线性充电器。其底部带有散热片的SOP8封装与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可以适合USB电源和适配器电源工作。由于采用了内部PMOSFET架构，加上反倒充电路，所以不需要外部隔离二极管。热反馈可对充电电流进行自动调节，以便在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制。充电电压固定于4.2V，而充电电流可通过一个电阻进行外部设置。当充电电流在达到最终浮充电压后降至设定值的1/10时，TP4056将自动终止充电循环[6]。

锂电池选用3.7V300mA·h的聚合物锂电池（Lithium ion polymer），采用导电聚合物作为正极材料，其比容量相对增加。由于用固体电解质代替了液体电解质，与液态锂离子电池相比，聚合物锂离子电池具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点。因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而可以改善整个电池的比容量；聚合物锂离子电池还可以采用高分子作正极材料，其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高20%以上。聚合物锂离子电池，具有小型化、薄型化、轻量化的特点[6]。图7为锂电池充电电路原理图。

图7 锂电池充电电路原理

3.3 电容式人体感应电路设计

由于鼠标是由手来控制的，而手不与鼠标接触的时候，鼠标是没有必要工作的。利用这一工作特点，采用新型电容式触摸传感器技术[4]，即电容式触摸按键芯片来实现节能模式。

电容式触摸按键主要是为了克服电阻屏的耐用性所提出的，电容式触摸按键的结构与电阻式的相似，但是其采用电容量为判断标准。简单来说，就是一个IC控制的电路，该电路包括一个能放置在任何介质面板后的简单阻性环形电极组件，因此，按键的操作界面可以是一整块普通绝缘体（如有机玻璃一类材料都可），不需要在界面上挖孔，按键在介质下面，人手接近界面和下面的电极片形成电容，靠侦测电容量的变化来感应[4]（图8）。温度、静电、水、灰尘等外界因素一般不会影响，界面没有太多要求，可以加上背光，音效等，靠人手感应，整个界面没有按键，使用长久，便于清洁，让产品在外观上更显高档美观[5]。

图8 原理示意

控制器采用TS～01，TS～01是一颗低成本高可靠度的电容式触摸感应IC，提供1个触摸感应通道；外围元件少，设计简单，只需极少的元件即可完成硬件设计。提供2种输出模式，输出高/低电平可选。触摸感应按键的灵敏度，可根据需要通过调节外部电容（CS）的容值进行调整，增加了产品的可操作性，使设计更加灵活多变[3，7]（图9）。TS～01具备环境温度及湿度的自动适应能力，不会受天气变化影响其灵敏度及工作稳定性。超低的工作电流使产品更加省电，特别适合于要求省电的产品。涵盖了低EMI/EMC及高抗噪声电路设计，可防止来自外界的无线电、磁场、高压等干扰源，增强抗干扰能力[4]。

图9 电容式人体感应电路示意图及电路原理

另外，在鼠标的背面，手与鼠标接触的地方设置一个电容式触摸按键，用它来控制鼠标的工作。当手与按键接触，鼠标正常工作，当手不与鼠标接触，鼠标处于待机装态，直到手接触按键，鼠标继续正常工作。

4 结语

经过多次的调试和改良设计，节能无线鼠标的初步样品已经完成（图10），虽然结构上有些粗糙，还需进一步优化，但所设计的各项功能都能实现。经测试在不充电的条件下可以正常使用250h左右，太阳强度正常情况下20h可以充满电。节能无线鼠标的设计体现了节约能源、爱护坏境的生活理念。这一富有创意产品的推广，将会给社会高效发展注入不可缺少的动力，为中国的节能减排事业贡献一份力量。