溫州大學(xué)機(jī)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(wú)線鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)

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

設(shè)計(jì)了一種基于的自供電無(wú)線鼠標(biāo)，給出了具體的無(wú)線鼠標(biāo)的技術(shù)設(shè)計(jì)方案.采用了壓電陶瓷發(fā)電原理，利用鼠標(biāo)滾珠滾動(dòng)通過齒輪增速帶動(dòng)花輪轉(zhuǎn)動(dòng)敲擊壓電陶瓷片振動(dòng)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(jì)了具有壓電發(fā)電裝置的懸臂梁，并通過實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了其方案的可行性。該方案可以實(shí)現(xiàn)能量再利用，降低干電池的使用以及對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染。

壓電陶瓷；無(wú)線鼠標(biāo)；自供電；鋰電池；懸臂梁

現(xiàn)在廣泛使用的無(wú)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(lái)不便，還增加了成本，更造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。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(huì)可持續(xù)發(fā)展。

論文從社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、節(jié)能環(huán)保的角度出發(fā)，提供一種無(wú)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(wú)線鼠標(biāo)， 將人們使用鼠標(biāo)滾珠時(shí)的機(jī)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(jì)效益，減少了環(huán)境的污染，節(jié)能環(huán)保。

1.設(shè)計(jì)方案

在充分了解無(wú)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(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，增加壓電陶瓷發(fā)電單元，合理地設(shè)計(jì)空間分配，使自供電無(wú)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(wú)線鼠標(biāo)的滾珠軸伸出端加上一對(duì)帶輪，再增加一二級(jí)齒輪增速器，通過鼠標(biāo)滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過二級(jí)增速箱增速帶動(dòng)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(chǔ)存到鋰電池當(dāng)中。設(shè)計(jì)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(wú)線鼠標(biāo)設(shè)計(jì)框圖

2.設(shè)計(jì)原理

首先必須充分了解無(wú)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(wú)線鼠標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造[2]。利用鼠標(biāo)滾珠滾動(dòng)通過齒輪增速帶動(dòng)花輪轉(zhuǎn)動(dòng)敲擊壓電陶瓷片振動(dòng)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(jì)

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(chǎng)互相轉(zhuǎn)換[3]。

主要基于懸臂梁式雙晶壓電陶瓷片振動(dòng)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(jí)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(jìn)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(zhǎng)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(dòng)時(shí)帶動(dòng)花輪敲擊位于下方的懸臂梁壓電陶瓷片使之振動(dòng)產(chǎn)生形變進(jìn)而發(fā)電。

圖2-1 自供電無(wú)線鼠標(biāo)內(nèi)部裝置圖

2.2 壓電總電路設(shè)計(jì)

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(jí)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(dòng)時(shí)，壓電陶瓷片振動(dòng)產(chǎn)生電壓導(dǎo)通整流橋中的二極管，將電量貯存在超級(jí)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(jì)算

當(dāng)使用者在使用自供電無(wú)線鼠標(biāo)時(shí)，通過滾動(dòng)鼠標(biāo)滾珠帶動(dòng)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(jī)的轉(zhuǎn)速確定。

初步設(shè)計(jì)的花輪上一周上共有四個(gè)擊打點(diǎn)，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(shí)，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(jìn)而為設(shè)計(jì)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(lái)設(shè)計(jì)的。通過對(duì)壓電懸臂梁進(jìn)行模態(tài)分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)，并且

則這個(gè)壓電懸臂梁滿足所設(shè)計(jì)的需求。

5.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，對(duì)本文提出的Ansys workbench模型進(jìn)行驗(yàn)證。STI的實(shí)驗(yàn)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(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電懸臂梁的振動(dòng)激勵(lì)，其次通過示波器測(cè)量和記錄了輸出的電壓值。此次選擇的STI振動(dòng)臺(tái)型號(hào)為DS-300-3-04。

圖5-1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖1

圖5-2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖2

5.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試分析

為了對(duì)Ansys workbench仿真模型的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，將梁的固定端夾在STI水平滑臺(tái)的夾具上，通過STI振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。在振動(dòng)臺(tái)上對(duì)壓電懸臂梁施加恒定加速度的簡(jiǎn)諧激勵(lì)，測(cè)量在不同頻率下的輸出電壓，取最大電壓所對(duì)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(lái)的頻率與實(shí)驗(yàn)吻合結(jié)果良好。在70.9Hz的頻率下，進(jìn)行不同加速度簡(jiǎn)諧激勵(lì)，測(cè)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(shí)物模型測(cè)試分析

壓電發(fā)電測(cè)試數(shù)據(jù)（鼠標(biāo)正常轉(zhuǎn)動(dòng)）：

使電池充滿需要2小時(shí)，充滿的電池可供本鼠標(biāo)使用9個(gè)小時(shí)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(dòng)鼠標(biāo)。

6.結(jié)束語(yǔ)

基于壓電發(fā)電的自供電無(wú)線鼠標(biāo)提供了一種無(wú)需外置電源的無(wú)線鼠標(biāo)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)鼠標(biāo)滾珠，將其滾動(dòng)放大帶動(dòng)花輪轉(zhuǎn)動(dòng)敲打壓電陶瓷懸臂梁產(chǎn)生發(fā)電實(shí)現(xiàn)鋰電池的充電過程。與傳統(tǒng)無(wú)線鼠標(biāo)相比，其結(jié)構(gòu)緊密、壽命長(zhǎng)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(jì)效益。

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

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

[4]賀學(xué)鋒,杜志剛,趙興強(qiáng),溫志渝,印顯方.懸臂梁式壓電振動(dòng)能采集器的建模及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jí)工程師，副教授，研究方向：機(jī)器人技術(shù),振動(dòng)控制。

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

黃晶（1995-），浙江寧波人，本科生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。