无线自供电鼠标设计与实现

无线自供电鼠标设计与实现

【摘要】本文主要利用电磁感应原理，研发了一种自充电无线鼠标产品。其包括鼠标垫一个和无线鼠标一个，鼠标垫内部由磁性相反的磁铁交替组成网格状分布；鼠标内部组装有带铁芯的电磁感应线圈、整流电路、可充电电池、以及鼠标的工作电路板。通过鼠标在鼠标垫上移动，感应线圈内部的磁通量会发生变化，从而产生感应电流，通过整流电路将交变电流转换为直流电输出，为鼠标提供电能，同时为可充电电池充电，无需外接电源供电，更加节能环保。

【关键词】电磁感应；鼠标；自充电

目前，广泛应用的无线鼠标多是以干电池提供能量，因鼠标功耗较大，需频繁更换电池，不仅给消费者带来不便，增加了使用成本，更造成严重的资源浪费，并且废弃电池中含有大量的铅、汞等重金属有害物质，如果回收处理不妥当的话，会加重环境污染。而选用锂电池或镍氢可充电电池的无线鼠标往往需要频繁充电，如长时间不用或忘记充电，将给使用带来不便。本文目的旨在开发研制一种可自充电的无线电磁感应鼠标，积极响应节能减排的可持续发展的主题，利用电磁感应原理生成电能，储存在可充电电池中，同时可为鼠标正常工作提供持续能量。

1 电磁感应技术

闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，导体中就会产生电流，这种现象叫做电磁感应现象。因此产生的电流称为感应电流。将这种电磁感应技术应用于无线鼠标，可实现为鼠标工作提供能量，摆脱更换电池或频繁充电的烦恼。

2 设计与实施

区别于普通干电池供电的无线鼠标，我们研发的可自充电的无线电磁感应鼠标主要由以下几个部分构成：网格状磁场分布的鼠标垫、电磁感应线圈、整流电路、可充电电池以及鼠标的工作电路板。

2.1 网格状磁场分布鼠标垫

实施方案：将具有强磁场的正方形磁铁按图1左图中所示的排布方式粘结在硬质薄板上，使最近邻区域内磁场磁性相反。然后粘合鼠标垫表层，压紧保证工作面平整。

工作原理：相邻的小区域内有相反磁性的磁场分布，是为了保证鼠标沿各个方向移动时，磁场的变化能达到最大，线圈内通过的磁通量变化，从而在相同移动距离下可最大程度产生感应电流，感应电流进一步由整流电路整合后输出，为鼠标工作供能。

创新设计：已有的鼠标垫设计，多使用单片或整块的磁铁，移动鼠标时磁场改变较小，无法满足产生较大的感应电流为鼠标供电的需要，此外还会增加自身重量，造成携带不便。我们设计的网格状磁场分布鼠标垫，通过最近邻区域内磁场磁性相反排布，增强了磁场的变化，增加了输出电流，并且通过网格状分布，仅需在鼠标垫表面50%的面积上排布磁铁，减轻了50%的重量，克服了已有设计的不足，而且降低了成本，符合资源节约，环境友好的设计理念。

图1 网格状磁场分布鼠标垫（左图），电磁感应线圈（右图）

2.2 电磁感应线圈

实施方案：选用横截面直径Φ=0.15mm的漆包铜线，绕成平均直径35mm，高15mm，匝数6000匝的感应线圈。如图1右图所示。

试验测试：研发过程中，我们在相同线圈体积下，分别选用横截面直径为Φ=0.25mm、Φ=0.35mm、Φ=0.15mm的漆包铜线绕成感应线圈进行实验，比较了输出电压的瞬时值。

考虑到鼠标内部空间的限制，以及鼠标重量控制的因素，所缠绕的感应线圈要保证在一定体积内（直径，高度）能输出最大的瞬时电压。漆包铜线横截面直径较大，在相同体积下缠绕匝数就会较少，而漆包铜线横截面直径较小，在相同体积下缠绕匝数就会较多。通过实验对比，我们发现，漆包铜线横截面直径较小，缠绕匝数较多的情况下，输出电压较大，因此横截面直径Φ=0.15mm的漆包铜线，缠绕匝数为6000匝被选为我们的实施方案。

2.3 整流电路

工作原理：电磁感应产生的电动势，经整流器整合后储存到可充电电池中。整流器是一个整流装置，简单的说就是将交流电（AC）转化为直流电（DC）的装置。本设计的整流器有两个主要功能：第一，将交流电（AC）变成直流电（DC），经滤波后供给负载，或者供给逆变器；第二，给可充电电池提供充电电压。因此，它同时既起到一个充电器的作用，也起到一个电池的作用。经典的桥式整流器设计利用二极管的单向导通作用，允许电流单方向输入，实现整流。

实施方案：我们选用了集成桥式整流模块，用来实现整流输出。

2.4 铁芯设计

工作原理：经典电磁学研究表明，在电磁线圈内部增加铁磁材料，可有效增强输出磁场。故我们在电磁感应线圈内部增加铁芯，以进一步增强磁场变化，增加输出电流。

实施方案：在图1右图中的电磁感应线圈中心插入铁磁性柱体。

试验测试：我们比较了不同移动速率下电磁感应线圈输出的瞬时电压值，如表2所示。

实验数据表明，在增加铁芯后，感应线圈输出的电动势完全可以满足鼠标的工作需要与充电电池的充电需求。对于鼠标的不同运动方式下电磁感应现象我们对比分析发现：近距离快速移动产生的电势优于远距离慢速移动感应得到的电动势。

创新设计：铁芯往往被用于电磁线圈中以增强磁场输出，我们的设计将铁芯集成到感应线圈内，达到了增强接收变化磁场的目的。

2.5 可充电电池

实施方案：选用充电限制电压4.2V，容量3000mAh的工业锂电池为可充电电池。

工作原理：锂离子电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成，负极则是特殊分子结构的碳，常见的正极材料主要成分为LiCoO2，充电时，加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。放电时，锂离子则从片层结构的碳中析出，重新和正极的化合物结合，即通过锂离子的移动产生了电流。锂离子电池具有更高的重量能量比，自放电小，无记忆效应，寿命长，可以快速充电的优点，被广泛应用于电子设备中。

2.6 组装与测试

实施方案：电磁感应线圈、整流电路、可充电电池以及鼠标的工作电路板组装示意图与成品如图2所示。

3 本设计的特色与优势

第一，我们设计的网格状磁场分布鼠标垫，通过最近邻区域内磁场磁性相反排布，增强了磁场的变化，增加了输出电流，并且通过网格状分布，仅需在鼠标垫表面50%的面积上排布磁铁，减轻了50%的重量。第二，铁芯往往被用于电磁线圈中以增强磁场输出，而我们的设计将铁芯集成到感应线圈内，达到了增强磁场变化的目的。

4 结语

随着人们对生活舒适度的要求不断提高，方便快捷成为社会的主题。便携式的无线鼠标必然是消费者的优先选择。传统的干电池供电会给用户带来诸多不便，办公时忘记带电池就会影响工作进度，其次，一次性电池一般只能使用两三个月，不仅会提高消费成本，还造成了大量的能源浪费，产生不可回收利用的垃圾，污染环境。本项目设计了无线电磁感应鼠标，可自身提供能源，不仅克服了