基于太阳能充电无线鼠标设计和实现

2023-01-30

相对于传统的有线鼠标, 没有束缚的无线鼠标成为了越来越多人买鼠标的选择, 更加简便的操控为用户带来舒适的体验。

也随着能源问题和环境问题日渐引起人们的重视, 使用太阳能作为电源供电没有污染之余覆盖率高, 在我们日常生活中, 基本都处在太阳的照射下, 这就提供了源源不断的能源。

本文以太阳能电池板作为内部供能, 将锂电池作为内部储能元件, 对锂电池可以反复充电使用, 减少了更换电池的费用以及遗弃之后会出现的重金属污染, 并以最简方式进行设计将太阳能充电技术、电量显示、过充保护以集成在无线鼠标上, 从而很好的利用了太阳能, 设计方向符合现在倡导的节能理念。

一、硬件电路设计

太阳能无线充电的硬件电路由太阳能电池板、电源管理电路、锂电池、稳压电路、鼠标和基于单片机控制的显示电路组成, 如图1所示。

(一) 太阳能板选择

选用5V2W的单晶硅太阳能PET电池板。工作电流为400MA, 这么大的工作电流能保证即使在光照不是很充足的情况下依然会有比较不错的充电效果[1]。

(二) 锂电池选择

电池部分采用4.2V1000MAH的锂电池, 大容量提供稳定的续航能力, 通过升压电路可以输出稳定的电压给控制芯片和显示屏使用。锂电池又是可以循环利用的, 符合使用绿色能源, 减少废弃电池污染的理念[2]。

(三) 电源管理芯片的选择

电源管理电路的芯片采用TP4056。TP4056是一款完整的单节锂离子电池采用的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, 同时TP4056还可以适合USB电源和适配电源工作。由于采用了内部PMOSFET架构, 加上防倒冲电路, 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者高温环境下对芯片加以限制。充电电压固定在4.2V, 而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置[3]。

(四) 稳压电路的选择

稳压电路采用5V稳压模块电路, 这样可以使电池提供低电压稳压到5V后输出给单片机和显示屏工作。同时一部分电源经过AMS1117稳压芯片稳压后, 输出1.5V的电源给鼠标使用[4]。

(五) 单片机的选择

在太阳能充电无线鼠标的设计中, 采用STC12C5204AD芯片作为微控制器。STC12C5204AD是一款低功耗高性能的芯片, 指令代码完全兼容传统的51单片机, 功能强大, 易于开发且资源丰富[5]。

STC12C5204AD单片机管脚如图2所示。其中20脚是电源管脚, 接到稳压电路输出的5V电压, 10脚是接地管脚。1脚是复位管脚, 用于系统复位功能。4脚和5脚是外接晶振管脚, 用来驱动单片机和显示屏工作。8脚和9脚是定时器中断管脚, 本设计用这两个管脚来检测电源管理芯片的电平状态, 以判断系统是否正在充电或者是充满电了。11~15管脚是AD转换管脚, 这里用这5个I/O口来控制显示屏显示系统处于什么样的状。

(六) 显示屏的选择

显示屏选用66×102像素点阵的ST7585。ST7585具有体积小, 便于驱动的优势, ST7585是一个用于图形点阵液晶显示的LCD。它包含66×102个像素和常用的驱动电路。该芯片直接连接到处理器, 只需要5个I/O口控制[6]。

ST7585第一管脚是接地管脚, 2脚和3脚都是电源管脚, 分别可以接5V和3.3V电压驱动显示屏, 本设计采用的是5V电压供电, 所以把2脚接到电路中去, 3脚放空, 5脚是显示屏复位管脚, 上升沿工作, 用于显示屏初始化, 6脚SCL管脚和9脚SDA管脚构成I2C总线接口, 7脚和8脚是显示屏的读写管脚。

本设计用单片机P11~P15管脚来控制显示屏工作, 显示电池电量以及充电状态。显示屏管脚接线图如图3所示。

(七) 鼠标的选择

电脑外设发展到现在, 大多都往着无线、节能和更有效率的方向发展。

鼠标的灵敏度也越来越高, 功能也更加的多样化, 有长时间不使用会自动进入睡眠模式和手动调节合适的DPI这些功能[7]。

考虑到现在市面上的无线鼠标技术已经相当成熟, 本着简化设计难度, 减少开发时间的原因考虑, 本方案采用了市面上方便购买的使用单节干电池供电的无线鼠标成品, 通过改造其电源部分, 为鼠标加上可以进行太阳能充电的功能[8]。

二、单片机的软件设计

单片机的软件程序设计主要完成以下工作, 如图4软件流程图所示。

(一) 初始化

系统启动之后, 开始初始化, 初始化内容包括:

(1) 定时器的初始化, 开启中断标志, 定时器0工作方式为方式1, 方便准确检测电源管理芯片的电平状态, 以判断系统是否正在充电或者是充满电。

(2) 串口初始化, 波特率设置为晶振频率11.0592M, 方便用来驱动单片机和显示屏工作。

(二) 通过检测电源管理芯片判断太阳能板是否给锂电池充电

当输入电压大于电源低电压检测阀值和芯片使能输入端接高电平时, TP4056开始对电池充电, CHRG管脚输出低电平, 表示充电正在进行。

(1) 如果电池电压低于3V, 充电芯片用小电流对电池进行预充电。 (2) 当电池电压超过3V时, 充电芯片采用恒流模式对电池充电, 充电电流由PROG管脚和GND管脚之间的电阻RPROG确定。 (3) 当电池电压接近4.2V时, 充电电流逐渐减小, 芯片进入恒压充电模式。当充电电流减小到充电结束阀值时, 充电周期结束, CHRG端输出高阻态, STDBY端输出低电位。

(三) 实时检测当前电池的电量

当单片机通过串口与ST7585进行通信, 结合定时中断对电池电压的采样, 会在ST7585上显示当前0-100%的电量值。

从而再次检测电源管理芯片判断太阳能板是否给锂电池充电, 如此循环下去, 实现太阳能给无线鼠标的锂电池充电。

三、结语

通过总体设计, 硬件设计、软件设计和软硬件测试, 最终完成了基于太阳能充电无线鼠标的设计, 针对太阳能是一种新型的绿色能源, 其广泛存在于生活中的每个角落, 利用太阳能作为鼠标充电电源以代替干电池供电, 具有环保节能的意义。

摘要：本设计把太阳能充电技术、电量显示、过充保护以及无线使用功能集成在鼠标上。采用20个引脚的STC12C5204AD单片机控制整个太阳能充电系统, 电源使用锂离子充电电池, 利用太阳能充电板为锂电池充电, 更加环保, 可持续循环使用。设计思路清晰, 经过多次的调试, 工作稳定, 很好的利用了太阳能, 设计方向符合现在倡导的节能理念。

关键词：太阳能,无线,环保,鼠标,STC12C5204AD