基于数字控制的磁悬浮地球仪演示模型制造技术

基于数字控制的磁悬浮地球仪演示模型，采用嵌入式计算机ＬＰＣ２１１４及外围电路作为核心控制器，通过对悬浮地球仪位置和电磁铁的电流进行数据采集和处理，利用ＰＩＤ算法对通过电磁铁的电流进行控制，使地球仪在竖直方向上受力平衡，从而达到对地球仪的悬浮控制，利用这种数字控制法可克服外部扰动；地球仪还可以通过其下方的旋转磁铁形成的旋转磁场进行有规律的旋转；主控制上的触摸式液晶显示屏可增进人机交互，方便用户对地球仪演示模型的操纵控制；在其支架下方安放一步进电机，步进电机在系统通电后会通过螺杆上的托盘将地球仪抬高到预定悬浮点，等地球仪所受到的重力和悬浮力达到平衡时，再使托盘恢复到初始位置；ＬＥＤ彩灯装饰，更加富有展示观看效果。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及磁悬浮
，特别是磁悬浮地球仪控制的领域。
技术介绍
磁悬浮技术最早起源于德国，现在我们生活中看到的最有成就的应用就是磁悬浮 列车、磁悬浮轴承等。磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力 学为一体的典型的机电一体化技术。随着电子技术、 控制工程、信号处理元器件、电磁理论 及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展，磁悬浮技术得到了长足的发展。无论是在磁 悬浮列车、磁悬浮轴承，还是磁悬浮地球仪，其主体涉及到的就是通过控制电磁铁的磁性方 向和大小，结合强磁体之后做到受控物体的受力平衡而达到悬浮状态。经过检索，现有的磁悬浮地球仪演示模型，包括地球仪、磁悬电磁体、旋转驱动电 磁体，将地球仪设置于磁悬电磁体下方，地球仪内部近北极设置一只永久磁铁，地球仪内部 近南极设置二只永久磁铁；磁悬电磁体通过支架悬吊于地球仪的上方。当该演示模型被一 外接的控制器控制后，磁悬电磁体便产生磁场，使地球仪磁场中受到向上的磁力作用，当该 磁力与地心引力相等时，地球仪则悬浮在空中。其中，此种模型的控制器一般由放大器电 路、比较器电路和霍尔传感器构成的模拟电路组成，其电路设计简单，成本低。但这种简单 的模拟控制器所带来的效果还不够完美，其主要体现为悬浮地球仪在克服外部扰动影响上 的不足和在功能及展示效果上的不足。
技术实现思路
本技术的目的是针对上述的不足而提出的基于数字控制的磁悬浮地球仪演 示模型，该磁悬浮地球仪演示模型包括地球仪3、磁悬电磁体1、旋转驱动电磁体7、升降托 盘9以及地球仪支架11，采用嵌入式计算机及其外围电路作为控制器；主控制器包括嵌入 式处理器、磁悬电磁体驱动电路、旋转驱动电磁体驱动电路、传感器采样电路、旋转角度定 位电路、触摸屏LCD驱动电路、步进马达驱动电路、彩灯驱动电路，红外遥控发射器。从机控制器包括红外遥控接收器、彩灯驱动电路。地球仪支架11上端座装有磁悬电磁体1和霍尔线性位置传感器2，下端座包括旋 转驱动电磁体7、旋转角度定位器8和主控制器。地球仪，其内部包括北极端固定的一颗强磁铁，南半球端固定的成等边三角形式 的三只小强磁体5 ；南极端固定的一从机控制器及电池6 ；地球仪3表面固定的彩灯装饰4。旋转驱动电磁体7为设置在地球仪支架下端座类似步进电机定子的装置。旋转角度定位器8分别由固定在地球仪上的红外发射管和固定在地球仪支架下 端座上的红外接收管构成。通过对悬浮地球仪位置和通过磁悬电磁体的电流进行数据采集和处理，利用PID 算法对通过电磁铁的电流进行修改输出控制，使地球仪在竖直方向上的受力平衡，从而达 到对地球仪的悬浮控制，利用这种数字控制法可以有效的克服一定强度下的外部扰动，比如风力、人手的碰触和支架台面的震动等；同时，悬浮状态中的地球仪还可以通过其下方的 旋转磁铁形成的旋转磁场进行有规律的旋转，其中包括勻速旋转、变速旋转、定角旋转；彩 色触摸屏12可以提高人机交互的能力，方便用户对地球仪上各个地区国家的查找；此外、 本作品还增加了 LED彩灯装饰，使得此作品更加富有展示观看效果。以下结合附图与实施案例进一步说明本技术。附图说明图1本技术的结构模块框图；图2本技术具有LED彩灯装饰模型示意图；图3本技术模型支架下端座俯视图。图中标号1、磁悬电磁体2、位置传感器3、地球仪4、彩灯装饰5、强磁铁6、从机控制 器及电池7、旋转驱动电磁体8、旋转角度定位器(红外接收管)9、碗型托盘10、带螺 杆步进电机11、地球仪支架12、触摸屏具体实施方式下面通过一个实施案例，进一步说明本技术。采用嵌入式计算机LPC2114及外围电路作为核心控制器。地球仪3内部北极端固定一颗强磁铁，南半球端固定成等边三角形式的三只小强 磁体；南极端固定一从机控制器及电池；地球仪3表面设置固定的彩灯装饰4。在地球仪支架11下端座上装有一升降托盘，升降托盘是由一碗型托盘9和一只带 有螺纹杆的步进电机10构成；旋转驱动电磁体7设置在地球仪支架11下端座表面，由8只小型电磁铁构成的类 似步进电机定子的装置，8只电磁铁两两之间呈45度夹角，其中心位置与悬浮电磁铁在竖 直方向上同轴。旋转角度定位器8是由1只固定在地球仪3上的红外发射管和固定在支架下端底 座上、碗型托盘9外边缘的12只红外接收管构成。本技术在工作时，起初由安装在地球仪3底端的升降托盘把地球仪3提升到 预定位子，并使地球仪3在竖直平面内受力平衡，达到悬浮；回落升降托盘，此时地球仪3就 会在悬浮的状态下以一个固定的转速悬浮自转，彩灯装饰4工作；用户或参观者可以通过 设置在地球仪支架11下端座上的触摸屏12选择地球仪3的转速和旋转方向，亦可选择地 球仪3的旋转角度(15度的整数倍)，在点击确定后主控制器就会控制地球仪3作出相应的 动作；用户或参观者还可通过触摸屏12选择自己要在地球仪3上查找的国家名和地区名， 点击确定之后控制器就会驱使地球仪3旋转，直至标有该国家名或地区名的一侧转向模型 的正面；并且点亮安装在地球仪3表面该国家名或地区名的彩灯装饰4(例我们想查找北 京在地球上的位置，我们就可以在触摸屏上的菜单中选择‘北京’字样、点击确定，之后控制 器就会控制地球仪3把标有地理位置‘北京’的一面转向演示模型的正面，同时安装在地球 仪3的地理位置‘北京’那一点上的彩灯点亮)。权利要求基于数字控制的磁悬浮地球仪演示模型，包括地球仪、磁悬电磁体、旋转驱动电磁体以及地球仪支架，其特征在于所述地球仪支架(11)上端座装有磁悬电磁体(1)和位置传感器(2)，其下端座设置旋转驱动电磁体(7)、旋转角度定位器(8)和主控制器；所述主控制器包括嵌入式处理器、磁悬电磁体驱动电路、旋转驱动电磁体驱动电路、传感器采样电路、旋转角度定位电路、触摸屏LCD驱动电路、步进马达驱动电路、彩灯驱动电路，红外遥控发射器；所述地球仪(3)的北极端内部固定一强磁铁；南半球内部固定成等边三角形的强磁体；南极端内部固定一从机控制器及电池(6)；所述从机控制器由红外遥控接收器、彩灯驱动电路组成。2.根据权利要求1所述的演示模型，其特征在于所述旋转驱动电磁体(7)由8只小 型电磁铁设置构成。3.根据权利要求1所述的演示模型，其特征在于所述旋转角度定位器(8)的12只红 外接收管固定在地球仪支架(11)下端座上；另外1只红外发射管设置在地球仪(3)里面。4.根据权利要求1所述的演示模型，其特征在于所述地球仪支架(11)下端座设置有 一升降托盘；其由一碗型托盘(9)和一只带有螺纹杆的步进电机(10)构成。5.根据权利要求1所述的演示模型，所述地球仪支架(11)下端座设置有触摸屏(12)。6.根据权利要求1所述的演示模型，其特征在于所述地球仪(3)的表面设置固定的 彩灯装饰⑷。7.根据权利要求1所述的演示模型，其特征在于所述嵌入式处理器采用嵌入式计算 机 LPC2114。专利摘要基于数字控制的磁悬浮地球仪演示模型，采用嵌入式计算机LPC2114及外围电路作为核心控制器，通过对悬浮地球仪位置和电磁铁的电流进行数据采集和处理，利用PID算法对通过电磁铁的电流进行控制，使地球仪在竖直方向上受力平衡，从而达到对地球仪的悬浮控制，利用这种数字控制法可克服外部扰动；地球仪还可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于数字控制的磁悬浮地球仪演示模型，包括地球仪、磁悬电磁体、旋转驱动电磁体以及地球仪支架，其特征在于：所述地球仪支架（１１）上端座装有磁悬电磁体（１）和位置传感器（２），其下端座设置旋转驱动电磁体（７）、旋转角度定位器（８）和主控制器；所述主控制器包括：嵌入式处理器、磁悬电磁体驱动电路、旋转驱动电磁体驱动电路、传感器采样电路、旋转角度定位电路、触摸屏ＬＣＤ驱动电路、步进马达驱动电路、彩灯驱动电路，红外遥控发射器；所述地球仪（３）的北极端内部固定一强磁铁；南半球内部固定成等边三角形的强磁体；南极端内部固定一从机控制器及电池（６）；所述从机控制器由红外遥控接收器、彩灯驱动电路组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄建一，彭金文，李斌，陈志毅，
申请(专利权)人：上海第二工业大学，
类型：实用新型
国别省市：31[中国|上海]