周嶸 范倩倩

摘 要：懸浮物位于展示臺(tái)上時(shí)，當(dāng)檢測到懸浮物向左移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)線圈一個(gè)拉力一個(gè)吸力，把它推向右邊，同理浮子向右移動(dòng)，通過線圈作用力把它拉向左邊，實(shí)現(xiàn)懸浮物一直處于展示臺(tái)中心位置；由于磁懸浮的展示產(chǎn)品懸浮在空中，磁力與重力相抵消，只有空氣與阻力的影響，所以給產(chǎn)品一個(gè)初始速度，就可以使產(chǎn)品不停旋轉(zhuǎn)，同時(shí)由紅外遙控器控制懸浮物的懸浮高度；此外我們還給它增加了一個(gè)安保功能，當(dāng)非工作人員拿取物品時(shí)，蜂鳴器將自動(dòng)報(bào)警。其主要組成部分由，arduinouno控制，1298n驅(qū)動(dòng)四個(gè)線圈電磁鐵，霍爾傳感器和紅外遙控器調(diào)懸浮物位置，超聲波測距，蜂鳴器報(bào)警。

關(guān)鍵詞：線圈電磁鐵；arduino控制器；傳感器；報(bào)警器

1 課程研究的背景與意義

磁懸浮展示臺(tái)作為新興起的一種展示物品的方式，它改變了以往柜臺(tái)展示商品的方式，增加了以360。的角度讓我們更全面的觀看到物品的造型。目前市場對于展示臺(tái)的應(yīng)用也是比較廣泛的，例如現(xiàn)在珠寶店所用的首飾展示臺(tái)，它直接把物品放在展示臺(tái)上邊，通過展示臺(tái)的旋轉(zhuǎn)給我們展示商品，但它的物品不是懸浮在半空中的，這樣不方便顧客的全方位觀看。市場上也有磁懸浮展示的小禮品，地球儀展示臺(tái)，只需把地球儀放在展示臺(tái)上，地球儀便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)懸浮，它通過通電后的電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)懸浮。

展示臺(tái)上商品一般都是一些貴重物品，我們不可忽略其被盜走的風(fēng)險(xiǎn)，例如在商業(yè)中展示古董時(shí)，其被盜走商家將會(huì)面臨極大的損失，雖然那種場合一般都會(huì)有外部安保系統(tǒng)（此處外部是指除展示臺(tái)以外），但是也難免會(huì)有心懷不軌之人。我們的磁懸浮展示臺(tái)，它具有把展示商品、商品的旋轉(zhuǎn)、商品安放三者結(jié)合于一體，在展示商品的同時(shí)還確保了商品的安全性，具有很實(shí)用的商業(yè)價(jià)值，而且制造成本比較低，主要應(yīng)用線圈電磁鐵、arduino控制器、傳感器、報(bào)警器等設(shè)備的組合，不僅具有實(shí)用性，也確保了安全性。

2 設(shè)計(jì)的主要任務(wù)

1）實(shí)現(xiàn)磁懸浮展示臺(tái)的展示。

2）通過遙控器控制物體升降高度。

3）實(shí)現(xiàn)智能安保。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

磁懸浮展示臺(tái)是以arduino控制器為總控制，連接各項(xiàng)功能；霍爾傳感器、線圈電磁鐵作為商品的磁懸浮展示制作；紅外遙控器調(diào)懸浮物位置，升降商品或旋轉(zhuǎn)；紅外測據(jù)傳感器作為報(bào)警器對外界的感知，如果非管理人員強(qiáng)制靠近商品時(shí)，此時(shí)蜂鳴報(bào)警器便報(bào)警，然而只有當(dāng)紅外測距感感受外界與商品在一定距離是，才會(huì)啟動(dòng)蜂鳴器。

3.1 硬件模塊

3.1.1 arduinouno控制器

arduion是目前較為流行的電子互動(dòng)平臺(tái)，基于單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的，具有使用簡單、功能多樣、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)。在此系統(tǒng)中我們把a(bǔ)rduino做為主要控制器，因?yàn)樗袛?shù)字I/O口，也有模擬I/O口，同時(shí)支持SPI、IIC，UART串口通信。能夠連接傳感器，通過傳感器來感知環(huán)境。在我們的設(shè)計(jì)中，它連接霍爾傳感器、紅外測距傳感器、遙控控制實(shí)現(xiàn)吧各個(gè)模塊功能組合起來。

3.1.2 霍爾傳感器與線圈

霍爾傳感器的工作原理是霍爾效應(yīng)，當(dāng)有電子或原子通過時(shí)，在羅倫磁力的影響下，電子發(fā)生偏移的過程。在磁懸浮展示臺(tái)中霍爾傳感器與線圈是配合來使用的，線圈產(chǎn)生磁力與懸浮物產(chǎn)生相反的作用力，從而托起物體，由于力的不均衡可能會(huì)導(dǎo)致懸浮物不能穩(wěn)定懸浮在同一個(gè)位置，霍爾傳感器當(dāng)感受到受力的變化時(shí)，給一個(gè)拉力，把物體又拉回中心控制位置，總共兩組這樣的線圈，就可以把浮子限制在二維平面之內(nèi)了。

線圈產(chǎn)生的力是比較小的，因此只能夠推動(dòng)浮子在水平面移動(dòng)，要克服浮子的重力讓它懸浮起來，就要在四個(gè)線圈下面再加一個(gè)大的環(huán)形磁鐵提供斥力。同時(shí)在磁懸浮展示臺(tái)中，霍爾傳感器的安裝位置很有講究，它是測量通過其垂直面的磁力線，而我們電磁線圈在調(diào)節(jié)的同時(shí)磁力線也在變，如果這個(gè)變化被霍爾感應(yīng)到了結(jié)果就很不可靠了，所以霍爾的安裝位置應(yīng)該是位于四個(gè)線圈的中間高度，下圖既是一個(gè)安裝的位置，位置控制不好則物品很難浮起。

3.1.3 紅外遙控器

紅外遙控作為人工控制端，其特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，操作簡單，用途廣泛；紅外遙控器是對發(fā)射出來的編碼脈沖進(jìn)行解碼，紅外遙控發(fā)出的是二進(jìn)制脈沖碼，紅外發(fā)射管里邊的內(nèi)置接受管，將發(fā)射出來的光電信號轉(zhuǎn)化為微弱的電信號，在經(jīng)過內(nèi)部放大器進(jìn)行放大，然后通過自動(dòng)增益控制、濾波、解調(diào)等還原為遙控器發(fā)射出的院士編碼，接收頭通過識別原始編碼，進(jìn)行相應(yīng)端口的控制。在此設(shè)計(jì)紅外遙控可以控制懸浮的高低以及開啟安保模式。

3.1.4 超聲波測距傳感器與蜂鳴器

超聲波發(fā)射出的聲波方向感很強(qiáng)，功率較低，測量過程速度快，用途廣泛；其原理是聲音的傳播速度乘以傳播時(shí)間等于距物體的距離，其測量最大距離為十米。其由arduino系統(tǒng)控制，當(dāng)人或物距超聲波傳感器越近時(shí)，由控制器控制的蜂鳴器響聲將會(huì)越頻繁。夜間管理貴重商品有很大的不便之處，此時(shí)便可以開啟此模式，當(dāng)有人靠近時(shí)蜂鳴器則自動(dòng)報(bào)警提示保安。

3.1.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真圖

3.2 軟件模塊

Arduino語言是建立在C/C++基礎(chǔ)上的，Arduino語言只不過把AVR單片機(jī)相關(guān)的參數(shù)函數(shù)化，目前有兩種編程Arduino語言的軟件，一種是IDE編程環(huán)境，一種是微軟的Visual Studio環(huán)境。以下是我們根據(jù)各個(gè)模塊需要實(shí)現(xiàn)的功能，所做的程序流程圖。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 磁懸浮

磁懸浮控制動(dòng)對象的動(dòng)力學(xué)方程

4.2 線圈板安裝

安裝好傳感器要和電路板垂直，不要傾斜，不然懸浮不起來，我們可以先安裝一個(gè)線圈用來做參考傳感器高度。我們的套件總共有3個(gè)傳感器H1，H2，H3。H1放置方向絲印朝線圈X1方向，H2放置方向絲印朝線圈Y2方向，H3折彎絲印朝上高度和H1，H2差不多。（傳感器安裝很講究的，不能太低也不要太高，一定要垂直筆直，不然會(huì)影響懸?。?，如下為安裝示意圖：

4.3 超聲波安裝

超聲波傳播：C=RT÷M

式中：M：氣體摩爾質(zhì)量，空氣為2.8×10-3kg/mol

γ：氣體的定壓比熱和定容比熱的比值，空氣為1.40

R：氣體普適常數(shù)，為8.314kg/mol·K-1

T：為熱力學(xué)溫度

<注>在常溫下空氣近似為理想氣體上述公式適用

5 磁懸浮展示臺(tái)的調(diào)試

5.1 磁懸浮調(diào)試

由于霍爾傳感器輸出值有一個(gè)范圍，要使浮子懸浮在中間，所以我們要調(diào)節(jié)電位器讓浮子在中間時(shí)傳感器輸出值剛好在那個(gè)范圍中間，有2種調(diào)試方法。

方法一：電流表調(diào)試，扒開跳線帽DL1和DL2分別接上電流表，要2個(gè)電流表一起接，調(diào)節(jié)電位器微調(diào)1和微調(diào)2使電流為0.，調(diào)好后接上跳線帽。

方法二：手感調(diào)試，用手拿住浮子靠近線圈中間，靠感覺磁場力來調(diào)節(jié)電位器

順時(shí)針調(diào)節(jié)微調(diào)2浮子往線圈X2方向移動(dòng)，調(diào)到X2和Y2中間就好。

逆時(shí)針調(diào)節(jié)微調(diào)2浮子往線圈X2方向移動(dòng)， 調(diào)到X2和Y2中間就好。

順時(shí)針調(diào)節(jié)微調(diào)1浮子往線圈Y1方向移動(dòng)，調(diào)到X1和Y1中間就好。

逆時(shí)針調(diào)節(jié)微調(diào)1浮子往線圈X1方向移動(dòng)，調(diào)到X1和Y1中間就好。

5.2 電路板短路

排除電路板設(shè)計(jì)及器件的問題外，可能是以下幾個(gè)地方造成的電路板短路：焊錫時(shí)間短，造成焊接不良；焊接后無光澤，可能由于焊接度數(shù)過低；焊點(diǎn)不平、破碎，此時(shí)應(yīng)重新加熱。在焊接中需要我們仔細(xì)點(diǎn)來避免這些不必要問題，應(yīng)在焊接時(shí)提前試一下電烙鐵、焊錫是否否和焊接要求。

6 總結(jié)

我們制作的磁懸浮展示臺(tái)只完成了一部分功能，從開始設(shè)計(jì)到現(xiàn)在的部分實(shí)現(xiàn)，我們無不以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度來對待，但由于經(jīng)費(fèi)不足，我們這個(gè)項(xiàng)目目前只能終止于此，希望以后有機(jī)會(huì)可以把它做的更完善。我們的設(shè)計(jì)是基于Arduino系統(tǒng)上的，由于部分功能沒有實(shí)現(xiàn)，所以并沒有實(shí)際測量過的數(shù)據(jù)，但該技術(shù)已經(jīng)成熟，我們在仿真時(shí)也盡可能提高了其可行性，在實(shí)際生產(chǎn)中也不會(huì)有太大的偏差。我們的設(shè)計(jì)是在以往懸浮的功能上加上安保，一方面我們滿足了顧客需求，另一方面滿足了其安全性，這樣的設(shè)計(jì)更否合廣大商家的需求，而且其制做原理簡單，成本較低，實(shí)用性強(qiáng)，具有較好的應(yīng)用前景。

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作者簡介

周嶸（1998-），女，陜西漢中人，目前就讀于?？诮?jīng)濟(jì)學(xué)院，是16級本科物聯(lián)網(wǎng)工程系學(xué)生。