專利名稱：基于數(shù)字控制的磁懸浮地球儀演示模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及磁懸浮技術(shù)領(lǐng)域，特別是磁懸浮地球儀控制的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磁懸浮技術(shù)最早起源于德國，現(xiàn)在我們生活中看到的最有成就的應(yīng)用就是磁懸浮 列車、磁懸浮軸承等。磁懸浮技術(shù)是集電磁學(xué)、電子技術(shù)、控制工程、信號處理、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力 學(xué)為一體的典型的機(jī)電一體化技術(shù)。隨著電子技術(shù)、 控制工程、信號處理元器件、電磁理論 及新型電磁材料的發(fā)展和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的進(jìn)展，磁懸浮技術(shù)得到了長足的發(fā)展。無論是在磁 懸浮列車、磁懸浮軸承，還是磁懸浮地球儀，其主體涉及到的就是通過控制電磁鐵的磁性方 向和大小，結(jié)合強(qiáng)磁體之后做到受控物體的受力平衡而達(dá)到懸浮狀態(tài)。經(jīng)過檢索，現(xiàn)有的磁懸浮地球儀演示模型，包括地球儀、磁懸電磁體、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電 磁體，將地球儀設(shè)置于磁懸電磁體下方，地球儀內(nèi)部近北極設(shè)置一只永久磁鐵，地球儀內(nèi)部 近南極設(shè)置二只永久磁鐵；磁懸電磁體通過支架懸吊于地球儀的上方。當(dāng)該演示模型被一 外接的控制器控制后，磁懸電磁體便產(chǎn)生磁場，使地球儀磁場中受到向上的磁力作用，當(dāng)該 磁力與地心引力相等時(shí)，地球儀則懸浮在空中。其中，此種模型的控制器一般由放大器電 路、比較器電路和霍爾傳感器構(gòu)成的模擬電路組成，其電路設(shè)計(jì)簡單，成本低。但這種簡單 的模擬控制器所帶來的效果還不夠完美，其主要體現(xiàn)為懸浮地球儀在克服外部擾動(dòng)影響上 的不足和在功能及展示效果上的不足。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對上述的不足而提出的基于數(shù)字控制的磁懸浮地球儀演 示模型，該磁懸浮地球儀演示模型包括地球儀3、磁懸電磁體1、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電磁體7、升降托 盤9以及地球儀支架11，采用嵌入式計(jì)算機(jī)及其外圍電路作為控制器；主控制器包括嵌入 式處理器、磁懸電磁體驅(qū)動(dòng)電路、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電磁體驅(qū)動(dòng)電路、傳感器采樣電路、旋轉(zhuǎn)角度定 位電路、觸摸屏LCD驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路、彩燈驅(qū)動(dòng)電路，紅外遙控發(fā)射器。從機(jī)控制器包括紅外遙控接收器、彩燈驅(qū)動(dòng)電路。地球儀支架11上端座裝有磁懸電磁體1和霍爾線性位置傳感器2，下端座包括旋 轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電磁體7、旋轉(zhuǎn)角度定位器8和主控制器。地球儀，其內(nèi)部包括北極端固定的一顆強(qiáng)磁鐵，南半球端固定的成等邊三角形式 的三只小強(qiáng)磁體5 ；南極端固定的一從機(jī)控制器及電池6 ；地球儀3表面固定的彩燈裝飾4。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電磁體7為設(shè)置在地球儀支架下端座類似步進(jìn)電機(jī)定子的裝置。旋轉(zhuǎn)角度定位器8分別由固定在地球儀上的紅外發(fā)射管和固定在地球儀支架下 端座上的紅外接收管構(gòu)成。通過對懸浮地球儀位置和通過磁懸電磁體的電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，利用PID 算法對通過電磁鐵的電流進(jìn)行修改輸出控制，使地球儀在豎直方向上的受力平衡，從而達(dá) 到對地球儀的懸浮控制，利用這種數(shù)字控制法可以有效的克服一定強(qiáng)度下的外部擾動(dòng)，比如風(fēng)力、人手的碰觸和支架臺面的震動(dòng)等；同時(shí)，懸浮狀態(tài)中的地球儀還可以通過其下方的 旋轉(zhuǎn)磁鐵形成的旋轉(zhuǎn)磁場進(jìn)行有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)，其中包括勻速旋轉(zhuǎn)、變速旋轉(zhuǎn)、定角旋轉(zhuǎn)；彩 色觸摸屏12可以提高人機(jī)交互的能力，方便用戶對地球儀上各個(gè)地區(qū)國家的查找；此外、 本作品還增加了 LED彩燈裝飾，使得此作品更加富有展示觀看效果。
以下結(jié)合附圖與實(shí)施案例進(jìn)一步說明本實(shí)用新型。


圖1本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)模塊框圖；圖2本實(shí)用新型具有LED彩燈裝飾模型示意圖；圖3本實(shí)用新型模型支架下端座俯視圖。圖中標(biāo)號1、磁懸電磁體2、位置傳感器3、地球儀4、彩燈裝飾5、強(qiáng)磁鐵6、從機(jī)控制 器及電池7、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電磁體8、旋轉(zhuǎn)角度定位器(紅外接收管)9、碗型托盤10、帶螺 桿步進(jìn)電機(jī)11、地球儀支架12、觸摸屏
具體實(shí)施方式
下面通過一個(gè)實(shí)施案例，進(jìn)一步說明本實(shí)用新型。采用嵌入式計(jì)算機(jī)LPC2114及外圍電路作為核心控制器。地球儀3內(nèi)部北極端固定一顆強(qiáng)磁鐵，南半球端固定成等邊三角形式的三只小強(qiáng) 磁體；南極端固定一從機(jī)控制器及電池；地球儀3表面設(shè)置固定的彩燈裝飾4。在地球儀支架11下端座上裝有一升降托盤，升降托盤是由一碗型托盤9和一只帶 有螺紋桿的步進(jìn)電機(jī)10構(gòu)成；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電磁體7設(shè)置在地球儀支架11下端座表面，由8只小型電磁鐵構(gòu)成的類 似步進(jìn)電機(jī)定子的裝置，8只電磁鐵兩兩之間呈45度夾角，其中心位置與懸浮電磁鐵在豎 直方向上同軸。旋轉(zhuǎn)角度定位器8是由1只固定在地球儀3上的紅外發(fā)射管和固定在支架下端底 座上、碗型托盤9外邊緣的12只紅外接收管構(gòu)成。本實(shí)用新型在工作時(shí)，起初由安裝在地球儀3底端的升降托盤把地球儀3提升到 預(yù)定位子，并使地球儀3在豎直平面內(nèi)受力平衡，達(dá)到懸?。换芈渖低斜P，此時(shí)地球儀3就 會(huì)在懸浮的狀態(tài)下以一個(gè)固定的轉(zhuǎn)速懸浮自轉(zhuǎn)，彩燈裝飾4工作；用戶或參觀者可以通過 設(shè)置在地球儀支架11下端座上的觸摸屏12選擇地球儀3的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，亦可選擇地 球儀3的旋轉(zhuǎn)角度(15度的整數(shù)倍)，在點(diǎn)擊確定后主控制器就會(huì)控制地球儀3作出相應(yīng)的 動(dòng)作；用戶或參觀者還可通過觸摸屏12選擇自己要在地球儀3上查找的國家名和地區(qū)名， 點(diǎn)擊確定之后控制器就會(huì)驅(qū)使地球儀3旋轉(zhuǎn)，直至標(biāo)有該國家名或地區(qū)名的一側(cè)轉(zhuǎn)向模型 的正面；并且點(diǎn)亮安裝在地球儀3表面該國家名或地區(qū)名的彩燈裝飾4(例我們想查找北 京在地球上的位置，我們就可以在觸摸屏上的菜單中選擇‘北京’字樣、點(diǎn)擊確定，之后控制 器就會(huì)控制地球儀3把標(biāo)有地理位置‘北京’的一面轉(zhuǎn)向演示模型的正面，同時(shí)安裝在地球 儀3的地理位置‘北京’那一點(diǎn)上的彩燈點(diǎn)亮)。
權(quán)利要求基于數(shù)字控制的磁懸浮地球儀演示模型，包括地球儀、磁懸電磁體、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電磁體以及地球儀支架，其特征在于所述地球儀支架(11)上端座裝有磁懸電磁體(1)和位置傳感器(2)，其下端座設(shè)置旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電磁體(7)、旋轉(zhuǎn)角度定位器(8)和主控制器；所述主控制器包括嵌入式處理器、磁懸電磁體驅(qū)動(dòng)電路、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電磁體驅(qū)動(dòng)電路、傳感器采樣電路、旋轉(zhuǎn)角度定位電路、觸摸屏LCD驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路、彩燈驅(qū)動(dòng)電路，紅外遙控發(fā)射器；所述地球儀(3)的北極端內(nèi)部固定一強(qiáng)磁鐵；南半球內(nèi)部固定成等邊三角形的強(qiáng)磁體；南極端內(nèi)部固定一從機(jī)控制器及電池(6)；所述從機(jī)控制器由紅外遙控接收器、彩燈驅(qū)動(dòng)電路組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的演示模型，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電磁體(7)由8只小 型電磁鐵設(shè)置構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的演示模型，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)角度定位器(8)的12只紅 外接收管固定在地球儀支架(11)下端座上；另外1只紅外發(fā)射管設(shè)置在地球儀(3)里面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的演示模型，其特征在于所述地球儀支架(11)下端座設(shè)置有 一升降托盤；其由一碗型托盤(9)和一只帶有螺紋桿的步進(jìn)電機(jī)(10)構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的演示模型，所述地球儀支架(11)下端座設(shè)置有觸摸屏(12)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的演示模型，其特征在于所述地球儀(3)的表面設(shè)置固定的 彩燈裝飾⑷。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的演示模型，其特征在于所述嵌入式處理器采用嵌入式計(jì)算 機(jī) LPC2114。
專利摘要基于數(shù)字控制的磁懸浮地球儀演示模型，采用嵌入式計(jì)算機(jī)LPC2114及外圍電路作為核心控制器，通過對懸浮地球儀位置和電磁鐵的電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，利用PID算法對通過電磁鐵的電流進(jìn)行控制，使地球儀在豎直方向上受力平衡，從而達(dá)到對地球儀的懸浮控制，利用這種數(shù)字控制法可克服外部擾動(dòng)；地球儀還可以通過其下方的旋轉(zhuǎn)磁鐵形成的旋轉(zhuǎn)磁場進(jìn)行有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)；主控制上的觸摸式液晶顯示屏可增進(jìn)人機(jī)交互，方便用戶對地球儀演示模型的操縱控制；在其支架下方安放一步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)在系統(tǒng)通電后會(huì)通過螺桿上的托盤將地球儀抬高到預(yù)定懸浮點(diǎn)，等地球儀所受到的重力和懸浮力達(dá)到平衡時(shí)，再使托盤恢復(fù)到初始位置；LED彩燈裝飾，更加富有展示觀看效果。
文檔編號G09B27/08GK201570185SQ200920211889
公開日2010年9月1日 申請日期2009年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月5日
發(fā)明者彭金文, 李斌, 陳志毅, 黃建一 申請人:上海第二工業(yè)大學(xué)