一种基于LabVIEW的自追踪太阳能磁悬浮演示仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种基于LabVIEW的自追踪太阳能磁悬浮演示仪，由自追踪式太阳能电池系统、磁悬浮控制系统、基于LabVIEW的磁场强度检测与显示系统构成；自追踪式太阳能电池系统提供直流电驱动装置；电磁铁安装系统主支撑架的上端，磁阻传感器放置在悬浮物正上方和正下方。选择合适形状大小的悬浮物，在其上下两端分别固定一块永磁体，单片机控制电磁铁磁性使悬浮物处于稳定悬浮状态；磁场强度检测与显示系统对检测到的磁场强度在LCD上实时显示，并在计算机上绘制二维动态磁场强度曲线图，实现对磁悬浮和太阳能跟踪等物理现象的演示。
【专利说明】—种基于LabVIEW的自追踪太阳能磁悬浮演示仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种基于LabVIEW的自追踪太阳能磁悬浮演示仪。
【背景技术】
[0002]磁悬浮技术是一种利用悬浮磁力将物体悬浮于空间，使其与其他物体处于无摩擦、无接触的平衡状态的一种支承技术。磁悬浮技术由于具有传统支承技术无法比拟的无接触、无摩擦、无污染等优点，而有具有广泛的应用空间和研究价值。并且随着电子技术和新型电磁材料的发展，磁悬浮技术得到了进一步的发展，磁悬浮技术已经被广泛应用于交通、机床、航空航天等领域。由于磁悬浮技术原理结合了电磁学、机械学、电动力学等高新技术，因此对磁悬浮技术的直观演示并应用于课堂教学中，不仅可以促进学生学习的兴趣和主动性，激发大家探索前沿科技的动力，同时还能帮助学生对相关领域技术的了解，并在充分了解实验装置设计思路、功能的基础上，提出自己独特的新观点，促进可以的发展。传统的磁悬浮演示仪具有一定的缺陷，例如专利号为200910181945.7的“一种磁悬浮演示装置”，利用磁铁同性相斥的原理使物体处于悬浮状态，但是悬浮的效果差，只能对恒定重量的物体进行悬浮，并且不能定量显示磁悬浮技术的相关物理原理。
[0003]在全球能源危机和空气污染的背景下，作为一种清洁能源，太阳能的利用受到了许多国家的重视。太阳能电池板的发电量与照射到它上面的光照强度成正比，且当太阳光垂直照射时，其发电效率最高。太阳能跟踪系统是光热和光伏发电过程中，利用各种传控装置使太阳能电池板在太阳位置不断变化的情况下，仍能时刻保证太阳光垂直照射到太阳能电池板，从而达到提高光电转换效率的机械及电控单元系统。传统的磁悬浮演示采用普通的220V的家用电器标准电压，极大地限制了使用的范围，或者采用普通电池，工作时间短暂，无法带到户外或者偏远区域进行教学演示。将自追踪式的太阳能电池应用于磁悬浮演示仪的研制，不仅节能环保、提高系统的工作效率，而且能同时对磁悬浮和太阳能跟踪等不同的物理现象进行演示，具有较高的教学价值。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的是提供一种基于LabVIEW的自追踪太阳能磁悬浮演示仪。
[0005]本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是:一种基于LabVIEW的自追踪式太阳能磁悬浮演示仪，由自追踪式太阳能电池系统、磁悬浮控制系统、基于LabVIEW的磁场强度检测与显示系统构成，其特征在于:太阳光跟踪器和光照度传感器安装在太阳能电池表面，89C52单片机和保护电路被集成在主电路盒中；电磁铁安装系统主支撑架的上端，磁阻传感器放置在悬浮物正上方和正下方。自追踪式太阳能电池实时跟踪太阳位置并校准太阳能电池方位，保证太阳光垂直照射太阳能电池，提供直流电源驱动装置。两个磁阻传感器分别检测悬浮物两端永磁体的磁场强度，单片机通过磁场强度信号获取悬浮物位置信息，并控制电磁铁的电磁力，使悬浮物处于稳定悬浮状态。
[0006]所述的自追踪式太阳能电池系统的结构如图1所示，主要由太阳能电池、89C52单片机、太阳光跟踪传感器、光照度传感器、电机驱动单元、保护电路和蓄电池组成。通过太阳能电池发出的直流电驱动系统，蓄电池作为积蓄太阳能发电板的剩余电力的设备，用于在太阳光照较弱时为系统提供电能。太阳光跟踪器安装在太阳能电池表面且探测表面与太阳能电池表面平行，用于检测太阳能电池是否对准太阳。当太阳光垂直入射时，太阳光跟踪器上的四个方位输出信号相等为零。当入射太阳光偏离垂直角度时，传感器能检测出当前太阳偏离的方位，相应方位发出信号，并传输给单片机。光照度传感器对太阳光强度进行检测，使系统在不同天气和季节条件下，采用不同的电机驱动程序，提高太阳能跟踪的准确性。单片机通过对太阳光跟踪传感器和光照度传感器的信息进行分析后，发出跟踪信号，使电机驱动单元对太阳能电池板的角度进行控制，保证太阳光垂直入射到太阳能电池上。单片机控制该系统每十分钟对太阳光的角度进行一次校正。保护电路包括太阳能控制器和方位角保护电路，太阳能控制器控制蓄电池对太阳能的采集和储存的工作状态，并对蓄电池起到保护作用，延长蓄电池使用寿命，方位角保护电路保证跟踪支架的安全性。
[0007]所述的磁悬浮控制系统结构如图2所示，在太阳能电池提供的电源的驱动下，电磁铁产生动态的电磁力，使物体能稳定地悬浮在电磁铁下方。将两个霍尼威尔HMC5843磁阻传感器分别放置在悬浮物正上方和正下方，当这些磁阻传感器工作时，其输出电压与检测到的悬浮物两端永磁体的磁场强度成正比。当电磁铁磁力小于悬浮物重力而使悬浮物下落时，悬浮物正上方的磁阻传感器与悬浮物上端永磁体距离增大而输出电压减小，反之对于悬浮物下方的磁阻传感器，其与悬浮物下端永磁体距离减小而输出电压增大。当电磁铁磁力大于悬浮物重力而使悬浮物上浮时，悬浮物正上方的磁阻传感器与悬浮物上端永磁体距离减小而输出电压增大，反之对于悬浮物下方的磁阻传感器，其与悬浮物下端永磁体距离增大而输出电压减小。当选择合适形状大小的悬浮物时，在其上下两端分别固定一块永磁体时，并放置在电磁铁下方，磁阻传感器检测磁场强度并将信号通过串口发送到单片机，单片机通过分析磁场强度信息获得悬浮物位置信息，并控制电磁铁的磁性大小。控制电磁铁的磁力使其对悬浮物的拉力等于悬浮物的重力时，从而保证悬浮物处于稳定悬浮状态。
[0008]所述的基于LabVIEW的磁场强度检测与显示系统的系统框图如附图3所示，其主控制模块采用89C52单片机作为微控制器对磁阻传感器模组发出指令，接收并显示相应的信息。两个磁阻传感器分别独立测量悬浮物上下两端两个永磁体的磁场大小，磁场强度的变化引起输出电流的变化，A/D转化器将模拟信号转化为数字信号并传输给单片机。单片机将表征当前磁场大小的数字量通过LCD进行同步显示，同时磁场强度信号实时通过串口传输数据到计算机，利用LabVIEW软件编写磁场分析软件，对检测到的磁场强度值进行一定的数据处理，显示当前空间磁场强度，并绘制成二维图形。整个监控程序主要由磁场测量模块驱动、液晶显示驱动、实时时钟驱动和串口驱动组成。所述的系统磁场强度监控程序流程如附图5所示，系统在初始化后对磁阻传感器模块传输的信息进行读取，将得到的数据上传至单片机，控制器驱动LCD进行磁场强度的显示，随后单片机将对系统键盘端口进行扫描，并根据扫描得到的键值进行相应的处理。将数据通过串口连接到计算机，利用LabVIEW软件编写的具有人机交换界面的磁场分析软件，对检测到的磁场强度值进行数据处理，并将当前空间磁场强度绘制成二维图形显示出来。
[0009]本实用新型的有益效果是，利用自追踪式太阳能电池系统为装置提供动力，可以随时储存电能，使用时间长，提高了太阳光的利用率，并且能起到实现太阳能跟踪的演示功能。利用两个霍尼威尔HMC5843磁阻传感器实时检测的磁场强度，并使用单片机对电路进行控制，保证悬浮物体处于稳定的悬浮状态，增强了悬浮的稳定性。利用基于LabVIEW的磁场强度检测与显示系统，对检测到的磁场强度采用图形学的方式实时地定量显示，精确度高，具有较高的物理演示价值。将自追踪式的太阳能电池应用于磁悬浮演示仪的研制，不仅节能环保、提高系统的工作效率，而且能同时对磁悬浮和太阳能跟踪等不同的物理现象进行演示，具有较高的教学价值。相对于传统磁悬浮演示仪，本装置具有结构简单、操作方便、拓展性强、演示现象多元等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为自追踪式太阳能电池系统组成示意图。
[0011]图2为磁悬浮控制系统结构图。
[0012]图3为磁场强度检测与显示系统的系统框图。
[0013]图4为基于LabVIEW的自追踪式太阳能磁悬浮演示仪的装置示意图。
[0014]图5为程序系统控制流程图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图本实用新型的具体结构作进一步说明。
[0016]图2中，201-电磁铁，202-磁阻传感器，203-悬浮物，204-主支撑架，205-永磁体，207-主电路盒。
[0017]图4中，401-太阳能电池，402-蓄电池，403-太阳能跟踪传感器，404-光照度传感器,405-电机驱动单元，406-磁阻传感器，407-悬浮物，408-永磁体，409-主电路盒，410-LCD，411-控制按键，412-计算机。
[0018]基于LabVIEW的自追踪式太阳能磁悬浮演示仪，是一种结合虚拟仪器和机械调制的演示装置，它由自追踪式太阳能电池系统、磁悬浮控制系统、基于LabVIEW的磁场强度检测与显示系统等模块构成。
[0019]本实用新型的太阳能追踪系统的一个实施例如图4所示，自追踪式太阳能电池系统主要由太阳能电池401、89C52单片机、太阳光跟踪传感器403、光照度传感器404、电机驱动单元405、保护电路和蓄电池407组成。89C52单片机和保护电路等电路被集成在主电路盒409中。通过太阳能电池401发出的直流电驱动系统，蓄电池407作为积蓄太阳能发电板的剩余电力的设备，用于在太阳光照较弱时系统的电源。太阳光跟踪器404和光照度传感器405安装在太阳能电池表面且探测表面与太阳能电池表面平行，用于检测太阳光入射角度和光照度等信息，并发送到主电路盒409中的单片机。单片机通过对信息进行分析后，发出跟踪信号，使电机驱动单元405对太阳能电池401的角度进行控制，保证太阳光垂直入射到太阳能电池401上。单片机控制该系统每十分钟对太阳光的角度进行一次校正。
[0020]本实用新型的磁悬浮控制的一个实施例如图2所示，电磁铁201安装系统主支撑架204的上端，在太阳能电池提供的直流电的驱动下，电磁铁201产生动态的电磁力，使悬浮物203能悬浮在电磁铁下方。将两个霍尼威尔HMC5843磁阻传感器202分别放置在悬浮物203正上方和正下方，当这些磁阻传感器202工作时，其输出电压与检测到的悬浮物203两端永磁体202的磁场强度成正比。当电磁铁201磁力小于悬浮物203重力而使悬浮物203下落时，悬浮物203正上方的磁阻传感器202与悬浮物上端永磁体205距离增大而输出电压减小，反之对于悬浮物203下方的磁阻传感器202，其与悬浮物下端永磁体205距离减小而输出电压增大。当电磁铁201磁力大于悬浮物203重力而使悬浮物203上浮时,悬浮物203正上方的磁阻传感器202与悬浮物203上端永磁体205距离减小而输出电压增大，反之对于悬浮物203下方的磁阻传感器202,其与悬浮物203下端永磁体205距离增大而输出电压减小。对于质量适当切外形呈球状的悬浮物203，在其上下两端分别固定一块永磁体205时，并放置在电磁铁205下方，磁阻传感器202通过检测磁场强度获得悬浮物位置信息，主控制电路通过比较不同的输出电压来控制电磁铁的磁性大小，使悬浮物203处于稳定悬浮状态。
[0021]本实用新型的磁场强度检测的一个实施例如附图3和附图4所示，磁场强度检测及其显示的主控制模块采用89C52单片机作为微控制器对磁阻传感器模组发出指令，接收并显示相应的信息。两个磁阻传感器分别独立测量悬浮物上下两端两个永磁体的磁场大小，磁场强度的变化引起输出电流的变化，A/D转化器将模拟信号转化为数字信号并传输给单片机。单片机将表征当前磁场大小的数字量通过LCD进行同步显示，同时磁场强度信号实时通过串口传输数据到计算机，利用LabVIEW软件编写磁场分析软件，对检测到的磁场强度值进行一定的数据处理，显示当前空间磁场强度，并绘制成二维图形，并在LCD上实时显示磁场强度变化曲线图。在附图4中，在主电路盒409上的控制按键411中，打开开关并设置好相关的参数，主电路盒409中的单片机根据磁阻传感器406传输过来的磁悬浮物407上下两端的永磁体408的磁场强度信息，在LCD410上实时显示磁场强度信息。将数据通过串口连接到计算机412，利用LabVIEW软件编写的具有人机交换界面的磁场分析软件，对检测到的磁场强度值进行数据处理，并将当前空间磁场强度绘制成二维图形显示出来。
[0022]综上所述，本实用新型与现有技术相比，利用自追踪式太阳能电池系统为装置提供动力，可以随时储存电能，使用时间长，提高了太阳光的利用率，并且能起到实现太阳能跟踪的演示功能。利用两个霍尼威尔HMC5843磁阻传感器实时检测的磁场强度，并使用单片机对电路进行控制，保证悬浮物体处于稳定的悬浮状态，增强了悬浮的稳定性。利用基于LabVIEW的磁场强度检测与显示系统，对检测到的磁场强度采用图形学的方式实时地定量显示，精确度高，具有较高的物理演示价值。将自追踪式的太阳能电池应用于磁悬浮演示仪的研制，不仅节能环保、提高系统的工作效率，而且能同时对磁悬浮和太阳能跟踪等不同的物理现象进行演示，具有较高的教学价值。相对于传统磁悬浮演示仪，本装置具有结构简单、操作方便、拓展性强、演示现象多元、拓展性强等优点。
【权利要求】
1.一种基于LabVIEW的自追踪太阳能磁悬浮演示仪，由自追踪式太阳能电池系统、磁悬浮控制系统、基于LabVIEW的磁场强度检测与显示系统构成，其特征在于:太阳光跟踪器和光照度传感器安装在太阳能电池表面，89C52单片机和保护电路被集成在主电路盒中；电磁铁安装系统主支撑架的上端，磁阻传感器放置在悬浮物正上方和正下方。
【文档编号】G09B23/18GK204087633SQ201420275821
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年5月22日 优先权日:2014年5月22日
【发明者】赵传华, 赵凌宇, 张熙曼 申请人:泰山医学院