磁懸浮展示臺

周嶸 范倩倩

摘 要：懸浮物位于展示臺上時，當檢測到懸浮物向左移動時，兩個線圈一個拉力一個吸力，把它推向右邊，同理浮子向右移動，通過線圈作用力把它拉向左邊，實現懸浮物一直處于展示臺中心位置；由于磁懸浮的展示產品懸浮在空中，磁力與重力相抵消，只有空氣與阻力的影響，所以給產品一個初始速度，就可以使產品不停旋轉，同時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安保功能，當非工作人員拿取物品時，蜂鳴器將自動報警。其主要組成部分由，arduinouno控制，1298n驅動四個線圈電磁鐵，霍爾傳感器和紅外遙控器調懸浮物位置，超聲波測距，蜂鳴器報警。

關鍵詞：線圈電磁鐵；arduino控制器；傳感器；報警器

1 課程研究的背景與意義

磁懸浮展示臺作為新興起的一種展示物品的方式，它改變了以往柜臺展示商品的方式，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的應用也是比較廣泛的，例如現在珠寶店所用的首飾展示臺，它直接把物品放在展示臺上邊，通過展示臺的旋轉給我們展示商品，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，只需把地球儀放在展示臺上，地球儀便實現自動懸浮，它通過通電后的電磁感應原理實現懸浮。

展示臺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險，例如在商業中展示古董時，其被盜走商家將會面臨極大的損失，雖然那種場合一般都會有外部安保系統（此處外部是指除展示臺以外），但是也難免會有心懷不軌之人。我們的磁懸浮展示臺，它具有把展示商品、商品的旋轉、商品安放三者結合于一體，在展示商品的同時還確保了商品的安全性，具有很實用的商業價值，而且制造成本比較低，主要應用線圈電磁鐵、arduino控制器、傳感器、報警器等設備的組合，不僅具有實用性，也確保了安全性。

2 設計的主要任務

1）實現磁懸浮展示臺的展示。

2）通過遙控器控制物體升降高度。

3）實現智能安保。

3 系統結構

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

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平臺，基于單片機系統開發的，具有使用簡單、功能多樣、價格低廉等優點，廣泛應用于電子設計。在此系統中我們把arduino做為主要控制器，因為它有數字I/O口，也有模擬I/O口，同時支持SPI、IIC，UART串口通信。能夠連接傳感器，通過傳感器來感知環境。在我們的設計中，它連接霍爾傳感器、紅外測距傳感器、遙控控制實現吧各個模塊功能組合起來。

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，當有電子或原子通過時，在羅倫磁力的影響下，電子發生偏移的過程。在磁懸浮展示臺中霍爾傳感器與線圈是配合來使用的，線圈產生磁力與懸浮物產生相反的作用力，從而托起物體，由于力的不均衡可能會導致懸浮物不能穩定懸浮在同一個位置，霍爾傳感器當感受到受力的變化時，給一個拉力，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了。

線圈產生的力是比較小的，因此只能夠推動浮子在水平面移動，要克服浮子的重力讓它懸浮起來，就要在四個線圈下面再加一個大的環形磁鐵提供斥力。同時在磁懸浮展示臺中，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節的同時磁力線也在變，如果這個變化被霍爾感應到了結果就很不可靠了，所以霍爾的安裝位置應該是位于四個線圈的中間高度，下圖既是一個安裝的位置，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，其特點是抗干擾能力強，操作簡單，用途廣泛；紅外遙控器是對發射出來的編碼脈沖進行解碼，紅外遙控發出的是二進制脈沖碼，紅外發射管里邊的內置接受管，將發射出來的光電信號轉化為微弱的電信號，在經過內部放大器進行放大，然后通過自動增益控制、濾波、解調等還原為遙控器發射出的院士編碼，接收頭通過識別原始編碼，進行相應端口的控制。在此設計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

超聲波發射出的聲波方向感很強，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間等于距物體的距離，其測量最大距離為十米。其由arduino系統控制，當人或物距超聲波傳感器越近時，由控制器控制的蜂鳴器響聲將會越頻繁。夜間管理貴重商品有很大的不便之處，此時便可以開啟此模式，當有人靠近時蜂鳴器則自動報警提示保安。

3.1.5 系統結構仿真圖

3.2 軟件模塊

Arduino語言是建立在C/C++基礎上的，Arduino語言只不過把AVR單片機相關的參數函數化，目前有兩種編程Arduino語言的軟件，一種是IDE編程環境，一種是微軟的Visual Studio環境。以下是我們根據各個模塊需要實現的功能，所做的程序流程圖。

4 結構設計

4.1 磁懸浮

磁懸浮控制動對象的動力學方程

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線圈用來做參考傳感器高度。我們的套件總共有3個傳感器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，不然會影響懸浮），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，為8.314kg/mol·K-1

T：為熱力學溫度

<注>在常溫下空氣近似為理想氣體上述公式適用

5 磁懸浮展示臺的調試

5.1 磁懸浮調試

由于霍爾傳感器輸出值有一個范圍，要使浮子懸浮在中間，所以我們要調節電位器讓浮子在中間時傳感器輸出值剛好在那個范圍中間，有2種調試方法。

方法一：電流表調試，扒開跳線帽DL1和DL2分別接上電流表，要2個電流表一起接，調節電位器微調1和微調2使電流為0.，調好后接上跳線帽。

方法二：手感調試，用手拿住浮子靠近線圈中間，靠感覺磁場力來調節電位器

順時針調節微調2浮子往線圈X2方向移動，調到X2和Y2中間就好。

逆時針調節微調2浮子往線圈X2方向移動， 調到X2和Y2中間就好。

順時針調節微調1浮子往線圈Y1方向移動，調到X1和Y1中間就好。

逆時針調節微調1浮子往線圈X1方向移動，調到X1和Y1中間就好。

5.2 電路板短路

排除電路板設計及器件的問題外，可能是以下幾個地方造成的電路板短路：焊錫時間短，造成焊接不良；焊接后無光澤，可能由于焊接度數過低；焊點不平、破碎，此時應重新加熱。在焊接中需要我們仔細點來避免這些不必要問題，應在焊接時提前試一下電烙鐵、焊錫是否否和焊接要求。

6 總結

我們制作的磁懸浮展示臺只完成了一部分功能，從開始設計到現在的部分實現，我們無不以嚴謹的態度來對待，但由于經費不足，我們這個項目目前只能終止于此，希望以后有機會可以把它做的更完善。我們的設計是基于Arduino系統上的，由于部分功能沒有實現，所以并沒有實際測量過的數據，但該技術已經成熟，我們在仿真時也盡可能提高了其可行性，在實際生產中也不會有太大的偏差。我們的設計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，這樣的設計更否合廣大商家的需求，而且其制做原理簡單，成本較低，實用性強，具有較好的應用前景。

參考文獻

[1]陳安安.磁懸浮平臺控制系統的研究[D].山東大學，2016.

[2]蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J].電子設計工程，2012，20（16）：155-157.

[3]郭軍，劉和平，劉平.基于大電流檢測的霍爾傳感器應用[J].傳感器與微系統，2011，30（05）：142-145.

[4]趙廣濤，程蔭杭.基于超聲波傳感器的測距系統設計[J].微計算機信息，2006（01）：129-130+149.

[5]聶詩良，李磊民.紅外遙控信號的一種編碼解碼方法[J].儀表技術與傳感器，2004（08）：28-29+32.

作者簡介

周嶸（1998-），女，陜西漢中人，目前就讀于海口經濟學院，是16級本科物聯網工程系學生。