太陽能主控體磁懸浮

【摘要】太陽能主控體磁懸浮是由太陽能電池葉片經(jīng)太陽照射后為電路提供電能，并且通過霍爾系統(tǒng)的反饋和控制電路調(diào)節(jié)勵磁線圈電流從而保持主控體懸浮的穩(wěn)定，并且可以在外部用無線控制器信號通過接收模塊傳入電路，同時(shí)單片機(jī)程序控制電路運(yùn)行調(diào)整主控體穩(wěn)定懸浮基點(diǎn)，達(dá)到主控體上升、下降的目的。太陽能供電的主控體磁懸浮，提供了持續(xù)時(shí)效的主控體磁懸浮的裝置。

【關(guān)鍵詞】太陽能;主控體磁懸浮;電子電路;外部無線控制

1.技術(shù)背景

磁懸浮技術(shù)（electromagnetic suspen-sion）簡稱EML技術(shù)，是利用磁場作用使物體懸浮的一種技術(shù)。磁懸浮的基本原理有：抗磁物質(zhì)的磁懸浮，超導(dǎo)磁懸浮，自旋磁懸浮，伺服電磁懸浮。主控體磁懸浮，是體現(xiàn)自身運(yùn)動意志的一種磁懸浮方式，這種懸浮方式的穩(wěn)定性和運(yùn)動由懸浮體自身調(diào)節(jié)，屬于伺服磁懸浮。主控體是由控制電路包括無線接收模塊和穩(wěn)壓模塊、太陽能電池及葉片、穩(wěn)壓模塊、霍爾傳感器和勵磁線圈集成一體構(gòu)成懸浮整體。本裝置的伺服磁懸浮的能源來自太陽能電池供電，將光能持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化為用于伺服磁懸浮的電能。在自然狀態(tài)下，懸浮好像無外界影響下持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，這似乎打破了恩紹（Earnshaw）定理。恩紹定理指出點(diǎn)粒子集不能被穩(wěn)定維持在僅由電荷的靜電相互作用構(gòu)成的一個(gè)穩(wěn)定靜止的力學(xué)平衡結(jié)構(gòu)，該定理首次被英國數(shù)學(xué)家塞繆爾·恩紹于1842年證明，后擴(kuò)展到磁學(xué)領(lǐng)域。

圖1 電路設(shè)計(jì)思路

2.電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)思路見圖1。工作電路見圖2。太陽能電池葉片經(jīng)光照射為12V的太陽能電池供電，然后電池電壓通過78L08穩(wěn)壓管和與穩(wěn)壓管并聯(lián)的電容形成的穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓為電路提供所需的電壓，當(dāng)電壓從穩(wěn)壓管78L08輸出8V電壓經(jīng)線路傳到霍爾元件，霍爾片接收電壓后根據(jù)磁場強(qiáng)度作用輸出相應(yīng)的電壓到LM324N1的一端運(yùn)算放大器，并且以滑動變阻器下端部分所占的電壓作為基準(zhǔn)進(jìn)行比較，再由LM324N1運(yùn)算放大器輸出滿偏電壓，當(dāng)主控體離磁鐵遠(yuǎn)時(shí)，霍爾片輸出電壓小，則運(yùn)算放大器輸出電壓為正，則通過二極管并且作為信號輸入LM324N2的運(yùn)算放大器一端，另一端是由霍爾片輸出的電壓提供的，再由LM324N4的輸出端輸出電壓。當(dāng)輸入到場效應(yīng)管電壓大時(shí)，通過線圈的電流大，線圈受力大。當(dāng)主控體離磁鐵近，此時(shí)滑動變阻器的基準(zhǔn)電壓小于霍爾片輸出電壓，則LM324N1輸出電壓為0V，此時(shí)LM324N4的一端輸入是由滑動變阻器的電壓提供，另一輸入端由霍爾片輸出電壓提供，然后LM324N4輸出電壓到場效應(yīng)管。所以通過調(diào)試基準(zhǔn)電壓和調(diào)節(jié)主控體與磁鐵的距離可以控制流經(jīng)線圈的電流，從而使主控體穩(wěn)定懸浮?；鶞?zhǔn)電壓由紅外信號通過單片機(jī)從而控制數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)的，如圖3所示。

圖3 單片機(jī)控制數(shù)字電位器

圖3電路部分主要是由紅外接收一體頭SM0038、單片機(jī)STC89C54以及數(shù)字電位器X9312組成。紅外接收一體頭接收紅外信號轉(zhuǎn)成電平信號輸入到單片機(jī)的P3.2口。單片機(jī)接收到信號后，根據(jù)不同信號執(zhí)行不同的預(yù)設(shè)指令，并通過P1.0、P1.1以及P1.6口對數(shù)字電位器進(jìn)行操作，使得VW引腳輸出相應(yīng)的電壓值。磁懸浮能在一定的區(qū)域內(nèi)可以穩(wěn)定懸浮，所以，當(dāng)在外部用無線發(fā)射器發(fā)射信號，并通過紅外接收頭接收信號和單片機(jī)處理輸出電壓，輸出的電壓經(jīng)過霍爾片，此時(shí)可以調(diào)節(jié)主控體離磁鐵的距離，這時(shí)候通過霍爾片的反饋可以輸出穩(wěn)定的電壓從而達(dá)到主控體懸浮，這就達(dá)到了主控體上、下浮動的目的。

3.結(jié)束語

通過上述方法所制作的太陽能主控體磁懸浮裝置，在太陽光或其它熱光的照射下，能穩(wěn)定懸浮;并且控制外部無線發(fā)射器，能調(diào)整主控體穩(wěn)定懸浮基點(diǎn)，使主控體上升和下降，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測可調(diào)范圍大約1mm。這個(gè)范圍偏小是因?yàn)榇艌龅奶荻茸兓痪鶆蛟斐傻?，需要對磁場進(jìn)行設(shè)計(jì)才能改善可調(diào)范圍。盡管如此，在自然狀態(tài)下，懸浮好像無外界影響下持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，這似乎打破了恩紹定理，其演示效果更具聯(lián)想性。本裝置是可用于物理特別是磁懸浮方面的演示的儀器。

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作者簡介：羅志文（1994—），男，現(xiàn)就讀于南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化。