一種基于LabVIEW的自追蹤太陽能磁懸浮演示儀的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種基于LabVIEW的自追蹤式太陽能磁懸浮演示儀，由自追蹤式太陽能電池系統、磁懸浮控制系統、基于LabVIEW的磁場強度檢測與顯示系統等模塊構成；自追蹤式太陽能電池實時跟蹤太陽位置并校準太陽能電池方位，保證太陽光垂直照射太陽能電池，提供直流電源驅動裝置；選擇合適形狀大小的懸浮物，在其上下兩端分別固定一塊永磁體，托舉至電磁鐵下方，磁阻傳感器檢測磁場強度并將信號發送到單片機，單片機通過分析磁場強度信息獲得懸浮物位置信息，控制電磁鐵磁性大小使懸浮物處于穩定懸浮狀態；利用磁場強度檢測與顯示系統對檢測到的磁場強度在LCD上實時顯示，并在計算機上繪制二維動態磁場強度曲線圖，實現對磁懸浮和太陽能跟蹤等物理現象的演示。
【專利說明】—種基于LabVIEW的自追蹤太陽能磁懸浮演示儀

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于LabVIEW的自追蹤式太陽能磁懸浮演示儀。

【背景技術】
[0002]磁懸浮技術是一種利用懸浮磁力將物體懸浮于空間，使其與其他物體處于無摩擦、無接觸的平衡狀態的一種支承技術。磁懸浮技術由于具有傳統支承技術無法比擬的無接觸、無摩擦、無污染等優點，而有具有廣泛的應用空間和研究價值。并且隨著電子技術和新型電磁材料的發展，磁懸浮技術得到了進一步的發展，磁懸浮技術已經被廣泛應用于交通、機床、航空航天等領域。由于磁懸浮技術原理結合了電磁學、機械學、電動力學等高新技術，因此對磁懸浮技術的直觀演示并應用于課堂教學中，不僅可以促進學生學習的興趣和主動性，激發大家探索前沿科技的動力，同時還能幫助學生對相關領域技術的了解，并在充分了解實驗裝置設計思路、功能的基礎上，提出自己獨特的新觀點，促進可以的發展。傳統的磁懸浮演示儀具有一定的缺陷，例如專利號為200910181945.7的“一種磁懸浮演示裝置”，利用磁鐵同性相斥的原理使物體處于懸浮狀態，但是懸浮的效果差，只能對恒定重量的物體進行懸浮，并且不能定量顯示磁懸浮技術的相關物理原理。
[0003]在全球能源危機和空氣污染的背景下，作為一種清潔能源，太陽能的利用受到了許多國家的重視。太陽能電池板的發電量與照射到它上面的光照強度成正比，且當太陽光垂直照射時，其發電效率最高。太陽能跟蹤系統是光熱和光伏發電過程中，利用各種傳控裝置使太陽能電池板在太陽位置不斷變化的情況下，仍能時刻保證太陽光垂直照射到太陽能電池板，從而達到提高光電轉換效率的機械及電控單元系統。傳統的磁懸浮演示采用普通的220V的家用電器標準電壓，極大地限制了使用的范圍，或者采用普通電池，工作時間短暫，無法帶到戶外或者偏遠區域進行教學演示。將自追蹤式的太陽能電池應用于磁懸浮演示儀的研制，不僅節能環保、提高系統的工作效率，而且能同時對磁懸浮和太陽能跟蹤等不同的物理現象進行演示，具有較高的教學價值。


【發明內容】

[0004]本發明的目的是提供一種基于LabVIEW的自追蹤式太陽能磁懸浮演示儀。
[0005]本發明解決其技術問題采用的技術方案是:自追蹤式太陽能電池實時跟蹤太陽位置并校準太陽能電池方位，保證太陽光垂直照射太陽能電池，提供直流電源驅動裝置。兩個磁阻傳感器分別檢測懸浮物兩端永磁體的磁場強度，單片機通過磁場強度信號獲取懸浮物位置信息，并控制電磁鐵的電磁力，使懸浮物處于穩定懸浮狀態。本裝置由自追蹤式太陽能電池系統、磁懸浮控制系統、基于LabVIEW的磁場強度檢測與顯示系統等模塊構成。
[0006]所述的自追蹤式太陽能電池系統的結構如圖1所示，主要由太陽能電池、89C52單片機、太陽光跟蹤傳感器、光照度傳感器、電機驅動單元、保護電路和蓄電池組成。通過太陽能電池發出的直流電驅動系統，蓄電池作為積蓄太陽能發電板的剩余電力的設備，用于在太陽光照較弱時為系統提供電能。太陽光跟蹤器安裝在太陽能電池表面且探測表面與太陽能電池表面平行，用于檢測太陽能電池是否對準太陽。當太陽光垂直入射時，太陽光跟蹤器上的四個方位輸出信號相等為零。當入射太陽光偏離垂直角度時，傳感器能檢測出當前太陽偏離的方位，相應方位發出信號，并傳輸給單片機。光照度傳感器對太陽光強度進行檢測，使系統在不同天氣和季節條件下，采用不同的電機驅動程序，提高太陽能跟蹤的準確性。單片機通過對太陽光跟蹤傳感器和光照度傳感器的信息進行分析后，發出跟蹤信號，使電機驅動單元對太陽能電池板的角度進行控制，保證太陽光垂直入射到太陽能電池上。單片機控制該系統每十分鐘對太陽光的角度進行一次校正。保護電路包括太陽能控制器和方位角保護電路，太陽能控制器控制蓄電池對太陽能的采集和儲存的工作狀態，并對蓄電池起到保護作用，延長蓄電池使用壽命，方位角保護電路保證跟蹤支架的安全性。
[0007]所述的磁懸浮控制系統結構如圖2所示，在太陽能電池提供的電源的驅動下，電磁鐵產生動態的電磁力，使物體能穩定地懸浮在電磁鐵下方。將兩個霍尼威爾HMC5843磁阻傳感器分別放置在懸浮物正上方和正下方，當這些磁阻傳感器工作時，其輸出電壓與檢測到的懸浮物兩端永磁體的磁場強度成正比。當電磁鐵磁力小于懸浮物重力而使懸浮物下落時，懸浮物正上方的磁阻傳感器與懸浮物上端永磁體距離增大而輸出電壓減小，反之對于懸浮物下方的磁阻傳感器，其與懸浮物下端永磁體距離減小而輸出電壓增大。當電磁鐵磁力大于懸浮物重力而使懸浮物上浮時，懸浮物正上方的磁阻傳感器與懸浮物上端永磁體距離減小而輸出電壓增大，反之對于懸浮物下方的磁阻傳感器，其與懸浮物下端永磁體距離增大而輸出電壓減小。當選擇合適形狀大小的懸浮物時，在其上下兩端分別固定一塊永磁體時，并放置在電磁鐵下方，磁阻傳感器檢測磁場強度并將信號通過串口發送到單片機，單片機通過分析磁場強度信息獲得懸浮物位置信息，并控制電磁鐵的磁性大小。控制電磁鐵的磁力使其對懸浮物的拉力等于懸浮物的重力時，從而保證懸浮物處于穩定懸浮狀態。
[0008]所述的基于LabVIEW的磁場強度檢測與顯示系統的系統框圖如附圖3所示，其主控制模塊采用89C52單片機作為微控制器對磁阻傳感器模組發出指令，接收并顯示相應的信息。兩個磁阻傳感器分別獨立測量懸浮物上下兩端兩個永磁體的磁場大小，磁場強度的變化引起輸出電流的變化，A/D轉化器將模擬信號轉化為數字信號并傳輸給單片機。單片機將表征當前磁場大小的數字量通過LCD進行同步顯示，同時磁場強度信號實時通過串口傳輸數據到計算機，利用LabVIEW軟件編寫磁場分析軟件，對檢測到的磁場強度值進行一定的數據處理，顯示當前空間磁場強度，并繪制成二維圖形。整個監控程序主要由磁場測量模塊驅動、液晶顯示驅動、實時時鐘驅動和串口驅動組成。所述的系統磁場強度監控程序流程如附圖5所示，系統在初始化后對磁阻傳感器模塊傳輸的信息進行讀取，將得到的數據上傳至單片機，控制器驅動LCD進行磁場強度的顯示，隨后單片機將對系統鍵盤端口進行掃描，并根據掃描得到的鍵值進行相應的處理。將數據通過串口連接到計算機，利用LabVIEW軟件編寫的具有人機交換界面的磁場分析軟件，對檢測到的磁場強度值進行數據處理，并將當前空間磁場強度繪制成二維圖形顯示出來。
[0009]本發明的有益效果是，利用自追蹤式太陽能電池系統為裝置提供動力，可以隨時儲存電能，使用時間長，提高了太陽光的利用率，并且能起到實現太陽能跟蹤的演示功能。利用兩個霍尼威爾HMC5843磁阻傳感器實時檢測的磁場強度，并使用單片機對電路進行控制，保證懸浮物體處于穩定的懸浮狀態，增強了懸浮的穩定性。利用基于LabVIEW的磁場強度檢測與顯示系統，對檢測到的磁場強度采用圖形學的方式實時地定量顯示，精確度高，具有較高的物理演示價值。將自追蹤式的太陽能電池應用于磁懸浮演示儀的研制，不僅節能環保、提高系統的工作效率，而且能同時對磁懸浮和太陽能跟蹤等不同的物理現象進行演示，具有較高的教學價值。相對于傳統磁懸浮演示儀，本裝置具有結構簡單、操作方便、拓展性強、演示現象多元等優點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為自追蹤式太陽能電池系統組成示意圖。
[0011]圖2為磁懸浮控制系統結構圖。
[0012]圖3為磁場強度檢測與顯示系統的系統框圖。
[0013]圖4為基于LabVIEW的自追蹤式太陽能磁懸浮演示儀的裝置示意圖。
[0014]圖5為程序系統控制流程圖。

【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖本發明的具體結構作進一步說明。
[0016]圖2中，201-電磁鐵，202-磁阻傳感器，203-懸浮物，204-主支撐架，205-永磁體，207-主電路盒。
[0017]圖4中，401-太陽能電池，402-蓄電池，403-太陽能跟蹤傳感器，404-光照度傳感器,405-電機驅動單元，406-磁阻傳感器，407-懸浮物，408-永磁體，409-主電路盒，410-LCD，411-控制按鍵，412-計算機。
[0018]基于LabVIEW的自追蹤式太陽能磁懸浮演示儀，是一種結合虛擬儀器和機械調制的演示裝置，它由自追蹤式太陽能電池系統、磁懸浮控制系統、基于LabVIEW的磁場強度檢測與顯示系統等模塊構成。
[0019]本發明的太陽能追蹤系統的一個實施例如圖4所示，自追蹤式太陽能電池系統主要由太陽能電池401、89C52單片機、太陽光跟蹤傳感器403、光照度傳感器404、電機驅動單元405、保護電路和蓄電池407組成。89C52單片機和保護電路等電路被集成在主電路盒409中。通過太陽能電池401發出的直流電驅動系統，蓄電池407作為積蓄太陽能發電板的剩余電力的設備，用于在太陽光照較弱時系統的電源。太陽光跟蹤器404和光照度傳感器405安裝在太陽能電池表面且探測表面與太陽能電池表面平行，用于檢測太陽光入射角度和光照度等信息，并發送到主電路盒409中的單片機。單片機通過對信息進行分析后，發出跟蹤信號，使電機驅動單元405對太陽能電池401的角度進行控制，保證太陽光垂直入射到太陽能電池401上。單片機控制該系統每十分鐘對太陽光的角度進行一次校正。
[0020]本發明的磁懸浮控制的一個實施例如圖2所示，電磁鐵201安裝系統主支撐架204的上端，在太陽能電池提供的直流電的驅動下，電磁鐵201產生動態的電磁力，使懸浮物203能懸浮在電磁鐵下方。將兩個霍尼威爾HMC5843磁阻傳感器202分別放置在懸浮物203正上方和正下方，當這些磁阻傳感器202工作時，其輸出電壓與檢測到的懸浮物203兩端永磁體202的磁場強度成正比。當電磁鐵201磁力小于懸浮物203重力而使懸浮物203下落時，懸浮物203正上方的磁阻傳感器202與懸浮物上端永磁體205距離增大而輸出電壓減小，反之對于懸浮物203下方的磁阻傳感器202，其與懸浮物下端永磁體205距離減小而輸出電壓增大。當電磁鐵201磁力大于懸浮物203重力而使懸浮物203上浮時,懸浮物203正上方的磁阻傳感器202與懸浮物203上端永磁體205距離減小而輸出電壓增大，反之對于懸浮物203下方的磁阻傳感器202,其與懸浮物203下端永磁體205距離增大而輸出電壓減小。對于質量適當切外形呈球狀的懸浮物203，在其上下兩端分別固定一塊永磁體205時，并放置在電磁鐵205下方，磁阻傳感器202通過檢測磁場強度獲得懸浮物位置信息，主控制電路通過比較不同的輸出電壓來控制電磁鐵的磁性大小，使懸浮物203處于穩定懸浮狀態。
[0021]本發明的磁場強度檢測的一個實施例如附圖3和附圖4所示，磁場強度檢測及其顯示的主控制模塊采用89C52單片機作為微控制器對磁阻傳感器模組發出指令，接收并顯示相應的信息。兩個磁阻傳感器分別獨立測量懸浮物上下兩端兩個永磁體的磁場大小，磁場強度的變化引起輸出電流的變化，A/D轉化器將模擬信號轉化為數字信號并傳輸給單片機。單片機將表征當前磁場大小的數字量通過LCD進行同步顯示，同時磁場強度信號實時通過串口傳輸數據到計算機，利用LabVIEW軟件編寫磁場分析軟件，對檢測到的磁場強度值進行一定的數據處理，顯示當前空間磁場強度，并繪制成二維圖形，并在LCD上實時顯示磁場強度變化曲線圖。在附圖4中，在主電路盒409上的控制按鍵411中，打開開關并設置好相關的參數，主電路盒409中的單片機根據磁阻傳感器406傳輸過來的磁懸浮物407上下兩端的永磁體408的磁場強度信息，在LCD410上實時顯示磁場強度信息。將數據通過串口連接到計算機412，利用LabVIEW軟件編寫的具有人機交換界面的磁場分析軟件，對檢測到的磁場強度值進行數據處理，并將當前空間磁場強度繪制成二維圖形顯示出來。
[0022]綜上所述，本發明與現有技術相比，利用自追蹤式太陽能電池系統為裝置提供動力，可以隨時儲存電能，使用時間長，提高了太陽光的利用率，并且能起到實現太陽能跟蹤的演示功能。利用兩個霍尼威爾HMC5843磁阻傳感器實時檢測的磁場強度，并使用單片機對電路進行控制，保證懸浮物體處于穩定的懸浮狀態，增強了懸浮的穩定性。利用基于LabVIEW的磁場強度檢測與顯示系統，對檢測到的磁場強度采用圖形學的方式實時地定量顯示，精確度高，具有較高的物理演示價值。將自追蹤式的太陽能電池應用于磁懸浮演示儀的研制，不僅節能環保、提高系統的工作效率，而且能同時對磁懸浮和太陽能跟蹤等不同的物理現象進行演示，具有較高的教學價值。相對于傳統磁懸浮演示儀，本裝置具有結構簡單、操作方便、拓展性強、演示現象多元、拓展性強等優點。
【權利要求】
1.一種基于LabVIEW的自追蹤式太陽能磁懸浮演示儀，由自追蹤式太陽能電池系統、磁懸浮控制系統、基于LabVIEW的磁場強度檢測與顯示系統等模塊構成，其特征在于:自追蹤式太陽能電池實時跟蹤太陽位置并校準太陽能電池方位，保證太陽光垂直照射太陽能電池，提供直流電源驅動裝置，兩個磁阻傳感器分別檢測懸浮物兩端永磁體的磁場強度，單片機通過磁場強度信號獲取懸浮物位置信息，并控制電磁鐵的電磁力，使懸浮物處于穩定懸浮狀態。
2.根據權利要求1所述基于LabVIEW的自追蹤式太陽能磁懸浮演示儀，其特征在于:自追蹤式太陽能電池系統主要由太陽能電池、89C52單片機、太陽光跟蹤傳感器、光照度傳感器、電機驅動單元、保護電路和蓄電池組成，通過太陽能電池發出的直流電驅動系統，蓄電池作為積蓄太陽能發電板的剩余電力的設備，用于在太陽光照較弱時為系統提供電能。
3.根據權利要求1所述基于LabVIEW的自追蹤式太陽能磁懸浮演示儀，其特征在于:磁懸浮控制系統在太陽能電池提供的電源的驅動下，電磁鐵產生動態的電磁力，使物體能穩定地懸浮在電磁鐵下方。
4.根據權利要求1所述基于LabVIEW的自追蹤式太陽能磁懸浮演示儀，其特征在于:基于LabVIEW的磁場強度檢測與顯示系統的主控制模塊采用89C52單片機作為微控制器對磁阻傳感器模組發出指令，接收并顯示相應的信息，單片機將表征當前磁場大小的數字量通過LCD進行同步顯示，利用LabVIEW軟件編寫磁場分析軟件，對檢測到的磁場強度值進行一定的數據處理，顯示當前空間磁場強度，并繪制成二維圖形。
【文檔編號】G09B23/18GK104282207SQ201410227514
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年5月22日 優先權日:2014年5月22日
【發明者】趙傳華, 趙凌宇, 張熙曼 申請人:泰山醫學院