基于单片机的磁悬浮小球控制系统设计DOC.docx

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基于单片机的磁悬浮小球控制系统设计DOC

基于单片机的磁悬浮小球控制系统设计

摘要

随着越来越多的磁悬浮技术应用到现实生活中的各个领域，磁悬浮这个在几年前还是很陌生的一个词现在已经广为人知。

磁悬浮以悬浮力产生的原理分类可以分为超导磁悬浮和常导磁悬浮。

磁悬浮的控制系统是一个很复杂的问题。

本文

研究的重点就是这两种磁悬浮的控制问题。

超导磁悬浮是利用处于超导状态下的超导体具有斥磁力的原理产生的。

超导磁悬浮的悬浮物体就是超导体本身，所以超导磁悬浮的控制重点就落在了超导体上。

本文从介绍超导磁悬浮的基本应用入手，逐步深入地介绍超导体的基本物理性质，然后介绍超导磁悬浮系统的控制方法、过程和原理。

与超导磁悬浮相比，常导磁悬浮的应用就更为广泛，因为常导磁悬浮的实现过程要简单得多。

常导磁悬浮可以分为应用电磁铁的磁悬浮和引用非电磁性磁铁（稀土永磁铁、普通磁铁等）的磁悬浮。

但是由于电磁铁便于控制和利用，所以利用电磁铁的磁悬浮义勇更为广泛。

本文在常导磁悬浮方面的研究是从一个实例入手，分析电磁铁式磁悬浮的原理，从而进一步研究电磁铁式磁悬浮的控制方法、过程和原理。

在本文的最后，我利用在大学里所学的知识，结合本文的研究重点——磁悬浮装置的控制问题，做出了一个简单的电磁悬浮装置。

这个悬浮装置的原理是利用对电磁铁电流的控制来实现一个铁球在空中的来回反复运动，达到视觉上的悬浮效果。

这虽然与实际的电磁铁悬浮控制方原理不同，但是利用这简单手段也能够达到相同的目的。

这个实例给了我们一个启示：

简单的演示实验装置也能够说明磁悬浮列车等高新技术的工作原理，磁悬浮并不是遥不可及的。

关键词：

常导磁悬浮，超导磁悬浮，磁悬浮的控制，演示实验装置，磁悬浮列车

ThedesignofcontrolsystemofmagneticlevitationballbasedonMCU

ABSTRACT

Asmoreandmoremaglevtechnologyisappliedtoeachfieldinactuallife,thewordofmagneticsuspensionaseveralyearsagowasverystrangehasalreadywidelyknownbythepeople.Magneticsuspensionisclassifiedandcanbedividedintosuperconductivemagneticsuspensionandelectromagneticmagneticsuspensionfromthematerialwhichproducesliftforce.Itisaverycomplicatedproblemtocontrolthemagnetismsuspensionsystem.Thefocalpointthatthistextstudiesisthatthesetwokindsofmagneticsuspensiondemonstratethedesignaboutquestionofcontrollingoftheexperimentalprovision.

Superconductivemagneticsuspensionistoutilizethesuperconductorinsuperconductivestatetoupbraidmagneticforceprinciples.Tosuspendobjectsuperconductor,sosuperconductivecontrolfocalpointofmagneticsuspensiondroponthesuperconductorsuperconductivemagneticsuspension.Thistextisfromrecommendthattheusingbasicallyofsuperconductivemagneticsuspensionisstartedwith,introducethebasicphysicalpropertyofthesuperconductor,thenthecontrolmethod,courseandprincipletointroducesuperconductivemagneticsuspensiondeeplyprogressively.

Comparedwithsuperconductivemagneticsuspension,theapplicationthatelectromagneticmagneticsuspensionismuchmoreextensive,becausetherealizationcoursethatelectromagneticmagneticsuspensionismuchsimpler.Magneticsuspensionthatelectromagneticmagneticsuspensionandcanbedividedintothemagneticsuspensionwhichusetheelectro-magnetandquotedthenon-electricmagneticmagnet（tombarthitepermanentmagnet,ordinarymagnet,etc.）.Butbecausetheelectro-magnetismoreconvenientandutilizescontrolling,itismoreextensivetousethemagneticsuspensionoftheelectro-magnet.Theresearchinelectromagneticmagneticsuspensionofthistextistoproceedwithainstance,analysethataccordingtotheprincipleofelectro-magnettypemagneticsuspension,thusstudyelectromagnetictypemagneticsuspensioncontrolmethod,courseandprinciplefurther.

Attheendofthistext,Iutilizeknowledgestudiedintheuniversity,combinetheresearchfocalpointofthistext--Demonstratethecontrolquestionoftheexperimentalprovision,hasmadeasimpleelectricmagneticsuspensiondeviceinmagneticsuspension.Theprincipleofthedeviceistomakeuseofcontrolonelectro-magnetelectriccurrenttorealizemovingrepeatedlybackandforthintheskyofanironplatethatthissuspends,reachtheresultofsuspendingonthevision.Thisisitcontrolsquaredifferentprincipletosuspendwithrealelectro-magnet,simplemeansthiscanachievethethesamegoaltoo.

Thisinstancehasgivenusonetoenlighten:

Thesimpledemonstrationexperimentalprovisioncanstatetheoperationprincipleofnewandhightechnology,suchasmaglevtrain,etc.too,magneticsuspensionisnotoutofreach.

KEYWORDS：

electromagneticmagneticsuspension,superconductivemagneticsuspension,thecontrolofmagneticsuspension,demonstratetheexperimentalprovision,themaglevtrain

目录

前言1

第1章绪论4

§1.1研究的背景及意义4

§1.1.1研究背景4

§1.1.2发展前景4

第2章系统总体设计与工作原理6

§2.1设计内容与设计方法6

§2.1.1设计内容6

§2.1.2设计方法6

§2.1.3设计总框图6

§2.2工作原理7

第3章系统硬件电路的设计8

§3.1硬件所需元件8

§3.2硬件电路原理图14

第4章系统软件的设计16

§4.1软件的功能与作用16

§4.1.1软件流程图16

§4.1.2调试软件的介绍及调试方法19

结论23

参考文献24

致　谢25

前言

1.设计（或研究）的依据与意义

磁悬浮技术是起源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。

1970年代以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。

利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想是人类一个古老的梦，但实现起来并不容易。

因为磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化技术（高新技术）。

随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展，磁悬浮技术得到了长足的发展..

电磁悬浮技术（electromagneticlevitation）简称EML技术。

它的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属球的悬浮。

将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈上时，高频电磁场会在金属材料表面产生一高频涡流，这一高频涡流与外磁场相互作用，使金属样品受到一个洛沦兹力的作用。

在合适的空间配制下，可使洛沦兹力的方向与重力方向相反，通过改变高频源的功率使电磁力与重力相等，即可实现电磁悬浮。

磁悬浮带来了地面交通的最高速度，同时它也需要高昂的造价，但专家认为，更重要的意义是，磁悬浮线带来了科技的创新与发展。

“尽管磁悬浮发明在德国，但中国是第一个将磁悬浮技术成功运用于商业运行的国家，我认为，第一个模仿也是创新。

”在谈到沪杭磁悬浮建设的意义时，同济大学孙章教授如是表示。

“到2010年，当人们坐着磁悬浮来参观世博会，这本身就是中国科技创新的重要展示。

”孙教授说。

磁悬浮具有速度快、占地少、噪声低、节约能源等优点，它不像轮轨交通有一个速度极限，从长远来看磁浮线路可替代飞机，解决未来空中可能发生的航线拥堵。

而工业上得到广泛应用的基本上都是传统的磁悬浮轴承（需要位置传感器的磁悬浮轴承），这种轴承需要5个或10个非接触式位置传感器来检测转子的位移。

由于传感器的存在，使磁悬浮轴承系统的轴向尺寸变大、系统的动态性能降低，而且成本高、可靠性低。

此外，由于传感器的价格较高，从而导致磁悬浮轴承的售价很高，大大限制了它在工业上的推广应用。

2.国内外同类设计（或同类研究）的概况综述

国际：

20世纪60年代，世界上出现了3个载人的气垫车实验系统，它是最早对磁悬浮列车进行研究的系统。

随着技术的发展，特别是固体电子学的出现，使原来十分庞大的控制设备变得十分轻巧，这就给磁悬浮列车技术提供了实现的可能。

1969年，德国牵引机车公司的马法伊研制出小型磁悬浮列车系统模型，以后命名为TR01型，该车在1km轨道上时速达165km，这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。

在制造磁悬浮列车的角逐中，日本和德国是两大竞争对手。

1994年2月24日，日本的电动悬浮式磁悬浮列车，在宫崎一段74km长的试验线上，创造了时速431km的日本最高记录。

1999年4月日本研制的超导磁悬浮列车在实验线上达到时速552km，德国经过20年的努力，技术上已趋成熟，已具有建造运营线路的水平。

原计划在汉堡和柏林之间修建第一条时速为400km的磁悬浮铁路，总长度为248km，预计2003年正式投入营运，但由于资金计划问题，2002年宣布停止了这一计划。

国际上对磁悬浮轴承的研究工作也非常活跃。

1988年召开了第一届国际磁悬浮轴承会议，此后每两年召开一次。

1991年，美国航空航天管理局还召开了第一次磁悬浮技术在航天中应用的讨论会。

现在，美国、法国、瑞士、日本和中国都在大力支持开展磁悬浮轴承的研究工作。

国际上的这些努力，推动了磁悬浮轴承在工业上的广泛应用。

中国：

对磁悬浮列车的研究工作起步较迟，1989年3月，国防科技大学研制出中国第一台磁悬浮试验样车。

1995年，中国第一条磁悬浮列车试验线在西南交通大学建成，并且成功进行了稳定悬浮、导向、驱动控制和载人运行等时速为300km的试验。

西南交通大学这条试验线的建成，标志中国已经掌握了制造磁悬浮列车的技术。

国内对磁悬浮轴承的研究工作起步同样较晚，尚处于实验室阶段，落后外国约20年。

1986年，广州机床研究所与哈尔滨工业大学首先对“磁力轴承的开发及其在FMS中的应用”这一课题进行了研究。

此后，清华大学、西安交通大学、天津大学、山东科技大学、南京航空航天大学等都在进行这方面的研究工作。

所以对于中国而言，磁悬浮技术还与其他发达国家有着许多差距，这同样需要更多的课题研究来弥补中国磁悬浮技术的不够成熟。

第1章绪论

§1.1研究的背景及前景

§1.1.1研究背景

　随着航天事业的发展，模拟微重力环境下的空间悬浮技术已成为进行相关高科技研究的重要手段。

目前的悬浮技术主要包括电磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、静电悬浮、粒子束悬浮等，其中电磁悬浮技术比较成熟。

一般通过线圈的交变电流频率为104—105Hz。

同时，金属上的涡流所产生的焦耳热可以使金属熔化，从而达到无容器熔炼金属的目的。

目前，在空间材料的研究领域,EML技术在微重力、无容器环境下晶体生长、固化、成核及深过冷问题的研究中发挥了重要的作用。

磁悬浮技术原理示意图目前世界上有三种类型的磁悬浮。

一是以德国为代表的常导电式磁悬浮，二是以日本为代表的超导电动磁悬浮，这两种磁悬浮都需要用电力来产生磁悬浮动力。

而第三种，就是我国的永磁悬浮，它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他动力支持。

§1.1.2发展前景

1.磁悬浮的发展优势

首先，它克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，发展前景广阔。

第一条轮轨铁路出现在1825年，经过140年努力，其运营速度才突破200公里/小时，由200公里/小时到300公里/小时又花了近30年，虽然技术还在完善与发展，继续提高速度的余地已不大，而困难却很大。

还应注意到，轮轨铁路提高速度的代价是很高的，300公里/小时高速铁路的造价比200公里/小时的准高速铁路高近两倍，比120公里/小时的普通铁路高三至八倍，继续提高速度，其造价还将急剧上升。

与之相比世界上第一个磁悬浮列车的小型模型是1969年在德国出现的，日本是1972年造出的。

可仅仅十年后的1979年，磁悬浮列车技术就创造了517公里/小时的速度纪录。

目前技术已经成熟，可进入500公里/小时实用运营的建造阶段。

第二，磁悬浮列车速度高，常导磁悬浮可达400-500公里/小时，超导磁悬浮可达500-600公里/小时。

对于客运来说，提高速度的主要目的在于缩短乘客的旅行时间，因此，运行速度的要求与旅行距离的长短紧密相关。

各种交通工具根据其自身速度、安全、舒适与经济的特点，分别在不同的旅行距离中起骨干作用。

专家们对各种运输工具的总旅行时间和旅行距离的分析表明，按总旅行时间考虑，300公里/小时的高速轮轨与飞机相比在旅行距离小于700公里时才优越。

而500公里/小时的高速磁悬浮，则比飞机优越的旅行距离将达1500公里以上。

第三，磁悬浮列车能耗低，据日本研究与实际试验的结果，在同为500公里／时速下，磁悬浮列车每座位公里的能耗仅为飞机的1／3。

据德国试验，当TR磁悬浮列车时速达到400公里时，其每座位公里能耗与时速300公里的高速轮轨列车持平；而当磁悬浮列车时速也降到300公里时，它的每座位公里能耗可比轮轨铁路低33％。

2.磁悬浮的发展前景问题

由于磁悬浮系统以电磁力完成悬浮、向导和驱动功能的，断电后磁悬浮的安全保障措施，尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题。

其高速稳定性和可靠性还需要很长时间的运行考验。

常导磁悬浮技术的悬浮高度降低，因此对线路的平整度、路基下沉量级道岔结构方面的要求较超导技术更高。

超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导轨技术更大，冷却系统重，强磁场对人体与环境都有影响。

每一种新的交通工具的间世,都极大地推动着社会的进步。

回顾交通工具发展史,我们发现汽车极大地方便了人们的生活,但长途运输能力差,且日益增多的汽车数量使交通拥挤堵塞现象越来越严重∋常规轮轨列车的运输量大,但运行速度慢,运行噪声大,爬坡能力低,高速轮轨列车要求轨道有很高的平整度,在高速运行时,能量消耗大,铁轨和车轮的磨损很严重,从而导致维修费用昂贵∋飞机运行速度快,但运精量小,且事故往往是致命性的（本文介绍的磁悬浮列车是一种新的交通工具,相对而言,它有多方面的优点,如高速,运输量大,安全,舒适,无噪声等。

综合各种因素，就目前而言，磁悬浮的发展是最有潜力，最有发展必要的。

第2章系统总体设计与工作原理

§2.1设计内容与方法

§2.1.1设计内容

以单片机为核心，设计磁悬浮小球的控制电路设计，对控制算法进行研究，编写程序，通过传感器对小球位置的测量，利用通过单片机来实现对小球悬浮的稳定控制。

§2.1.2设计方法

采用霍尔元件检测小球，输位置出电信号经A/D转换反馈至单片机，运用单片机数字PID控制器来控制磁悬浮小球在磁场中的位置。

§12..3设计总框图

图2-1总流程图

给定数字量的作用是手动控制小球在磁场中的位置，根据给定量不同，小球的受力大小也随之改变。

单片机控制器主要是在接到传感器的反馈后通过把模拟信号转换成数字信号发给磁铁执行器从而控制磁场大小。

功率驱动则是改变驱动能力。

霍尔元件则是用于测量小球位置的传感器，并将其信号通过模数转换发送给单片机控制器

§2.2工作原理

磁悬浮小球的工作原理是利用电生磁力来吸引小球，通过传感器测量其位移并用PID控制使小球在磁力重力的作用下达到一个平衡点，即悬浮不掉落，具体设计细节请查阅硬件软件的设计。

第3章系统硬件电路的设计

§3.1硬件所需元件

§3.1.1单片机STC12C5A60S2

STC12C5A60S2简介STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。

1、增强型8051CPU，1T（1024G），单时钟/机器周期

2、工作电压5.5-3.5V

3、1280字节RAM

4、通用I/O口，复位后为：

准双向口/弱上拉可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA

5、有EEPROM功能

6、看门狗

7、内部集成MAX810专用复位电路

8、外部掉电检测电路

9、时钟源：

外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器常温下内部R/C振荡器频率为：

5.0V单片机为：

11~17MHz3.3V单片机为：

8~12MHz

10、4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1

11、3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟

12、外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3，CCP0/P1.3

13、PWM2路

14、A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S

15、通用全双工异步串行口（UART）

16、双串口，RxD2/P1.2，TxD2/P1.3

17、工作范围：

-40~85

18、封装：

LQFP-48，LQFP-44，PDIP-40，PLCC

管脚说明：

P0.0~P0.7P0：

P0口既可以作为输入/输出口，也可以作为地址/数据复用总线使用。

当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，内部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。

当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址线A0~A7，数据线D0~D7P1.0/ADC0/CLKOUT2标准IO口、ADC输入通道0、独立波特率发生器的时钟输出P1.1/ADC1

§3.1.2模拟量接近开关

概述

通常，电感式接近接近开关均有着相同的工作原理及应用。

然而,本文所要讨论的是模拟量接近开关的一些特殊特性。

下面所讲述的例子均来源于实践，由于篇幅有限，只能选择部分实例。

但从中可以看出它的应用是极其广泛的。

参数参考：

图3-1模拟量参数1

图3-2模拟量参数2

图3-3模拟量参数3

模拟量接近开关应用:

1.一个模拟量接近开关控制几个开关点

人们常常会遇到这种情形，在被检测目标物体的运动过程中，某一动作需要在不止一个位置被触发。

更多的是：

不同的位置往往发生一些相关的动作。

因此，一个程序控制站，可用一张金属盘片和一个模拟量接近开关替代几个凸轮和同等数量的接近开关来解决此类问题。

例如通过一个带模拟量输入的PLC输入模块来实现该功能（例如西门子S5，6ES5464-8MC11）。

现在以非常合理的价格便可买到这些模块。

当然也可以使用其它供应商的信号处理装置来实现该功能。

2.模拟量接近开关线性运动转换成电子信号

用接近开关将线性运动转换成电子信号的最直接简单的办法。

但是这种情况，必须保证设备没有被物理接触。

然而在实践中,开关的检测范围往往不够大，造成直接检测有困难。

但如果使用楔形的物体，便能随意调节检测范围。

同时如果此物体