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，其控制系统是一个很复杂的问题，也是本文研究的主要内容。

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，常导磁悬浮的应用更为广泛，本文对其研究主要从一个实例入手，分析电磁铁式磁悬浮的原理，进而研究电磁铁式磁悬浮的控制方法、过程和原理。

本次毕业设计是利用单片机设计一个磁悬浮小球演示系统。众所周知，电磁铁通电后产生磁场 ，吸引钢球，动态调整电磁铁中的电流，可使其产生的电磁吸力等于铁球的重量，从而使小球悬浮在空中保持不动，因此可以通过单片机控制电流从而控制钢球的运动状态。演示系统主要包含两个部分：一是对钢球的位置的检测，二是利用单片机控制电磁铁的磁场来改变钢球上的磁力大小。本文采用光电传感器来测量监控钢球的位置变化，利用AT89C51芯片为核心，通过接收传感器的输出信号，控制铁磁线圈中的电流大小，从而改变施加在钢球上的磁力，使钢球受力平衡，达到悬浮的效果。

关键词：磁悬浮；单片机控制；数模转换；磁力计算

Abstract

With more and more of the magnetic levitation technology applied to the real life of various fields, the magnetic levitation in a few years ago or a very strange word has been widely known. It is a complicated problem that the control system is a very complicated problem, and the main content of this paper is to classify the magnetic levitation force generated by the principle of magnetic levitation.

Starting with the basic application of superconducting magnetic levitation, this paper introduces the basic physical properties of superconductor, and then introduces the control method, process and principle of the superconducting magnetic levitation system. Compared with superconducting magnetic levitation, often lead maglev application more widely, in this paper, the study mainly from an instance of, principle analysis of electromagnet levitation. In order to study the type electromagnet levitation control method, process and principle.

The graduation design is the use of single-chip design of a magnetic levitation ball demonstration system. As is known to all, electromagnet generates a magnetic field to attract ball, dynamic adjustment of the electromagnet current, to produce the electromagnetic force is equal to the ball weight, so that the suspended balls in the air to maintain real, so you can through the MCU control current to control the motion state of the steel ball. The control system mainly consists of two parts: one is the position of the steel ball, the two is to use the single chip microcomputer to control the magnetic field of the magnet to change the size of the magnetic steel ball. In this paper, the optical sensor to measure changes in the position of the monitor ball, using AT89C51 chip as the core, by receiving the output signal of the sensor, control the size of ferromagnetic coil current, thus changing the applied magnetic force on the ball, so the steel ball force balance, reach suspension effect.

Key Words：magnetic levitation technology； Single chip microcomputer control；digital analog conversion；magnetic force calculation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与研究目的 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 预期目标 3

第2章 系统总体设计 4

2.1 设计内容与方法 4

2.1.1 磁悬浮球部分 4

2.1.2 单片机控制部分 5

2.2 工作原理 5

2.2.1 光电位移传感器 5

2.2.2 单片机系统设计 7

第3章 系统的实验装置及外部电路 9

3.1 磁悬浮球的实验装置 9

3.1.1光电位移传感器的设计 9

3.2 数字控制部分电路设计 11

第4章 磁悬浮系统中的数学关系 16

4.1 传感器部分 16

4.2 单片机控制部分 16

第5章 软件编写 20

第6章 结论 23

参考文献 24

第1章 绪论

1.1 研究背景与研究目的

如今社会，航天事业发展飞速，未来要想更好地发展，绝对离不开模拟微重力环境下的空间悬浮技术研究。当前世界上存在大量的悬浮技术，大部分集中在光悬浮、电磁悬浮、气流悬浮、声悬浮、静电、粒子束等悬浮技术中。当被人们大规模使用的、且发展比较完善的就是电磁悬浮技术。纵观世界磁悬浮研究，主要包括：借助于电力产生磁悬浮动力的德国常导电式磁悬浮以及日本超导电动磁悬浮，还有我国的不用借助于任何其他动力、仅依靠特殊永磁材料产生磁悬浮动力的永磁悬浮。

磁悬浮技术在创造了地面交通所能到达的最高速度的同时，也带来了巨额的成本问题。尽管如此，专家们却认为这一技术更重要的意义在于，它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。本次毕业设计是希望利用单片机技术设计一个磁悬浮小球演示系统，众所周知，电磁铁通电后产生磁场，吸引铁磁性小球，动态调整电磁铁中的电流，可使其产生的电磁吸力等于铁球的重量，从而使小球悬浮在空中保持不动。所以通过单片机控制电流就能够控制小球的运动状态^[1]。

在实际应用中，使用磁悬浮技术的主要目的是减少由于摩擦带来的能量损耗和速度上的限制。因为这一技术能够使磁悬体与支撑之间不产生任何接触，而是使物体沿着或绕着某一基准框架保持固定位置，因此系统的寿命大大延长，也减少了能量的损耗，消除了速度上的限制。本次设计便是还原了这一过程。通过磁场产生的与小球重力大小相等，方向相反的磁场力，使小球能在空中达到受力平衡并稳定悬浮。这虽然与生活中实际应用的磁悬浮技术存在差距，但原理相通。通过此项简单的设计，可以让我们对磁悬浮这一高新技术有新的了解，让其变得不再遥不可及。

1.2 国内外研究现状

磁悬浮这一名词第一次大规模的走进国人的视野中应该是上海磁悬浮列车专线的正式运营。1842年磁悬浮的概念被英国物理学家Earnshow第一次提出，同时他还指出：“单靠永久磁铁是不能将一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态的。”这一技术发展至今，国内外研究的热点是磁悬浮轴承和磁悬浮列车，其中磁悬浮轴承技术在现今社会被广泛的应用。由于悬浮，磁悬体和支撑物之间没有任何接触，避免了摩擦力，同时也避免了摩擦力带来的损耗，大大延长了物体的使用寿命，也提高了技术上的精度也有了显著性的提升。