CN108462409A - 太阳能供电式节能型磁悬浮景观盆栽 - Google Patents

太阳能供电式节能型磁悬浮景观盆栽 Download PDF

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Abstract

太阳能供电式节能型磁悬浮景观盆栽，该景观盆栽包括盆栽(1)和底座(8)，盆栽(1)悬浮的设置在底座(8)的上方，所述盆栽(1)内设置一个陀螺形永磁铁(2)，所述底座包括太阳能电池板(7)、永磁环(3)、电磁线圈(4)、霍尔传感器组(5)、印刷电路板(6)和锂电池(9)，所述太阳能电池板(7)白天时持续为整个系统供电，所述电磁线圈(4)为四个镶嵌于永磁环(3)内部的线圈，所述霍尔传感器组(5)放置于永磁环(3)中心处。驱动电路(12)根据调节量给X方向的线圈提供相应的电压并改变线圈中的电流方向，便可调节盆栽(1)在X方向上的位置。盆栽(1)偏向任何一个方向时，线圈都会立即工作把盆栽(1)推、拉到中心位置。

Description

太阳能供电式节能型磁悬浮景观盆栽
技术领域
本发明涉及永磁电磁混合型磁悬浮控制系统技术领域，特别是涉及混合型磁悬浮控制系统在节能方面的应用。
背景技术
现有的磁悬浮盆栽一般为模拟式控制。利用传感器检测盆栽的位置反馈给控制电路，控制线圈电流的通断及方向来产生吸力或者斥力使盆栽悬浮。模拟电路实现逻辑控制需要许多分立电子元件，电路复杂，灵活性和适应性太差，且存在零点漂移问题，控制精度低，抗干扰能力差。还有就是现有的磁悬浮盆栽功耗大，电能严重浪费。其次供电方式仍然采用市电降压供电，这种方式会造成磁悬浮盆栽无法随意摆放的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低功耗、灵活性好、控制系统简单和节能环保的太阳能供电式磁悬浮盆栽，以实现利用太阳能光伏发电系统给磁悬浮盆栽提供可持续能源。具体技术方案如下：
技术方案：
太阳能供电式节能型磁悬浮景观盆栽，其特征在于：该景观盆栽包括盆栽(1)和底座(8)，盆栽 (1)悬浮的设置在底座(8)的上方，所述盆栽(1)内设置一个陀螺形永磁铁(2)，所述底座包括太阳能电池板(7)、永磁环(3)、电磁线圈(4)、霍尔传感器组(5)、印刷电路板(6)和锂电池(9)，所述太阳能电池板(7)白天时持续为整个系统供电，所述电磁线圈(4)为四个镶嵌于永磁环(3)内部的线圈，所述霍尔传感器组(5)放置于永磁环(3)中心处。
所述印刷电路板(6)包含微控制器(11)、线圈驱动电路(12)、信号调理电路(10)、太阳能充电器(13)、系统电源指示灯(9)和DC-DC变换器(14)。
所述陀螺形永磁铁(2)为两个同圆心的圆片形永磁铁叠放而成，从而形成一个锥形磁场。
所述的太阳能电池板(7)平铺于底座(8)上方。
所述的电磁线圈(4)两两一组，同名端相接，形成对角线上磁场相反的两个双向磁场；相对的电磁线圈(4)中心之间连线，两个连线之间形成十字结构。
所述的霍尔传感器组(5)为三个，其中两个处在同一水平面上，分别用于检测盆栽(1) 在X方向(“十”字的横向)和Y方向(“十”字的竖向)的磁场变化，另一个传感器安装在前面所述两个传感器的水平方向的上方，用于判断盆栽(1)是否存在。
所述的微控制器(11)是基于位置式PID算法的数字式控制器，所述微控制器根据霍尔传感器组(5)检测到盆栽(1)位置，输出PWM信号给线圈驱动电路(12)，从而控制线圈的电流方向和电压大小。
所述的线圈驱动电路(12)由驱动芯片配合外围电路构成。
所述的信号调理电路(10)是由运放构成的差分放大器。
优点效果：
本发明提供太阳能供电式节能型磁悬浮景观盆栽，其整个结构主要分为盆栽(1)、底座(8)、太阳能电池板(7)、永磁环(3)、电磁线圈(4)、霍尔传感器组(5)、印刷电路板(6)和锂电池(9)。所述的盆栽(1)内是一个由两个同圆心圆片形永磁铁叠放而成的陀螺形永磁铁(2)，其材质为钕铁硼，S极朝下，N极朝上。所述的底座(8)主要是磁悬浮机构，包括永磁环(3)、电磁线圈(4)和霍尔传感器组(5)。其中所述的永磁环(3)内嵌入电磁线圈(4)，永磁环(3)材质为铁氧体，N极朝上；所述的电磁线圈(4)摆成“十”字形，对角线上的两个线圈为一组，同名端相接，形成对角线上磁场相反的双向磁场；所述的霍尔传感器组(5)中的两个安装在四个线圈的中心位置，分别检测浮子在X方向(“十”字的横向)和Y方向(“十”字的竖向)的磁场变化，另一个传感器安装在前面所述两个传感器的上方(水平方向)，用于判断悬浮物是否存在。所述的印刷电路板(6)主要包括微控制器(11)、线圈驱动电路(12)、信号调理电路(10)、太阳能充电器(13)、系统电源指示灯(9)和DC-DC变换器(14)。其中所述的微控制器(11)为现下较为流行的32位控制器，通过搭建外围电源、复位时钟电路形成最小系统进行工作。所述的线圈驱动电路(12) 采用驱动芯片配合外围电路组成。所述的信号调理电路(10)是由双路运算放大器构成的反向输入负反馈放大电路，同时对三个方向的磁场变化进行采样放大；所述的太阳能充电器(13) 是由充放电芯片搭建，构成的转换控制器会实时侦测太阳能电池板(7)的发电电压，并追踪其最大功率点，使系统以最高的效率对负载供电；此外太阳能充电器(13)上还有三个指示灯，分别表示太阳能充电器(13)电源指示灯，正在充电指示灯，充电已完成指示灯。所述的系统电源指示灯(15)表示控制系统已上电运行。所述的DC-DC变换器(14)是将太阳能电池板(7)的输出电源转化为微控制器(11)所需的3.3v电源。
根据本发明的技术方案：当无盆栽(1)时，水平方向的霍尔元件把信号送至微控制器(11)，微控制器(11)无任何输出，线圈驱动电路(12)也处于无输出状态。当微控制器(11)检测到有盆栽(1)时，微控制器(11)接收到X和Y方向的检测信号。所谓的X和Y方向就是垂直于纸面的面上的前后方向和左右方向。
例如当盆栽(1)偏右时，X方向的传感器会检测到磁场变化，信号调理电路(10)将此信号放大后传送给微控制器(11)，而后经内部控制算法运算后得出一个调节量给线圈驱动电路 (12)，驱动电路(12)根据调节量给X方向的线圈提供相应的电压并改变线圈中的电流方向，便可调节盆栽(1)在X方向上的位置。由于X方向上的两个线圈是同名端相连，线圈产生的磁场是相反的，因此X方向的线圈对盆栽(1)的作用力就呈现为左边线圈拉右边线圈推。同理，盆栽(1)偏向任何一个方向时，线圈都会立即工作把盆栽(1)推、拉回到中心位置。
进一步所述的太阳能电池板(7)和太阳能充电器(13)白天以太阳能持续为磁悬浮机构提供电力，以实现盆栽(1)悬浮在空中。所述的锂电池(9)主要是在晚上对磁悬浮机构提供电能以实现盆栽在晚上的悬浮。当然，当遇到阴天时太阳能电池板(7)输出的电能可能不足，此时有锂电池(9)补充电能。所述的锂电池(9)主要是通过专用的充电器进行充电。
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1太阳能供电式节能型磁悬浮景观盆栽示意图
图2磁悬浮盆栽结构示意图
图3陀螺形永磁铁示意图
图4底座内的印刷电路板原理图
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
太阳能供电式节能型磁悬浮景观盆栽，其特征在于：该景观盆栽包括盆栽(1)和底座(8)，盆栽(1)悬浮的设置在底座(8)的上方，所述盆栽(1)内设置一个陀螺形永磁铁(2)，所述底座包括太阳能电池板(7)、永磁环(3)、电磁线圈(4)、霍尔传感器组(5)、印刷电路板(6)和锂电池(9)，所述太阳能电池板(7)白天时持续为整个系统供电，所述电磁线圈(4)为四个镶嵌于永磁环(3) 内部的线圈，所述霍尔传感器组(5)放置于永磁环(3)中心处。
所述印刷电路板(6)包含微控制器(11)、线圈驱动电路(12)、信号调理电路(10)、太阳能充电器(13)、系统电源指示灯(9)和DC-DC变换器(14)。
所述陀螺形永磁铁(2)为两个同圆心的圆片形永磁铁叠放而成，从而形成一个锥形磁场。
所述的太阳能电池板(7)平铺于底座(8)上方。
所述的电磁线圈(4)两两一组，同名端相接，形成对角线上磁场相反的两个双向磁场；相对的电磁线圈(4)中心之间连线，两个连线之间形成十字结构。
所述的霍尔传感器组(5)为三个，其中两个处在同一水平面上，分别用于检测盆栽(1) 在X方向(“十”字的横向)和Y方向(“十”字的竖向)的磁场变化，另一个传感器安装在前面所述两个传感器的水平方向的上方，用于判断盆栽(1)是否存在。
所述的微控制器(11)是基于位置式PID算法的数字式控制器，所述微控制器根据霍尔传感器组(5)检测到盆栽(1)位置，输出PWM信号给线圈驱动电路(12)，从而控制线圈的电流方向和电压大小。
所述的线圈驱动电路(12)由驱动芯片配合外围电路构成。
所述的信号调理电路(10)是由运放构成的差分放大器。
本发明主要原理：永磁环(3)的环形表面区域的磁性与围绕其中心轴的环形区域的磁性是相反的。也就是说，如果水平放置的环形磁铁的上表面的极性为N极，那么该永磁环围绕其中心轴的定区域内的极性为S极，且该区域的极性的强弱会随着垂直或水平位置的变化而变化。把陀螺形永磁铁(2)以S极朝下，N极朝上的方式放置于永磁环上方一定距离的水平位置。此时陀螺形永磁铁(2)就像一滴水，下方的永磁环(3)就像一只倒扣着的碗，水会随着碗的四周流走，所以陀螺形永磁铁(2)也会往四周跑，被永磁环(3)吸走。唯有在永磁环(3)的中心处造出一个碗状的磁场才能使得陀螺形永磁铁(2)悬浮。
参见图2，太阳能供电式节能型磁悬浮景观盆栽包括盆栽(1)和底座(8)。盆栽(1)内是一个由两个同圆心圆片形永磁铁叠放而成的陀螺形永磁铁(2)，所述陀螺形永磁铁(2)为钕硼铁材料制成。根据上述原理，如果底座(8)内的永磁环(3)的上环形表面的极性为N，那么永磁环(3) 上方中心线附近区域的极性为S。如图2所示，将盆栽(1)放在磁性为S的区域内，并将固定在盆栽(1)内的陀螺形永磁铁(2)的S极朝下，那么根据同性相斥的原理，通过调节盆栽(1)的位置，会使盆栽(1)的重力被磁斥力所平衡，在竖直方向上达到平衡效果。
为了使盆栽(1)在水平方向保持平衡，不被永磁环(3)吸走。底座(8)内还有电磁线圈(4)。如图3所示，电磁线圈(4)摆成“十”字形，两两相连，同名端相接，便形成了一个双向磁场。电磁线圈(4)通电后产生的磁场可以维持盆栽(1)在水平方向上的平衡。在底座(8)内还安装有霍尔传感器组(5)，最上方的传感器控制电磁线圈(4)的励磁电流，检测到盆栽(1)，输出电流，检测不到盆栽(1)，无输出电流。另外两个传感器用于检测盆栽(1)在X方向和Y方向的磁场变化。
另外，在底座内还有印刷电路板(6)，参见图4。当太阳能充电器(13)的正在充电指示灯亮起时，系统电源指示灯(15)亮起，磁悬浮控制系统开始运行。霍尔传感器组(5)的输出电压值经放大器放大后，接入微控制器(11)中的ADC引脚，经AD转换得到三组数值，其数值反映了盆栽(1)在水平方向和垂直方向上的位置。当盆栽(1)偏右时，X方向的传感器会检测到磁场变化，信号调理电路(10)将此信号放大后传送给微控制器(11)，而后经内部控制算法运算后得出一个调节量给线圈驱动电路(12)，驱动电路(12)根据调节量给X方向的线圈提供相应的电压并改变线圈中的电流方向，便可调节盆栽(1)在X方向上的位置。由于X方向上的两个线圈是同名端相连，线圈产生的磁场是相反的，因此X方向的线圈对盆栽(1)的作用力就呈现为左边线圈拉，右边线圈推。同理，盆栽(1)偏向任何一个方向时，线圈都会立即工作把盆栽(1) 推、拉到中心位置。

Claims (9)

1.太阳能供电式节能型磁悬浮景观盆栽，其特征在于：该景观盆栽包括盆栽(1)和底座(8)，盆栽(1)悬浮的设置在底座(8)的上方，所述盆栽(1)内设置一个陀螺形永磁铁(2)，所述底座包括太阳能电池板(7)、永磁环(3)、电磁线圈(4)、霍尔传感器组(5)、印刷电路板(6)和锂电池(9)，所述太阳能电池板(7)白天时持续为整个系统供电，所述电磁线圈(4)为四个镶嵌于永磁环(3)内部的线圈，所述霍尔传感器组(5)放置于永磁环(3)中心处。
2.根据权利要求1所述的太阳能供电式节能型磁悬浮景观盆栽，其特征在于：所述印刷电路板(6)包含微控制器(11)、线圈驱动电路(12)、信号调理电路(10)、太阳能充电器(13)、系统电源指示灯(9)和DC-DC变换器(14)。
3.根据权利要求1所述的太阳能供电式节能型磁悬浮景观盆栽，其特征在于：所述陀螺形永磁铁(2)为两个同圆心的圆片形永磁铁叠放而成，从而形成一个锥形磁场。
4.根据权利要求1所述的太阳能供电式节能型磁悬浮景观盆栽，其特征在于：所述的太阳能电池板(7)平铺于底座(8)上方。
5.根据权利要求1所述的太阳能供电式节能型磁悬浮景观盆栽，其特征在于：所述的电磁线圈(4)两两一组，同名端相接，形成对角线上磁场相反的两个双向磁场；相对的电磁线圈(4)中心之间连线，两个连线之间形成十字结构。
6.根据权利要求1所述的太阳能供电式节能型磁悬浮景观盆栽，其特征在于：所述的霍尔传感器组(5) 为三个，其中两个处在同一水平面上，分别用于检测盆栽(1)在X方向和Y方向的磁场变化，另一个传感器安装在前面所述两个传感器的水平方向的上方，用于判断盆栽(1)是否存在。
7.根据权利要求1所述的太阳能供电式节能型磁悬浮景观盆栽，其特征在于：所述的微控制器(11)是基于位置式PID算法的数字式控制器，所述微控制器根据霍尔传感器组(5)检测到盆栽(1)位置，输出PWM信号给线圈驱动电路(12)，从而控制线圈的电流方向和电压大小。
8.根据权利要求1所述的太阳能供电式节能型磁悬浮景观盆栽，其特征在于：所述的线圈驱动电路(12)由驱动芯片配合外围电路构成。
9.根据权利要求1所述的太阳能供电式节能型磁悬浮景观盆栽，其特征在于：所述的信号调理电路(10)是由运放构成的差分放大器。
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