基于Arduino pro mini编程软件给霍尔传感器和PID控制器的气体磁悬浮盆景设计
摘要：磁悬浮盆景是科技与自然碰撞发生的美丽景致，发明家将这两种原来并没有交集的东西利用科学的力量交融在一起，产生了具有科技感的装饰风格。磁悬浮盆景并没有非常复杂的原理，让一块磁铁悬浮在另一块磁铁上方就是它的秘密之处。利用ss495a霍尔传感器,PID控制器作为它的主要电路；LM324运算放大器为其增加灵敏度，使arduino可以很容易地识别判断磁场的变化；L298N模块控制两个直流电机的速度与方向，为悬浮效果增加更多的可能性变化性；磁体及其它部件作磁悬浮盆景的基础组件产生圆型磁场和悬浮组件产生吸力。最后用Arduino pro mini编程软件给霍尔传感器和PID控制器所产生的信号进行校准，调节位置方向等问题。组装好外部模具后，盆景就可以通过磁力悬浮在空中了。
关键词：磁悬浮盆景；磁铁；霍尔传感器；PID控制器
Air Bonsai
Abstract： Beautiful scene where science and technology collide with nature is air bonsai.The inventor USES the power of science to blend the two, which do not overlap, into a decorative style with a sense of technology. There is no very complicated principle in air bonsai,keeping one magnet suspended above another is its secret ingredient.Using ss495a hall sensor, PID controller as its main circuit, The increased sensitivity of the LM324 operational amplifier enables the arduino
to easily identify changes in the magnetic field.The l289n.module controls the speed and direction of the two dc motors to increase the possibility of suspension effect. Magnets and other components used as the basic components of magnetic levitation bonsai produce circular magnetic field and levitation components produce suction.Finally, the signal generated by hall sensor and PID controller is calibrated with Arduino pro mini programming software, just the position and direction.After assembling the external mold, the bonsai can be suspended in the air through magnetic force.
Keywords: Air Bonsai; magnet; hall sensor; PID controller
目录
第一章 绪论 1
1.1项目研究背景及其意义 1
1.2项目主要研究内容 2
1.3设计思路 2
第二章 方案设计 3
2.1 磁路原理 3
2.2 PID控制系统 4
2.3 气体磁悬浮盆景的自转原理 8
第三章 硬件电路 9
3.1 信号采集电路 9
3.2 L289N驱动器 12
3.3 控制线圈驱动模块设计 13
3.4 钕磁铁 14
第四章 软件设计程序流程 15
4.1 Arduino平台 15
4.2 程序流程 15
第五章 系统调试结构设计 18
5.1硬件调试 18
5.2软件调试 18
第六章 总结与展望 19
第七章 致谢 21
附录 22
附件1 L289N电机驱动模块连接图 22
附件2 总原理图 23
附件3 元器件清单 24
附件4 工具清单 25
参考文献 26
第一章 绪论
在这个生活工作都在快速发展的社会，许多人都为家庭琐事和工作压力所烦恼。为了排解压力也为了更加亲近大自然，许多人会选择用绿植来装饰自己的生活办公区域，在个人桌子上常常会摆放一些创意性的装饰品，小号绿植更受到大家的追捧。普通的绿植相信大家见了不少，盆栽漂浮在半空中旋转，这种场景似乎只在科幻片中见过。在2016年1月份，日本有一家公司新研发的产品“悬浮盆栽”面市，此项发明独具创意的将星系与盆栽两种元素合二为一，小小绿植可悬浮在花盆上方大约半英寸(约1.27厘米)的空中，消费者可根据个人的喜好移植植物于盆景中。这种独特科技感的盆栽一经面世，吸引了一大批科技迷与绿植迷的兴趣，于是他们纷纷研究起磁悬浮盆景的原理。
1.1项目研究背景及其意义
磁悬浮的应用遍布我们周围的生活，最出名的磁悬浮列车就是此项新新技术的伟大成就。及至1842年，英国的一位物理学家Earnshaw提出了磁悬浮的概念。又在1994年2月24日，日本的电动悬浮式磁悬浮列车，创造了时速430km的日本最高记录，就在日本宫崎一段74km长的试验线上。一直到1995年，我们中国第一条磁悬浮列车试验线终于在西南交通大学建造成功，并且成功进行了稳定实验出悬浮、导向、驱动控制与载人运行等时速为30.0 km的记录。西南交通大学这条试验线的建成，足以标志着中国已经掌握住制造磁悬浮列车的技术。可以这么说磁悬浮最大应用之一磁悬浮列车在中国也仅仅只才过了20多年，它的潜力还没有完全被激发开来。磁悬浮列车对磁悬浮技术的应用也给了其他行业者灵感，某日本公司就用了众筹的方法将磁悬浮公诸于世。该公司筹集了超过40万美元（约合人民币263万元）的资金来准备这项发明，并承诺同年六月即可发售。单从募集到的款项来说，大多数人对这项发明还是包含着期待与善意的目光。
盆栽的造型琳琅满目、层出不穷，商家为了更加别具特色感摒弃了以往久束湿薪的思想观念，制作起花盆来都是别出新裁。往往一个小小绿植的价格都在10元到50元之内，磁悬浮盆栽的价格确显得有些过于昂贵，淘宝价格区间通常在200到600元之间不等。由于价格，可能大多数人并不会选择这类产品，导致气体磁悬浮盆景在市场上的占有额并不高，大多数人甚至不知道这个产品。有短处就必然有长处，只要解决了产品所需的高额材料和加工费，产品成本就能压缩在一些普通人都可以消费的起的水平，未来可能不仅仅是气体磁悬浮盆景可以大规模出现在我们生活当中，由磁悬浮原理所制造的物体一个个都能应用到我们的生活中。
1.2项目主要研究内容
本文将通过Arduino软件，基础部件和悬浮部件等几大模块来还原制作出气体磁悬浮盆景。研究方向主要有“气体磁悬浮盆栽为什么能悬浮？气体磁悬浮盆栽为什么能够自转？气体磁悬浮的模块究竟包含哪些东西？基本原理又是什么？”等等内容。
1.3设计思路
下面我将按照此结构体对我的论文一一做阐述：
第一章：绪论 简单介绍了气体磁悬浮盆景的发展背景及其应用，分析了本次选题主要研究内容，最后进行了本文的研究内容以及对提出的问题做出解答。
第二章：工作原理 由本次论文题目气体磁悬浮盆景所涉及到的此路以及相关原理知识做解释与总结应用。
第三章：部件组装 气体磁悬浮盆景可按结构分为两部分，本章将按照这两个部分做阐述，构成两部分组件的元器件也会详细介绍。
第四章：电路调试 完成实物组装后要进行必要的电路调试，主要包括校准设定值以及加载主程序。
第五章：总结与展望 对我所做的电路成果以及这段时间做出的成绩评价总结一下，同时展望未来期待有更好的发展。
第六章：致谢
参考文献
[1]王兆安，电力电子技术第4版[M] 机械工业出版社2003.
[2]胡宴如，耿苏燕.模拟电子技术(第五版)[M].北京：高等教育出版社，2015，9：217-238.
[3]康华光，电子技术基础[M].高等教育出版社，2001.
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[5]周艳琼，电磁炉工作原理. 家电检修技术[M], 2001.
