磁流體顯示器

吉祥 華海明 蘇峻

摘 要：基于點(diǎn)陣顯示器的顯示原理，本文以磁流體為顯示材料，電磁鐵或磁推桿為點(diǎn)陣元，單片機(jī)和鎖存器陣列做控制器，制作了一款新型磁流體點(diǎn)陣圖形顯示器。

關(guān)鍵詞：磁流體；電磁鐵；單片機(jī)

0 引言

傳統(tǒng)的點(diǎn)陣顯示器有LCD液晶、LED點(diǎn)陣、陰極射線管等，其點(diǎn)陣藏于內(nèi)部，顯示原理不能直觀展示。本作品選用一種磁性功能材料——磁流體，作為顯示材料，利用其磁性與流動(dòng)性合一的特性，通過(guò)外加點(diǎn)陣型磁場(chǎng)，使其沿設(shè)定磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)或改變形貌，進(jìn)而顯示出特定字符。市面上類似的產(chǎn)品只有美國(guó)設(shè)計(jì)師Zelf Koelman設(shè)計(jì)的磁流體時(shí)鐘，其顯示字符固定，需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路，成本很高。相比于“磁流體時(shí)鐘”，本作品使用電磁鐵作為點(diǎn)陣元，只需控制其通斷電就能達(dá)到吸引或放開(kāi)磁流體的效果，驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜程度與顯示程序的編寫(xiě)難度均大大減小，成本降低。且由于磁流體在圖形形成過(guò)程中能夠流動(dòng)，并在磁場(chǎng)中能呈現(xiàn)出類似花紋的簇狀形貌，顯示過(guò)程動(dòng)感有趣，具有極強(qiáng)的物理演示和科普展示效果。

1 裝置結(jié)構(gòu)

如圖1所示，顯示屏（1），由透明材料粘合而成，內(nèi)裝納米磁流體（2）。電磁鐵（電磁推桿）陣列（3）由n個(gè)電磁鐵（電磁推桿）（4）構(gòu)成，其通斷電由控制電路（5）控制?？刂齐娐酚蓛刹糠謽?gòu)成，為單片機(jī)（6）鎖存器組（7）和三極管陣列（8），鎖存器組由n個(gè)鎖存器組成，能將單片機(jī)的輸出信號(hào)，轉(zhuǎn)化為n個(gè)鎖存輸出口的電平狀態(tài)。三極管陣列（8）由n個(gè)三極管組成，能將每個(gè)鎖存輸出口的輸出電流放大，以驅(qū)動(dòng)電磁鐵（電磁推桿）。單片機(jī)將要顯示的字符坐標(biāo)和磁流體流動(dòng)過(guò)程等信息轉(zhuǎn)化成鎖存器組輸出口的高低電平狀態(tài)，如選用電磁鐵點(diǎn)陣，則可通過(guò)通斷電控制點(diǎn)陣中每個(gè)電磁鐵產(chǎn)生磁力或不產(chǎn)生磁力；如選用電磁推桿點(diǎn)陣，可通過(guò)通斷電控制陣列中每個(gè)電磁推桿的伸出與縮進(jìn)。即可控制點(diǎn)陣中每個(gè)點(diǎn)對(duì)磁流體的吸引或釋放，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圖形顯示。

2 顯示所用磁流體的探究

磁流體是一種將強(qiáng)磁性超微粒子分散到液相中所得到的非常穩(wěn)定且?guī)в写判缘哪z態(tài)溶液，是近年來(lái)出現(xiàn)的一種液態(tài)磁性材料，它將固體的強(qiáng)磁性和液體的流變性巧妙地結(jié)合起來(lái)，具有磁性與流動(dòng)性合一的特性，外加磁場(chǎng)時(shí)，能沿著磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)或改變形貌（如沿著放射狀磁感線，形成簇狀的突刺）。

磁流體作為本作品的顯示材料，其流動(dòng)能力，變形能力，是否粘壁等性能直接關(guān)系到顯示器的顯示效果。一般以化學(xué)沉淀方法制備磁流體。其以四氧化三鐵顆粒為磁性物質(zhì)，二甲苯為溶劑，油酸為表面活性劑合成磁流體。但因?yàn)槎妆接卸拘裕覀冇酶榇?，并在水相中加入檸檬酸鈉調(diào)節(jié)兩相之間的作用力，使得磁流體不粘壁且更易被電磁鐵吸引。

3 磁流體容器的制作

磁流體容器要求器壁透明，不沾染磁流體且容易加工制作。我們選用厚度為1.1mm薄玻璃片做容器壁材料，用硅酮結(jié)構(gòu)膠粘合成一個(gè)13*13*2.5cm的立方體容器。通過(guò)用濃氫氧化鈉浸泡容器，用砂紙打磨玻璃表面，在水相中加入油水兩親物質(zhì)（如檸檬酸鈉），在容器的側(cè)面和底面采用雙層玻璃結(jié)構(gòu)等方法改善粘壁現(xiàn)象。

4 電磁鐵操控裝置的制作

4.1 電磁鐵磁性探究

本作品以電磁鐵為點(diǎn)陣元，電磁鐵的磁性直接決定了顯示屏幕的操控效果。我們用直徑3mm，長(zhǎng)為42mm的電工純鐵作鐵芯，用直徑0.15mm的無(wú)氧銅漆包線繞制線圈，匝數(shù)5000匝左右，電阻約130Ω，通以直流電。在電流較小時(shí)，用霍爾效應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)測(cè)得的鐵芯尖端的磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流有很好的線性關(guān)系。而電流過(guò)大，發(fā)熱功率也增大，會(huì)造成銅線過(guò)熱，電流減小，影響磁力。且溫度過(guò)高會(huì)造成框架變形、開(kāi)膠等不良后果。綜合考慮，我們選用12V直流電作為電磁鐵電源，工作電流0.1A左右，長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)溫度在50℃以內(nèi)。

以鐵芯的一端緊貼玻璃容器后壁吸引磁流體。將64個(gè)電磁鐵排列成8*8的方陣，并使點(diǎn)陣中相鄰電磁鐵磁性相反，則一條線上的磁流體可匯聚在一起。若是磁性全部相同，則相鄰?fù)姶盆F吸引的磁流體相互排斥，無(wú)法匯聚成一線。

將電磁鐵點(diǎn)陣放于磁流體屏幕后方，電磁鐵端部緊貼屏幕的后方玻璃板，即制作成磁流體顯示屏的顯示部分。

4.2 顯示控制電路制作

本作品用51單片機(jī)作控制芯片，用鎖存器組作驅(qū)動(dòng)器，并用三極管陣列放大每個(gè)輸出口的電流。

鎖存器組采用8個(gè)8位74hc573鎖存器級(jí)聯(lián)，并將輸入口連接單片機(jī)。鎖存器組的64個(gè)輸出口分別連接8*8的三極管陣列中的三極管，三極管可將輸出口電流（最大20ma）放大，以驅(qū)動(dòng)電磁鐵。

單片機(jī)將要顯示的字符坐標(biāo)和磁流體流動(dòng)過(guò)程等信息轉(zhuǎn)化成鎖存器組輸出口的高低電平狀態(tài)，通過(guò)通斷電控制點(diǎn)陣中每個(gè)電磁鐵產(chǎn)生磁力或不產(chǎn)生磁力，即可控制點(diǎn)陣中每個(gè)點(diǎn)對(duì)磁流體的吸引或釋放，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圖形顯示。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：南京林業(yè)大學(xué)）