基于單片機(jī)的磁流體顯示設(shè)計(jì)
——以數(shù)字時鐘為例

黃運(yùn)米，曹書蕾，呂方怡，徐 燾，黃鵬翔，吳鑫濤

(溫州大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，浙江 溫州 325035)

傳統(tǒng)顯示器，特別是CRT顯示器能產(chǎn)生比較大的電磁輻射[1,2]，對人體有一定影響，這也是它被淘汰的重要原因之一。諸如LED顯示器的閃屏等傳統(tǒng)顯示器普遍具有的藍(lán)光對眼睛有損傷，長久使用會帶來永久性傷害[3-5]。

亞馬遜推出的產(chǎn)品kindle可能是顯示器中獨(dú)樹一幟的存在。該產(chǎn)品被稱為“電紙書”，其顯示屏為“水墨屏”，因?yàn)殚喿x感受與紙質(zhì)書相仿而受到追捧。相較于產(chǎn)品功能而言，這種顯示器才是賣點(diǎn)。這也說明標(biāo)新立異的產(chǎn)品依舊吸引大眾的目光。受到kindle賣點(diǎn)和減壓玩具的啟發(fā)，設(shè)計(jì)的磁流體顯示器是利用磁流體自身的顏色和背景板底色產(chǎn)生對比而被肉眼看見，不會帶來視力損傷。因此可以帶給人們更加健康的視覺體驗(yàn)。

本文以電磁鐵作為點(diǎn)陣元，利用磁性功能材料——磁流體，作為顯示材料，利用磁流體與磁場的作用以及磁流體自身的流動性，通過外加點(diǎn)陣型磁場，使其顯示出特定的字符或圖案。且由于磁流體的流動性，其在形成圖形的過程中，往往能在磁場的作用下呈現(xiàn)出類似花紋的簇狀形貌，十分動感有趣。采用點(diǎn)陣更容易實(shí)現(xiàn)編程控制，機(jī)械部分更少更精簡，輕便無聲，成本也能夠大大降低。

為了展示制作成品能夠達(dá)成預(yù)期的效果，以顯示數(shù)字時間為例。這種顯示內(nèi)容能夠同時展示磁流體視覺感官效果、磁流體變化運(yùn)動情況和程序控制效果。

1 磁流體的制備

磁流體又稱磁性液體，是一種液體功能性材料，通常是某種強(qiáng)磁性納米顆粒分散在某種液態(tài)載體中形成的比較均勻穩(wěn)定的膠體。最初磁流體的研究是為解決航天器的密封問題，發(fā)展至今，磁流體因具有良好的順磁性、流動性等特性而被廣泛應(yīng)用于真空動密封、器械的連續(xù)潤滑、靶向給藥載體、礦物分離、水資源保護(hù)等領(lǐng)域。

選擇順磁性材料——納米四氧化三鐵作為磁流體材料，用油酸作為表面活性劑包覆在納米四氧化三鐵顆粒表面，使得四氧化三鐵顆粒團(tuán)聚的引力變小，表面張力也會變化，從而保持了納米四氧化三鐵顆粒的相對獨(dú)立。選取含有電解質(zhì)的水基作為載液，以此來保證磁流體具有良好的流動性[6-8]。

2 點(diǎn)陣式電磁鐵分布的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

可視的顯示部分主要是磁流體，由于磁流體自身性質(zhì)原因，長期受到向下的重力作用，不易爬升，無法構(gòu)成連續(xù)的數(shù)字筆畫。這就要求單位像素(單個電磁)必須單獨(dú)供電，并且相鄰電磁鐵的極性相反。

當(dāng)相鄰電磁鐵極性相同的時候，它們的磁場相互排斥。點(diǎn)陣的排布有兩種。是六邊形排布，這種方法可以提高屏上磁場有效的工作面積，減小顯示屏的尺寸。但是這種方法也存在嚴(yán)重問題：首先是最直觀的數(shù)字筆畫扭曲問題，如果陣列龐大并且顯示數(shù)字形狀大，則問題不會那么嚴(yán)重，但這樣也意味著裝置極大極重；第二是極性問題，在六邊形網(wǎng)格中，極性相反的電磁鐵嚴(yán)重向一個方向傾斜(如圖1)，圖像數(shù)字的顯示變得困難費(fèi)時，甚至需要不斷改變同一個電磁鐵的電流方向使之極性變化。

圖1 六邊形電磁鐵陣列

另一種點(diǎn)陣排布方式是普通的四邊形排布，這種方式磁流體只能在左右上下相鄰異極的電磁鐵之間轉(zhuǎn)移，而斜向的四個電磁鐵由于距離較遠(yuǎn)不會轉(zhuǎn)移，數(shù)字的筆畫比較直，磁流體運(yùn)動情況良好。

因此，本文采用了四邊形排布方式安置電磁鐵組如圖2。

圖2 四邊形電磁鐵陣列

3 顯示屏的試驗(yàn)和設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

顯示屏本質(zhì)上是裝載磁流體的容器。磁流體和載液都是液態(tài)物質(zhì)，磁流體可以在載液中流動，磁流體偏重會沉積在底部，只有受到磁鐵吸引才能攀升。

將容器形狀簡單定為立方體。考慮到底部面積過大會使磁流體分?jǐn)偠档屠寐?，所以容器底部?yīng)滿足長而窄的要求。再考慮到磁流體被磁鐵吸引時候的形狀，如果寬度過窄會擠壓磁流體液進(jìn)而失去液滴般的形狀。綜合考慮多種因素后，最后定下的容器尺寸為長250 mm，寬10 mm，高102 mm，如圖3。且靠近電磁鐵一面的容器壁材料厚度為2 mm，避免發(fā)生電磁鐵磁性因?yàn)榫嚯x驟降而無法吸引磁流體的情況。

圖3 磁流體顯示屏

考慮到磁流體制備中使用到油性物質(zhì)，吸附力強(qiáng)，難清理，并且顯示屏需要一個盡可能潔凈透明的視覺效果，決定在亞克力板和玻璃之間挑選其一，作為顯示屏材料。亞克力實(shí)際上是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成，屬于高聚有機(jī)物質(zhì)，與無機(jī)物相比它和油脂擁有更高的相性，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)也證實(shí)磁流體極易沾黏在表面，所以不適合作為容器材料。而玻璃不易沾染磁流體且容易加工，最終選用了玻璃作為容器壁材料。

4 驅(qū)動電流和控制電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

本裝置通過單片機(jī)預(yù)期顯示的字符坐標(biāo)和磁流體流動過程等信息轉(zhuǎn)化成鎖存器組輸出口的高低電平狀態(tài)。因本文選用電磁鐵點(diǎn)陣，則可通過通斷電控制點(diǎn)陣中每個電磁鐵產(chǎn)生磁力與否，從而在特定點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)對磁流體的吸引或釋放，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圖形顯示[9]。各組件具體功能如下。

4.1 單片機(jī)

采用Arduino Uno單片機(jī)進(jìn)行控制，通過Arduino單片機(jī)對開關(guān)三極管施加有效的輸入電壓，可實(shí)現(xiàn)對電磁鐵輸入電流的通斷控制，從而達(dá)到控制電磁鐵電流的通斷以及通斷時間的目的，實(shí)現(xiàn)對磁流體的吸附，進(jìn)而達(dá)到預(yù)設(shè)圖案顯現(xiàn)、變換的效果。由于Arduino編程方式簡單，庫資源豐富，具有極大的自由度和高度的可拓展性，同時豐富的接口可實(shí)現(xiàn)對多個目標(biāo)的控制，非常適合簡單的外部控制，因此將其應(yīng)用在對開關(guān)三極管的控制中。

4.2 開關(guān)三極管

開關(guān)三極管使用方法簡單，只需要基極通過大于0.6 V的電壓即可導(dǎo)通，而Arduino單片機(jī)輸出的電壓滿足其要求，因此可達(dá)到控制開關(guān)三極管的目的。選擇的開關(guān)三極管具有體積小、耐熱性好、安全可靠，同時開關(guān)速度快等特點(diǎn)，其可以快速實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的通斷控制，能夠承受的電流大小也足夠維持整個系統(tǒng)的運(yùn)作[10]。

4.3 控制電路

最初的方法是直接將電磁鐵與單片機(jī)相接。由于單片機(jī)端口可以輸出一定電壓，所以原定使用單片機(jī)同時完成供電和控制的工作[11，12]。由于單片機(jī)輸出的電壓較小使得電磁鐵產(chǎn)生的磁性不大，顯示效果并不理想。如何保證電壓的同時實(shí)現(xiàn)控制是電路設(shè)計(jì)的核心問題。

為了讓電磁鐵上得到足夠大的電壓以有效吸附磁流體，采用將電磁鐵串聯(lián)至開關(guān)三極管與電源(VCC)之間的連接形式，利用代碼控制單片機(jī)電流的通斷，進(jìn)而使VCC按需要通斷，將足夠大的電壓電流施加在電磁鐵上。同時為了防止大電流倒灌至單片機(jī)中，長時間運(yùn)作會損壞單片機(jī)，在單片機(jī)的端口和開關(guān)三極管的基極之間串聯(lián)上一個1 kΩ的電阻，以此保護(hù)單片機(jī)。

四組電磁鐵組都采用一樣的電路結(jié)構(gòu)。顯示一個數(shù)字所需要的電磁鐵電路如圖4。

圖4 局部電路(連接圖)

5 磁流體顯示器裝置圖

本裝置主要由裝置外殼、外部電源、顯示模塊、控制模塊四部分組成。主要結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)示意圖(部分)

6 磁流體顯示器顯示效果

見圖6。

圖6 顯示效果圖

7 結(jié) 語

磁流體顯示技術(shù)運(yùn)用前景廣闊，其市場化運(yùn)用可延伸至多個領(lǐng)域。由于磁流體運(yùn)動特征新穎萌趣，能激發(fā)內(nèi)心的好奇心和藝術(shù)審美，因此十分適合用作兒童玩具的顯示器。磁流體流動過程具有極高的藝術(shù)性，將磁流體顯示屏作為裝飾物、藝術(shù)展示品等不乏是一種提高生活品位的做法。磁流體顯示技術(shù)涉及電磁原理和計(jì)算機(jī)顯示技術(shù)，具有趣味性和益智性，因此制成磁流體演示儀可適用于公共場合的科普展示活動。