磁流體顯示器

吉祥 華海明 蘇峻

摘 要：基于點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陣元，單片機和鎖存器陣列做控制器，制作了一款新型磁流體點陣圖形顯示器。

關鍵詞：磁流體；電磁鐵；單片機

0 引言

傳統(tǒng)的點陣顯示器有LCD液晶、LED點陣、陰極射線管等，其點陣藏于內(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，利用其磁性與流動性合一的特性，通過外加點陣型磁場，使其沿設定磁場方向運動或改變形貌，進而顯示出特定字符。市面上類似的產(chǎn)品只有美國設計師Zelf Koelman設計的磁流體時鐘，其顯示字符固定，需要復雜的驅(qū)動電路，成本很高。相比于“磁流體時鐘”，本作品使用電磁鐵作為點陣元，只需控制其通斷電就能達到吸引或放開磁流體的效果，驅(qū)動電路的復雜程度與顯示程序的編寫難度均大大減小，成本降低。且由于磁流體在圖形形成過程中能夠流動，并在磁場中能呈現(xiàn)出類似花紋的簇狀形貌，顯示過程動感有趣，具有極強的物理演示和科普展示效果。

1 裝置結構

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個電磁鐵（電磁推桿）（4）構成，其通斷電由控制電路（5）控制。控制電路由兩部分構成，為單片機（6）鎖存器組（7）和三極管陣列（8），鎖存器組由n個鎖存器組成，能將單片機的輸出信號，轉化為n個鎖存輸出口的電平狀態(tài)。三極管陣列（8）由n個三極管組成，能將每個鎖存輸出口的輸出電流放大，以驅(qū)動電磁鐵（電磁推桿）。單片機將要顯示的字符坐標和磁流體流動過程等信息轉化成鎖存器組輸出口的高低電平狀態(tài)，如選用電磁鐵點陣，則可通過通斷電控制點陣中每個電磁鐵產(chǎn)生磁力或不產(chǎn)生磁力；如選用電磁推桿點陣，可通過通斷電控制陣列中每個電磁推桿的伸出與縮進。即可控制點陣中每個點對磁流體的吸引或釋放，進而實現(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，是近年來出現(xiàn)的一種液態(tài)磁性材料，它將固體的強磁性和液體的流變性巧妙地結合起來，具有磁性與流動性合一的特性，外加磁場時，能沿著磁場方向運動或改變形貌（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，其流動能力，變形能力，是否粘壁等性能直接關系到顯示器的顯示效果。一般以化學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。但因為二甲苯有毒性，我們用庚烷代替，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，用硅酮結構膠粘合成一個13*13*2.5cm的立方體容器。通過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），在容器的側面和底面采用雙層玻璃結構等方法改善粘壁現(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，長為42mm的電工純鐵作鐵芯，用直徑0.15mm的無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，用霍爾效應磁感應強度計測得的鐵芯尖端的磁感應強度與電流有很好的線性關系。而電流過大，發(fā)熱功率也增大，會造成銅線過熱，電流減小，影響磁力。且溫度過高會造成框架變形、開膠等不良后果。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，長時間工作時溫度在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個電磁鐵排列成8*8的方陣，并使點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，則相鄰同名電磁鐵吸引的磁流體相互排斥，無法匯聚成一線。

將電磁鐵點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單片機作控制芯片，用鎖存器組作驅(qū)動器，并用三極管陣列放大每個輸出口的電流。

鎖存器組采用8個8位74hc573鎖存器級聯(lián)，并將輸入口連接單片機。鎖存器組的64個輸出口分別連接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)動電磁鐵。

單片機將要顯示的字符坐標和磁流體流動過程等信息轉化成鎖存器組輸出口的高低電平狀態(tài)，通過通斷電控制點陣中每個電磁鐵產(chǎn)生磁力或不產(chǎn)生磁力，即可控制點陣中每個點對磁流體的吸引或釋放，進而實現(xiàn)圖形顯示。

參考文獻

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（作者單位：南京林業(yè)大學）