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        磁流體顯示器

        2017-05-30 07:18:36吉祥華海明蘇峻
        科技尚品 2017年7期
        關(guān)鍵詞:磁流體電磁鐵單片機

        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(guān)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(shè)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(shè)計師Zelf Koelman設(shè)計的磁流體時鐘,其顯示字符固定,需要復(fù)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(fù)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(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個電磁鐵(電磁推桿)(4)構(gòu)成,其通斷電由控制電路(5)控制。控制電路由兩部分構(gòu)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(zhuǎn)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(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),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(jié)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(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(jié)構(gòu)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(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(yīng)磁感應(yīng)強度計測得的鐵芯尖端的磁感應(yīng)強度與電流有很好的線性關(guān)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?fù)姶盆F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(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),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

        [1]S.odenbach.Magneticfluids[J].Adv.collid interface sci.,1993,(46):263-282.

        [2]王允軍,康鴻業(yè),趙慕愚.磁流體重力懸浮的研究[J].吉林大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報,1991,(1):85-88.

        [3]任歡魚,劉雷,劉勇健.水基磁流體的制備和性質(zhì)研究[J].化工新材型料,2003,31(1):15-17.

        (作者單位:南京林業(yè)大學(xué))

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