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

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（作者單位：南京林業(yè)大學(xué)）