磁流体显示器

吉祥 华海明 苏峻

摘 要：基于点阵显示器的显示原理，本文以磁流体为显示材料，电磁铁或磁推杆为点阵元，单片机和锁存器阵列做控制器，制作了一款新型磁流体点阵图形显示器。

关键词：磁流体；电磁铁；单片机

0 引言

传统的点阵显示器有LCD液晶、LED点阵、阴极射线管等，其点阵藏于内部，显示原理不能直观展示。本作品选用一种磁性功能材料——磁流体，作为显示材料，利用其磁性与流动性合一的特性，通过外加点阵型磁场，使其沿设定磁场方向运动或改变形貌，进而显示出特定字符。市面上类似的产品只有美国设计师Zelf Koelman设计的磁流体时钟，其显示字符固定，需要复杂的驱动电路，成本很高。相比于“磁流体时钟”，本作品使用电磁铁作为点阵元，只需控制其通断电就能达到吸引或放开磁流体的效果，驱动电路的复杂程度与显示程序的编写难度均大大减小，成本降低。且由于磁流体在图形形成过程中能够流动，并在磁场中能呈现出类似花纹的簇状形貌，显示过程动感有趣，具有极强的物理演示和科普展示效果。

1 装置结构

如图1所示，显示屏（1），由透明材料粘合而成，内装纳米磁流体（2）。电磁铁（电磁推杆）阵列（3）由n个电磁铁（电磁推杆）（4）构成，其通断电由控制电路（5）控制。控制电路由两部分构成，为单片机（6）锁存器组（7）和三极管阵列（8），锁存器组由n个锁存器组成，能将单片机的输出信号，转化为n个锁存输出口的电平状态。三极管阵列（8）由n个三极管组成，能将每个锁存输出口的输出电流放大，以驱动电磁铁（电磁推杆）。单片机将要显示的字符坐标和磁流体流动过程等信息转化成锁存器组输出口的高低电平状态，如选用电磁铁点阵，则可通过通断电控制点阵中每个电磁铁产生磁力或不产生磁力；如选用电磁推杆点阵，可通过通断电控制阵列中每个电磁推杆的伸出与缩进。即可控制点阵中每个点对磁流体的吸引或释放，进而实现图形显示。

2 显示所用磁流体的探究

磁流体是一种将强磁性超微粒子分散到液相中所得到的非常稳定且带有磁性的胶态溶液，是近年来出现的一种液态磁性材料，它将固体的强磁性和液体的流变性巧妙地结合起来，具有磁性与流动性合一的特性，外加磁场时，能沿着磁场方向运动或改变形貌（如沿着放射状磁感线，形成簇状的突刺）。

磁流体作为本作品的显示材料，其流动能力，变形能力，是否粘壁等性能直接关系到显示器的显示效果。一般以化学沉淀方法制备磁流体。其以四氧化三铁颗粒为磁性物质，二甲苯为溶剂，油酸为表面活性剂合成磁流体。但因为二甲苯有毒性，我们用庚烷代替，并在水相中加入柠檬酸钠调节两相之间的作用力，使得磁流体不粘壁且更易被电磁铁吸引。

3 磁流体容器的制作

磁流体容器要求器壁透明，不沾染磁流体且容易加工制作。我们选用厚度为1.1mm薄玻璃片做容器壁材料，用硅酮结构胶粘合成一个13*13*2.5cm的立方体容器。通过用浓氢氧化钠浸泡容器，用砂纸打磨玻璃表面，在水相中加入油水两亲物质（如柠檬酸钠），在容器的侧面和底面采用双层玻璃结构等方法改善粘壁现象。

4 电磁铁操控装置的制作

4.1 电磁铁磁性探究

本作品以电磁铁为点阵元，电磁铁的磁性直接决定了显示屏幕的操控效果。我们用直径3mm，长为42mm的电工纯铁作铁芯，用直径0.15mm的无氧铜漆包线绕制线圈，匝数5000匝左右，电阻约130Ω，通以直流电。在电流较小时，用霍尔效应磁感应强度计测得的铁芯尖端的磁感应强度与电流有很好的线性关系。而电流过大，发热功率也增大，会造成铜线过热，电流减小，影响磁力。且温度过高会造成框架变形、开胶等不良后果。综合考虑，我们选用12V直流电作为电磁铁电源，工作电流0.1A左右，长时间工作时温度在50℃以内。

以铁芯的一端紧贴玻璃容器后壁吸引磁流体。将64个电磁铁排列成8*8的方阵，并使点阵中相邻电磁铁磁性相反，则一条线上的磁流体可汇聚在一起。若是磁性全部相同，则相邻同名电磁铁吸引的磁流体相互排斥，无法汇聚成一线。

将电磁铁点阵放于磁流体屏幕后方，电磁铁端部紧贴屏幕的后方玻璃板，即制作成磁流体显示屏的显示部分。

4.2 显示控制电路制作

本作品用51单片机作控制芯片，用锁存器组作驱动器，并用三极管阵列放大每个输出口的电流。

锁存器组采用8个8位74hc573锁存器级联，并将输入口连接单片机。锁存器组的64个输出口分别连接8*8的三极管阵列中的三极管，三极管可将输出口电流（最大20ma）放大，以驱动电磁铁。

单片机将要显示的字符坐标和磁流体流动过程等信息转化成锁存器组输出口的高低电平状态，通过通断电控制点阵中每个电磁铁产生磁力或不产生磁力，即可控制点阵中每个点对磁流体的吸引或释放，进而实现图形显示。

参考文献

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

[2]王允军，康鸿业，赵慕愚.磁流体重力悬浮的研究[J].吉林大学自然科学学报，1991，（1）：85-88.

[3]任欢鱼，刘雷，刘勇健.水基磁流体的制备和性质研究[J].化工新材型料，2003，31（1）：15-17.

（作者單位：南京林业大学）