基于单片机的磁流体显示设计——以数字时钟为例

黄运米，曹书蕾，吕方怡，徐 焘，黄鹏翔，吴鑫涛

(温州大学 数理学院，浙江 温州 325035)

传统显示器，特别是CRT显示器能产生比较大的电磁辐射[1,2]，对人体有一定影响，这也是它被淘汰的重要原因之一。诸如LED显示器的闪屏等传统显示器普遍具有的蓝光对眼睛有损伤，长久使用会带来永久性伤害[3-5]。

亚马逊推出的产品kindle可能是显示器中独树一帜的存在。该产品被称为“电纸书”，其显示屏为“水墨屏”，因为阅读感受与纸质书相仿而受到追捧。相较于产品功能而言，这种显示器才是卖点。这也说明标新立异的产品依旧吸引大众的目光。受到kindle卖点和减压玩具的启发，设计的磁流体显示器是利用磁流体自身的颜色和背景板底色产生对比而被肉眼看见，不会带来视力损伤。因此可以带给人们更加健康的视觉体验。

本文以电磁铁作为点阵元，利用磁性功能材料——磁流体，作为显示材料，利用磁流体与磁场的作用以及磁流体自身的流动性，通过外加点阵型磁场，使其显示出特定的字符或图案。且由于磁流体的流动性，其在形成图形的过程中，往往能在磁场的作用下呈现出类似花纹的簇状形貌，十分动感有趣。采用点阵更容易实现编程控制，机械部分更少更精简，轻便无声，成本也能够大大降低。

为了展示制作成品能够达成预期的效果，以显示数字时间为例。这种显示内容能够同时展示磁流体视觉感官效果、磁流体变化运动情况和程序控制效果。

1 磁流体的制备

磁流体又称磁性液体，是一种液体功能性材料，通常是某种强磁性纳米颗粒分散在某种液态载体中形成的比较均匀稳定的胶体。最初磁流体的研究是为解决航天器的密封问题，发展至今，磁流体因具有良好的顺磁性、流动性等特性而被广泛应用于真空动密封、器械的连续润滑、靶向给药载体、矿物分离、水资源保护等领域。

选择顺磁性材料——纳米四氧化三铁作为磁流体材料，用油酸作为表面活性剂包覆在纳米四氧化三铁颗粒表面，使得四氧化三铁颗粒团聚的引力变小，表面张力也会变化，从而保持了纳米四氧化三铁颗粒的相对独立。选取含有电解质的水基作为载液，以此来保证磁流体具有良好的流动性[6-8]。

2 点阵式电磁铁分布的设计和实现

可视的显示部分主要是磁流体，由于磁流体自身性质原因，长期受到向下的重力作用，不易爬升，无法构成连续的数字笔画。这就要求单位像素(单个电磁)必须单独供电，并且相邻电磁铁的极性相反。

当相邻电磁铁极性相同的时候，它们的磁场相互排斥。点阵的排布有两种。是六边形排布，这种方法可以提高屏上磁场有效的工作面积，减小显示屏的尺寸。但是这种方法也存在严重问题：首先是最直观的数字笔画扭曲问题，如果阵列庞大并且显示数字形状大，则问题不会那么严重，但这样也意味着装置极大极重；第二是极性问题，在六边形网格中，极性相反的电磁铁严重向一个方向倾斜(如图1)，图像数字的显示变得困难费时，甚至需要不断改变同一个电磁铁的电流方向使之极性变化。

图1 六边形电磁铁阵列

另一种点阵排布方式是普通的四边形排布，这种方式磁流体只能在左右上下相邻异极的电磁铁之间转移，而斜向的四个电磁铁由于距离较远不会转移，数字的笔画比较直，磁流体运动情况良好。

因此，本文采用了四边形排布方式安置电磁铁组如图2。

图2 四边形电磁铁阵列

3 显示屏的试验和设计和实现

显示屏本质上是装载磁流体的容器。磁流体和载液都是液态物质，磁流体可以在载液中流动，磁流体偏重会沉积在底部，只有受到磁铁吸引才能攀升。

将容器形状简单定为立方体。考虑到底部面积过大会使磁流体分摊而降低利用率，所以容器底部应满足长而窄的要求。再考虑到磁流体被磁铁吸引时候的形状，如果宽度过窄会挤压磁流体液进而失去液滴般的形状。综合考虑多种因素后，最后定下的容器尺寸为长250 mm，宽10 mm，高102 mm，如图3。且靠近电磁铁一面的容器壁材料厚度为2 mm，避免发生电磁铁磁性因为距离骤降而无法吸引磁流体的情况。

图3 磁流体显示屏

考虑到磁流体制备中使用到油性物质，吸附力强，难清理，并且显示屏需要一个尽可能洁净透明的视觉效果，决定在亚克力板和玻璃之间挑选其一，作为显示屏材料。亚克力实际上是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成，属于高聚有机物质，与无机物相比它和油脂拥有更高的相性，经过多次实验也证实磁流体极易沾黏在表面，所以不适合作为容器材料。而玻璃不易沾染磁流体且容易加工，最终选用了玻璃作为容器壁材料。

4 驱动电流和控制电路的设计和实现

本装置通过单片机预期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。因本文选用电磁铁点阵，则可通过通断电控制点阵中每个电磁铁产生磁力与否，从而在特定点上实现对磁流体的吸引或释放，进而实现图形显示[9]。各组件具体功能如下。

4.1 单片机

采用Arduino Uno单片机进行控制，通过Arduino单片机对开关三极管施加有效的输入电压，可实现对电磁铁输入电流的通断控制，从而达到控制电磁铁电流的通断以及通断时间的目的，实现对磁流体的吸附，进而达到预设图案显现、变换的效果。由于Arduino编程方式简单，库资源丰富，具有极大的自由度和高度的可拓展性，同时丰富的接口可实现对多个目标的控制，非常适合简单的外部控制，因此将其应用在对开关三极管的控制中。

4.2 开关三极管

开关三极管使用方法简单，只需要基极通过大于0.6 V的电压即可导通，而Arduino单片机输出的电压满足其要求，因此可达到控制开关三极管的目的。选择的开关三极管具有体积小、耐热性好、安全可靠，同时开关速度快等特点，其可以快速实现负载电流的通断控制，能够承受的电流大小也足够维持整个系统的运作[10]。

4.3 控制电路

最初的方法是直接将电磁铁与单片机相接。由于单片机端口可以输出一定电压，所以原定使用单片机同时完成供电和控制的工作[11，12]。由于单片机输出的电压较小使得电磁铁产生的磁性不大，显示效果并不理想。如何保证电压的同时实现控制是电路设计的核心问题。

为了让电磁铁上得到足够大的电压以有效吸附磁流体，采用将电磁铁串联至开关三极管与电源(VCC)之间的连接形式，利用代码控制单片机电流的通断，进而使VCC按需要通断，将足够大的电压电流施加在电磁铁上。同时为了防止大电流倒灌至单片机中，长时间运作会损坏单片机，在单片机的端口和开关三极管的基极之间串联上一个1 kΩ的电阻，以此保护单片机。

四组电磁铁组都采用一样的电路结构。显示一个数字所需要的电磁铁电路如图4。

图4 局部电路(连接图)

5 磁流体显示器装置图

本装置主要由装置外壳、外部电源、显示模块、控制模块四部分组成。主要结构如图5。

图5 结构示意图(部分)

6 磁流体显示器显示效果

见图6。

图6 显示效果图

7 结 语

磁流体显示技术运用前景广阔，其市场化运用可延伸至多个领域。由于磁流体运动特征新颖萌趣，能激发内心的好奇心和艺术审美，因此十分适合用作儿童玩具的显示器。磁流体流动过程具有极高的艺术性，将磁流体显示屏作为装饰物、艺术展示品等不乏是一种提高生活品位的做法。磁流体显示技术涉及电磁原理和计算机显示技术，具有趣味性和益智性，因此制成磁流体演示仪可适用于公共场合的科普展示活动。