一种基于电变液的盲文显示器装置的制作方法

本发明属于残疾人特殊装备制造领域，具体地说，是一种基于电变液的盲文显示器装置。

背景技术：

盲人阅读是一个残疾人特殊教育的问题：学习和教育是全人类的必须，教育公平、享有受教育的权利是所有人类的基本权利，这种基本权利不能因为盲人的视力丧失而剥夺，但是由于盲人的先天性缺陷，导致盲人不能阅读正常印刷的书籍、绘图册、影视节目等任何与图像有关的传媒介质。为解决盲人阅读的难题，法国人路易·布莱尔1824年创造盲文，盲文或称点字、凸字，它是专为盲人设计、靠触觉感知的文字。盲文是一种拼音文字，每一个方块的点字是由六点组成，左侧从上到下为123，右侧为456，叫一方。我国由国家语言文字工作委员会规范标准审定委员会审定，经中国残疾人联合会、教育部、国家语言文字工作委员会同意，发布了《国家通用手语常用词表》和《国家通用盲文方案》，其作为中文盲文的语言文字规范，自2018年7月1日起实施。

现在国内外盲文显示主要有以下方案：

(1)语音式盲文显示语音式盲文显示是将文字转化为语言，使用音频播放文字内容，从而使得盲人获取知识。语音式盲文显示装置价格低廉，随着人工智能在文字识别中的深入应用，语音式盲文显示装置不存在技术壁垒。但是语音式盲文显示不能显示非文字的图像类，此外长时间的音频播放会损伤人类听力。

(2)压电陶瓷式盲文显示器压电陶瓷式盲文显示器的核心元件是压电陶瓷，压电陶瓷具有可逆性，当两个极化方向相反的压电陶瓷紧紧贴合在一起时，给压电双晶片施加上正向的电压时，有一个方向收缩，名一个方向伸长，因此会变形弯曲，压电陶瓷片上的驱动针也随之向上运动。

(3)记忆合金式盲文显示器记忆合金式盲文显示器是按照形状记忆效应进行研发制造。盲文显示器使用双程形状记忆合金。双程记忆合金在对其加热的时候恢复高温状态下的形状，降温的时候又能恢复到低温时候的形状。

(4)电磁式盲文显示器电磁式盲文显示器是目前应用最广泛的一种设备，其采用电磁铁所制成的驱动器，通过计算机控制驱动器带动橡胶针升降以显示盲文信息。

(5)气动式盲文显示器气动式盲文显示装置利用空气压缩机向密封装置内部通入压缩空气，与外界空气形成压强差，在内部压力作用下，由高聚物分子材料制成的薄膜触摸屏表面就会触点凸起，形成盲文触点。

(6)电刺激式盲文显示器电刺激式盲文显示器没有机械驱动器产生压力或者震动触觉，只通过微电极表层电流直接刺激皮肤内的神经纤维，盲人可以通过手指尖端的电脉冲刺激来识别盲文。

(7)温控式盲文显示器温控式盲文显示器具有若干个温控触点，通过对每个半导体制成的温控触点的冷热控制，表示盲文接触点，从而显示盲文。

表1现有盲文显示器的优缺点对比

由表1可见，语音式盲文显示器价格便宜、装置简单，但是不能显示图像，盲人长时间聆听会损伤听力，且易受周围环境音的干扰；压电陶瓷式盲文显示器速度快，但是装置结构复杂；记忆合金式盲文显示器结构简单，但是温度变化速率较慢，因此装置实时性差；电磁式盲文显示器原理简单，但是每个触针都需要单独的电磁装置，因此多盲文显示装置结构复杂；气动式盲文显示器需要气泵，装置复杂，体积较大，携带不便；电刺激式盲文显示器体积迷你、结构简单，但是每个人或者同一个人不同时刻，手指端的敏感度不同，因此装置可靠性较差，且不能显示图像；温度控制式盲文显示器结构新颖，但是温度变化速率慢，系统实时性较差。

随着社会的进步，知识进一步爆炸性增长，人类对知识的需求也越来越高，如何设计一款价格低廉、响应快速、体积小型、携带便捷、能够显示图像、可以长时间使用的盲文显示器对解决视力残障人士自我学习具有极其重要的作用，具有理论研究与实际应用的意义。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明披露了一种基于电变液的盲文显示器装置，根据所加电流不同能够使特殊液体固化与还原的盲文显示装置，这种装置响应快速、结构简单、能够显示盲文与图像，可以长时间使用。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种基于电变液的盲文显示器装置，包括供电单元、控制单元、显示单元、保护单元，供电单元为控制单元、显示单元、保护单元提供电源支持，供电单元由电源模块组成，电源模块设定为2个输入端口和3个输出端口，控制单元由盲文输入模块、mcu模块、译码模块、锁存模块、光耦隔离模块组成，显示单元是由高强度不导电防渗透纤维编制而成的点阵材料，保护单元包括电流传感器和报警装置。

本发明的进一步改进，电源模块具有2个不可同时工作的输入端口，直流dc-36v输入端口和交流ac-220v输入端口，电源模块具有3个输出端口为dc-2～5kv输出端口、ac-0.8～2kv输出端口和dc-5v输出端口。因此设计了电源模块输入输出端口的电能转换电路。

本发明的进一步改进，显示单元是由高强度不导电防渗透纤维编制而成的点阵材料，制造时先将电变液材料由注入口灌入，热封注入口后，使用具有凸出经纬条，凹进圆点加热压制设备热压液泡垫，电变液材料在液泡垫预设的经纬通道中流动，经挤压后聚集在液泡垫预设的盲文凸点处，热封液泡垫流动通道后，形成液泡，包括2行，每行24方，每方6个凸点，共计288个凸点；显示单元中还包括固化液泡的dc直流高压线和振荡固化恢复液泡的ac交流高压线。此外基于i²c总线设计了显示单元的级联驱动器与数据帧，可以将多个显示单元拼接后形成大屏使用。

本发明的进一步改进，设计了防止发生高压触电事故的漏电保护模块，尤其是其中的高压直流漏电保护模块。

本发明的有益效果：

①“电变液”盲文显示器使用液泡垫作为显示装置，液泡垫是一种绝缘、高强度纤维软性材料，不使用时可以随意弯曲与折叠，方便收藏和携带。

②“电变液”盲文显示器采用模块化设计，包含：电源模块、盲文显示模块、控制器模块；模块化设计方便设备检修与维护，此外可以根据不同要求与环境任意组合配置不同规格的模块。

③“电变液”盲文显示器结构小巧，选择电池供电时，可以随身携带与使用，选择ac220v供电时，体积可以进一步缩小。

④“电变液”盲文显示器响应快速，使用dc电流固化特殊液体，使其晶体化，使用ac电流振荡晶体，使其还原，整个过程为ms级，整个过程极其快速，可以满足实时性的要求，此外液体结晶后具有较强的剪切应力，能够明显被盲人感觉到。

⑤“电变液”盲文显示器可以根据需要设计较大面积的液泡垫，具有大面积的显示区域，可以显示图像。

⑥随着科技的发展，当新的“电变液”材料发明后，这种“电变液”盲文显示器不需要改变结构，只需要更换新型材料、优化软件程序即可实现性能优化。

附图说明

图1为尿素包覆ba-ti-o纳米颗粒电流变液电场强度与屈服强度。

图2为本发明的硬件结构拓扑图。

图3为电源组成逻辑拓扑图。

图4为电源dc-36v转换dc-5v原理图。

图5为电源ac-220v转换dc-36v原理图。

图6为电源dc-36v转换dc-2～5kv原理图。

图7为电源dc-36v转ac-0.8～2kv原理图。

图8为显示模块原理图。

图9为基于pcf8574的级联驱动器原理图。

图10为i2c总线pcf8574写模式下的数据帧图。

图11为i2c总线单个pcf8574的数据帧图。

图12为高压交流输入驱动的漏电检测原理图。

图13为高压直流输入驱动的漏电检测原理图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

“电变液”，又可称为电流变液，其一般是由半导体固体颗粒与绝缘液体混合而成的悬浮液，这种材料具有可以随着电场强度变化的流变特性，即随着电场强度的增强，液体中的胶体黏度增大，当电场增大到一个阙值时，胶体的流变特性就发生急速的改变，通常为几毫米之间，液体将固化为弹性固体。当外加电场去除后，这个过程具有可逆性，即去除外部电场，弹性固体能够恢复为液体。本专利中的“电变液”盲文显示器装置都是采用含有复合纳米颗粒的“巨电流变液”，如尿素包覆ba-ti-o纳米颗粒电流变液、以ca-ti-o纳米颗粒为基的电流变液等，这些“巨电流变液材料”的具体特性可以在相关文献及研究报告中找到，此外本专利只是针对其特性的衍生应用，并不研究其材质特性，因此不在此展开论述。

根据2003年，温维佳等研制的尿素包覆ba-ti-o纳米颗粒电流变液，其电场强度与屈服强度关系如图1所示。可见电场强度与屈服强度近似呈线性关系，当电场强度为dc4.5kv的时候，屈服强度约为100kpa(100kpa相当于1cm2收到1kg重物的力)，这个屈服强度能够固化液泡垫中的盲文点，使得盲人感觉到。此外根据其文献记载，其电流密度很小，在1μa/cm2以下，此外固化时间仅为15ms。

盲文阅读速度较慢，每分钟约为200-400字左右，其文字刷新时间要求为：

由公式(1)可见，盲文阅读速度最快时，一个字需要花费150ms的辨别时间，而电变液材料15ms的固化时间及后续30ms的液化时间，使得本专利所设计的盲文显示装置在技术上完全满足盲文显示的刷新率。

根据国标gb/t15720-1995规定，盲文一个凸点高度、直径均为2mm，则凸点的面积，体积为：

当施加外加直流dc电场4kv，电流密度为1μa/cm2时，每个凸点的有功功率为：

p＝4kv×1μa/cm²×3.14mm²＝1.256×10^-4w(3)

则设计2行，每行24个“电变液”盲文显示器的液泡垫，该液泡垫共有288个凸点，液泡垫所需功率仅为：

p＝288×1.256×10^-4＝3.61728×10^-2w(4)

由此可见，本专利设计的“电变液”盲文显示器整体功耗不高，有利于便携化与商品化。

图2为本发明的硬件结构拓扑图。如图2所示，本发明所设计的“电变液”盲文显示装置由供电模块、控制模块、显示模块、保护模块四部分组成。

(1)供电模块

供电模块可以由直流dc-36v输入，即人体安全电压标准，该规格电压使得该装置可以由电池供电，便于携带。此外供电模块还可以由交流ac-220v输入，即我国市电标准，该规格电压使得该装置可以由市电供电，解决供电持续性问题。供电模块输出为3个等级的输出电压：

①dc-2～5kv，可变直流高压输出2～5kv，该等级电压用于盲文显示模块液泡垫中“电变液”材料的固化，由上述可见，当外加直流5kv电压场强时，巨电流变液材料将发生固化现象，屈服强度约为100kpa，实际在使用中不需要如此高的屈服强度，因此这里设计可变的直流高压输出电源，由控制模块控制以取得合适的屈服强度，使得盲文显示器中的液泡凸点固化，并具有一定强度，能够顺利使盲人感觉到。

②ac-0.8～2kv，可变交流高压输出0.8～2kv，该等级电压用于使固化的“电变液”材料恢复液态，由上述关于“电变液”材料的特性可知，随着外加高压电场的撤除，随着时间“电变液”能够自主恢复为液态，但是本专利设计的盲文显示器具有150ms文字刷新时间的要求，因此这里设计可变交流高压输出模块，同样由控制模块控制输出电压等级和输出频率，用于振荡固化的“电变液”材料使其尽快恢复为液态。

③dc-5v，输出直流电压5v，用于给控制模块中mcu、锁存器、光耦隔离供电芯片供电。

(2)控制模块

控制模块由盲文输入模块、mcu模块、译码模块、锁存模块、光耦隔离模块组成。

①盲文输入模块，盲文输入模块将外界的文字、图像等翻译为盲文编码格式。文字翻译与图像翻译等不属于本专利独创范围，仅是应用，因此这里不展开。

②mcu模块，本专利所述的盲文显示装置对mcu运算速度要求不高，但是需要较多的i/o(输入/输出)口，原型机研制中选型arduinomega2560，其具有54路数字输入输出口，配合译码模块与锁存模块控制，经光耦隔离后控制液泡垫。

③译码模块，用于i/o口的输出扩展。本专利设计的盲文显示器(2行，每行24方，每方6个凸点)具有288个凸点。每个凸点都需要可单独控制，数量远大于mcu的i/o口数量，因此必须将控制输出量进行编码，将其并行输出转化为串行输入以减小mcu所占用的i/o口。

④锁存模块，用于锁存输出控制量。由于使用译码模块将并行输出转化为串行输入，因此需要锁存模块保存输出，不会因为mcu调用输出i/o口而造成输出混乱。

⑤光耦隔离模块，由于控制器模块都是工作在dc-5v下的低电压器件，而显示模块是工作在dc-2～5kv及ac-0.8～2kv下的高电压器件，为防止电流倒灌烧毁控制模块，设置光耦隔离模块用于控制端与输出端的隔离。

(3)显示模块

显示模块是由高强度不导电防渗透纤维编制而成的点阵材料。制造时先将“电变液”材料由注入口灌入，热封注入口后，使用具有凸出经纬条，凹进圆点加热压制设备热压液泡垫，“电变液”材料在液泡垫预设的经纬通道中流动，经挤压后聚集在液泡垫预设的盲文凸点处，热封液泡垫流动通道后，形成液泡。此外，显示模块中含有固化液泡的dc直流高压线和振荡固化恢复液泡的ac交流高压线。

(4)保护模块

由于设备采用dc-2～5kv及ac-0.8～2kv的高电压固化与液化“电変液”，所以必须设置可靠的安全装置以确保设备运行安全与操作人身安全。人员触电伤害主要是由于一定量的电流流过人身，即触电状态达到一定功率。保护模块能够通过电流传感器实时监测安全外壳或者安全保护层表面的电流，当电流大于某一预设的阙值时，发出动作信号给供电模块，供电模块中断所有的高压输出以防止触电现象。

针对本专利所述基于“电変液”的盲文显示装置中的重要部件进一步展开详细叙述与限定。

(1)电源

本专利所设计的电源拓扑结构如下图3所示。

由图3及以上叙述可知：电源模块有2路输入、4路输出。

2路输入分别为直流dc-36v与交流ac-220v。直流输入与交流输入不可以同时使用，因此使用异或逻辑使得两路电源不能同时输入。

(a)交流ac-220v经变换器后可以分别变压为：

①直流dc-36v，其用于参与后续的电压转化；

②直流dc-40v，其用于给直流dc-36v的储能电池充电，充电电压必须大于电池电压。

(b)直流dc-36v可以变压为：

①直流dc-5v，其用于给控制器、光耦、低压传感器等供电；

②直流dc-2～5kv，其用于固化“电変液”材料；

③交流ac-0.8～2kv，其用于恢复固化的“电変液”材料；

其具体的电源变换器原理如下所述：

①直流dc-36v转dc-5v

如图4所示，lp、ls为变压器t的初级侧与次级侧，n为变压器的匝比，cp、cs为滤波电容，工作时，开关s1与s3由一个信号同时驱动，s2由该信号的反信号驱动。设s2的工作周期为t，占空比为d，则输出电压uo为：

uo＝d·ui/n(5)

②交流ac-220v转dc-36v

如图5所示，使用stsr2智能驱动器将市电交流ac-220v转化为直流dc-36v，其中vcc为电源电压端；pwmgnd和sglgnd为功率信号和控制逻辑信号的参考端；clock为同步信号输入端；out1与out2为大电流互补输出端；set为out设定预期截止时间段；inhibit为使能控制端。同理，使用stsr2智能驱动器还可以将市电交流ac-220v转化为直流dc-40v，该电压用于给蓄电池充电。

③直流dc-36v转dc-2～5kv

图6为电源dc-36v转换dc-2～5kv原理图

由于本专利所述装置总体功率较小(设计为5w)，主要部件液泡垫所需功率仅为3.61728×10^-2w。其中uout1端输出直流dc-5kv。

由公式6可见，设占空比为50％的时候，即ton-s6/toff-s6为1的时候，uin端为直流dc-36v，uout1端为直流dc-5kv，初级侧与次级侧匝数之比n2/n1＝1250/9，尽管改变占空比可以在不变化匝数比的情况下，改变uout1端输出，但是考虑到电压变比较大，电力电子器件s6的开关频率，在电源后端增设uout2端，其电压输出为：

由此可见，uout1端与uout2端电压变化差异不大，改变s7的开关频率，可以调节uout2端的输出电压，其要求调节范围为直流dc-2～5kv。

④直流dc-36v转ac-0.8～2kv

图7为电源dc-36v转ac-0.8～2kv原理图

由上述可知，uin输入为直流dc-36v，uo端输出为交流ac-0.8～2kv。同理公式6，设定合适的绕组后，改变s12的开关频率可以改变uout1的直流输出。

为负载的功率因数角，设此时功率因数为0.85，根据公式8可知，如果需要得到交流ac-0.8～2kv，输入uout1端为直流dc-612.6126～1531.5315v。接着同理公式6，当s12占空比为50％时，推荐的初级侧与次级侧匝数之比为n2/n1＝800/9，此时uout1的直流输出可达到1600v(大于1531.5315v)，调节s12的占空比，可以使得uout1端输出直流dc-612.6126～1531.5315v。从而实现交流ac-0.8～2kv的输出设计。

(2)显示模块

①“液泡垫”结构

如图8显示模块原理图所示，图中的圆圈为注入“电变液”材料，连接圆圈的实线为直流dc-2～5kv输入，用于固化“电变液”材料；连接圆圈的虚线为交流ac-0.8～2kv输入，用于震荡固化“电变液”材料，使其快速恢复液态。为下一步设计驱动，需要对显示模块中的液泡垫输入端子进行编号。如其中虚线框所示，每6个液泡组成一个盲文显示字符，记为1方。每方中的液泡编号为：a/bi(x,y)，其中字母a表示为直流dc-2～5kv输入端子(简称直流端)，字母b表示为交流ac-0.8～2kv输入端子(简称交流端)；下标中的i为方的编号，由左至右、由上至下顺序编号；下标(x,y)表示液泡所在的行列编号，x为液泡所在的行，y为液泡所在的列。图8中设m行n列的一块液泡垫为一个显示单元，可以将多个显示单元级联为显示单元组。

②“液泡垫”驱动器结构

如图8所示，液泡垫中每个液泡都具有直流与交流2组输入，每组输入都具有2个输入引脚，按行、列排布输入引脚，只有当2个输入引脚电压存在电势差的情况下，才可以使得液泡固化或者液化。本专利设计的盲文显示器既可以单独使用也可以级联使用，一个液泡垫作为一个显示单元，其具有2行盲文显示，每行显示24方(24个盲文字符)，每方具有6个凸点。如果采用单独控制方案，需要288×2＝576个i/o口，如此数量的i/o对控制器的资源与成本是不能接受的。将输入引脚按行、列排布后结成矩阵的形式，则行序列需要24个输入引脚、列序列需要24个输入引脚，即需要48个可单独控制i/o口。这个数量对于控制器的i/o口数量要求仍是太多，因此本专利设计对48个i/o输入端口进行编码，采用pcf8574将并行控制信号转化为i²c信号输入，如此一来可以极大减小i/o输入端口，节省控制器资源。为解决输出信号保存问题，还需要结合锁存器74hcn14。

如图9所示，其为基于i²c总线的级联驱动器原理图，通过i²c总线，控制器mcu只需要2个i/o口，即sda和scl。每个i²c总线转并口芯片pcf8574都具有独立的地址，即通过访问地址的不同，可以调用不同的pcf8574。此外，每个i²c总线转并口芯片pcf8574具有8位i/o输出，即48个i/o输入端口需要6块pcf8574，并且需要将其级联在一起。由于控制器mcu输出信息变化较快，类似扫描输出，因此每个pcf8574需要连接锁存器74hc14用于在一个输出周期内保存输出信息，维持输出状态。由于输出信号需要控制直流dc-2～5kv和交流ac-0.8～2kv，pcf8574和74hc14都不可以直接连接，否则会发生电流倒灌，烧毁芯片，所以设计输出信号经过光耦隔离模块后再控制高压直流电源(直流dc-2～5kv)和高压交流电源(交流ac-0.8～2kv)，从而控制“液泡垫”的固化与液化。

③驱动信号数据帧定义

本专利所述的盲文显示装置由i²c总线转并口芯片pcf8574级联组成，需要基于i²c协议定义驱动信号的数据帧。数据帧是数据链路层的协议数据单元。本专利只应用其中的“写模式”。

如图10所示，数据帧首先发送起始位(s)表示传输开始，数据帧发送pcf8574_01的地址，发送其内容，发送级联位(c)表示后续的显示单元是否级联，发送级联长度表示后续显示单元的数量，发送验证位(v)验证之前的数据是否正确。然后按照上述顺序发送pcf8574_02的相关内容，一直发送到pcf8574_06才终止。

如图11所示，其中i²c总线单个pcf8574的帧格式如下所述，首先发送起始位(s)表示传输开始，发送当前pcf8574的地址010a2a1a0，发送读写状态位(r/w)0表示当前状态为写状态，发送应答位(a)等待响应，然后发送数据块01，其由8位数据位和1位应答位组成，发送数据块02，一直发送到数据块n。

(3)保护模块

本专利中最易发生触电事故的是供电模块与显示模块，因此需要针对其设计保护措施。供电模块提供四种电压等级输出，其中直流dc-36v、dc-5v都属于人体安全电压，但是直流dc-2～5kv、交流ac-0.8～2kv属于高压输出范畴，需要设计专门的漏电保护电路。

如图12所示，设置感应检测线圈检测“电変液”盲文显示模块装置特定检测点的电流，正常没有发生漏电的情况下，感应检测线圈测量到的电流小于预设阙值，控制模块不会干预当前的供电状态；当发生漏电现象时，供电模块中的电流值激增，感应检测线圈测量到的电流大于预设阙值，控制模块发出动作信号，命令脱扣器分离供电模块主电路，从而避免发生人员触电事故，脱扣器经整流回路由交流输入回路取电。

如图13所示，高压直流电路不同于交流电路，直流回路电压电流恒定时，不存在交变的磁场，因此不能使用感应线圈直接采样电流信息，需要使用带铁芯的霍尔传感器，霍尔传感器需要穿过直流回路电线，这样可以进行无损测量。当高压直流电路没有发生漏电现象时，电流变化恒定，根据法拉第电磁感应定律，导线周围磁场恒定；当高压直流电路发生漏电现象时，电流突变，瞬时电流幅值变化明显，霍尔传感器可以精确采集瞬时电流变化的幅值，根据变化幅值与阙值的比较结果，由控制模块判断是否发生漏电。当发生漏电时，控制模块发出动作信号，命令脱扣器分离供电模块主电路，从而避免发生人员触电事故。控制模块与脱扣器之间采用光耦进行信号传递与物理隔离。

(4)控制模块

控制模块核心是mcu核心控制板，本专利采用arduinomage2560，由于arduino属于开源、固定引脚的设备，因此这里不展开叙述。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。