單片機驅(qū)動EPSON針式打印頭的系統(tǒng)設(shè)計

1、目 錄引 言31 微型打印機的概述61.1 背景和意義61.2 微型打印機的發(fā)展和現(xiàn)狀61.3 常見的微型打印機82 針式微型打印機的驅(qū)動原理102.1 微型打印機的組成102.2 打印原理113 電路分析133.1 硬件系統(tǒng)組成133.2 復(fù)位檢測電路143.3 直流電機驅(qū)動153.4 驅(qū)動放大電路173.5 打印同步信號檢測193.6 微型打印機通訊控制204 芯片資料及主要功能224.1 單片機的介紹及應(yīng)用224.2 芯片功能介紹234.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)244.4 引腳功能說明254.5 芯片主要性能274.6 芯片工作概況275 軟件設(shè)計305.1 打印格式305.2 程序設(shè)計32結(jié) 論3

2、6致 謝37參考文獻38附 錄40附錄1：原理圖40附錄2：主要程序41本論文所完成的任務(wù)是在單片機上對微型打印機控制實現(xiàn)的設(shè)計方法進行研究，得到最優(yōu)結(jié)果第1章微型打印機的概述，本章介紹了微型打印機的基礎(chǔ)知識及其發(fā)展。第2章針式打印機的驅(qū)動原理，本章簡要介紹了針式打印機組成及其打印的原理、打印方式。第3章硬件組成，本章主要介紹了復(fù)位檢測電路，直流電機驅(qū)動，驅(qū)動放大電路，打印信號同步檢測及通訊控制電路。第4章芯片資料及其功能，本章主要介紹芯片AT89C2051的功能概述，引腳功能說明及其工作概況，進一步了解芯片的使用及編程。第5章軟件設(shè)計，本章是全文的重點，通過前幾章的介紹對單片機對微打印機的控

3、制提出了設(shè)計方法。首先，本章介紹了打印機的詳細工作原理及打印過程、打印格式。然后，根據(jù)設(shè)計思路介紹了部分軟件設(shè)計方法，并總結(jié)出了主程序運行流程圖。第6章結(jié)論，對全文進行總結(jié)，并對該課題的前景進行展望。1 微型打印機的概述2 針式微型打印機的驅(qū)動原理2.1 微型打印機的組成EPSON M-150II微型打印機機芯主要由直流電機(Motor)、測速感應(yīng)線圈(Timing Detector)、干簧管復(fù)位開關(guān)(Reset Detector)、電磁打印針(Print Solenoid)ABCD、色帶、與電機連接的滑槽輪以及蝸桿等部分組成6。圖1 打印機終端分配微型打印機的終端分配如圖1所示，對應(yīng)的12個

4、腳分別為：1.點反饋，即復(fù)位檢測端；2.地；3.電機控制；4.電機電源；5.針頭電源；69.針頭D、C、B、A；10.行反饋，即時間檢測端；11.電源檢測。其中點反饋與行反饋分別控制單片機的一個I/O口，點反饋用來在打印完一個點之后反饋下一點的信息，查詢下一個要打印的點；行反饋用來在打印完一行之后，控制打印機進行走紙并且將針頭從右邊返回到左邊。M-150II 打印機一行可打印96個點，若英文字符采用5乘7點陣的話，則一行可打印16個字符，打印速度為1行/秒，它采用45MM寬的普通打印紙打印，日常維護和更換較方便。它的可靠使用壽命為500000行，體積很小，為73.4mm乘42.6mm乘12.8

5、mm，重量只有60g，非常適用于安裝在各種儀表內(nèi)部。2.2 打印原理打印時，單片機控制隔離開關(guān)給電機供電,電機帶動滑槽輪及蝸桿轉(zhuǎn)動，使打印機的機頭滑架左右移動，從而不斷改變同一點行上的打點位置。蝸桿的轉(zhuǎn)動一方面通過凸輪帶動走紙機構(gòu)走紙，另一方面驅(qū)動色帶移動。隨著電機的轉(zhuǎn)動，測速感應(yīng)線圈輸出一個3V的正弦信號，經(jīng)過整形電路后成為方波,方波再輸入到單片機以檢測打印同步信號。打印頭每移動一點行，單片機可以檢測到196個高、低電平作為打印同步信號，其中前96個高、低電平對應(yīng)特定的打印點的位置，后72個高、低電平對應(yīng)打印頭從最右端返回起始位置所用時間。打印針從方波的第1個高電平信號到第96個低電平信號按

6、A-B-C-D的次序循環(huán)打印，直至完成一點行的打印任務(wù)。當(dāng)機頭滑架返回到最左邊時，磁鐵使干簧管閉合，單片機檢測到這一同步信號，開始下一點行的打印。正如前面所說的，針式打印機是依靠打印針擊打所形成色點的組合來實現(xiàn)規(guī)定字符和漢字打印的。因此，在打印方式上，針式打印機均采用字符打印和位圖像打印兩種打印方式，其中字符打印方式是按照計算機主機傳來的打印字符（ASCII碼形式），由打印機自己從所帶的點陣字符庫中取出對應(yīng)字符的點陣數(shù)據(jù)（打印數(shù)據(jù)），經(jīng)過字型變換處理后，送往打印針驅(qū)動電路進行打?。欢粓D像打印方式則是由計算機進行要打印數(shù)據(jù)的生成，并將生成的數(shù)據(jù)送往打印機，打印機不需要進行打印數(shù)據(jù)的處理，可以直

7、接將其打印出來。在這種方式下，計算機生成的打印數(shù)據(jù)可以是一幅圖像，也可以是漢字7。本文所研究的主要是微打印機的字符打印方式。3 電路分析3.1 硬件系統(tǒng)組成硬件系統(tǒng)主要由復(fù)位檢測電路、打印同步信號檢測電路、反相器及光耦電路、打印機驅(qū)動電路、單片機晶振電路、RS232通訊電路等部分組成。單片機執(zhí)行程序存貯器中的程序，控制電機帶動滑槽輪及蝸桿轉(zhuǎn)動，使打印機的機頭滑架左右移動，從而不斷改變同一點行上的打點位置。蝸桿的轉(zhuǎn)動一方面通過凸輪帶動走紙機構(gòu)實行走紙，另一方面驅(qū)動色帶移動。電機轉(zhuǎn)動時感應(yīng)線圈產(chǎn)生的正弦信號輸入到單片機，用來控制打印針的動作。本文主要設(shè)計了EPSON打印頭驅(qū)動控制電路的部分。該部分

8、由單片機及其外圍晶振復(fù)位電路，反相器及光耦電路，打印機驅(qū)動電路等部分組成，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 AT89C2051 通訊電路反相器及光耦電路打印機驅(qū)動電路打印同步信號檢測電路單片機晶振電路復(fù)位檢測電路圖2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成3.3 直流電機驅(qū)動圖4 DC電機驅(qū)動電路單片機通過P1.0的輸出控制電機的啟動與停止，如圖4所示。若P1.0輸出為低，開關(guān)管G1導(dǎo)通，電機開始轉(zhuǎn)動；若P02輸出為高，開關(guān)管G1關(guān)斷，電機停止轉(zhuǎn)動，D2、D3在制動過程中可以起到電機反向電流保護作用。電路中用光耦P521實現(xiàn)了單片機與感性負載與電機的隔離，大大增強了系統(tǒng)的抗干擾能力9。圖5 電機與打印線圈的電壓關(guān)系根據(jù)Eps

9、on M-150II開發(fā)手冊和實際調(diào)試情況可知，電機和打印線圈終端的電壓應(yīng)滿足如圖5所示關(guān)系，否則打印出的字符就會混亂，使人難以辨認(關(guān)于打印線圈驅(qū)動電路可參考附錄原理圖)。為了使打印出的字符效果更好，我們在G1和VCC之間串入了D1，用以降低電機兩端的電壓，使其電壓稍低于線圈的電壓。實踐證明：當(dāng)電機兩端的電壓略低于線圈的電壓時，打印出的字符效果更好，打印過程更穩(wěn)定些。3.4 驅(qū)動放大電路此模塊是整個電路中最重要、最核心的部分，其設(shè)計如圖6所示。I/O驅(qū)動能力主要指它使用輸出工作方式下的輸出電流和灌電流。負載越重,就需要更大的驅(qū)動能力。如果單片機輸出口驅(qū)動能力大于外部要求的就不用驅(qū)動電路了。如

10、用單片機啟動一個繼電器,如果電流足夠當(dāng)然可以驅(qū)動繼電器。但事實上一般單片機都要用三極管作為驅(qū)動，以小電流控制大電流。如果要使一個小功率的LED發(fā)光當(dāng)然不再需要用三極管來放大電流了。而這里控制打印機的工作，驅(qū)動電路則是非常重要的部分10。 為了加強驅(qū)動能力，在這里采用的是復(fù)合管的形式。其中復(fù)合管Q1、Q2用來驅(qū)動電機，Q3、Q4和Q5、Q6分別用來驅(qū)動針頭電源和針頭D、針頭C。圖6 驅(qū)動放大電路1圖7 驅(qū)動放大電路2光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的

11、應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。如圖7所示，又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可

12、靠性。 光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級間耦合、驅(qū)動電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓目的11。3.5 打印同步信號檢測電機轉(zhuǎn)動時，感應(yīng)線圈輸出幅值為3V的正弦波，經(jīng)10、11兩端

13、送出到晶體管整形為方波后送入P3.7，P3.7檢測此方波作為打印同步信號，以確保打印點之間距離相等。4只打針循環(huán)同步情況如圖8所示。由圖可知：A、C打針是在方波降低到來時沖打，B、D打針在方波上升到來時沖打12。圖8 同步信號檢測3.6 微型打印機通訊控制圖9 MAX3232串口通訊模塊RS-232協(xié)議： RS-232是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，最初都是由電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制訂并發(fā)布的，RS-232在1962年發(fā)布，命名為EIA-232-E，作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。目前RS-232是PC機與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距

14、離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號是相對于信號地，如從DTE設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)在使用DB25連接器時是2腳相對7腳（信號地）的電平。典型的RS-232信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在+5+15V，負電平在-5-15V電平。當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3+12V與-3-12V。RS-232是為點對點（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計的，其驅(qū)動器負載為37k。所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信。MAX3232是電荷泵芯片

15、，可以完成兩路TTL/RS-232電平的轉(zhuǎn)換，它的9、10、11、12引腳是TTL電平端，用來連接單片機的。而51系列單片機的10、11引腳是串口，連接MAX232的TTL電平端。此模塊是用得MAX232的9和10引腳13。圖中C9到C12四個電容構(gòu)成電壓泵，功能是產(chǎn)生+12V和-12V兩個電壓，提供給RS-232串口電平的需要。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出，如圖9所示。5 軟件設(shè)計5.1 打印格式M-150

16、微型打印機有4個打印針（A、B、C、D），單片機控制隔離開關(guān)給電機供電，電機帶動滑槽輪及蝸桿轉(zhuǎn)動，使打印機的機頭滑架左右移動，從而不斷改變同一點行上的打點位置。蝸桿的轉(zhuǎn)動一方面通過凸輪帶動走紙機構(gòu)走紙，另一方面驅(qū)動色帶移動。打印頭每移動一點行，單片機可以檢測到196個高、低電平作為打印同步信號，其中前96個高、低電平對應(yīng)特定的打印點的位置，后72個高、低電平對應(yīng)打印頭從最右端返回起始位置所用時間。打印針從方波的第1個高電平信號到第96個低電平信號按A-B-C-D的次序循環(huán)打印，直至完成一點行的打印任務(wù)。當(dāng)機頭滑架返回到最左邊時,磁鐵使干簧管閉合，單片機檢測到這一同步信號，開始下一點行的打印，如

17、圖13所示。圖13 沖打次序5×7點陣：M-150微型打印機為機械式點陣打印機芯，其打印頭上有四個電磁鐵打針，水平安裝在同一滑架上。在微型直流電機驅(qū)動下，打針隨滑架水平移動，四個打針一次通電、斷電，并且水平右移24個點位，則單方向打印出每行96點的軌跡。打印頭返回時，自動步進送紙，打印頭往返10次可打印出 5×7點陣16個字符，并且空3行點行，如圖14所示。圖14 一點行(5+1)×16每個打印點的直徑為0.35mm，所打印出的5×7點陣字符寬1.8mm×高2.5mm。每個字符相隔0.3mm，空3行點行的距離為1.0mm。詳細打印格式如圖15所

18、示。 圖15 打印格式 【單位：mm】每個字符由5×7點陣組成，每個字符右側(cè)空一點列，每行字符下面空一點行。為了對字符進行定義，一個字符便看成6×8的點陣組成，即6列每列8點，每一列由一個字節(jié)的數(shù)據(jù)表示，最高位在上。如圖16所示。圖16 字符定義如上所述，每個字符可以由6個十六進制數(shù)據(jù)表示。即字符“廣”可以定義為02H，7CH，40H，C0H，40H，00H。如此便完成了一個字符的定義，M-150 II型微打印機有全部字符集及140個自選自修改漢字。5.2 程序設(shè)計打印5×7點陣字符的時序圖如圖17所示，首先由脈沖寬度為定時信號TnTn+1的打印脈沖Pn激勵打印針

19、A工作，然后由脈沖寬度為定時信號Tn+1Tn+2的打印脈沖Pn+1激勵打印針B工作，同樣的打印針C被打印脈沖Pn+2激勵工作，打印針D被打印脈沖Pn+3激勵工作，接著打印針A再次被打印脈沖Pn+4所激勵。按照這樣的規(guī)律，打印針A、B、C、D依次被連續(xù)的打印脈沖所激勵，直到完成打印任務(wù)。定時信號打印針A打印針B打印針C打印針D針A電流圖17 打印時序圖系統(tǒng)控制軟件首要包括：主程序、打印機是否在線的子程序、判斷是何種機型的子程序、判斷滑架到達最左端的子程序、讀取數(shù)據(jù)的子程序和走紙與打印的子程序、通訊子程序等,其主程序流程框圖如圖18所示。關(guān)中斷，設(shè)置存儲器模式中斷觸發(fā)方式設(shè)置打開外部中斷1串口初始化打印機初始化清零開啟中斷打印