單片機(jī)驅(qū)動EPSON針式打印頭的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目 錄引 言.31 微型打印機(jī)的概述 .61.1 背景和意義 .61.2 微型打印機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀 .61.3 常見的微型打印機(jī).82 針式微型打印機(jī)的驅(qū)動原理.102.1 微型打印機(jī)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(jī)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(jī)通訊控制 .204 芯片資料及主要功能 .224.1 單片機(jī)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

2、主要性能 .274.6 芯片工作概況 .275 軟件設(shè)計(jì) .305.1 打印格式 .305.2 程序設(shè)計(jì) .32結(jié) 論 .36致 謝 .37參考文獻(xiàn).38附 錄 .40附錄 1：原理圖 .40附錄 2：主要程序 .41 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 2本論文所完成的任務(wù)是在單片機(jī)上對微型打印機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，得到最優(yōu)結(jié)果第 1 章微型打印機(jī)的概述，本章介紹了微型打印機(jī)的基礎(chǔ)知識及其發(fā)展。第 2 章針式打印機(jī)的驅(qū)動原理，本章簡要介紹了針式打印機(jī)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(jī)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

3、 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(jìn)一步了解芯片的使用及編程。第 5 章軟件設(shè)計(jì)，本章是全文的重點(diǎn)，通過前幾章的介紹對單片機(jī)對微打印機(jī)的控制提出了設(shè)計(jì)方法。首先，本章介紹了打印機(jī)的詳細(xì)工作原理及打印過程、打印格式。然后，根據(jù)設(shè)計(jì)思路介紹了部分軟件設(shè)計(jì)方法，并總結(jié)出了主程序運(yùn)行流程圖。第 6 章結(jié)論，對全文進(jìn)行總結(jié)，并對該課題的前景進(jìn)行展望。 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 31 微型打印機(jī)的概述2 針式微型打印機(jī)的驅(qū)動原理2.1 微型打印機(jī)的組成EPSON M-150II 微型打印機(jī)機(jī)芯主要由直流電機(jī) (Motor)、測速感應(yīng)線

4、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(jī)連接的滑槽輪以及蝸桿等部分組成6。圖1 打印機(jī)終端分配 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 4微型打印機(jī)的終端分配如圖1 所示，對應(yīng)的 12 個腳分別為： 1.點(diǎn)反饋，即復(fù)位檢測端； 2.地；3.電機(jī)控制； 4.電機(jī)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(diǎn)反饋與行反饋分別控制單片機(jī)的一個I/O 口，點(diǎn)反饋用來在打印完一個點(diǎn)之后反饋下一點(diǎn)的信息，查詢下一個要打印的點(diǎn)；行反饋用來在打印完一行

5、之后，控制打印機(jī)進(jìn)行走紙并且將針頭從右邊返回到左邊。M-150II 打印機(jī)一行可打印 96 個點(diǎn)，若英文字符采用5 乘 7 點(diǎn)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(hù)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 12.8mm，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(jī)控制隔離開關(guān)給電機(jī)供電,電機(jī)帶動滑槽輪及蝸桿轉(zhuǎn)動，使打印機(jī)的機(jī)頭滑架左右移動，從而不斷改變同一點(diǎn)行上的打點(diǎn)位置。蝸桿的轉(zhuǎn)動一方面通過凸輪帶動走紙機(jī)構(gòu)走紙，另一方面驅(qū)動色帶移動。隨著

6、電機(jī)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(jī)以檢測打印同步信號。打印頭每移動一點(diǎn)行，單片機(jī)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(diǎn)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 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 5印，直至完成一點(diǎn)行的打印任務(wù)。當(dāng)機(jī)頭滑架返回到最左邊時，磁鐵使干簧管閉合，單片機(jī)檢測到這一同步信號，開始下一點(diǎn)行的打印。正如前面所說的，針式打印機(jī)是依靠打印針擊打所形成色點(diǎn)的組

7、合來實(shí)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(jī)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(jì)算機(jī)主機(jī)傳來的打印字符（ ASCII 碼形式），由打印機(jī)自己從所帶的點(diǎn)陣字符庫中取出對應(yīng)字符的點(diǎn)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(jìn)行打??；而位圖像打印方式則是由計(jì)算機(jī)進(jìn)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(jī)，打印機(jī)不需要進(jìn)行打印數(shù)據(jù)的處理，可以直接將其打印出來。在這種方式下，計(jì)算機(jī)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(jī)的字符打印方式。 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 63 電路分析3.1 硬件系統(tǒng)組成硬件系

8、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(jī)驅(qū)動電路、單片機(jī)晶振電路、RS232 通訊電路等部分組成。單片機(jī)執(zhí)行程序存貯器中的程序，控制電機(jī)帶動滑槽輪及蝸桿轉(zhuǎn)動，使打印機(jī)的機(jī)頭滑架左右移動，從而不斷改變同一點(diǎn)行上的打點(diǎn)位置。蝸桿的轉(zhuǎn)動一方面通過凸輪帶動走紙機(jī)構(gòu)實(shí)行走紙，另一方面驅(qū)動色帶移動。電機(jī)轉(zhuǎn)動時感應(yīng)線圈產(chǎn)生的正弦信號輸入到單片機(jī)，用來控制打印針的動作。本文主要設(shè)計(jì)了EPSON 打印頭驅(qū)動控制電路的部分。該部分由單片機(jī)及其外圍晶振復(fù)位電路，反相器及光耦電路，打印機(jī)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(jī)驅(qū)動

9、電路打印同步信號檢測電路單片機(jī)晶振電路復(fù)位檢測電路圖2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 73.3 直流電機(jī)驅(qū)動圖 4 DC 電機(jī)驅(qū)動電路單片機(jī)通過 P1.0 的輸出控制電機(jī)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(jī)開始轉(zhuǎn)動；若P02 輸出為高，開關(guān)管 G1 關(guān)斷，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動， D2、D3 在制動過程中可以起到電機(jī)反向電流保護(hù)作用。電路中用光耦P521 實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與感性負(fù)載與電機(jī)的隔離，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力9。 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 8圖 5 電機(jī)與打印線圈的電壓關(guān)系根據(jù) Epson M-150II 開發(fā)手冊和實(shí)際調(diào)試情況可知，電

10、機(jī)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(rèn) (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(jī)兩端的電壓，使其電壓稍低于線圈的電壓。實(shí)踐證明：當(dāng)電機(jī)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(jì)如圖6 所示。 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 9I/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(fù)載越重,就需要更大的驅(qū)動能力。如果單片機(jī)輸出口驅(qū)動能力大于外部要求的就不用驅(qū)動電路了。

11、如用單片機(jī)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(shí)上一般單片機(jī)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(jī)的工作，驅(qū)動電路則是非常重要的部分10。 為了加強(qiáng)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(jī)， 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 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 10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。

12、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(jìn)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(diǎn)，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(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 11

13、終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。 光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)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(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，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(yuǎn)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(jī)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

14、占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的11。3.5 打印同步信號檢測電機(jī)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(diǎn)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。 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 12圖 8 同步信號檢測3.6 微型打印機(jī)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

15、 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- 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 13232 是 PC 機(jī)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(fù)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(fù)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)

16、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(diǎn)對點(diǎn)（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動器負(fù)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，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(jī)的。而51系列單片機(jī)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 +

17、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。 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 145 軟件設(shè)計(jì)5.1 打印格式M-150微型打印機(jī)有 4 個打印針（ A、B、C、D），單片機(jī)控制隔離開關(guān)給電機(jī)供電，電機(jī)帶動滑槽輪及蝸桿轉(zhuǎn)動，使打印機(jī)的機(jī)頭滑架左右移動，從而不斷改變同一點(diǎn)行上的打點(diǎn)位置。蝸桿的轉(zhuǎn)動一方面通過

18、凸輪帶動走紙機(jī)構(gòu)走紙，另一方面驅(qū)動色帶移動。打印頭每移動一點(diǎn)行，單片機(jī)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(diǎn)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(diǎn)行的打印任務(wù)。當(dāng)機(jī)頭滑架返回到最左邊時,磁鐵使干簧管閉合，單片機(jī)檢測到這一同步信號，開始下一點(diǎn)行的打印，如圖13 所示。圖 13 沖打次序57 點(diǎn)陣： M-150微型打印機(jī)為機(jī)械式點(diǎn)陣打印機(jī)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(jī)驅(qū)動下，打針

19、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(diǎn)位，則單方向打印出每行96 點(diǎn)的軌跡。打印頭返回時，自動步進(jìn) 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 15送紙，打印頭往返 10 次可打印出 57 點(diǎn)陣 16 個字符，并且空 3 行點(diǎn)行，如圖 14 所示。圖 14 一點(diǎn)行 (5+1)16每個打印點(diǎn)的直徑為 0.35mm，所打印出的 57 點(diǎn)陣字符寬1.8mm高 2.5mm。每個字符相隔 0.3mm，空 3 行點(diǎn)行的距離為1.0mm。詳細(xì)打印格式如圖 15 所示。 圖 15 打印格式 【單位： mm】每個字符由 57 點(diǎn)陣組成，每個字符右側(cè)空一點(diǎn)列，每行字符下面空一點(diǎn)行。為了對字符進(jìn)行定義，一

20、個字符便看成68 的點(diǎn)陣組成，即 6 列每列 8 點(diǎn)，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。 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 16圖 16 字符定義如上所述，每個字符可以由6 個十六進(jìn)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(jī)有全部字符集及140 個自選自修改漢字。5.2 程序設(shè)計(jì)打印 57 點(diǎn)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 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

21、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)。 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 17圖 17 打印時序圖系統(tǒng)控制軟件首要包括：主程序、打印機(jī)是否在線的子程序、判斷是何種機(jī)型的子程序、判斷滑架到達(dá)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。定時信號打印針 A打印針 B打印針 C打印針 D針 A 電流 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 18關(guān)中斷，設(shè)置

22、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(jī)初始化清零開啟中斷打印數(shù)據(jù)接收完否串口置低，關(guān)閉串口開始打印判斷走紙停止位置置低接收緩沖區(qū)關(guān)閉打印機(jī)電源關(guān)閉定時器 T0未完完開始圖 18 主程序流程圖 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 19主程序及注釋如下18：MAIN: CLR EA MOV P1,#0FFH ;關(guān)閉輸出。 CLR RS0 CLR RS1 SETB IT1 ;INT1 置為下降沿觸發(fā)中斷 SETB IT0 SETB EX1 ;開啟中斷 INT1 檢測回車信號 MOV PCON,#00H MOV SCON,#50H ;開啟接收 MOV 20H,#00H SETB TOT

23、AL_BIT MOV RD_TXD,#00H MOV P3,#0FFH ACALL DELL_5SMAIN0: ACALL QING_LINGMAIN1: SETB ES SETB EA MOV TMOD,#26H MOV TH1,#0FDH ;波特率設(shè)為 9600 MOV TL1,#0FDH SETB TR1 ACALL DELL_5mS ACALL DELL_5mS SJMP MAIN2MAIN2: JNB RD_END,MAIN1 ;有無主命令發(fā)送到打印板？ CLR RD_END MOV SCON,#50H CLR POWER_PRT ACALL DELL_5S ACALL COLLECT ;判斷打印紙上走紙停止的位置LOOP_RET: MOV RD_TXD,#00H SETB POWER_PRT ;打印頭電源控制（低有效） CLR ET0 AJMP MAIN0 沈陽大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） No 20附 錄附附錄錄 1：原原理理圖圖RST1P3.0R X2P3