单片机驱动EPSON针式打印头的系统设计.doc

沈阳大学毕业设计 论文 目 录 引 言 3 1 微型打印机的概述 6 1 1 背景和意义 6 1 2 微型打印机的发展和现状 6 1 3 常见的微型打印机 8 2 针式微型打印机的驱动原理 10 2 1 微型打印机的组成 10 2 2 打印原理 11 3 电路分析 13 3 1 硬件系统组成 13 3 2 复位检测电路 14 3 3 直流电机驱动 15 3 4 驱动放大电路 17 3 5 打印同步信号检测 19 3 6 微型打印机通讯控制 20 4 芯片资料及主要功能 22 4 1 单片机的介绍及应用 22 4 2 芯片功能介绍 23 4 3 内部结构 24 4 4 引脚功能说明 25 4 5 芯片主要性能 27 4 6 芯片工作概况 27 5 软件设计 30 5 1 打印格式 30 5 2 程序设计 32 结 论 36 致 谢 37 参考文献 38 附 录 40 附录 1 原理图 40 附录 2 主要程序 41 沈阳大学毕业设计 论文 No 2 本论文所完成的任务是在单片机上对微型打印机控制实现的设计方 法进行研究 得到最优结果 第 1 章微型打印机的概述 本章介绍了微型打印机的基础知识及其 发展 第 2 章针式打印机的驱动原理 本章简要介绍了针式打印机组成及 其打印的原理 打印方式 第 3 章硬件组成 本章主要介绍了复位检测电路 直流电机驱动 驱动放大电路 打印信号同步检测及通讯控制电路 第 4 章芯片资料及其功能 本章主要介绍芯片AT89C2051 的功能 概述 引脚功能说明及其工作概况 进一步了解芯片的使用及编程 第 5 章软件设计 本章是全文的重点 通过前几章的介绍对单片机 对微打印机的控制提出了设计方法 首先 本章介绍了打印机的详细工 作原理及打印过程 打印格式 然后 根据设计思路介绍了部分软件设 计方法 并总结出了主程序运行流程图 第 6 章结论 对全文进行总结 并对该课题的前景进行展望 沈阳大学毕业设计 论文 No 3 1 微型打印机的概述 2 针式微型打印机的驱动原理 2 1 微型打印机的组成 EPSON M 150II 微型打印机机芯主要由直流电机 Motor 测速感 应线圈 Timing Detector 干簧管复位开关 Reset Detector 电磁打印 针 Print Solenoid ABCD 色带 与电机连接的滑槽轮以及蜗杆等部分组 成 6 图1 打印机终端分配 沈阳大学毕业设计 论文 No 4 微型打印机的终端分配如图1 所示 对应的 12 个脚分别为 1 点 反馈 即复位检测端 2 地 3 电机控制 4 电机电源 5 针头电源 6 9 针头 D C B A 10 行反馈 即时间检测端 11 电源检测 其 中点反馈与行反馈分别控制单片机的一个I O 口 点反馈用来在打印完 一个点之后反馈下一点的信息 查询下一个要打印的点 行反馈用来在 打印完一行之后 控制打印机进行走纸并且将针头从右边返回到左边 M 150II 打印机一行可打印 96 个点 若英文字符采用5 乘 7 点阵 的话 则一行可打印 16 个字符 打印速度为 1 行 秒 它采用 45MM 宽的普通打印纸打印 日常维护和更换较方便 它的可靠使用寿命为 500000 行 体积很小 为 73 4mm 乘 42 6mm 乘 12 8mm 重量只有 60g 非常适用于安装在各种仪表内部 2 2 打印原理 打印时 单片机控制隔离开关给电机供电 电机带动滑槽轮及蜗杆 转动 使打印机的机头滑架左右移动 从而不断改变同一点行上的打点 位置 蜗杆的转动一方面通过凸轮带动走纸机构走纸 另一方面驱动色 带移动 随着电机的转动 测速感应线圈输出一个3V 的正弦信号 经过整形电路后成为方波 方波再输入到单片机以检测打印同步信号 打 印头每移动一点行 单片机可以检测到196 个高 低电平作为打印同 步信号 其中前 96 个高 低电平对应特定的打印点的位置 后72 个 高 低电平对应打印头从最右端返回起始位置所用时间 打印针从方波 的第 1 个高电平信号到第 96 个低电平信号按 A B C D 的次序循环打 沈阳大学毕业设计 论文 No 5 印 直至完成一点行的打印任务 当机头滑架返回到最左边时 磁铁使 干簧管闭合 单片机检测到这一同步信号 开始下一点行的打印 正如前面所说的 针式打印机是依靠打印针击打所形成色点的组合 来实现规定字符和汉字打印的 因此 在打印方式上 针式打印机均采 用字符打印和位图像打印两种打印方式 其中字符打印方式是按照计算 机主机传来的打印字符 ASCII 码形式 由打印机自己从所带的点阵 字符库中取出对应字符的点阵数据 打印数据 经过字型变换处理后 送往打印针驱动电路进行打印 而位图像打印方式则是由计算机进行要 打印数据的生成 并将生成的数据送往打印机 打印机不需要进行打印 数据的处理 可以直接将其打印出来 在这种方式下 计算机生成的打 印数据可以是一幅图像 也可以是汉字 7 本文所研究的主要是微打印 机的字符打印方式 沈阳大学毕业设计 论文 No 6 3 电路分析 3 1 硬件系统组成 硬件系统主要由复位检测电路 打印同步信号检测电路 反相器及 光耦电路 打印机驱动电路 单片机晶振电路 RS232 通讯电路等部 分组成 单片机执行程序存贮器中的程序 控制电机带动滑槽轮及蜗杆 转动 使打印机的机头滑架左右移动 从而不断改变同一点行上的打点 位置 蜗杆的转动一方面通过凸轮带动走纸机构实行走纸 另一方面驱 动色带移动 电机转动时感应线圈产生的正弦信号输入到单片机 用来 控制打印针的动作 本文主要设计了EPSON 打印头驱动控制电路的部 分 该部分由单片机及其外围晶振复位电路 反相器及光耦电路 打印 机驱动电路等部分组成 其硬件结构框图如图2 所示 AT89C2051 通讯电路 反相器及光耦电 路 打印机驱动电路 打印同步信号检 测电路 单片机晶振电路 复位检测电路 图2 系统硬件构成 沈阳大学毕业设计 论文 No 7 3 3 直流电机驱动 图 4 DC 电机驱动电路 单片机通过 P1 0 的输出控制电机的启动与停止 如图4 所示 若 P1 0 输出为低 开关管 G1 导通 电机开始转动 若P02 输出为高 开关管 G1 关断 电机停止转动 D2 D3 在制动过程中可以起到电机 反向电流保护作用 电路中用光耦P521 实现了单片机与感性负载与电 机的隔离 大大增强了系统的抗干扰能力 9 沈阳大学毕业设计 论文 No 8 图 5 电机与打印线圈的电压关系 根据 Epson M 150II 开发手册和实际调试情况可知 电机和打印线 圈终端的电压应满足如图5 所示关系 否则打印出的字符就会混乱 使 人难以辨认 关于打印线圈驱动电路可参考附录原理图 为了使打印 出的字符效果更好 我们在G1 和 VCC 之间串入了 D1 用以降低电机 两端的电压 使其电压稍低于线圈的电压 实践证明 当电机两端的电 压略低于线圈的电压时 打印出的字符效果更好 打印过程更稳定些 3 4 驱动放大电路 此模块是整个电路中最重要 最核心的部分 其设计如图6 所示 沈阳大学毕业设计 论文 No 9 I O 驱动能力主要指它使用输出工作方式下的输出电流和灌电流 负载越 重 就需要更大的驱动能力 如果单片机输出口驱动能力大于外部要求的 就不用驱动电路了 如用单片机启动一个继电器 如果电流足够当然可 以驱动继电器 但事实上一般单片机都要用三极管作为驱动 以小电流 控制大电流 如果要使一个小功率的LED 发光当然不再需要用三极管 来放大电流了 而这里控制打印机的工作 驱动电路则是非常重要的部 分 10 为了加强驱动能力 在这里采用的是复合管的形式 其中复合 管 Q1 Q2 用来驱动电机 Q3 Q4 和 Q5 Q6 分别用来驱动针头电源 和针头 D 针头 C 图 6 驱动放大电路 1 沈阳大学毕业设计 论文 No 10 图 7 驱动放大电路 2 光耦合器 optical coupler 英文缩写为 OC 亦称光电隔离器 简称光 耦 光耦合器以光为媒介传输电信号 它对输入 输出电信号有良好的隔离 作用 所以 它在各种电路中得到广泛的应用 目前它已成为种类最多 用 途最广的光电器件之一 光耦合器一般由三部分组成 光的发射 光的接收 及信号放大 输入的电信号驱动发光二极管 LED 使之发出一定波长的 光 被光探测器接收而产生光电流 再经过进一步放大后输出 这就完成了 电 光 电的转换 从而起到输入 输出 隔离的作用 由于光耦合器输入 输出间互相隔离 电信号传输具有单向性等特点 因而具有良好的电绝缘能 力和抗干扰能力 如图 7 所示 又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的 低阻元件 因而具有很强的共模抑制能力 所以 它在长线传输信息中作为 沈阳大学毕业设计 论文 No 11 终端隔离元件可以大大提高信噪比 在计算机数字通信及实时控制中作为信 号隔离的接口器件 可以大大增加计算机工作的可靠性 光耦合器的主要优点是 信号单向传输 输入端与输出端完全实现了电 气隔离隔离 输出信号对输入端无影响 抗干扰能力强 工作稳定 无触点 使用寿命长 传输效率高 光耦合器是 70 年代发展起来产新型器件 现已 广泛用于电气绝缘 电平转换 级间耦合 驱动电路 开关电路 斩波器 多谐振荡器 信号隔离 级间隔离 脉冲放大电路 数字仪表 远距离信 号传输 脉冲放大 固态继电器 SSR 仪器仪表 通信设备及微机接口中 在单片开关电源中 利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路 通过调节控制 端电流来改变占空比 达到精密稳压目的 11 3 5 打印同步信号检测 电机转动时 感应线圈输出幅值为3V 的正弦波 经 10 11 两端 送出到晶体管整形为方波后送入P3 7 P3 7 检测此方波作为打印同步 信号 以确保打印点之间距离相等 4 只打针循环同步情况如图8 所 示 由图可知 A C 打针是在方波降低到来时冲打 B D 打针在方 波上升到来时冲打 12 沈阳大学毕业设计 论文 No 12 图 8 同步信号检测 3 6 微型打印机通讯控制 图 9 MAX3232 串口通讯模块 RS 232 协议 RS 232 是串行数据接口 标准 最初都是由 电子工 业协会 EIA 制订并发布的 RS 232 在 1962 年发布 命名为 EIA 232 E 作为工业标准 以保证不同厂家产品之间的兼容 目前RS 沈阳大学毕业设计 论文 No 13 232 是 PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口 RS 232 被定 义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准 RS 232 采取 不平衡传输方式 即所谓单端通讯 收 发端的数据信号是相对于信号 地 如从 DTE 设备发出的数据在使用DB25 连接器时是 2 脚相对 7 脚 信号地 的电平 典型的RS 232 信号在正负电平之间摆动 在发送 数据时 发送端驱动器输出正电平在 5 15V 负电平在 5 15V 电平 当无数据传输时 线上为TTL 从开始传送数据到结束 线上 电平从 TTL 电平到 RS 232 电平再返回 TTL 电平 接收器典型的工作 电平在 3 12V 与 3 12V RS 232 是为点对点 即只用一对收 发 设备 通讯而设计的 其驱动器负载为3 7k 所以 RS 232 适合本 地设备之间的通信 MAX3232 是电荷泵芯片 可以完成两路TTL RS 232 电平的转换 它的 9 10 11 12 引脚是 TTL 电平端 用来连接单片机的 而51 系列单片机的 10 11 引脚是串口 连接 MAX232 的 TTL 电平端 此 模块是用得 MAX232 的 9 和 10 引脚 13 图中 C9 到 C12 四个电容构 成电压泵 功能是产生 12V 和 12V 两个电压 提供给 RS 232 串口电 平的需要 TTL CMOS 数据从 T1IN T2IN 输入转换成 RS 232 数据从 T1OUT T2OUT 送到电脑 DB9 插头 DB9 插头的 RS 232 数据从 R1IN R2IN 输入转换 TTL CMOS 数据后从 R1OUT R2OUT 输出 如图 9 所示 沈阳大学毕业设计 论文 No 14 5 软件设计 5 1 打印格式 M 150 微型打印机有 4 个打印针 A B C D 单片机控制 隔离开关给电机供电 电机带动滑槽轮及蜗杆转动 使打印机的机头滑 架左右移动 从而不断改变同一点行上的打点位置 蜗杆的转动一方面 通过凸轮带动走纸机构走纸 另一方面驱动色带移动 打印头每移动一 点行 单片机可以检测到196 个高 低电平作为打印同步信号 其中前 96 个高 低电平对应特定的打印点的位置 后72 个高 低电平对应打 印头从最右端返回起始位置所用时间 打印针从方波的第1 个高电平 信号到第 96 个低电平信号按 A B C D 的次序循环打印 直至完成一点 行的打印任务 当机头滑架返回到最左边时 磁铁使干簧管闭合 单片 机检测到这一同步信号 开始下一点行的打印 如图13 所示 图 13 冲打次序 5 7 点阵 M 150 微型打印机为机械式点阵打印机芯 其打印头上 有四个电磁铁打针 水平安装在同一滑架上 在微型直流电机驱动下 打针随滑架水平移动 四个打针一次通电 断电 并且水平右移24 个点位 则单方向打印出每行96 点的轨迹 打印头返回时 自动步进 沈阳大学毕业设计 论文 No 15 送纸 打印头往返 10 次可打印出 5 7 点阵 16 个字符 并且空 3 行点 行 如图 14 所示 图 14 一点行 5 1 16 每个打印点的直径为 0 35mm 所打印出的 5 7 点阵字符宽 1 8mm 高 2 5mm 每个字符相隔 0 3mm 空 3 行点行的距离为 1 0mm 详细打印格式如图 15 所示 图 15 打印格式 单位 mm 每个字符由 5 7 点阵组成 每个字符右侧空一点列 每行字符下面 空一点行 为了对字符进行定义 一个字符便看成6 8 的点阵组成 即 6 列每列 8 点 每一列由一个字节的数据表示 最高位在上 如图 16 所示 沈阳大学毕业设计 论文 No 16 图 16 字符定义 如上所述 每个字符可以由6 个十六进制数据表示 即字符 广 可以定义为 02H 7CH 40H C0H 40H 00H 如此便完成了一个字 符的定义 M 150 II 型微打印机有全部字符集及140 个自选自修改汉 字 5 2 程序设计 打印 5 7 点阵字符的时序图如图17 所示 首先由脉冲宽度为定时 信号 Tn Tn 1 的打印脉冲 Pn 激励打印针 A 工作 然后由脉冲宽度为 定时信号 Tn 1 Tn 2 的打印脉冲 Pn 1 激励打印针 B 工作 同样的打 印针 C 被打印脉冲 Pn 2 激励工作 打印针 D 被打印脉冲 Pn 3 激励 工作 接着打印针 A 再次被打印脉冲 Pn 4 所激励 按照这样的规律 打印针 A B C D 依次被连续的打印脉冲所激励 直到完成打印任务 沈阳大学毕业设计 论文 No 17 图 17 打印时序图 系统控制软件首要包括 主程序 打印机是否在线的子程序 判断 是何种机型的子程序 判断滑架到达最左端的子程序 读取数据的子程 序和走纸与打印的子程序 通讯子程序等 其主程序流程框图如图18 所示 定时信号 打印针 A 打印针 B 打印针 C 打印针 D 针 A 电 流 沈阳大学毕业设计 论文 No 18 关中断 设置存储器模 式 中断触发方式设置 打开外部中断 1 串口初始化 打印机初始化 清零 开启中断 打印数据接 收完否 串口置低 关闭串 口 开始打印 判断走纸停止位置置低接收缓冲区 关闭打印机电 源 关闭定时器 T0 未完 完 开始 图 18 主程序流程图 沈阳大学毕业设计 论文 No 19 主程序及注释如下 18 MAIN CLR EA MOV P1 0FFH 关闭输出 CLR RS0 CLR RS1 SETB IT1 INT1 置为下降沿触发中断 SETB IT0 SETB EX1 开启中断 INT1 检测回车信号 MOV PCON 00H MOV SCON 50H 开启接收 MOV 20H 00H SETB TOTAL BIT MOV RD TXD 00H MOV P3 0FFH ACALL DELL 5S MAIN0 ACALL QING LING MAIN1 SETB ES SETB EA MOV TMOD 26H MOV TH1 0FDH 波特率设为 9600 MOV TL1 0FDH SETB TR1 ACALL DELL 5mS ACALL DELL 5mS SJMP MAIN2 MAIN2 JNB RD END MAIN1 有无主命令发送到打印板 CLR RD END MOV SCON 50H CLR POWER PRT ACALL DELL 5S ACALL COLLECT 判断打印纸上走纸停止的位置 LOOP RET MOV RD TXD 00H SETB POWER PRT 打印头电源控制 低有效 CLR ET0 AJMP MAIN0 沈阳大学毕业设计 论文 No 20 附 录 附附录录 1 原原理理图图 RST 1 P3 0R X 2 P3 1TX 3 XTAL 4 XTAL 5 P3 2 6 P3 3 7 P3 4 8 P3 5 9 GND 10 P3 7 11 P1 0 12 P1 1 13 P1 2 14 P1 3 15 P1 4 16 P1 5 17 P1 6 18 P1 7 19 VCC 20 U2 at89c2051 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 J2 U3 11 0592MHz C1 20P C2 20P 5v R14 103