热敏打印技术可行性分析

1 12 可行性报告可行性报告 热敏打印技术热敏打印技术 二二 一五一五年一月年一月 2 12 目录目录 一 项目背景 3 二 热敏打印与热转印打印方式比较 3 1 热敏打印机 4 2 热转印 4 三 一种热敏打印机的原理 5 1 系统组成 5 2 热敏打印工作原理 5 3 硬件设计 6 3 1 主控器件 6 3 2 热敏打印头过热保护模块 7 3 3 步进电机驱动模块 7 3 4 数据加载 8 四 热敏打印头的工艺 8 1 加热元件形状 9 2 发热体阻值的比较 9 五 智能热敏打印头 10 六 热敏打印技术的发展趋势 11 3 12 一 项目背景一 项目背景 热敏打印技术就是通过热敏打印头将打印介质上的热敏材料熔化变色 生 成所需的文字和图形 热转印从热敏技术发展而来 它通过加热转印色带 使 涂敷于色带上的墨转印到纸上形成图像 热敏打印技术的关键在于加热元件 热敏打印机芯上有一排微小的半导体 元件 这些元件排得很密 从 200dpi 到 600dpi 不等 这些元件在通过一定电流 时会很快产生高温 当热敏纸的涂层遇到这些元件时 在极短的时间内温度就 会升高 热敏纸上得涂层就会发生化学反应 现出颜色 热敏打印机接收到打印数据后 将打印数据转换为位图数据 然后按照位 图数据的点控制打印机芯上的发热元件通过电流 有选择地在热敏纸的确定位 置上加热 由此就产生了相应的图形 加热是由与热敏材料相接触的打印头上 的一个小电子加热器提供的 加热器排成方点或条的形式由打印机进行逻辑控 制 当被驱动时 就在热敏纸上产生一个与加热元素相应的图形 控制加热元 素的同一逻辑电路 同时也控制着进纸 因而能在整个标签或纸张上印出图形 最普遍的热敏打印机使用一种带加热点阵的固定打印头 打印头设有 320 个方点 每一点为 0 25mm 0 25mm 利用这种点阵 打印机可把打印点在热敏 纸的任意位置上 这种技术已用于纸张打印机和标签打印机上 热敏打印技术最早使用在传真机上 其基本原理是将打印机接收的数据转 换成点阵的信号控制热敏单元的加热 把热敏纸上热敏涂层加热显影 目前 热敏打印技术已在 POS 终端系统 银行系统 医疗仪器等领域得到广泛应用 并且拥有良好的发展前景 热敏打印方式的结构非常简单 维护方便 相对于传统的针式打印机有不 言而喻的优点 但由于热敏纸的保存性不佳 因此主要应用于对保存性要求不 高的场合 但是随着热敏纸技术的发展 热敏纸的保存性也在逐步提高 目前 已经出现了保存期为 30 50 年的热敏纸 随着热敏纸保存时间的提高 热敏打 印方式的应用领域也在不断扩大 二 热敏打印与热转印打印方式比较二 热敏打印与热转印打印方式比较 热敏打印与热转印是条码打印机的两种打印方法 每种方法都使用热敏打 印头对打印表面加热 热转印是通过加热色带 在多种材料上打印出耐用 持 久的图案 热敏打印不使用色带 而是直接在标签材料上打印图案 热敏打印与热转印是最佳的条形码打印技术 因为它们可以简便应用在多 种黏性标签材料上 并以出色的边缘定义打印出准确 高品质的图案 每种技术 都能够以相同的打印清晰度和速度 产生一维 二维的带有图案和文本字体的条 形码符号 4 12 1 热敏打印机热敏打印机 热敏打印使用经过化学处理的热敏介质 当介质从热敏打印头下通过时变 黑 热敏打印机不使用油墨 墨粉或色带 简单的设计使热敏打印机耐久和易 用 由于没有色带 热敏打印机的操作费用比热转印打印机低 热敏介质上的图案会随时间的推移而褪色 如果标签过度暴露在热 光或 其他催化剂下 材料将会变暗 使条形码无法被读取 热敏标签的可读取性随使 用条件的不同而变化很大 但该技术为额定标注和许多其他普通条形码的打印 应用提供了足够的使用寿命 例如 在分销中心存贮六个月后 直接热敏标签 仍能够轻易地被扫描读取 热敏打印机的分类热敏打印机的分类 热敏打印机根据其热敏元件的排列方式可分为行式热敏 Thermal Line Dot System 和列式热敏 Thermal Serial Dot System 列式热敏属于早期产品 目 前主要应用在一些对打印速度要求不高的场合 国内已有作者在其产品中使用 行式热敏属 20 世纪 90 年代技术 其打印速度比列式热敏快得多 目前最快速 度已达到 220mm 秒 要实现高速热敏打印 除了选取高速热敏打印头外 还必 须有相应的控制板与之配合 2 热转印热转印 在热转印打印中 热敏打印头给色带加热 油墨熔化在标签材料上以形成 图案 色带材料被介质吸收 图案构成了标签的一部分 该技术提供了其他按 需式打印技术无法匹敌的图案质量和耐久性 与热敏打印机相比 热转印打印机可接受更多品种的介质 包括纸 聚酯 和聚丙烯材料 热转印打印机可生成耐久的额定标签 UL CSA 标签 签条和 票据 以及腕带 永久资产签条 架签和其他标识 5 12 三 一种热敏打印机的原理三 一种热敏打印机的原理 1 系统组成系统组成 本文介绍的微型热敏打印机主要由主控制件主控制件 步进电机驱动模块步进电机驱动模块 热敏打热敏打 印头过热保护模块印头过热保护模块 热敏打印头切纸检测模块热敏打印头切纸检测模块 RS 232 通信模块通信模块和供电模块供电模块 等部分组成 系统的结构图如图 1 所示 其中步进电机驱动模块负责控制打印 纸走纸及走纸速度 热敏打印头过热保护模块防止热敏打印头温度过高损坏 热敏打印头缺纸检测电路完成热敏打印头是否有纸检测 RS 232 通信模块实 现打印机与汽车行驶记录仪之间的通信 供电模块给控制电路及热敏打印头供 电 2 热敏打印工作原理热敏打印工作原理 热敏打印头 FTP 628 的框图如图 2 所示 该热敏打印头点结构为 384 点 行 水平方向点密度为 8 点 mm 垂直方向行间距 8 点 mm 有效打印宽度 48mm 打印速度最大为 60mm s 1 6 12 当接通热敏打印机电源 12V 供电模块输出 5V 用于所有控制电路 还输出用于热敏头加热印字的 7 2V 电压 将其与打印头 VH 相连 在时钟 CLK 的配合下 打印数据经数据输入 DI 引脚移入热敏打印头内部的移位寄存 器中 当 CPU 将一行 384 位数据全部移入移位寄存器后 CPU 将热敏打印头 内部锁存端 LAT 置为低电平 移位寄存器的数据被锁存到锁存器 然后 CPU 将热敏都加热控制信号 STB 置为高电平 此时根据 384 点输入的数据是 1 或 0 决定发热元件是否发热 由此在热敏纸上产生要打印的点行 3 硬件设计硬件设计 3 1 主控器件主控器件 采用 Freescale 公司 S12 系列单片机的 MC9S12D64 作为主控器件 该器件 是一款性能优良的单片机 包含一个 16 位中央处理单元 64KB Flash 4KB RAM 1KB EEPROM 两个异步串行通信接口和一个同步串行接口等丰富资 源 能够满足本设计的需求 该器件具有良好的稳定性 使得打印机能够在恶 劣的工业现场使用 7 12 3 2 热敏打印头过热保护模块热敏打印头过热保护模块 打印头加热时间一般为 1ms 连续加热超过 1s 后 很容易烧毁热敏头 所 以必须对热敏打印头添加过热保护电路 过热保护电路图如图 3 所示 图中 VH 为 7 2V 热敏打印头驱动电压 VH 的供给与否由常开继电器控制 由 CPU 的一个 I O 口输出控制加热电压源控制端 TC1 参见图 2 与图 3 TH 为外部电 阻与热敏打印头内部热敏电阻的分压值 热敏打印头温度升高 则 TH 电压降 低 当热敏打印头温度上升到一定值时 TH 电压低于比较器 U1B 的引脚 6 参 考电压 则引脚 7 输出一个低电平 此时无论 TC1 为何值 与门 U6 的引脚 3 都为低电平 进而 Q1 截止 继电器断开 热敏打印头加热电源被切断 同时 主控器件检测到比较器 U1B 的引脚 7 输出低电平信号 进入中断 暂停打印工 作 当检测到 U1B 的引脚 7 为高电平后 延时一段时间 出中断 此时若热敏 打印头温度降低 TH 电压高于 U1B 的引脚 6 参考电压后 CPU 恢复到正常工 作情况 反之 比较器 U1B 的引脚 7 输出依然是低电平 继电器保持断开 主 控器件再次进入中断模块 这样就可以起到保护热敏打印头的作用 3 3 步进电机驱动模块步进电机驱动模块 步进电机是将输入的电脉冲信号转换成角位移或直线位移的伺服电动机 FTP 628 热敏打印头中使用的是二相四拍步进电机控制打印纸走纸及走纸速度 本系统采用 LB1836M 进行驱动 LB1836M 是低饱和 双通道双向电机驱动器 件 常用于微型打印机 相机等便携设备 图 4 给出步进电机的驱动电路 引 脚 IN1 IN2 IN3 和 IN4 是步进脉冲的输入端 OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 为步进脉冲的输出端 分别与热敏打印头中电机对应的 A NA B NB 相连 接 UOT 1 4 与 IN 1 4 的逻辑关系为 OUT IN 输出驱动电压由引脚 Vs 控制 其电压高低决定了步进电机工作电流的大小 影响步进电机运行的快慢 决定走纸快慢 LB1836M 输入端的四个步进脉冲可由单片机的 PWM0 PWM1 PWM2 PWM3 四路 PWM 通道产生 四路 PWM 的相位关系 为 PWM0 与 PWM2 反相 PWM1 与 PWM3 反相 PWM0 与 PWM1 相差 2 8 12 3 4 数据加载数据加载 数据加载即将内存缓冲区的数据输出到热敏打印头的移位寄存器中 然后 进行打印 由于本设计采用的主控器件带有串行外围接口 SPI 所以将 SPI 用于数据加载 使用 SPI 加载数据 不但电路比硬件方式数据移位简化 而且 较 I O 口模拟串行数据传输的时序移位速度更快 从而整体提高了打印机性能 如图 5 所示 将主控器件设为主机 热敏打印机内部移位寄存设为从机 主控器件 MC9S12D64 将打印的数据存入 SPI 数据寄存器 当数据寄存器写入 数据后 数据开始传输 数据通过串行时钟线的同步信号循环移位 8 位 移入 热敏打印头内部的移位寄存器中 实现了数据的加载 四 热敏打印头的工艺四 热敏打印头的工艺 9 12 热敏打印头可以分为厚膜工艺以及薄膜工艺两类 一种薄膜和厚膜热敏打 印头技术热转印打印头技术相比的优点示于下表 1 加热元件形状加热元件形状 过程加热薄膜厚度非常薄 在规则的矩形形状的表面上形成 以确保最大 的传热面积 热效率高 低生热性 迅速冷却 与厚膜加热技术相比 膜的 厚度 加热并没有显著的隙间 加热效率是比较低的 加热点的形状的厚度不 规则 热响应速度不如薄膜更高 因而这需要高的热响应非常复杂的热历史 控制程序 总之 打印头是难以适用日期代码印刷和超细 超高速二维码等用途 2 发热体阻值的比较发热体阻值的比较 薄膜 电阻加热元件的相同产品的批次之间的差异在 15 但是所有点与 点之间非常密切的公差可以做到大约 1 厚膜 世界上目前最好的可以 3 的容差范围内进行 在 3 的批次之 间的差异也基本算是稳定 如果不同加热点之间存在阻值差异 会导致热点之 间的能量差 从而影响打印的水平与质量 因此 厚膜印刷头很难进行彩色照 片和黑白灰度打印就是因为连续色调的图像变化 比较上述所说的加热片的打印头 电阻分布均匀 从而可以实现高速印刷 而且 除了使用升华热转印膜技术的热敏纸 可以打印出来的照片效果是银灰 色的效果相媲美 鉴于此 该膜广泛应用于超高速条码打印机 照片打印机 证卡打印机等品种多 数量少 高附加值的领域 10 12 五 智能热敏打印头五 智能热敏打印头 与传统热敏打印头的发热体阻值在一定温度范围内恒定不同 智能热敏打 印头采用了具有负温度系数的薄膜金属材料发热体 随着发热体温度的变化 发热体阻值具有近似线性的变化趋势 即在一定的温度范围内 具有恒定的温 度系数 TCR 如图1 所示 11 12 当打印动作开始时 根据印字信息控制逻辑开关 印加电流通过热敏发热体单 元 发热体发热 随着发热体温度的升高 发热体电阻依据负温度系数TCR 电阻值发生变化 从而引起印加电流的变化 检测回路通过闭环的反馈系统 不断累加变化量并换算成印加能量 当达到设定的能量目标值时 关闭逻辑开 关 停止加热 如图2 所示 因此 智能热敏打印头通过上述的能量控制反馈 系统 可以在打印的同时 实时地检测发热体的温度 从而实现精确的能量控 制 得到高品质的印字质量 六 热敏打印技术的发展趋势六 热敏打印技术的发展趋势 打印机架通了横在人类思想表达 传播意图与印刷页面间的桥梁 但仅有 文字还不能表达复杂页面 撞击式打印机是打字机功能的延伸 几乎没有图像 输出功能 飞撞击时打印技术的出现克服了撞击打印技术的诸多优点 但输出 速度太慢 质量不能令人满意 与此同时 人类在克服传统印刷的局限性方面 做了大量的努力 到今天 热敏打印技术相对于传统打印机 热敏打印机速度 快 噪音低 打印清晰 使用方便 所以 在市场上涉及面广 应用广泛 可 以打入各个行业 随着人们对印刷的需求的变化 自从二十世纪六十年代和七十年代的各种 非击打式打印技术激光开始 诸如喷墨 热敏打印相继问世 并且获得了快速 发展 在20世纪80年代 传真感热记录的方法使热敏技术迅速的普及和发展 如今打印机己经普及到我们的日常生活之中 并且我们