1引言
由于常用的微型針式打印機(jī)的速度慢，噪聲大，無(wú)法滿足某些場(chǎng)合的需要。微型熱敏打印機(jī)具有打印速度快、噪音低、可靠性高、字跡清晰、機(jī)頭小而輕等優(yōu)點(diǎn)，可滿足各種場(chǎng)合的打印要求，因此得到廣泛應(yīng)用。筆者在汽車行駛記錄儀的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，根據(jù)廠家要求，選用較為先進(jìn)的熱敏打印機(jī)作為打印設(shè)備。但微型熱敏打印頭對(duì)打印時(shí)序和溫度要求較高，一旦控制不當(dāng)極易造成打印頭燒毀。因此，在有合理的硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，軟件設(shè)計(jì)也十分重要。本文使用某些軟件設(shè)計(jì)替代了部分硬件電路，使打印機(jī)的控制電路得到了簡(jiǎn)化。
摘要：介紹了基于89S51單片機(jī)的微型熱敏打印機(jī)的組成，分析了打印原理，詳細(xì)給出了整體流程以及各個(gè)功能模塊的軟件設(shè)計(jì)。熱敏打印頭采用I/O口模擬串行數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加載。設(shè)計(jì)的微型熱敏打印機(jī)運(yùn)用于實(shí)際，取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞：熱敏打印機(jī) 過(guò)熱保護(hù) 步進(jìn)電機(jī) 數(shù)據(jù)加載
2 打印原理
選用的FTP-628作為熱敏打印頭。該熱敏打印頭點(diǎn)結(jié)構(gòu)384點(diǎn)/行，水平方向點(diǎn)密度：8點(diǎn)/mm，垂直方向行間距：8點(diǎn)/mm。有效打印寬度48mm。打印速度最大為60mm/秒[1]。
要打印的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘CLK的配合下，經(jīng)由數(shù)據(jù)輸入腳DI移到熱敏機(jī)芯內(nèi)部的移位寄存器中。經(jīng)384個(gè)時(shí)鐘周期，一行384位數(shù)據(jù)全部移到移位寄存器后，鎖存端的鎖存信號(hào)/LAT由CPU置低，移位寄存器的數(shù)據(jù)被鎖存到鎖存器。然后熱敏頭加熱控制信號(hào)STB產(chǎn)生高電平，此時(shí)根據(jù)384點(diǎn)輸入的DI數(shù)據(jù)是1或者是0決定發(fā)熱元件是否發(fā)熱，由此在熱敏紙上產(chǎn)生要打印的點(diǎn)行。
3 系統(tǒng)整體框圖
本文介紹的微型熱敏打印機(jī)由主控芯片、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、熱敏打印頭過(guò)熱保護(hù)模塊、熱敏打印頭缺紙檢測(cè)模塊、RS-232通信模塊、供電模塊等部分組成。其中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)控制打印紙走紙及走紙速度；熱敏打印頭過(guò)熱保護(hù)模塊防止熱敏打印頭溫度過(guò)高損壞；熱敏打印頭缺紙檢測(cè)電路完成熱敏打印頭是否有紙檢測(cè)；RS-232通信模塊實(shí)現(xiàn)打印機(jī)與上位機(jī)之間的通信；供電模塊給控制電路及熱敏打印頭供電。根據(jù)實(shí)際需要，考慮成本，選擇89S51單片機(jī)作為主控芯片[2]。如圖1，給出了主控芯片與各個(gè)模塊之間的接口功能設(shè)計(jì)。
圖1 主控芯片與功能模塊的接口設(shè)計(jì)
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.1 整體流程
如圖2，給出了整個(gè)系統(tǒng)工作的軟件流程圖。本熱敏打印機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要是通過(guò)RS-232通信模塊接收由主機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，首先要判斷是命令字還是字符 數(shù)據(jù)。如果是命令字，則打印機(jī)按照命令動(dòng)作；如果判斷為字符數(shù)據(jù)，則從字庫(kù)中提取字符點(diǎn)陣，按行打印，走紙。
圖2 系統(tǒng)工作流程圖
4.2 數(shù)據(jù)加載與印字
將內(nèi)存緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)輸出到熱敏打印頭的移位寄存器中，可以通過(guò)硬件方式和軟件移位的方式實(shí)現(xiàn)[3]。本打印機(jī)實(shí)現(xiàn)方案采用的是后者。一般情況下，軟件移位是由I/O口模擬串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序。圖3為I/O口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)移位流程圖。P1.0口模擬時(shí)鐘CLOCK，P1.1口在CLOCK的配合下輸出數(shù)據(jù)DATA，輸出數(shù)據(jù)到熱敏打印頭內(nèi)部的移位寄存器中。
P2[0:5]分別與打印頭內(nèi)部的加熱選通信號(hào)STB[0:5]相連接。當(dāng)數(shù)據(jù)全部移入到移位寄存器后，對(duì)STB[0:5]操作，加熱印字。由于熱敏打印機(jī)是通過(guò)打印頭加熱后在熱敏打印紙上灼燒印字，所以，加熱時(shí)間的長(zhǎng)短決定了印字的清晰與快慢。因此，根據(jù)實(shí)際情況，合理的設(shè)計(jì)加熱時(shí)間對(duì)于實(shí)現(xiàn)熱敏打印機(jī)的高質(zhì)量打印十分重要。
圖3 I/O口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)移位流程圖
4.3 步進(jìn)電機(jī)走紙及驅(qū)動(dòng)
圖4 I/O口模擬輸出PWM的時(shí)序圖
設(shè)計(jì)的熱敏打印機(jī)內(nèi)部的二相四拍步進(jìn)電機(jī)控制打印頭的走紙及走紙速度。由2路I/O口模擬2路PWM輸出，再經(jīng)過(guò)兩個(gè)非門，將輸出的2路模擬PWM波形轉(zhuǎn)換為4路，輸入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)[4]。圖4為P1.2與P1.3口模擬輸出PWM的時(shí)序圖。在一個(gè)周期內(nèi)，P1.2較P1.3延時(shí)3/4個(gè)周期。
4.4 保護(hù)與中斷
熱敏打印頭加熱時(shí)間一般為1ms，連續(xù)加熱超過(guò)1s后，很容易燒毀、損壞熱敏頭，所以實(shí)際的熱敏打印機(jī)必須對(duì)熱敏打印頭添加過(guò)熱保護(hù)電路。當(dāng)熱敏打印頭溫度過(guò)高時(shí)，過(guò)熱保護(hù)模塊輸出一個(gè)低電平到/INT0腳，使打印機(jī)進(jìn)入中斷[3]。圖5為過(guò)熱保護(hù)中斷流程圖。進(jìn)入中斷后，主控芯片斷開(kāi)熱敏打印頭加熱供電控制繼電器，停止熱敏打印頭的加熱供電，并暫停其他動(dòng)作。當(dāng)熱敏打印頭溫度降低后，則過(guò)熱保護(hù)模塊輸出一個(gè)高電平到/INT0腳，此時(shí)，打印機(jī)延時(shí)一段時(shí)間后出中斷。
熱敏打印頭內(nèi)部用光電繼電器作為傳感器，檢測(cè)打印頭是否有紙。當(dāng)熱敏打印頭無(wú)紙時(shí)，傳感器中的發(fā)光二極管發(fā)出的光束無(wú)法經(jīng)由打印紙反射到光敏三極管上，光敏三極管由此而無(wú)法導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)外部電路后，/INT1為低電平，進(jìn)入中斷。反之，/INT1為高電平，工作正常。其中斷流程與過(guò)熱保護(hù)中斷類似。
圖5 過(guò)熱保護(hù)中斷流程圖
4.5 字符庫(kù)的構(gòu)造與提取
由于本打印機(jī)是應(yīng)用于汽車行駛記錄儀的專用打印機(jī)，按照汽車行駛記錄儀的要求，約需使用100個(gè)左右的漢字以及26個(gè)大寫英文字母以及10個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字，為降低字庫(kù)對(duì)硬件存儲(chǔ)空間的要求，采用自定義的字符庫(kù)。另外，自定義的字符庫(kù)靈活性較強(qiáng)，在自定義字庫(kù)中，這樣既可以在同等打印寬度的情況下實(shí)現(xiàn)靈活打印，也可以使打印出來(lái)的字符效果美觀。提取字符點(diǎn)陣時(shí)，首先判斷字符類型，再尋得要打印字符的首地址，按照該字符的點(diǎn)陣規(guī)范，從字庫(kù)中取出打印點(diǎn)陣放入緩沖區(qū)，進(jìn)而加載，并打印。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文使用軟件實(shí)現(xiàn)了熱敏打印機(jī)的運(yùn)行控制。實(shí)驗(yàn)證明，微型熱敏打印機(jī)在實(shí)時(shí)性要求不高的諸多場(chǎng)合能正常運(yùn)行，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性。而對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高、成本并不敏感的打印環(huán)境，則應(yīng)該引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)打印機(jī)的實(shí)時(shí)操作。
本文創(chuàng)新點(diǎn)：為簡(jiǎn)化硬件電路，采用軟件移位實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加載，通過(guò)軟件產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)所需的 PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)；為減小打印機(jī)對(duì)存儲(chǔ)空間的需求，針對(duì)汽車行駛記錄儀使用字符少的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了自定義的字符庫(kù)。
下面還介紹一個(gè)
摘 要：在分析M-164微型打印機(jī)控打原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以89C52為核心的漢字微型打印機(jī)，介紹了主要的硬件構(gòu)成及主要的控打軟件。這種微型打印機(jī)是儀器儀表的重要輸出設(shè)備。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；打印控制；并行接口；存貯器
1 引 言
由于單片機(jī)具有簡(jiǎn)單實(shí)用、高可靠性、良好的性能價(jià)格比以及體積小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展。本文著重介紹89C52對(duì)并行接口的微型打印機(jī)的控制，以便更好地了解和掌握單片機(jī)對(duì)外部接口的一般和一些特殊功能的應(yīng)用。
2 控制打印原理
89C52單片機(jī)執(zhí)行程序存貯器中的程序，控制電機(jī)帶動(dòng)滑槽輪及蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)［1］，使打印機(jī)的機(jī)頭滑架左右移動(dòng)，從而不斷改變同一點(diǎn)行上的打點(diǎn)位置。蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)一方面通過(guò)凸輪帶動(dòng)走紙機(jī)構(gòu)實(shí)行走紙，另一方面驅(qū)動(dòng)色帶移動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)感應(yīng)線圈有一個(gè)3 V的正弦信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形電路后成為方波，此方波輸入到89C52，經(jīng)過(guò)89C52相應(yīng)的指令檢測(cè)此方波的變化時(shí)刻（從上升沿變到下降沿或者從下降沿變到上升沿時(shí)刻），在方波變化時(shí)刻使打印機(jī)的相應(yīng)打針進(jìn)行沖打，完成打印任務(wù)，同時(shí)由這個(gè)方波的變化確保各打印點(diǎn)之間的距離相等。當(dāng)機(jī)頭滑架到達(dá)最左邊時(shí)，磁鐵使干簧管閉合，這時(shí)單片機(jī)送出一負(fù)脈沖作為行同步信號(hào)，使每行打印時(shí)在最左端對(duì)齊。
3 硬件組成
3．1 驅(qū)動(dòng)電路
用89C52的P1口的P10～P14分別控制打印機(jī)的電機(jī)及打印針頭，P3．3控制干簧繼電開(kāi)關(guān)，當(dāng)滑架到達(dá)最左端時(shí)，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，干簧繼電開(kāi)關(guān)閉合一次，P3．3就接地一次發(fā)出一負(fù)脈沖作為同步信號(hào)，以保證打印時(shí)每行在最左端對(duì)齊。在以前眾多微型打印機(jī)中，由于應(yīng)用三極管的拉電流，當(dāng)單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)P1口的初始狀態(tài)為輸入方式，所以P10～P17均為高電平，如果沒(méi)有一個(gè)非門［2］，則單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)就會(huì)使組成功率放大器（由2個(gè)NPN管構(gòu)成）的三極管導(dǎo)通，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和4個(gè)打針同時(shí)通電，這是不允許的。在這里使用灌電流足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)和打針，故不需非門，如圖1所示。
電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)線圈輸出幅值為3 V的正弦波，經(jīng)10，11兩端子送出到晶體管整形為方波后送入P3．4，P3．4檢測(cè)此方波作為打印同步信號(hào)，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2所示。由圖2可知：A，C打針是在方波下降到來(lái)時(shí)刻沖打，B，D打針在方波上升到來(lái)時(shí)沖打。
4只打針A，B，C，D在滑架上從左到右水平安裝，間隔24個(gè)點(diǎn)位。在打印每行96個(gè)點(diǎn)時(shí)，他們同時(shí)移動(dòng)。次序依次通電激勵(lì)，每打1點(diǎn)，滑架右移1／4點(diǎn)位，4只打針打完正好移動(dòng)1個(gè)點(diǎn)位。沖打1點(diǎn)行，滑架連續(xù)移動(dòng)24點(diǎn)位。沖打順序如圖3所示。
打印機(jī)工作時(shí)的程序如下：
3．2 基本系統(tǒng)
由于微型打印機(jī)的打印緩沖區(qū)一次可快速裝入240個(gè)代碼，如全部為漢字，則要占用RAM為240×32＝7 650個(gè)字節(jié)，顯然89C52內(nèi)的256 B［3］RAM明顯不夠，所以要外掛1片數(shù)據(jù)存貯器（這里用的是6116）才能滿足要求。基于這些，他的基本系統(tǒng)由89C52芯片，27C040（27C040并不是作為程序存貯器使用，而是用來(lái)存放字庫(kù)、字符），數(shù)據(jù)存貯器（6116）構(gòu)成，如圖4所示。
由于27C040只有1片，所以其片選線與地址鎖存器（74LS373）的片選線均直接接地。同時(shí)外接的27C040的地址線A0～A7由P0口通過(guò)地址鎖存器提供，A8～A15由P2口提供，A16～A18由P1．5～P1．7提供。而數(shù)據(jù)存貯器（6116）片選端CE是由89C52的P2．7控制的，當(dāng)P2．7＝0時(shí)則選中6116，此時(shí)89C52的P2．0～P2．2輸出6116所需的高位地址，P0口輸出6116的低8位地址鎖存在鎖存器74LS373中。若是讀6116，則P0口變?yōu)檩斎敕绞剑赗D為低電平時(shí)，選通6116，此時(shí)6116中相應(yīng)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在P0口，再由CPU讀入累加器A中。若是寫，則P0口為輸出，當(dāng)
為低電平時(shí)，將累加器A中出現(xiàn)在P0口上的數(shù)據(jù)寫入6116。
3．3 89C52對(duì)打印機(jī)聯(lián)絡(luò)信號(hào)的控制
3．3．1 打印機(jī)的聯(lián)絡(luò)信號(hào)
打印機(jī)的聯(lián)絡(luò)信號(hào)有
，
，BUSY。
：數(shù)據(jù)選通觸發(fā)脈沖，輸入。此信號(hào)上升沿時(shí)數(shù)據(jù)線上8位數(shù)據(jù)被打印機(jī)讀入機(jī)內(nèi)鎖存。
：回答脈沖，輸出。當(dāng)其為“低”電平時(shí)表示數(shù)據(jù)已被接收而且打印機(jī)準(zhǔn)備好接收下一個(gè)數(shù)據(jù)。
BUSY：“忙”信號(hào)，為狀態(tài)輸出線，當(dāng)打印機(jī)在打印字符、執(zhí)行命令期間BUSY＝1，表示打印機(jī)處于“忙”狀態(tài)，這時(shí)打印機(jī)通知主機(jī)，他處于“忙”之中而不能接收數(shù)據(jù)，此時(shí)主機(jī)不能使用信號(hào)向打印機(jī)送入新的數(shù)據(jù)字節(jié)。當(dāng)打印機(jī)打完一個(gè)字符后，BUSY＝0，同時(shí)他產(chǎn)生信號(hào)通知主機(jī)，準(zhǔn)備接收下一個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)主機(jī)接收到BUSY＝0時(shí)，主機(jī)向打印接口輸出1 B到D0～D7，并發(fā)出低電平信號(hào)，當(dāng)打印機(jī)收到STB低電平信號(hào)后，單片機(jī)在其上升沿時(shí)讀入數(shù)據(jù)。其時(shí)序圖［4］如圖5所示。
3．3．2 89C52對(duì)聯(lián)絡(luò)信號(hào)實(shí)施控制的電路電路圖如圖6所示。
上電復(fù)位時(shí)D觸發(fā)器（U1）的Q輸出端為1，無(wú)論P(yáng)3．0為何值，經(jīng)過(guò)“或”門（6）后，BUSY＝1，不接收數(shù)據(jù)。
當(dāng)89C52的P2．7＝0時(shí)，即有6116（數(shù)據(jù)存貯器）的CE為低電平，表示選中了6116，由圖3可知當(dāng)P2．7＝0時(shí)，經(jīng)過(guò)反相器（3）再經(jīng)過(guò)“或”門（8），此時(shí)無(wú)論P(yáng)3.7為何值74ALS374的片選端CE總為高電平，即沒(méi)有選中，這樣就保證了外部的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)存貯器的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行傳輸與接收而不至發(fā)生混亂。從上面的分析，當(dāng)P2．7＝0時(shí)，表示選中了6116，而沒(méi)
有選中74ALS374，此時(shí)主機(jī)不應(yīng)有數(shù)據(jù)送入打印機(jī)，即有BUSY=`，=1，下面來(lái)看是否滿足這點(diǎn)：當(dāng)P2．7＝0時(shí)，經(jīng)過(guò)反相器（3）一路經(jīng)D觸發(fā)器（U2）的Q輸出為1即=1，另一路經(jīng)過(guò)“或”門（8），這時(shí)無(wú)論P(yáng)3．7為何值，輸出總為1，再經(jīng)D觸發(fā)器（U1）的Q輸出也為1，經(jīng)“或”門（6）后，BUSY＝1，顯然滿足要求。
當(dāng)P2．7＝1時(shí)，通過(guò)“非”門（3）后變?yōu)?，若此時(shí)單片機(jī)準(zhǔn)備讀取數(shù)據(jù)（即P3．7＝0），他們經(jīng)過(guò)“或”門（8）后，一路到74ALS374的片選端（CE），一路到D觸發(fā)器（U1）的清除端，使D觸發(fā)器的Q輸出端為0，即有74ALS374（CLK）為0，表示74ALS374的D0-D7端已有數(shù)據(jù)（同時(shí)
，即P3.5=1，，這樣通過(guò)檢測(cè)單片機(jī)的P3．5就可知道是否有數(shù)據(jù)輸入），此時(shí)若89C52的P3．0＝0，經(jīng)過(guò)“或”門（6）后輸出為0，即BUSY＝0，又由于P2．7經(jīng)過(guò)“非”門（3）后為0，他輸出到D觸發(fā)器（U2）的D端，當(dāng)P3.6（
）從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)使D觸發(fā)器（U2）的Q輸出端為0即＝0，這時(shí)當(dāng)主機(jī)發(fā)出脈沖時(shí)，在脈沖上升沿到來(lái)時(shí)打印機(jī)開(kāi)始從74ALS374中讀入數(shù)據(jù)。
4 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)控制軟件主要包括：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等，其主程序流程框圖如圖7所示，其他子程序由于篇幅所限，在此不再詳細(xì)介紹。
