基于单片机的微型打印机的设计

基于单片机的微型打印机的设计

专业：电子信息工程

班级：2007级1班

姓名：

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)

本世纪以来，微型打印机广泛使用在各个行业，比如仪器仪表、超级市场、便利店、邮政、银行、烟草专卖、公用事业抄表、移动警务系统、移动政务系统等等。微型打印机相对以往的大型打印机来说，有它自身的特点，它不但体积小，质量轻，方便携带和安装，而且打印速度也挺快，特别是在一些特殊的地方大型的打印机没办法使用，微型打印机就有了用武之地。所以，微型打印机会随着社会的发展而逐渐的被人们所接受，发挥着它独有的作用。

本文在分析微型打印机机芯M-150 II结构的基础上，详细介绍了针点式微型打印机的驱动原理，提出了一种以单片机AT89C2051为核心的微型打印机设计方案。本文在打印同步信号检测、字库芯片的选用、不同电平信号器件的混合接口、通讯接口、系统EMC性能等方面较现有针点式微型打印机系统有所创新和改进。这种基于单片机的微型打印机系统设计，不仅具有良好的打印速度和打印效果，还大大地简化了硬件电路，节约了成本，为自己提供了一种低成本、高可靠性的产品。

关键词：

单片机、嵌入式系统、微型打印机、M-150II、AT89C2051

Since this century, micro printer has been widely used in many fields ,such as meters, super market, stores, ma il, Bank, cigarette, mob ile warning system, mob ile policy affairs system, and so on. For the large printer, micro printer have its own characteristics, It no t o nly small vo lume, light q uality, easy to carry and installatio n, and the printing speed also pretty q uick ly,especially the large printer co uld n't be used in so me special p lace, micro printer will have C limatically almost. So, micro printer will have a good opportunity with the develop ment o f society and grad ually accepted by peop le, p laying the ro le o f its uniq ue.

This paper introd uced the drive princip le o f the Micro Do t Printer and p ut forward a p lan about how to design a Micro Do t Printer with the MCU AT89C2051 as the core, base o n the analysis o f the structure o f M-150 II. This article has great inno vatio n and the imp ro vement relative to existing Micro Dot Printer in the printing synchro nized signal detectio n, in the selectio n o f flash chip, in the mix co nnectio n o f different signal level, in co mmunicatio n interface and in EMC performance o f syste m, etc. This k ind o f printer system based o n MCU no t o nly has q uicker p rinting speed and better printing effect b ut also simp lifies the hard ware circuit and reduces the cost greatly. The paper p rovides a k ind o f low cost and the red unda nt reliab le prod uct for me.

Key words：

MCU; Embedded System; Micro Printer; M-150II; AT89C2051

近年，随着社会的高速发展，生活日新月异。人们的工作的也很繁杂，各种大大小小的公司都得到了很大的发展，公司在日常发展中难免需要打印各种各样的文件和资料，所以各种各样的打印机也得到很好的应用，但许多打印机成本都很高，体积也比较大，而且性能以及其他的一些都不是很好，所以人们开始研究新型的微型打印机，微型打印机已经走进我们的生活中来了，它跟以往的大型打印进来说，最大的优点就是体积小，节约了空间，而且外观优美，性能可观，而且价格相对以往的来说会便宜许多，性价比很高，其特有的多份拷贝、复写打印和连续打印功能，使许多专业打印领域对其情有独钟。它越来越趋向于被设计成各种各样的专业类型，用以打印各类专业性较强的报表、存折、发票、车票、卡片等输出介质。所以微型打印机的前景相当可观[1]。

随着对微型打印技术的不断发展，各类微型打印机都存在着相对的优点和缺点，各自都有自己的适用范围。针式打印机在打印历史的很长一段时间上曾经占有着重要的地位，从9针到24针，再到今天基本走出打印机历史的舞台，可以说针式打印机的历史贯穿着这几十年的始终。针式打印机之所以在很长一段时间内能长时间的流行不衰，这与它相对低廉的价格、低级的打印成本和很好的易用性分不开的。当然，它很低的打印质量、很大的工作噪声也是它无法适应高质量、高速度的商用打印需要的原因。而本课题所研究的以M-150II为机芯的微型打印机，在银行、超市、商场、餐饮等用于菜单和票据打印还

可以看见它的踪影。

本文所研究的微打印机的控制主要应用于出租车的计费收据实时打印。根据目前的研究现状，全球的出租车计费系统已经比较完备。性能稳定，计费准确的出租车计费器已经普遍应用于国内外出租车行业。很多出租车顾客乘坐出租车之后需要报销，由于手撕发票的随意性，发票金额往往与实际收费不符，为了加强出租车行业的管理，提高服务质量，有必要把出租车计费收据用微型打印机实时打印出来，从而为消费者索取报销凭证提供极大的方便！目前在这方面的技术研究已经开始进行，各种不同种类、不同型号的微型打印机已经越来越多的进入市场。然而，打印机并不能直接工作，必须有控制电路控制其按照一定的时序进行打印。因此，进一步研究的重点就在于车票的微打印机控制电路的设计，这也正是本课题所要研究的内容。

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。

1 微型打印机的概述

1.1 背景和意义

微型打印机应用相当广泛，在工业测控、医疗设备、电力系统、计价器以及商场—超市—餐饮等办公设备中几乎成为标准配置。微型打印机的种类很多，按打印方式可分针点式和热敏两种。热敏打印机以打印速度快、噪声小等优点占领了微打的大部分应用市场；而针点式微型打印机以其独特的工作原理及性能在一些专业领域继续应用，无法替代。税控收款机、计价器等一系列信息化金税工程项目的实施，使得针点式微型打印机的需求稳中有升[2]。本文在分析M-150II 微型打印机机芯的结构和驱动原理的基础上，对针点式微型打印机的开发设计的关键细节做了详尽的论述，尽可能设计一种简单、实用的方案。

1.2 微型打印机的发展和现状

微型打印机广泛使用在各个行业，比如仪器仪表、超级市场、便利店、邮政、银行、烟草专卖、公用事业抄表、移动警务系统、移动政务系统等等。现在市面上有很多中微型打印机，各自都有自己的适用范围。微型打印机包含很多种，下面就介绍下微型打印机的分类。按用途分类

专用微型打印机：所谓专用微型打印机是指用于特殊用途的微型打印机，比如专业条码微打，专业证卡微打等等，这些微打通常需要专业的软

件或驱动程序进行支持，或者只能配套一种或几种特殊的设备才能工作，通用微型打印机：通用的微型打印机使用范围比较广，可以支持很多种设备的打印输出，很多所谓的印表机其实也是通用的微型打印机。

按打印方式分类

针式微型打印机：针式微打采用的打印方式是打印针撞击色带将色带的油墨印在打印纸上；

热敏微型打印机：热敏的方式是用加热的方式使涂在打印纸上的热敏介质变色；

热转印微型打印机等。热转印是将碳带上的碳粉通过加热的方式将碳粉印在打印纸上，目前除了条码打印机和车票打印机，在其他领域国内使用很少；

另外还有微型字模打印机，这种打印机多用在出租车上。

按工作场所分类

便携式微型打印机：便携式微型打印机体积较小，电池供电，利用红外或蓝牙技术进行数据通讯，当然也使用串口；通常便携式微型打印机又称为便携式票据打印机；主要用于各种移动应用：如政府部门的移动警务系统，移动执法系统等现场打印执法文书，另外如保险行业的现场车辆定损系统打印定损单，还如户外设备巡检、物流系统交割单等等[3]；

台式微型打印机：通常置于桌面通过串口或并口接收数据打印；通常用于POS机打印小票或配合仪器仪表打印测试结果；

嵌入式微型打印机：严格说来，嵌入式微型打印机不能算一个完整产

品，而是一个产品的部件，是个能只需要简单安装就能实现打印功能的模块，常用于嵌入仪器仪表进行打印，或者嵌入ATM机，排队机等打印。

目前，我们国家的微型打印机的发展正在稳步的前进，我们应该肯定它给我们带来的方便，肯定它在我们生活中的作用，它的优点我们应该给予鼓励，它的缺点我们应该去发现，然后改进它，早日让他替代大型打印机，让它在这个竞争激烈的舞台上站稳自己的脚步。

针式微型打印机是比较常见的微型打印机，国内很早就有用EPSON 打印头（打印机芯）生产的产品。针式打印机结构简单、技术成熟、性能价格比好、消耗费用低。虽然其噪声较高、分辨率较低、打印针容易损坏，但近年来由于技术的发展，较大地提高了针式打印机的打印速度、降低了打印噪声、改善了打印品质，并使针式打印机向着专用化、专业化方向发展，使其在银行存折打印、财务发票打印、记录科学数据连续打印、条形码打印、快速跳行打印和多份拷贝制作等应用领域具有其他类型打印机不可取代的功能。针打有个好处就是打印的单据可以长时间保存，所以很多便利店中所用的微打印都是针式，并且因为针式打印头控制简单，可以采用比较便宜的控制板方案来生产，所以比较便宜[4]。

1.3 常见的微型打印机

一、针式微型打印机：针式微型打印机式比较常见的微型打印机，国内很早就有用 Epson 打印头（打印机芯）生产的产品。针打有个好处就

是打印的单据可以长时间保存，当然，你选购的色带上的油墨必须质量好，所以很多便利店中所用的微打都是针打，并且因为针式打印头控制简单，可以采用比较便宜的控制板方案来生产，所以比较便宜。

二、热敏微型打印机：针式微型打印机式也式比较常见的微型打印机，但比针式微型打印机出来得要晚。热敏打印机打印速度快，噪音小，打印头很少出现机械损耗，并且不需要色带，免去了更换色带的麻烦。但它也有缺点，因为其使用的是热敏纸，所以不能无限期保存，在避光的条件下可以保存一年到五年，也有长效热敏纸可以保存十年。

三、便携式微型打印机：又称便携式票据打印机，便携式微型打印机现在大部分采用的是蓝牙数据通讯技术，相比较早采用的IrDA技术，其数据传输距离远，无方向性，较台式微型打印机体积小，电池供电，能随身携带使用。

四、台式微型打印机：与便携式微型打印机比较，其打印速度较高[5]。

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

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。

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。

图2 系统硬件构成

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

3.2 复位检测电路

AT89C2051单片机与其它微控制器一样，在启动时都需要复位，让系统各部件处于确定的初始状态，从初始态开始工作。复位信号从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期），则CPU就可响应并将系统复位。复位方式有手动复位和上电自动复位两种。在本设计中，采用上电自动复位，如图3所示。

复位工作原理：通电时，电容两端相当于短路，RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定电压值以下，即为低电平，单片机开始正常工作[8]。

图3 复位检测电路

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]。

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。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