设计目的:
鉴于目前市场上的很多仪器仪表都配有测量结果红外输出的功能(如测量仪器,医疗设备,手持式终端,计算设备等),要想直观地显示并记录计算或测量结果,红外接收打印机是首选。而且红外接收打印机的诸多优点如外形小巧,可随身携带,使用方便也使得它的应用越来越广泛。
下面是硬件框图:
设计说明
一、打印机规格如表1:
项目 | 规格 |
---|---|
工作电压 | DC 9V, 500mA或 四节AA碱性电池 |
平均静态工作电流 | 20~40mA |
最大峰值电流(所有点启动) | 3.2A |
最大接收距离 | 4m(角度为0º) |
水平接收角度 | ±45º(距离为1.5m) |
垂直接收角度 | +60º/-60º(距离为1.5m) |
点阵设置(高度*宽度:点) | 8*166 |
字符点阵(高度*宽度:点) | 7*5 |
打印宽度/纸宽度(毫米) | 46/58 |
波特率 | 2400bps |
打印速度(行/秒) | 约1行/秒 |
DC,电池检测 | 有。 |
自动关机功能 | 有。(电池供电,空闲10分钟后) |
打印功能 | 可打印Roman 8字符,ECMA 94字符,展宽字符,下划线和图形。 |
接收字符编码格式 | 应包含起始码﹑矫正码﹑资料码﹑结束码。其中矫正码为4位Hamming码,资料码为8位ASCII码。见图1。 |
适用范围 | 字符信息与之相符的红外发送仪器。 |
工作温度 | 0℃~50℃ |
工作湿度 | 5%~95%相对湿度(40℃时) |
存放温度 | -40℃~60℃ |
表1
图1 红外调制(发射)波形图:
图2 红外解调波形图(经过接收头解调)
二、便携式红外接收热敏打印机的硬件框图,如图3:
图3
红外调制信号通过IR MODULE解调后进入MCU,经内部处理后通过DRIVER MODULE驱动PRINTER HEAD打印输出。
各模块功能如下:
IR MODULE:
将红外信号解调为方波,如图2。MCU:
打印机的中央处理器。DRIVER:
打印头消耗电流较大(启动一个DOT其消耗电流约为400mA),MCU无法直接驱动,需加驱动芯片。PRINTER HEAD:
信息的打印输出。KEY:
POWER ON/OFF键用于切换打印机电源的通断。PAPER FEED键用于打印机进纸,Contrast increasing与Contrast reducing用于调整打印字符的浓淡。AT24C02:
EEPROM用于存储字符浓淡对比度等级。AUTO-SHUT OFF:
用于电池供电时打印机空闲10分钟后自动关机。POWER:
向系统各模块供电,具体见设计内容。
参考资料
1)HP 82240B Infrared Printer manual
2)Datasheet of 78LE52 (Winbond), AT24C02 (Ateml), MC7660 (ON Semi),
MAX810TTR (ON Semi), ULN2003 (Texas Instruments), FM-6038LM (Kodenshi),
MTP SERIES THERMAL PRINTER MECHANISM TECHNICAL REFERENCE 39019-2352-01(Seiko)
设计内容
一.首先确定打印机的接受格式及应具有的功能。
与HP的红外传输编码格式(采用异步串行通讯,编码格式如图1所示)相适应,且能够打印Roman 8字符,ECMA 94字符,展宽字符,下划线和图形。
二.设计思路:
- IR MODULE:
红外发射信号载波频率为32.7KHz,所以应选用带通滤波器中心频率f。(B.P.F Center Frequency)为32.7KHz。但32.7KHz的接收头需求困难,而目前市场上以中心频率37.9 KHz的接收模块最为普遍,如果要使用现成的接收模块, 37.9 KHz的接收模块最为方便。
因为37.9 KHz指的是带通滤波器中心频率,当带通滤波器频带宽度包括32.7KHz时,则可以使用37.9 KHz的接收头接收调制频率为32.7 KHz的信号。
先后试过Opto Semiconductors的SFH5111(32.7KHz),
VISHAY的TSOP1838SS3V(38KHz),
KODENSHI的FM-4038LM(37.9KHz),
PIC-28044TE2(32.7KHz)和
FM-6038LM(37.9KHz),
GOLD AIM的HIR-132LM(32.7KHz),
只有FM-6038LM适用。
其f。=37.9 KHz,工作电压4.5~5.5V,最大工作电流2.5mA。其余的接收头接收效果都不好,输出波形发生粘连(如图2虚线所示)。
为避免打印机打印时影响接收头电压(电池电压5V时打印,电压会跌至3V以下),这里采用MC7660对VCC1升压(两倍压)后再用5.1V稳压管稳压后对接收头单独供电。
参数确定:
VCC=4V时,接收头仍能正常工作,则确定R7最大值计算如下:
Rmax2.5mA+4.5V=4V2-1.4V-------Rmax=840
该5.1V稳压管功率为0.5W,则最大通过电流=0.5W0.7/5.1V=68mA(计算时稳压管功率一般放0.7~0.8的余量,这里取0.7)。则R7最小值计算如下:
Rmin=(VCCmax2-1.4V-5.1V)/68 mA =81
经实验,R7取510时效果较佳。
图4
- MCU:
因为发射速度较快而打印速度较慢,且要能够打印图形(一行内容最大时要166字节存贮空间,所以8951系列(128字节)不够用,需用8952系列(片内RAM 256字节)。
打印头打印时电流消耗很大(峰值电流大于3A),导致电源电压下跌较多(电池电压5V时会跌至3V以下),所以需选用低压芯片。
常用的52系列的低压芯片的生产厂家有Atmel和Winbond。考虑到采购因素,因此CPU选用Winbond的W78LE52。其工作电压2.4~5.5V, RAM为256字节,EPROM为8K。
在电池电压较低(5.1V左右)打印时,电压会跌至3V以下。为使CPU工作正常(最低工作电压为2.4V,低于2.4V时CPU会发生逻辑混乱),应使CPU在3V左右复位。经查,MAX810TTR符合要求。
- DRIVER:
打印头的每一个DOT的驱动电流约为400mA, 无法用MCU直接驱动,所以需加驱动芯片。查到两种适用芯片,一种是SANYO的LB1246,驱动信号低电平有效;另一种是TI的ULN2003A,驱动信号高电平有效。为采购方便,选用ULN2003A。
因为ULN2003A的驱动信号为高电平有效,为避免CPU复位时引脚的高电平产生误驱动,需加一级反向缓冲(采用74HC14)。
因为ULN2003A为7通道,而打印头有8个DOT,所以还需外加Q3作为驱动,调节R5的大小可改变该通路(下划线)的浓淡。调节R5的大小使下划线的浓淡与其他DOT浓淡相仿。
图5
- PRINTER HEAD:
因为打印机要能够打印文字和图形,所以必须选用具备这两种功能的打印头。经查,MTP201-G166为SEIKO的增强型产品,能够打印字符和图形。因此选用该型号。
打印头直流电机对外有5个接点,分别为M+(电机正电源),M-(电机负电源),TG信号(电机每旋转一周有两个周期正弦信号输出,用于打印点的定位),HS信号(即Home Switch信号,打印头在左边时为高电平,其余时间为低电平),GND(地)。为使CPU能够识别TG信号,应加一个Schmitt触发器对其进行整形,使之变为方波,C1用于隔离直流分量。
线路如图6所示(五个接点的具体使用方法见软件设计报告):
图6
电机驱动部分如图7所示,Q1导通时,电机运动,Q2导通时,电机停止。为了使Q1(或Q2)迅速导通,基极电阻取值较小(100欧姆,使基极电流较大)。考虑到线路和编程直观简便,Q1和Q2用一个I/O口驱动。而Q1和Q2不能同时导通(否则发生短路),因此这里Q2加一级反向(74HC74)。
但又因为R3(R4)较小,若直接用CPU的I/O口驱动,驱动口置为高电平后又被迅速拉低(电平值为0.7V+Ib*R3(R4), 而R3(R4)太小),无法驱动电机,因此Q1需加一级隔离缓冲(这里用74HC74)。相应地,Q2则需再加一级74HC74。
因为电机属感性负载,在制动时会产生反向电压,因此这里加D1用于Q2的反向电压保护。当反向电压超过VCC1 +0.7V时,D1导通,把电压控制在VCC1+0.7V左右。
图7
- KEY:
为减轻编程的工作量,键盘的读取没有采取扫描的方式,而采用外部中断方式。PAPER FEED,Contrast increasing与Contrast reducing KEY 共用外部中断INT1,这三个键中任一键按下后都会进入中断,进入中断后再根据P1.5,P1.6,P1.7的状态辨别是哪一个键按下,再进行相应的处理。如图8所示:
图8
加一个上拉电阻R22使按键这部分线路更加可靠。
- AT24C02:
为方便用户使用该打印机,即使在关机后,字符浓淡信息仍需要保存。因为关机后CPU断电,片内RAM无法掉电存储,因此要使用片外单元来存储字符浓淡信息。24系列的EEPROM采用I2C总线技术,其占用I/O口少,编程方便,所以选用。
- AUTO-SHUT OFF:
Q7用于DC与电池检测。当打印机使用DC适配器供电时,Q7导通,使CPU的P0.0引脚电平为低,否则P0.0电平为高。当CPU的P0.0引脚电平为高时,程序判定系统由电池供电。
AUTO-SHUT OFF线路如图9。
图9
为节约电池电量,延长其使用寿命,当使用电池供电时,在打印机没接收而且不按键10分钟后,自动关断打印机电源(除了74HC74),此时消耗电流约为2uA。自动关机时CPU的P1.1置高电平,使Q6导通,通过74HC74的SD2复位使Q2置位,关断Q5。
开机后Q5导通,CPU复位,如果不加任何时间延迟,则P1.1的高电平会使Q6导通,从而影响74HC74使Q5立即截止,导致打印机无法开通。为了避免CPU复位时P1.1的高电平使Q6误导通,R15和C20,以及C19用于时间延迟来避开复位时的高电平。
D15用于关闭打印机后C20的快速放电。不加D15时,C20通过R27,R20放电,因为它们电阻比较大,而Q6的导通是由R15与R27+R20的分压电压决定的,不能减得太小,为使在关闭打印机后在较短的时间内能够重新开机,加上D5快速放电(Q5导通时D2为高电平,Q5截止时D2为低电平)。
- POWER:
IR MODULE单独用MC7660单独供电,以确保电池电压在较大范围内波动时接收头电压正常。
DRIVER,PRINTER HEAD的工作电流很大(PRINTER HEAD的最大工作电流为3.2A),如果这些电流全经过电子开关Q5控制,则需选用大功率的开关管。这样使得生产成本提高,可靠性降低,设计不合理。
又因为DRIVER,PRINTER HEAD的静态电流几乎为0mA,可以不经过ON/OFF控制而直接连接VCC1,由VCC1供电。CPU,MAX810TTR,MC7660,LED用VCC供电,它们的工作电流较小(20~40mA),因此Q5可以选中功率的开关管。
而作为POWER ON/OFF的74HC74,必须连接VCC1。
LED是开/关机指示灯。LED亮时,表示打印机处于开通状态。
打印头的正常工作电压为5V,且打印时耗电较大,考虑到电池容量(工作寿命)及器件工作电压,用四节碱性电池供电为佳。用DC适配器时应与电池通路隔离,因此需加隔离二极管D13(用Schottky二极管,以降低二极管压降),D14(选用常用的1N4001)。因为D14压降约为1V左右,所以选用7806,DC适配器选用9V,500mA。
为避免电压跌幅过快过大(在电池电压较低打印时,打印头的每一个DOT的驱动电流约为400mA,因此电压会跌幅很大),在VCC1与地之间并一个2200uF的电容,布板时尽量靠近打印头。
具体线路如图10:
图10
W78LE52的休眠模式仍有2mA左右的静态电流,为延长电池工作寿命,在不使用打印机时,CPU不能采取休眠模式,应使其断电而减小功耗。所以采取了74HC74用于电源控制。74HC74始终连接在VCC1上,其静态工作电流约为2uA。如图11。
图11
74HC74的一个D触发器用做单稳态输出,用于去除按键抖动;另一个D触发器用作脉冲翻转输出,控制Q5的通断。改变R12与C28的值可调整单稳态(除抖动)时间。
POWER ON/OFF键应该在放开时有效(上升沿触发)。但使用Hitachi的74HC74时,POWER ON/OFF键在按下与放开时均有效(下降沿也会触发),会造成键按下去时开机,而键放开时又关机。因此单稳态时间定为2S,用以屏蔽按键放开时的又一次触发。若改为ON Semi的74HC74,则恢复POWER ON/OFF键在放开时有效。此时单稳态除抖动时间取10~50mS即可。
为降低整个系统中各块IC电源之间的串扰,在每一块IC的电源和地之间并一个0.1u的退耦电容。
图12为预留的232接口,以便于日后公司的其他测量仪表(有232信号输出)也可使用该打印机(只需改变接收程序)。D17~D20用于过压保护,R29和R30用于过流保护。
图12
以上,主要功能模块均已设计完成,经实际打样,样品功过状况良好,设计成功。
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