一种通用的红外便携式打印机的硬件设计

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。

---

Posted from my blog with SteemPress : https://kissfirer.000webhostapp.com/%e4%b8%80%e7%a7%8d%e9%80%9a%e7%94%a8%e7%9a%84%e7%ba%a2%e5%a4%96%e4%be%bf%e6%90%ba%e5%bc%8f%e6%89%93%e5%8d%b0%e6%9c%ba%e7%9a%84%e7%a1%ac%e4%bb%b6%e8%ae%be%e8%ae%a1

---