基于单片机的微型打印机的设计

沈阳大学毕业设计（论文）

目 录

引 言 ................................................................................... 错误!未定义书签。

1 微型打印机的概述 .......................................................................................... 3

1.1

背景和意义 .................................................................. 错误!未定义书签。

1.2

微型打印机的发展和现状 ............................................. 错误!未定义书签。

1.3

常见的微型打印机 ........................................................ 错误!未定义书签。

2 针式微型打印机的驱动原理 ............................................................................ 3

2.1

微型打印机的组成 ..................................................................................... 3

2.2

打印原理 ................................................................................................... 4

3 电路分析 ......................................................................................................... 6

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

硬件系统组成 ............................................................................................ 6

复位检测电路 ............................................................... 错误!未定义书签。

直流电机驱动 ............................................................................................ 7

驱动放大电路 ............................................................................................ 9

打印同步信号检测 ................................................................................... 11

微型打印机通讯控制 ............................................................................... 12

4 芯片资料及主要功能 .......................................................... 错误!未定义书签。

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

单片机的介绍及应用 .................................................... 错误!未定义书签。

芯片功能介绍 ............................................................... 错误!未定义书签。

内部结构 ...................................................................... 错误!未定义书签。

引脚功能说明 ............................................................... 错误!未定义书签。

芯片主要性能 ............................................................... 错误!未定义书签。

芯片工作概况 ............................................................... 错误!未定义书签。

5 软件设计 ....................................................................................................... 14

5.1

打印格式 ................................................................................................. 14

5.2

程序设计 ................................................................................................. 16

结 论 ............................................................................... 错误!未定义书签。

致 谢 ............................................................................... 错误!未定义书签。

参考文献................................................................................ 错误!未定义书签。

附 录 .......................................................................................................... 20

附录1：原理图 ............................................................................................. 20

附录2：主要程序 ............................................................... 错误!未定义书签。

沈阳大学毕业设计（论文）

沈阳大学毕业设计（论文） No 1

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。

沈阳大学毕业设计（论文） No 2

1 微型打印机的概述

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

沈阳大学毕业设计（论文） No 3

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

沈阳大学毕业设计（论文） No 4

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。

沈阳大学毕业设计（论文） No 5

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。

通讯电路

AT89C2051

打印同步信号

检测电路

反相器及光耦

电路

单片机晶振电

路

打印机驱动电

路

复位检测电路

图2 系统硬件构成

沈阳大学毕业设计（论文） No 6

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]

。

沈阳大学毕业设计（论文） No 7

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。

沈阳大学毕业设计（论文） No 8

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

沈阳大学毕业设计（论文） No 9

图7 驱动放大电路2

光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。

光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，

所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广

的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号

放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被

光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光

—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间

互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗

干扰能力。如图7所示，又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元

件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔

沈阳大学毕业设计（论文） No 10

离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离

的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。

光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电

气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，

使用寿命长，传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广

泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多

谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传

输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单

片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电

流来改变占空比，达到精密稳压目的

[11]

。

3.5 打印同步信号检测

电机转动时，感应线圈输出幅值为3V的正弦波，经10、11两端

送出到晶体管整形为方波后送入P3.7，P3.7检测此方波作为打印同步

信号，以确保打印点之间距离相等。4只打针循环同步情况如图8所示。

由图可知：A、C打针是在方波降低到来时冲打，B、D打针在方波上

升到来时冲打

[12]

。

沈阳大学毕业设计（论文） No 11

图8 同步信号检测

3.6 微型打印机通讯控制

图9 MAX3232串口通讯模块

RS-232协议： RS-232是串行数据接口标准，最初都是由电子工

业协会（EIA）制订并发布的，RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E，

作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。目前RS-232是PC

沈阳大学毕业设计（论文） No 12

机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在

低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输

方式，即所谓单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地，如从

DTE设备发出的数据在使用DB25连接器时是2脚相对7脚（信号地）

的电平。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发

送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V电平。当无数

据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电

平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3～+12V

与-3～-12V。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设

计的，其驱动器负载为3～7kΩ。所以RS-232适合本地设备之间的通

信。

MAX3232是电荷泵芯片，可以完成两路TTL/RS-232电平的转换，

它的9、10、11、12引脚是TTL电平端，用来连接单片机的。而51

系列单片机的10、11引脚是串口，连接MAX232的TTL电平端。此

模块是用得MAX232的9和10引脚

[13]

。图中C9到C12四个电容构成

电压泵，功能是产生+12V和-12V两个电压，提供给RS-232串口电平

的需要。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从

T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、

R2IN输入转换TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出，如图9所

示。

沈阳大学毕业设计（论文） No 13

5 软件设计

5.1 打印格式

M-150Ⅱ微型打印机有4个打印针（A、B、C、D），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。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，如图13所示。

图13 冲打次序

5×7点阵：M-150Ⅱ微型打印机为机械式点阵打印机芯，其打印头

上有四个电磁铁打针，水平安装在同一滑架上。在微型直流电机驱动

下，打针随滑架水平移动，四个打针一次通电、断电，并且水平右移

24个点位，则单方向打印出每行96点的轨迹。打印头返回时，自动步

沈阳大学毕业设计（论文） No 14

进送纸，打印头往返10次可打印出 5×7点阵16个字符，并且空3行

点行，如图14所示。

图14 一点行(5+1)×16

每个打印点的直径为0.35mm，所打印出的5×7点阵字符宽1.8mm×

高2.5mm。每个字符相隔0.3mm，空3行点行的距离为1.0mm。详细

打印格式如图15所示。

图15 打印格式 【单位：mm】

每个字符由5×7点阵组成，每个字符右侧空一点列，每行字符下

面空一点行。为了对字符进行定义，一个字符便看成6×8的点阵组成，

即6列每列8点，每一列由一个字节的数据表示，最高位在上。如图

16所示。

沈阳大学毕业设计（论文） No 15

图16 字符定义

如上所述，每个字符可以由6个十六进制数据表示。即字符“广”

可以定义为02H，7CH，40H，C0H，40H，00H。如此便完成了一个字

符的定义，M-150 II型微打印机有全部字符集及140个自选自修改汉

字。

5.2 程序设计

打印5×7点阵字符的时序图如图17所示，首先由脉冲宽度为定时

信号Tn—Tn+1的打印脉冲Pn激励打印针A工作，然后由脉冲宽度为

定时信号Tn+1—Tn+2的打印脉冲Pn+1激励打印针B工作，同样的打

印针C被打印脉冲Pn+2激励工作，打印针D被打印脉冲Pn+3激励工

作，接着打印针A再次被打印脉冲Pn+4所激励。按照这样的规律，打

印针A、B、C、D依次被连续的打印脉冲所激励，直到完成打印任务。

沈阳大学毕业设计（论文） No 16

定时信

号

打印针A

打印针B

打印针C

打印针D

图17 打印时序图

系统控制软件首要包括：主程序、打印机是否在线的子程序、判

断是何种机型的子程序、判断滑架到达最左端的子程序、读取数据的

子程序和走纸与打印的子程序、通讯子程序等,其主程序流程框图如图

18所示。

沈阳大学毕业设计（论文） No 17

开始

关中断，设置存储器模

式

中断触发方式设置

打开外部中断1

串口初始化

打印机初始化

清零

开启中断

未完

打印数据

接收完否

完

关闭定时器T0

串口置低，关闭串

口

开始打印

判断走纸停止位置

关闭打印机电

源

置低接收缓冲区

图18 主程序流程图

沈阳大学毕业设计（论文） No 18

主程序及注释如下

[18]

：

MAIN: CLR EA

MOV P1,#0FFH ;关闭输出。

CLR RS0

CLR RS1

SETB IT1 ;INT1置为下降沿触发中断

SETB IT0

SETB EX1 ;开启中断INT1检测回车信号

MOV PCON,#00H

MOV SCON,#50H ;开启接收

MOV 20H,#00H

SETB TOTAL_BIT

MOV RD_TXD,#00H

MOV P3,#0FFH

ACALL DELL_5S

MAIN0: ACALL QING_LING

MAIN1: SETB ES

SETB EA

MOV TMOD,#26H

MOV TH1,#0FDH ;波特率设为9600

MOV TL1,#0FDH

SETB TR1

ACALL DELL_5mS

ACALL DELL_5mS

SJMP MAIN2

MAIN2: JNB RD_END,MAIN1 ;有无主命令发送到打印板？

CLR RD_END

MOV SCON,#50H

CLR POWER_PRT

ACALL DELL_5S

ACALL COLLECT ;判断打印纸上走纸停止的位置

LOOP_RET: MOV RD_TXD,#00H

SETB POWER_PRT ;打印头电源控制（低有效）

CLR ET0

AJMP MAIN0

沈阳大学毕业设计（论文） No 19

D

5

J

1

4

0

0

7

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3

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R

6

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/

0

.

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123

R

4

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3

+

5

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O

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C

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K

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3

附录1：原理图

2

C

5

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0

0

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3

V

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C

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.

0

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X

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.

1

T

X

附 录

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C

2

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X

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5

G

N

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D

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t

8

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点

返

馈

1

地

电

机

控

制

2

电

机

电

源

3

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头

电

源

4

针

头

D

56

针

头

C

7

针

头

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8

针

头

A

行

反

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0

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源

检

测

11

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45

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1

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29

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沈阳大学毕业设计（论文） No 20

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沈阳大学毕业设计（论文） No 21