熱敏打印技術(shù)可行性分析報(bào)告

..可行性報(bào)告熱敏打印技術(shù)二〇一五年一月目錄一、項(xiàng)目背景3二、熱敏打印與熱轉(zhuǎn)印打印方式比較31.熱敏打印機(jī)42.熱轉(zhuǎn)印4三、一種熱敏打印機(jī)的原理51.系統(tǒng)組成52.熱敏打印工作原理53.硬件設(shè)計(jì)63.1主控器件63.2熱敏打印頭過(guò)熱保護(hù)模塊73.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊73.4數(shù)據(jù)加載8四、熱敏打印頭的工藝81.加熱元件形狀92.發(fā)熱體阻值的比較9五、智能熱敏打印頭10六、熱敏打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)11一、項(xiàng)目背景熱敏打印技術(shù)就是通過(guò)熱敏打印頭將打印介質(zhì)上的熱敏材料熔化變色,生成所需的文字和圖形。熱轉(zhuǎn)印從熱敏技術(shù)發(fā)展而來(lái),它通過(guò)加熱轉(zhuǎn)印色帶,使涂敷于色帶上的墨轉(zhuǎn)印到紙上形成圖像。熱敏打印技術(shù)的關(guān)鍵在于加熱元件,熱敏打印機(jī)芯上有一排微小的半導(dǎo)體元件,這些元件排得很密,從200dpi到600dpi不等,這些元件在通過(guò)一定電流時(shí)會(huì)很快產(chǎn)生高溫,當(dāng)熱敏紙的涂層遇到這些元件時(shí),在極短的時(shí)間內(nèi)溫度就會(huì)升高,熱敏紙上得涂層就會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),現(xiàn)出顏色。熱敏打印機(jī)接收到打印數(shù)據(jù)后,將打印數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為位圖數(shù)據(jù),然后按照位圖數(shù)據(jù)的點(diǎn)控制打印機(jī)芯上的發(fā)熱元件通過(guò)電流,有選擇地在熱敏紙的確定位置上加熱,由此就產(chǎn)生了相應(yīng)的圖形。加熱是由與熱敏材料相接觸的打印頭上的一個(gè)小電子加熱器提供的。加熱器排成方點(diǎn)或條的形式由打印機(jī)進(jìn)行邏輯控制,當(dāng)被驅(qū)動(dòng)時(shí),就在熱敏紙上產(chǎn)生一個(gè)與加熱元素相應(yīng)的圖形?？刂萍訜嵩氐耐贿壿嬰娐?同時(shí)也控制著進(jìn)紙,因而能在整個(gè)標(biāo)簽或紙張上印出圖形。

最普遍的熱敏打印機(jī)使用一種帶加熱點(diǎn)陣的固定打印頭,打印頭設(shè)有320個(gè)方點(diǎn),每一點(diǎn)為0.25mm×0.25mm。利用這種點(diǎn)陣,打印機(jī)可把打印點(diǎn)在熱敏紙的任意位置上。這種技術(shù)已用于紙張打印機(jī)和標(biāo)簽打印機(jī)上。熱敏打印技術(shù)最早使用在機(jī)上,其基本原理是將打印機(jī)接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)陣的信號(hào)控制熱敏單元的加熱,把熱敏紙上熱敏涂層加熱顯影。目前,熱敏打印技術(shù)已在POS終端系統(tǒng)、銀行系統(tǒng)、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并且擁有良好的發(fā)展前景。熱敏打印方式的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單、維護(hù)方便,相對(duì)于傳統(tǒng)的針式打印機(jī)有不言而喻的優(yōu)點(diǎn)。但由于熱敏紙的保存性不佳,因此主要應(yīng)用于對(duì)保存性要求不高的場(chǎng)合。但是隨著熱敏紙技術(shù)的發(fā)展,熱敏紙的保存性也在逐步提高,目前已經(jīng)出現(xiàn)了保存期為30-50年的熱敏紙。隨著熱敏紙保存時(shí)間的提高,熱敏打印方式的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。二、熱敏打印與熱轉(zhuǎn)印打印方式比較

熱敏打印與熱轉(zhuǎn)印是條碼打印機(jī)的兩種打印方法。每種方法都使用熱敏打印頭對(duì)打印表面加熱。熱轉(zhuǎn)印是通過(guò)加熱色帶,在多種材料上打印出耐用、持久的圖案。熱敏打印不使用色帶,而是直接在標(biāo)簽材料上打印圖案。

熱敏打印與熱轉(zhuǎn)印是最佳的條形碼打印技術(shù),因?yàn)樗鼈兛梢院?jiǎn)便應(yīng)用在多種黏性標(biāo)簽材料上,并以出色的邊緣定義打印出準(zhǔn)確、高品質(zhì)的圖案。每種技術(shù)都能夠以相同的打印清晰度和速度,產(chǎn)生一維、二維的帶有圖案和文本字體的條形碼符號(hào)。1.熱敏打印機(jī)熱敏打印使用經(jīng)過(guò)化學(xué)處理的熱敏介質(zhì),當(dāng)介質(zhì)從熱敏打印頭下通過(guò)時(shí)變黑。熱敏打印機(jī)不使用油墨、墨粉或色帶。簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)使熱敏打印機(jī)耐久和易用。由于沒(méi)有色帶,熱敏打印機(jī)的操作費(fèi)用比熱轉(zhuǎn)印打印機(jī)低。熱敏介質(zhì)上的圖案會(huì)隨時(shí)間的推移而褪色。如果標(biāo)簽過(guò)度暴露在熱、光或其他催化劑下,材料將會(huì)變暗,使條形碼無(wú)法被讀取。熱敏標(biāo)簽的可讀取性隨使用條件的不同而變化很大,但該技術(shù)為額定標(biāo)注和許多其他普通條形碼的打印應(yīng)用提供了足夠的使用壽命。例如,在分銷中心存貯六個(gè)月后,直接熱敏標(biāo)簽仍能夠輕易地被掃描讀取。熱敏打印機(jī)的分類熱敏打印機(jī)根據(jù)其熱敏元件的排列方式可分為行式熱敏〔ThermalLineDotSystem和列式熱敏〔ThermalSerialDotSystem。列式熱敏屬于早期產(chǎn)品,目前主要應(yīng)用在一些對(duì)打印速度要求不高的場(chǎng)合,國(guó)內(nèi)已有作者在其產(chǎn)品中使用。行式熱敏屬20世紀(jì)90年代技術(shù),其打印速度比列式熱敏快得多,目前最快速度已達(dá)到220mm/秒。要實(shí)現(xiàn)高速熱敏打印,除了選取高速熱敏打印頭外,還必須有相應(yīng)的控制板與之配合。2.熱轉(zhuǎn)印

在熱轉(zhuǎn)印打印中,熱敏打印頭給色帶加熱,油墨熔化在標(biāo)簽材料上以形成圖案。色帶材料被介質(zhì)吸收,圖案構(gòu)成了標(biāo)簽的一部分。該技術(shù)提供了其他按需式打印技術(shù)無(wú)法匹敵的圖案質(zhì)量和耐久性。

與熱敏打印機(jī)相比,熱轉(zhuǎn)印打印機(jī)可接受更多品種的介質(zhì),包括紙、聚酯和聚丙烯材料。熱轉(zhuǎn)印打印機(jī)可生成耐久的額定標(biāo)簽、UL/CSA標(biāo)簽、簽條和票據(jù),以及腕帶、永久資產(chǎn)簽條、架簽和其他標(biāo)識(shí)。三、一種熱敏打印機(jī)的原理1.系統(tǒng)組成本文介紹的微型熱敏打印機(jī)主要由主控制件、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、熱敏打印頭切紙檢測(cè)模塊、RS－232通信模塊和供電模塊等部分組成,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,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)與汽車行駛記錄儀之間的通信,供電模塊給控制電路及熱敏打印頭供電。2.熱敏打印工作原理熱敏打印頭FTP－628的框圖如圖2所示,該熱敏打印頭點(diǎn)結(jié)構(gòu)為384點(diǎn)/行、水平方向點(diǎn)密度為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/s[1]。當(dāng)接通熱敏打印機(jī)電源〔＋12V,供電模塊輸出＋5V用于所有控制電路,還輸出用于熱敏頭加熱印字的＋7.2V電壓,將其與打印頭VH相連,在時(shí)鐘CLK的配合下,打印數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)輸入DI引腳移入熱敏打印頭內(nèi)部的移位寄存器中,當(dāng)CPU將一行384位數(shù)據(jù)全部移入移位寄存器后,CPU將熱敏打印頭內(nèi)部鎖存端LAT置為低電平,移位寄存器的數(shù)據(jù)被鎖存到鎖存器,然后CPU將熱敏都加熱控制信號(hào)STB置為高電平,此時(shí)根據(jù)384點(diǎn)輸入的數(shù)據(jù)是1或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.硬件設(shè)計(jì)3.1主控器件采用Freescale公司S12系列單片機(jī)的MC9S12D64作為主控器件,該器件是一款性能優(yōu)良的單片機(jī),包含一個(gè)16位中央處理單元、64KBFlash、4KBRAM,、1KBEEPROM、兩個(gè)異步串行通信接口和一個(gè)同步串行接口等豐富資源,能夠滿足本設(shè)計(jì)的需求,該器件具有良好的穩(wěn)定性,使得打印機(jī)能夠在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用。3.2熱敏打印頭過(guò)熱保護(hù)模塊打印頭加熱時(shí)間一般為1ms,連續(xù)加熱超過(guò)1s后,很容易燒毀熱敏頭,所以必須對(duì)熱敏打印頭添加過(guò)熱保護(hù)電路,過(guò)熱保護(hù)電路圖如圖3所示,圖中VH為7.2V熱敏打印頭驅(qū)動(dòng)電壓,VH的供給與否由常開繼電器控制,由CPU的一個(gè)I/O口輸出控制加熱電壓源控制端TC1,參見圖2與圖3。TH為外部電阻與熱敏打印頭內(nèi)部熱敏電阻的分壓值。熱敏打印頭溫度升高,則TH電壓降低,當(dāng)熱敏打印頭溫度上升到一定值時(shí),TH電壓低于比較器U1B的引腳6參考電壓,則引腳7輸出一個(gè)低電平,此時(shí)無(wú)論TC1為何值,與門U6的引腳3都為低電平,進(jìn)而Q1截止,繼電器斷開,熱敏打印頭加熱電源被切斷。同時(shí)主控器件檢測(cè)到比較器U1B的引腳7輸出低電平信號(hào),進(jìn)入中斷,暫停打印工作。當(dāng)檢測(cè)到U1B的引腳7為高電平后,延時(shí)一段時(shí)間,出中斷。此時(shí)若熱敏打印頭溫度降低,TH電壓高于U1B的引腳6參考電壓后,CPU恢復(fù)到正常工作情況,反之,比較器U1B的引腳7輸出依然是低電平,繼電器保持?jǐn)嚅_；主控器件再次進(jìn)入中斷模塊,這樣就可以起到保護(hù)熱敏打印頭的作用。3.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊步進(jìn)電機(jī)是將輸入的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的伺服電動(dòng)機(jī)。FTP－628熱敏打印頭中使用的是二相四拍步進(jìn)電機(jī)控制打印紙走紙及走紙速度。本系統(tǒng)采用LB1836M進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。LB1836M是低飽和、雙通道雙向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件,常用于微型打印機(jī)、相機(jī)等便攜設(shè)備,圖4給出步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路,引腳IN1、IN2、IN3和IN4是步進(jìn)脈沖的輸入端,OUT1、OUT2、OUT3、OUT4為步進(jìn)脈沖的輸出端,分別與熱敏打印頭中電機(jī)對(duì)應(yīng)的A、NA、B、NB相連接。UOT[1：4]與IN[1：4]的邏輯關(guān)系為OUT＝IN。輸出驅(qū)動(dòng)電壓由引腳Vs控制,其電壓高低決定了步進(jìn)電機(jī)工作電流的大小,影響步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的快慢,決定走紙快慢,LB1836M輸入端的四個(gè)步進(jìn)脈沖可由單片機(jī)的PWM0、PWM1、PWM2、PWM3四路PWM通道產(chǎn)生。四路PWM的相位關(guān)系為PWM0與PWM2反相,PWM1與PWM3反相,PWM0與PWM1相差π/2。3.4數(shù)據(jù)加載數(shù)據(jù)加載即將內(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,然后進(jìn)行打印。由于本設(shè)計(jì)采用的主控器件帶有串行外圍接口〔SPI,所以將SPI用于數(shù)據(jù)加載,使用SPI加載數(shù)據(jù),不但電路比硬件方式數(shù)據(jù)移位簡(jiǎn)化,而且較I/O口模擬串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序移位速度更快,從而整體提高了打印機(jī)性能。如圖5所示,將主控器件設(shè)為主機(jī),熱敏打印機(jī)內(nèi)部移位寄存設(shè)為從機(jī),主控器件MC9S12D64將打印的數(shù)據(jù)存入SPI數(shù)據(jù)寄存器。當(dāng)數(shù)據(jù)寄存器寫入數(shù)據(jù)后,數(shù)據(jù)開始傳輸,數(shù)據(jù)通過(guò)串行時(shí)鐘線的同步信號(hào)循環(huán)移位8位,移入熱敏打印頭內(nèi)部的移位寄存器中,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的加載。四、熱敏打印頭的工藝熱敏打印頭可以分為厚膜工藝以及薄膜工藝兩類。一種薄膜和厚膜熱敏打印頭技術(shù)熱轉(zhuǎn)印打印頭技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)示于下表。1.加熱元件形狀過(guò)程加熱薄膜厚度非常薄,在規(guī)則的矩形形狀的表面上形成,以確保最大的傳熱面積,熱效率高,低生熱性,迅速冷卻。與厚膜加熱技術(shù)相比,膜的厚度,加熱并沒(méi)有顯著的隙間,加熱效率是比較低的,加熱點(diǎn)的形狀的厚度不規(guī)則,熱響應(yīng)速度不如薄膜更高,因而這需要高的熱響應(yīng)非常復(fù)雜的熱歷史控制程序?？傊?打印頭是難以適用日期代碼印刷和超細(xì),超高速二維碼等用途。2.發(fā)熱體阻值的比較薄膜：電阻加熱元件的相同產(chǎn)品的批次之間的差異在+/-15%,但是所有點(diǎn)與點(diǎn)之間非常密切的公差可以做到大約+/-1%"厚膜：世界上目前最好的可以+/-3%的容差范圍內(nèi)進(jìn)行,在+/-3%的批次之間的差異也基本算是穩(wěn)定。如果不同加熱點(diǎn)之間存在阻值差異,會(huì)導(dǎo)致熱點(diǎn)之間的能量差,從而影響打印的水平與質(zhì)量。因此,厚膜印刷頭很難進(jìn)行彩色照片和黑白灰度打印就是因?yàn)檫B續(xù)色調(diào)的圖像變化。比較上述所說(shuō)的加熱片的打印頭,電阻分布均勻,從而可以實(shí)現(xiàn)高速印刷。而且,除了使用升華熱轉(zhuǎn)印膜技術(shù)的熱敏紙,可以打印出來(lái)的照片效果是銀灰色的效果相媲美。鑒于此,該膜廣泛應(yīng)用于超高速條碼打印機(jī),照片打印機(jī),證卡打印機(jī)等品種多,數(shù)量少,高附加值的領(lǐng)域。五、智能熱敏打印頭與傳統(tǒng)熱敏打印頭的發(fā)熱體阻值在一定溫度范圍內(nèi)恒定不同,智能熱敏打印頭采用了具有負(fù)溫度系數(shù)的薄膜金屬材料發(fā)熱體,隨著發(fā)熱體溫度的變化,發(fā)熱體阻值具有近似線性的變化趨勢(shì),即在一定的溫度范圍內(nèi),具有恒定的溫度系數(shù)〔TCR,如圖1所示。當(dāng)打印動(dòng)作開始時(shí),根據(jù)印字信息控制邏輯開關(guān),印加電流通過(guò)熱敏發(fā)熱體單元,發(fā)熱體發(fā)熱；隨著發(fā)熱體溫度的升高,發(fā)熱體電阻依據(jù)負(fù)溫度系數(shù)TCR,電阻值發(fā)生變化,從而引起印加電流的變化,檢測(cè)回路通過(guò)閉環(huán)的反饋系統(tǒng),不斷累加變化量并換算成印加能量,當(dāng)達(dá)到設(shè)定的能量目標(biāo)值時(shí),關(guān)閉邏輯開關(guān),停止加熱,如圖2所示。因此,智能熱敏打印頭通過(guò)上述的能量控制反饋系統(tǒng),可以在打印的同時(shí),實(shí)時(shí)地檢測(cè)發(fā)熱體的溫度,從而實(shí)現(xiàn)精確的能量控制,得到高品質(zhì)的印字質(zhì)量。