熱敏打印技術(shù)可行性分析報告

..可行性報告熱敏打印技術(shù)二〇一五年一月目錄一、項目背景3二、熱敏打印與熱轉(zhuǎn)印打印方式比較31.熱敏打印機42.熱轉(zhuǎn)印4三、一種熱敏打印機的原理51.系統(tǒng)組成52.熱敏打印工作原理53.硬件設計63.1主控器件63.2熱敏打印頭過熱保護模塊73.3步進電機驅(qū)動模塊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11一、項目背景熱敏打印技術(shù)就是通過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,它通過加熱轉(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,熱敏打印機芯上有一排微小的半導體元件,這些元件排得很密,從200dpi到600dpi不等,這些元件在通過一定電流時會很快產(chǎn)生高溫,當熱敏紙的涂層遇到這些元件時,在極短的時間內(nèi)溫度就會升高,熱敏紙上得涂層就會發(fā)生化學反應,現(xiàn)出顏色。熱敏打印機接收到打印數(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)的點控制打印機芯上的發(fā)熱元件通過電流,有選擇地在熱敏紙的確定位置上加熱,由此就產(chǎn)生了相應的圖形。加熱是由與熱敏材料相接觸的打印頭上的一個小電子加熱器提供的。加熱器排成方點或條的形式由打印機進行邏輯控制,當被驅(qū)動時,就在熱敏紙上產(chǎn)生一個與加熱元素相應的圖形。控制加熱元素的同一邏輯電路,同時也控制著進紙,因而能在整個標簽或紙張上印出圖形。

最普遍的熱敏打印機使用一種帶加熱點陣的固定打印頭,打印頭設有320個方點,每一點為0.25mm×0.25mm。利用這種點陣,打印機可把打印點在熱敏紙的任意位置上。這種技術(shù)已用于紙張打印機和標簽打印機上。熱敏打印技術(shù)最早使用在機上,其基本原理是將打印機接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點陣的信號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)療儀器等領域得到廣泛應用,并且擁有良好的發(fā)展前景。熱敏打印方式的結(jié)構(gòu)非常簡單、維護方便,相對于傳統(tǒng)的針式打印機有不言而喻的優(yōu)點。但由于熱敏紙的保存性不佳,因此主要應用于對保存性要求不高的場合。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。隨著熱敏紙保存時間的提高,熱敏打印方式的應用領域也在不斷擴大。二、熱敏打印與熱轉(zhuǎn)印打印方式比較

熱敏打印與熱轉(zhuǎn)印是條碼打印機的兩種打印方法。每種方法都使用熱敏打印頭對打印表面加熱。熱轉(zhuǎn)印是通過加熱色帶,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),因為它們可以簡便應用在多種黏性標簽材料上,并以出色的邊緣定義打印出準確、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。1.熱敏打印機熱敏打印使用經(jīng)過化學處理的熱敏介質(zhì),當介質(zhì)從熱敏打印頭下通過時變黑。熱敏打印機不使用油墨、墨粉或色帶。簡單的設計使熱敏打印機耐久和易用。由于沒有色帶,熱敏打印機的操作費用比熱轉(zhuǎn)印打印機低。熱敏介質(zhì)上的圖案會隨時間的推移而褪色。如果標簽過度暴露在熱、光或其他催化劑下,材料將會變暗,使條形碼無法被讀取。熱敏標簽的可讀取性隨使用條件的不同而變化很大,但該技術(shù)為額定標注和許多其他普通條形碼的打印應用提供了足夠的使用壽命。例如,在分銷中心存貯六個月后,直接熱敏標簽仍能夠輕易地被掃描讀取。熱敏打印機的分類熱敏打印機根據(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,目前主要應用在一些對打印速度要求不高的場合,國內(nèi)已有作者在其產(chǎn)品中使用。行式熱敏屬20世紀90年代技術(shù),其打印速度比列式熱敏快得多,目前最快速度已達到220mm/秒。要實現(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)成了標簽的一部分。該技術(shù)提供了其他按需式打印技術(shù)無法匹敵的圖案質(zhì)量和耐久性。

與熱敏打印機相比,熱轉(zhuǎn)印打印機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)印打印機可生成耐久的額定標簽、UL/CSA標簽、簽條和票據(jù),以及腕帶、永久資產(chǎn)簽條、架簽和其他標識。三、一種熱敏打印機的原理1.系統(tǒng)組成本文介紹的微型熱敏打印機主要由主控制件、步進電機驅(qū)動模塊、熱敏打印頭過熱保護模塊、熱敏打印頭切紙檢測模塊、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,其中步進電機驅(qū)動模塊負責控制打印紙走紙及走紙速度,熱敏打印頭過熱保護模塊防止熱敏打印頭溫度過高損壞,熱敏打印頭缺紙檢測電路完成熱敏打印頭是否有紙檢測,RS－232通信模塊實現(xiàn)打印機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,該熱敏打印頭點結(jié)構(gòu)為384點/行、水平方向點密度為8點/mm,垂直方向行間距：8點/mm。有效打印寬度48mm,打印速度最大為60mm/s[1]。當接通熱敏打印機電源〔＋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STB置為高電平,此時根據(jù)384點輸入的數(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)生要打印的點行。3.硬件設計3.1主控器件采用Freescale公司S12系列單片機的MC9S12D64作為主控器件,該器件是一款性能優(yōu)良的單片機,包含一個16位中央處理單元、64KBFlash、4KBRAM,、1KBEEPROM、兩個異步串行通信接口和一個同步串行接口等豐富資源,能夠滿足本設計的需求,該器件具有良好的穩(wěn)定性,使得打印機能夠在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場使用。3.2熱敏打印頭過熱保護模塊打印頭加熱時間一般為1ms,連續(xù)加熱超過1s后,很容易燒毀熱敏頭,所以必須對熱敏打印頭添加過熱保護電路,過熱保護電路圖如圖3所示,圖中VH為7.2V熱敏打印頭驅(qū)動電壓,VH的供給與否由常開繼電器控制,由CPU的一個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,當熱敏打印頭溫度上升到一定值時,TH電壓低于比較器U1B的引腳6參考電壓,則引腳7輸出一個低電平,此時無論TC1為何值,與門U6的引腳3都為低電平,進而Q1截止,繼電器斷開,熱敏打印頭加熱電源被切斷。同時主控器件檢測到比較器U1B的引腳7輸出低電平信號,進入中斷,暫停打印工作。當檢測到U1B的引腳7為高電平后,延時一段時間,出中斷。此時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,繼電器保持斷開；主控器件再次進入中斷模塊,這樣就可以起到保護熱敏打印頭的作用。3.3步進電機驅(qū)動模塊步進電機是將輸入的電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的伺服電動機。FTP－628熱敏打印頭中使用的是二相四拍步進電機控制打印紙走紙及走紙速度。本系統(tǒng)采用LB1836M進行驅(qū)動。LB1836M是低飽和、雙通道雙向電機驅(qū)動器件,常用于微型打印機、相機等便攜設備,圖4給出步進電機的驅(qū)動電路,引腳IN1、IN2、IN3和IN4是步進脈沖的輸入端,OUT1、OUT2、OUT3、OUT4為步進脈沖的輸出端,分別與熱敏打印頭中電機對應的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)動電壓由引腳Vs控制,其電壓高低決定了步進電機工作電流的大小,影響步進電機運行的快慢,決定走紙快慢,LB1836M輸入端的四個步進脈沖可由單片機的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,然后進行打印。由于本設計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)移位簡化,而且較I/O口模擬串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序移位速度更快,從而整體提高了打印機性能。如圖5所示,將主控器件設為主機,熱敏打印機內(nèi)部移位寄存設為從機,主控器件MC9S12D64將打印的數(shù)據(jù)存入SPI數(shù)據(jù)寄存器。當數(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)通過串行時鐘線的同步信號循環(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)點示于下表。1.加熱元件形狀過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,加熱并沒有顯著的隙間,加熱效率是比較低的,加熱點的形狀的厚度不規(guī)則,熱響應速度不如薄膜更高,因而這需要高的熱響應非常復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,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%,但是所有點與點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。如果不同加熱點之間存在阻值差異,會導致熱點之間的能量差,從而影響打印的水平與質(zhì)量。因此,厚膜印刷頭很難進行彩色照片和黑白灰度打印就是因為連續(xù)色調(diào)的圖像變化。比較上述所說的加熱片的打印頭,電阻分布均勻,從而可以實現(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,可以打印出來的照片效果是銀灰色的效果相媲美。鑒于此,該膜廣泛應用于超高速條碼打印機,照片打印機,證卡打印機等品種多,數(shù)量少,高附加值的領域。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,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。當打印動作開始時,根據(jù)印字信息控制邏輯開關(guān),印加電流通過熱敏發(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,檢測回路通過閉環(huán)的反饋系統(tǒng),不斷累加變化量并換算成印加能量,當達到設定的能量目標值時,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上述的能量控制反饋系統(tǒng),可以在打印的同時,實時地檢測發(fā)熱體的溫度,從而實現(xiàn)精確的能量控制,得到高品質(zhì)的印字質(zhì)量。