热敏打印技术可行性分析

可行性报告热敏打印技术二一五年一月目录一、项目背景3二、热敏打印与热转印打印方式比较31.热敏打印机42.热转印4三、一种热敏打印机的原理51.系统组成52.热敏打印工作原理53.硬件设计63.1 主控器件63.2 热敏打印头过热保护模块73.3 步进电机驱动模块73.4 数据加载8四、热敏打印头的工艺81.加热元件形状92.发热体阻值的比较9五、智能热敏打印头10六、热敏打印技术的发展趋势11一、项目背景热敏打印技术就是通过热敏打印头将打印介质上的热敏材料熔化变色，生成所需的文字和图形。热转印从热敏技术发展而来，它通过加热转印色带，使涂敷于色带上的墨转印到纸上形成图像。热敏打印技术的关键在于加热元件，热敏打印机芯上有一排微小的半导体元件，这些元件排得很密，从200dpi到600dpi不等，这些元件在通过一定电流时会很快产生高温，当热敏纸的涂层遇到这些元件时，在极短的时间内温度就会升高，热敏纸上得涂层就会发生化学反应，现出颜色。 热敏打印机接收到打印数据后，将打印数据转换为位图数据，然后按照位图数据的点控制打印机芯上的发热元件通过电流，有选择地在热敏纸的确定位置上加热，由此就产生了相应的图形。加热是由与热敏材料相接触的打印头上的一个小电子加热器提供的。加热器排成方点或条的形式由打印机进行逻辑控制，当被驱动时，就在热敏纸上产生一个与加热元素相应的图形。控制加热元素的同一逻辑电路，同时也控制着进纸，因而能在整个标签或纸张上印出图形。最普遍的热敏打印机使用一种带加热点阵的固定打印头，打印头设有320个方点,每一点为0.25mm0.25mm。利用这种点阵，打印机可把打印点在热敏纸的任意位置上。这种技术已用于纸张打印机和标签打印机上。热敏打印技术最早使用在传真机上，其基本原理是将打印机接收的数据转换成点阵的信号控制热敏单元的加热，把热敏纸上热敏涂层加热显影。目前，热敏打印技术已在POS终端系统、银行系统、医疗仪器等领域得到广泛应用，并且拥有良好的发展前景。热敏打印方式的结构非常简单、维护方便，相对于传统的针式打印机有不言而喻的优点。但由于热敏纸的保存性不佳，因此主要应用于对保存性要求不高的场合。但是随着热敏纸技术的发展，热敏纸的保存性也在逐步提高，目前已经出现了保存期为30-50年的热敏纸。随着热敏纸保存时间的提高，热敏打印方式的应用领域也在不断扩大。二、热敏打印与热转印打印方式比较热敏打印与热转印是条码打印机的两种打印方法。每种方法都使用热敏打印头对打印表面加热。热转印是通过加热色带，在多种材料上打印出耐用、持久的图案。热敏打印不使用色带，而是直接在标签材料上打印图案。热敏打印与热转印是最佳的条形码打印技术，因为它们可以简便应用在多种黏性标签材料上,并以出色的边缘定义打印出准确、高品质的图案。每种技术都能够以相同的打印清晰度和速度,产生一维、二维的带有图案和文本字体的条形码符号。1.热敏打印机热敏打印使用经过化学处理的热敏介质，当介质从热敏打印头下通过时变黑。热敏打印机不使用油墨、墨粉或色带。简单的设计使热敏打印机耐久和易用。由于没有色带，热敏打印机的操作费用比热转印打印机低。热敏介质上的图案会随时间的推移而褪色。如果标签过度暴露在热、光或其他催化剂下，材料将会变暗,使条形码无法被读取。热敏标签的可读取性随使用条件的不同而变化很大，但该技术为额定标注和许多其他普通条形码的打印应用提供了足够的使用寿命。例如，在分销中心存贮六个月后，直接热敏标签仍能够轻易地被扫描读取。热敏打印机的分类 热敏打印机根据其热敏元件的排列方式可分为行式热敏（Thermal Line Dot System）和列式热敏（Thermal Serial Dot System）。列式热敏属于早期产品，目前主要应用在一些对打印速度要求不高的场合，国内已有作者在其产品中使用。行式热敏属20世纪90年代技术，其打印速度比列式热敏快得多，目前最快速度已达到220mm/秒。要实现高速热敏打印，除了选取高速热敏打印头外，还必须有相应的控制板与之配合。2.热转印在热转印打印中，热敏打印头给色带加热，油墨熔化在标签材料上以形成图案。色带材料被介质吸收，图案构成了标签的一部分。该技术提供了其他按需式打印技术无法匹敌的图案质量和耐久性。与热敏打印机相比，热转印打印机可接受更多品种的介质，包括纸、聚酯和聚丙烯材料。热转印打印机可生成耐久的额定标签、UL/CSA 标签、签条和票据，以及腕带、永久资产签条、架签和其他标识。三、一种热敏打印机的原理1.系统组成 本文介绍的微型热敏打印机主要由主控制件、步进电机驱动模块、热敏打印头过热保护模块、热敏打印头切纸检测模块、RS232通信模块和供电模块等部分组成，系统的结构图如图1所示，其中步进电机驱动模块负责控制打印纸走纸及走纸速度，热敏打印头过热保护模块防止热敏打印头温度过高损坏，热敏打印头缺纸检测电路完成热敏打印头是否有纸检测，RS232通信模块实现打印机与汽车行驶记录仪之间的通信，供电模块给控制电路及热敏打印头供电。 2.热敏打印工作原理 热敏打印头FTP628的框图如图2所示，该热敏打印头点结构为384点/行、水平方向点密度为8点/mm，垂直方向行间距：8点/mm。有效打印宽度48mm，打印速度最大为60mm/s1。 当接通热敏打印机电源（12V），供电模块输出5V用于所有控制电路，还输出用于热敏头加热印字的7.2V电压，将其与打印头VH相连，在时钟CLK的配合下，打印数据经数据输入DI引脚移入热敏打印头内部的移位寄存器中，当CPU将一行384位数据全部移入移位寄存器后，CPU将热敏打印头内部锁存端LAT置为低电平，移位寄存器的数据被锁存到锁存器，然后CPU将热敏都加热控制信号STB置为高电平，此时根据384点输入的数据是1或0决定发热元件是否发热，由此在热敏纸上产生要打印的点行。 3.硬件设计 3.1 主控器件 采用Freescale公司S12系列单片机的MC9S12D64作为主控器件，该器件是一款性能优良的单片机，包含一个16位中央处理单元、64KB Flash、4KB RAM，、1KB EEPROM、两个异步串行通信接口和一个同步串行接口等丰富资源，能够满足本设计的需求，该器件具有良好的稳定性，使得打印机能够在恶劣的工业现场使用。 3.2 热敏打印头过热保护模块 打印头加热时间一般为1ms，连续加热超过1s后，很容易烧毁热敏头，所以必须对热敏打印头添加过热保护电路，过热保护电路图如图3所示，图中VH为7.2V热敏打印头驱动电压，VH的供给与否由常开继电器控制，由CPU的一个I/O口输出控制加热电压源控制端TC1，参见图2与图3。TH为外部电阻与热敏打印头内部热敏电阻的分压值。热敏打印头温度升高，则TH电压降低，当热敏打印头温度上升到一定值时，TH电压低于比较器U1B的引脚6参考电压，则引脚7输出一个低电平，此时无论TC1为何值，与门U6的引脚3都为低电平，进而Q1截止，继电器断开，热敏打印头加热电源被切断。同时主控器件检测到比较器U1B的引脚7输出低电平信号，进入中断，暂停打印工作。当检测到U1B的引脚7为高电平后，延时一段时间，出中断。此时若热敏打印头温度降低，TH电压高于U1B的引脚6参考电压后，CPU恢复到正常工作情况，反之，比较器U1B的引脚7输出依然是低电平，继电器保持断开；主控器件再次进入中断模块，这样就可以起到保护热敏打印头的作用。 3.3 步进电机驱动模块 步进电机是将输入的电脉冲信号转换成角位移或直线位移的伺服电动机。FTP628热敏打印头中使用的是二相四拍步进电机控制打印纸走纸及走纸速度。本系统采用LB1836M进行驱动。LB1836M是低饱和、双通道双向电机驱动器件，常用于微型打印机、相机等便携设备，图4给出步进电机的驱动电路，引脚IN1、IN2、IN3和IN4是步进脉冲的输入端，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4为步进脉冲的输出端，分别与热敏打印头中电机对应的A、NA、B、NB相连接。UOT1：4与IN1：4的逻辑关系为OUTIN。输出驱动电压由引脚Vs控制，其电压高低决定了步进电机工作电流的大小，影响步进电机运行的快慢，决定走纸快慢，LB1836M输入端的四个步进脉冲可由单片机的PWM0、PWM1、PWM2、PWM3四路PWM通道产生。四路PWM的相位关系为PWM0与PWM2反相，PWM1与PWM3反相，PWM0与PWM1相差/2。 3.4 数据加载 数据加载即将内存缓冲区的数据输出到热敏打印头的移位寄存器中，然后进行打印。由于本设计采用的主控器件带有串行外围接口（SPI），所以将SPI用于数据加载，使用SPI加载数据，不但电路比硬件方式数据移位简化，而且较I/O口模拟串行数据传输的时序移位速度更快，从而整体提高了打印机性能。 如图5所示，将主控器件设为主机，热敏打印机内部移位寄存设为从机，主控器件MC9S12D64将打印的数据存入SPI数据寄存器。当数据寄存器写入数据后，数据开始传输，数据通过串行时钟线的同步信号循环移位8位，移入热敏打印头内部的移位寄存器中，实现了数据的加载。 四、热敏打印头的工艺热敏打印头可以分为厚膜工艺以及薄膜工艺两类。一种薄膜和厚膜热敏打印头技术热转印打印头技术相比的优点示于下表。1.加热元件形状过程加热薄膜厚度非常薄，在规则的矩形形状的表面上形成，以确保最大的传热面积，热效率高，低生热性， 迅速冷却。与厚膜加热技术相比， 膜的厚度， 加热并没有显著的隙间，加热效率是比较低的，加热点的形状的厚度不规则， 热响应速度不如薄膜更高， 因而这需要高的热响应非常复杂的热历史控制程序。总之， 打印头是难以适用日期代码印刷和超细， 超高速二维码等用途。2.发热体阻值的比较薄膜：电阻加热元件的相同产品的批次之间的差异在+/-15%,但是所有点与点之间非常密切的公差可以做到大约+/-1%厚膜：世界上目前最好的可以+/-3%的容差范围内进行，在+/-3%的批次之间的差异也基本算是稳定。如果不同加热点之间存在阻值差异，会导致热点之间的能量差，从而影响打印的水平与质量。因此，厚膜印刷头很难进行彩色照片和黑白灰度打印就是因为连续色调的图像变化。比较上述所说的加热片的打印头，电阻分布均匀，从而可以实现高速印刷。而且，除了使用升华热转印膜技术的热敏纸，可以打印出来的照片效果是银灰色的效果相媲美。鉴于此，该膜广泛应用于超高速条码打印机，照片打印机，证卡打印机等品种多，数量少，高附加值的领域。五、智能热敏打印头与传统热敏打印头的发热体阻值在一定温度范围内恒定不同，智能热敏打印头采用了具有负温度系数的薄膜金属材料发热体，随着发热体温度的变化，发热体阻值具有近似线性的变化趋势， 即在一定的温度范围内，具有恒定的温度系数（TCR），如图1 所示。当打印动作开始时，根据印字信息控制逻辑开关，印加电流通过热敏发热体单元，发热体发热；随着发热体温度的升高，发热体电阻依据负温度系数TCR，电阻值发生变化，从而引起印加电流的变化，检测回路通过闭环的反馈系统，不断累加变化量并换算成印加能量，当达到设定的能量目标值时，关闭逻辑开关，停止加热，如图2 所示。因此，智能热敏打印头通过上述的能量控制反馈系统，可以在打印的同时，实时地检测发热体的温度，从而实现精确的能量控制，得到高品质的印字质量。六、热敏打印技术的发展趋势打印机架通了横在人类思想表达、传播意图与印刷页面间的桥梁，但仅有文字还不能表达复杂页面；撞击式打印机是打字机功能的延伸，几乎没有图像输出功能，飞撞击时打印技术的出现克服了撞击打印技术的诸多优点，但输出速度太慢，质量不能令人满意。与此同时，人类在克服传统印刷的局限性方面做了大量的努力，到今天，热敏打印技术相对于传统打印机，热敏打印机速度快、噪音低，打印清晰，使用方便。所以，在市场上涉及面广，应用广泛，可以打入各个行业。随着人们对印刷的需求的变化，自从二十世纪六十年代和七十年代的各种非击打式打印技术激光开始，诸如喷墨，热敏打印相继问世，并且获得了快速发展。在20世纪80年代，传真感热记录的方法使热敏技术迅速的普及和发展。如今打印机己经普及到我们的日常生活之中，并且我们不断研究热敏技术的应用。今天，我们现实世界中的一个购物机票，火车票，ATM取款小票，公用事业缴费收据，排队机小票，宝丽来相机，心电图热技术都在应用热敏打印头技术。据日本机构的数据显示，2010年的全球总销量约4941万台，销售总额近404亿日元。从热敏打印技术的的应用领域上看,，需求大幅度增长主要集中在条码打印头，票据打印头领域。日期码打印头、卡片打印头需求旺盛，稳步推进，创出历史新高，前景非常广阔。随着信息技术产业不断完善和进步，热敏打印技术的不断成长以及现实生活中需要的快速增长，高速、高画质、低功耗,、高可靠性、绿色环保将成为热敏打印技术发展的未来趋势。 12 / 12