熱敏打印技術(shù)可行性分析

1、可行性報告熱敏打印技術(shù)二一五年一月目錄一、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(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63.1 主控器件63.2 熱敏打印頭過熱保護(hù)模塊73.3 步進(jìn)電機(jī)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

2、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，這些元件在通過一定電流時會很快產(chǎn)生高溫，當(dāng)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(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)的點控制打印機(jī)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(yīng)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(jī)進(jìn)行邏輯控制，當(dāng)被驅(qū)動時，就在熱敏紙上產(chǎn)生一個與加熱元素相應(yīng)的圖形?？刂萍訜嵩氐耐贿壿嬰娐?，同時

3、也控制著進(jìn)紙，因而能在整個標(biāo)簽或紙張上印出圖形。 最普遍的熱敏打印機(jī)使用一種帶加熱點陣的固定打印頭，打印頭設(shè)有320個方點,每一點為0.25mm×0.25mm。利用這種點陣，打印機(jī)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(jī)和標(biāo)簽打印機(jī)上。熱敏打印技術(shù)最早使用在傳真機(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(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)非常簡單、維護(hù)方便，相對于傳統(tǒng)的針式打印機(jī)有不言而喻的優(yōu)點。但由于熱敏紙的保存性不佳

4、，因此主要應(yīng)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(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(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)，因為它們可以簡便應(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

5、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(jī) 熱敏打印使用經(jīng)過化學(xué)處理的熱敏介質(zhì)，當(dāng)介質(zhì)從熱敏打印頭下通過時變黑。熱敏打印機(jī)不使用油墨、墨粉或色帶。簡單的設(shè)計使熱敏打印機(jī)耐久和易用。由于沒有色帶，熱敏打印機(jī)的操作費用比熱轉(zhuǎn)印打印機(jī)低。熱敏介質(zhì)上的圖案會隨時間的推移而褪色。如果標(biāo)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(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

6、據(jù)其熱敏元件的排列方式可分為行式熱敏（thermal line dot system）和列式熱敏（thermal serial dot system）。列式熱敏屬于早期產(chǎn)品，目前主要應(yīng)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(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)無法匹敵的圖案質(zhì)量

7、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。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)動模塊、熱敏打印頭過熱保護(hù)模塊、熱敏打印頭切紙檢測模塊、rs232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)動模塊負(fù)責(zé)控制打印紙走紙及走紙速度，熱敏打印頭過熱保護(hù)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，rs232通

8、信模塊實現(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ftp628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/s1。 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

9、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(shè)計 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16位中央處理單元、64kb flash、4kb ram，、1kb eeprom、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(shè)計的需求，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)場使用。 3.2 熱敏打印頭過熱保護(hù)模塊 打印頭加熱時間一般為1ms，連續(xù)加熱超過1s

10、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(hù)電路，過熱保護(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(dāng)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(jìn)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(jìn)入中斷，暫停打印工作。當(dāng)檢測到u1

11、b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(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)動模塊 步進(jìn)電機(jī)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(jī)。ftp628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。lb1836m是低飽和、雙通道雙向電機(jī)驅(qū)動器件，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)動電路，引腳in1、in2、in3和in4

12、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)對應(yīng)的a、na、b、nb相連接。uot1：4與in1：4的邏輯關(guān)系為outin。輸出驅(qū)動電壓由引腳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)運行的快慢，決定走紙快慢，lb1836m輸入端的四個步進(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/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)計采用的主

13、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(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

14、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(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(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

15、之間存在阻值差異，會導(dǎo)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(jìn)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(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， 即在一定的溫度范圍內(nèi)，具有

16、恒定的溫度系數(shù)（tcr），如圖1 所示。當(dāng)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(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(dāng)達(dá)到設(shè)定的能量目標(biāo)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。六、熱敏打印技術(shù)的發(fā)展趨勢打印機(jī)架通了橫在人類思想表達(dá)、傳播意圖與印刷頁面間的橋梁，但僅有文字還不能表達(dá)復(fù)雜頁面；撞擊式打

17、印機(jī)是打字機(jī)功能的延伸，幾乎沒有圖像輸出功能，飛撞擊時打印技術(shù)的出現(xiàn)克服了撞擊打印技術(shù)的諸多優(yōu)點，但輸出速度太慢，質(zhì)量不能令人滿意。與此同時，人類在克服傳統(tǒng)印刷的局限性方面做了大量的努力，到今天，熱敏打印技術(shù)相對于傳統(tǒng)打印機(jī)，熱敏打印機(jī)速度快、噪音低，打印清晰，使用方便。所以，在市場上涉及面廣，應(yīng)用廣泛，可以打入各個行業(yè)。隨著人們對印刷的需求的變化，自從二十世紀(jì)六十年代和七十年代的各種非擊打式打印技術(shù)激光開始，諸如噴墨，熱敏打印相繼問世，并且獲得了快速發(fā)展。在20世紀(jì)80年代，傳真感熱記錄的方法使熱敏技術(shù)迅速的普及和發(fā)展。如今打印機(jī)己經(jīng)普及到我們的日常生活之中，并且我們不斷研究熱敏技術(shù)的應(yīng)用。今天，我們現(xiàn)實世界中