机电一体化应用实例

图7-5 针式打印机走纸传动机构
7.1.2 针式打印机的结构
• 2.电路部分 • 电路部分包括接口电路、状态检测电路、主控计算机、打印
针驱动电路、步进电动机驱动电路、操作面板与状态指示电 路和电源7个部分，如图7-6所示。
图7-6 针式打印机组成原理图
7.1.2 针式打印机的结构
• 1）接口电路
• 当一行数据打印结束后（以回车符作为行结束命令），字车快速回到初始 位置，此时初始位置传感器动作，将信息送入微处理器，微处理器开始执 行下一行的打印任务，首先给走纸步进电动机发出走纸一行的命令，然后
• 由于打印头每次所能打印的字符最大高度是固定的，在打印大字符时，每 一行无法打印出一行字符，需要多次换行后才能实现，所以打印机每一行
7.1.2 针式打印机的结构
• 3）主控计算机 • 打印机的主控计算机通常用单片机组成，其本身就是一台
完整的计算机，因此，除打印头、字车和走纸控制外，也 有CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、I/O电路等。 微处理器控制着打印机的所有动作和功能，不仅要完成对 打印数据的加工处理和控制机械部件的协调动作，还要根 据选择面板的功能对工作状态进行检测及显示。所有这些
7.1.2 针式打印机的结构
图7-7 针式打印机和计算机之间通信接口
7.1.2 针式打印机的结构
• 2）状态检测电路 • 为了保证打印机的正常运行和打印质量，针式打印机通常用多个
传感器来检测打印头的初始位置、是否缺纸、打印头是否过热、 打印纸的薄厚等。 • （1）打印头初始位置检测电路。打印机在打印过程中，打印头需 要一个参考位置来确定字符的位置，该参考位置称为初始位置， 位于打印头运行的左侧极限位置。如图7-8所示为LQ-1600K的打 印头初始位置检测电路，它采用对射式光电传感器。当打印头移 动到左侧时，打印头上的一块片状物挡住光线，光敏三极管截止， 输出为高电平，控制器接收到该信号后，确定出初始位置，开始
• 打印机的存储器按功能分为输入数据缓冲存储器、中间数 据缓冲存储器、监控程序存储器、西文和汉字字符点阵存 储器(字库)
7.1.2 针式打印机的结构
• I/O电路用来实现微处理器和各种状态传感器、控制电动机以及计算机之
• 在工作过程中，微控制器接收上位计算机的命令和数据，根据打印命令来 确定每行和每列需要打印字符的数量，再根据打印数据从字库中提取出相 应字符的字形码，按照字形码的点阵要求发出执行命令，驱动打印针和字
• （2）字车电动机驱动电路。字车电动机在打印过程中通过齿轮和同步带 驱动固定在同步带上的字车左右移动。与走纸电动机一样，字车电动机也 是一个四相步进电动机，其通常采用集成电路驱动，但是仅用单电压供电。 如图7-13所示，脉冲和控制信号通过微处理器输出后加在环形分配器74HC 191上，然后通过功率放大器放大，驱动步进电动机运行。
机电一体化技术
第7章 应用实例
7.1 针式打印机 7.1.1 针式打印机简介
• 针式打印机是使用较早且应用广泛的一种办公用的机电一体化产品， 又称为撞击式打印机。它的工作原理类似于用复写纸复写，完成打印 功能的是打印头内部的多支金属打印针（常见的为24针和9针），打 印头在纸张和色带上运动，当指定的打印针到达指定的位置时，便会 在电磁铁吸合的作用下击打色带，使色带上的色素印在纸上形成一个 色点，如图7-1所示。在计算机的控制下，多根打印针共同动作形成 若干个色点，由这些色点在纸上形成文字或图画。针式打印机有单色 和彩色两种，单色式仅有一种色带，而彩色针式打印机有4个不同颜 色的色带，在打印的过程中根据颜色命令来变换不同颜色的色带，多 种颜色的点阵组合形成了彩色图案或文字。
7.1.1 针式打印机简介
图7-1 针式打印机击打原理图
如图7-2所示为一个9针打印头在打印一个“5”和“A”字符时9根打印针的动作情 况，每一根打印针需要用一个驱动线圈，当线圈通电时，实现击打，所以在打印 “5”的第1列时，数据为111001000，第5列时为101000000，第9列时为100111000。 这些数据的组合称为“5”的字形码。实际上，由于字形码有8×8、16×16等格式， 所以只有8根针动作，并且按照反码表示，则“5”的字形码按列就是00011011、1 1111101、…,用16进制表示为1B、FD、…。
7.1.1 针式打印机简介
图7-2 点阵式字符的形成和列数据
7.1.2 针式打印机的结构ຫໍສະໝຸດ Baidu
• 针式打印机的主要任务是在系统的控制下各部分协 调工作，实现打印头横向左右移动、打印纸纵向移 动以及打印针的击打等任务，将计算机传送来的数 据打印在纸上，同时对打印机的工作状态进行实时 检测等。针式打印机是一种典型的机电一体化产品， 由于执行电动机是步进电动机并且没有反馈部分， 因此，它的控制系统属于开环控制系统。针式打印 机的组成如图7-3所示，主要由机械部分和电路部分 组成。
• 接口电路是打印机与主控计算机之间进行状态、命令和数据 通信的通路。如图7-7（a）所示，计算机将需要打印的信息 和命令通过接口电路发送给打印机，而打印机则将打印机的 状态通过接口电路传输给计算机。接口通常使用并行口、串 行口和USB口3种，由于串行口（RS-232C）传输数据较慢， 已经很少使用，目前大多打印机都使用USB口和计算机连接， 而针式打印机则大多采用centronics标准并行接口。如图7-7 （b）所示为一种通用打印机专用接口，该接口具有数据传 输率高的特点。在打印机接口电路中，通常还配置一定存储 容量的输入数据缓冲区来减少与计算机主机的频繁通信，提 高计算机主机工作效率。
图7-4 针式打印机字车传动机构
7.1.2 针式打印机的结构
• 2）走纸传动机构
• 走纸步进电动机通过齿轮减速机 构后驱动摩擦滚轮，通过摩擦滚 轮的摩擦将打印纸移动到需要打 印的行位置上。对于两边有孔的 专用打印纸，则是借助走纸链轮 的齿穿过打印纸的孔来实现走纸。 走纸的方式较多，根据纸张的传 动方式分为摩擦式和链轮式两种， 而根据纸张的行走方式又分为卷 绕式和平推式走纸方式。在此仅 介绍摩擦式。如图7-5所示为摩擦 式走纸传动机构原理图，走纸步 进电动机通过齿轮减速后驱动摩 擦轮运转，为了防止误差导致打 印质量下降，采用双齿轮错齿法 消除误差。
7.2.1 VCD影碟机的基本结构
• 打印头每打印一行就会到达初始位置一次，当打印头离开初始位 置后，光敏三极管接收光线导通。经过微处理器对信号处理而得 知打印头是否处在初始位置。
7.1.2 针式打印机的结构
图7-8 LQ-1600K的打印头初始位置检测电路
7.1.2 针式打印机的结构
• （2）纸尽及纸张检测电路。打印 机在打印前需要进行纸张有无的检 测。当没有纸张时，打印机纸尽指 示灯发光，打印机停止动作。如图 7-9所示为LQ-1600K的纸尽及纸张 检测电路，它采用常闭型簧片开关 作为纸尽传感器。当有纸时，打印 纸压住簧片开关，开关断开，输出 U的PA1端口，打印机正R常65送工至作C。P 当打印机纸尽时，簧片开关恢复到 原来的闭合状态，PA1端接收到低 电平信号，控制打印机停止当前的图7-9 LQ-1600K打印机的纸尽及纸张检测电路 打印并报警，纸尽传感器安装在摩 擦滚轮下前方。
• 7）电源
• 针式打印机由于功耗较大，故均采
用开关电源，将220 V交流电压转变
成打印机各部件使用的直流电压，
如＋5 V、＋12 V、＋24 V等。
图7-14 打印机键盘操作的状态显示电路
7.2 视频播放机VCD 7.2.1 VCD影碟机的基本结构
• 视频播放机（vidio CD，简称为VCD）是一种典型 的机电一体化产品，它将光盘上存放的MPEG-1标 准编码的运动图像及伴音数据解码并重放。它包括 机械部分和电路部分。机械部分的作用是完成光盘 的装卸、旋转和激光头的聚焦、进给等作用。电路 部分则主要是通过激光头读取光盘上的数据信息， 一方面将数据送到解码部分进行音频和视频的解码， 得到音频和视频信号；另一方面由微控制器接收激 光头的信号，控制激光头的聚焦和进给等伺服控制， 同时根据面板或者遥控操作实现光盘的装卸和驱动 控制。如图7-15所示为VCD的结构框图。
7.1.2 针式打印机的结构
图7-12 走纸电动机驱动电路
7.1.2 针式打印机的结构
图7-13 字车电动机驱动电路
7.1.2 针式打印机的结构
• 6）操作面板与状态指示电路
• 针式打印机的操作面板上有按键和 状态指示灯。用户可以通过状态指
示灯了解打印机的状态，通过按键 进行一定的控制。如图7-14所示， 通常设置电源、准备好、联机和纸 尽4个LED指示灯，LED与限流电阻 串联，显示打印机的状态。
7.1.2 针式打印机的结构
• （3）打印头温度检测电路。在打印 过程中，打印头中的打印针不断击打 色带，这种击打运动会使打印头温度 上升。为了防止打印头温度上升造成 电路和机械故障，不仅在设计打印头 结构时选用铝和铜等散热效果好的材 料和散热片，而且应安装温度传感器 用来检测打印机的温度。打印头温度 传感器使用负热敏电阻，装在打印头 内部。如图7-10所示为LQ-1600K打 印机打印头温度检测电路，当温度上 图7-10 LQ-1600K打印机打印头温度检测电路 升时，热敏电阻阻值下降，AN0（CP U的模拟输入端）电压降低，微处理 器对AN0进行检测后得到温度过高信 号，便停止工作并发出警报，等待降 温。
• 另外，微处理器还要执行打印机的状态检测。开机后首先自检，如果自检 不能通过，则进行相应的报警处理。在打印过程中，每打印一行的任务之 前，先进行打印机的状态检测，包括打印头初始位置检测、纸尽和纸张检 测、打印头温度检测等。
7.1.2 针式打印机的结构
• 4）打印针驱动电路 • 针式打印机是通过打印针击打色带来完成打印任务的，而打印针的击打动
7.1.2 针式打印机的结构
图7-3 针式打印机组成框图
7.1.2 针式打印机的结构
• 1.机械部分 • 针式打印机的机械部分包括字车传动机构、走纸传动机构、色带传动机
构和打印头等几部分。 • 1）字车传动机构 • 如图7-4所示为针式打印机字车传动机构，步进电动机通过齿轮减速后驱
动同步带，同步带上固定有装着打印头的字车。因此，步进电动机的旋 转运动驱使打印头水平横向移动，将打印头移动到需要打印的位置，等 待打印针的击打动作。
作是由电磁线圈通电后吸引打印针来完成，所以打印针的驱动电路实际上 就是驱动电磁线圈的过程。因为要求打印针击打色带有一定的力度和速度， 所以通常用高电压来驱动电磁线圈。如图7-11所示为打印针的驱动电路， 由24只开关管VT1~VT24驱动24针线圈，当门阵列数据锁存器的H1~H24端 口输出为高电平时，相应位的开关管导通，对应打印针线圈通入电流，打 印针出针，打印出一个点；当H1~H24端口输出为低电平时，相应位置的 开关管截止，打印针收针。H1~H24是用VX电压偏置输出的，以保证打印 动作稳定性。为了使打印针出针有较大的瞬时冲量，采用+35 V电压驱动， 且因线圈的电阻只有几十欧姆，线圈中产生较大电流，以满足打印针出针 所需冲量。当驱动打印针线圈的开关管截止时，在线圈中将产生高于驱动
3～5倍的反向电动势，会导致开关管损坏，为此必须采取保护措施， 如采用续流保护。
7.1.2 针式打印机的结构
图7-11 打印针驱动电路
7.1.2 针式打印机的结构
• 5）步进电动机驱动电路
• • （1）走纸电动机驱动电路。走纸电动机在打印过程中通过齿轮或摩擦轮
驱动纸张向前移动，实现打印的换行动作。通常使用的走纸电动机都是四 相步进电动机，为了提高打印质量，其驱动采用双电压驱动。如图7-12所 示，从门阵电路E05A09BA输出了四相驱动信号，经过功率放大管VT39、 VT40、VT41和VT42驱动步进电动机的相绕组。门阵电路E05A09BA的PO T3输出了高低压切换信号，在开始启动瞬间，VT29和VT43导通，步进电 动机绕组中加入35 V电压，启动后VT29和VT43截止，由5 V经过VD44供