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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、11111101、…,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•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。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。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。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•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。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7-8LQ-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R65送至CPU的PA1端口，打印机正常工作。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打印并报警，纸尽传感器安装在摩擦滚轮下前方。图7-9LQ-1600K打印机的纸尽及纸张检测电路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，当温度上升时，热敏电阻阻值下降，AN0（CPU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。图7-10LQ-1600K打印机打印头温度检测电路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•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•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•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+35V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POT3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35V电压，启动后VT29和VT43截止，由5V经过VD44供•（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74HC191上，然后通过功率放大器放大，驱动步进电动机运行。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）电源•针式打印机由于功耗较大，故均采用开关电源，将220V交流电压转变成打印机各部件使用的直流电压，如＋5V、＋12V、＋24V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VCD7.2.1VCD影碟机的基本结构•视频播放机（vidioCD，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。7.2.1VCD影碟机的基本结构图7-15VCD结构框图7.2.1VCD影碟机的基本结构•1.VCD光盘结构•VCD影碟机光盘的外径为120mm，内径为15mm，外边缘空出2mm,盘片中心直径50mm范围内也留空，中间50~116mm是信号区，盘片厚度为1.2mm，如图7-16(a)所示。VCD盘片的信号用深约0.11μm、宽约0.5μm,长约0.81~3.047μm的凹坑表示，如图7-16(b)所示。在凹坑信号面上镀有一层铝反射层，其上被一层厚约1.2mm•播放时，光盘旋转，同时激光头从光盘的中心向外边缘方向连续