大幅面便攜式打字機設計與研究

童小利，金秋春

（1.鄭州航空工業(yè)管理學院 機電學院，河南 鄭州 450046；2.鄭州航空工業(yè)管理學院 計算機學院，河南 鄭州 450046）

0 引言

目前國內(nèi)外使用最多的打印機有針式打印機 （又稱串行擊打式打印機）、噴墨打印機、激光打印機及熱敏打印機等[1]，這些打印機區(qū)別在于打印頭部件即實現(xiàn)打印文字或圖片的方式和結(jié)構不一樣，但他們有一個共同的結(jié)構進紙機構，正是這一結(jié)構的存在不僅使得打印的幅面受到了限制，而且還使得打印機的尺寸大不便于攜帶。市場上現(xiàn)有的便攜式打印機是桌面打印機的縮小版，當然其打印的幅面也隨之縮小。

本文著眼于設計一款尺寸小、便于攜帶，又不影響打印幅面的新型的打字機。該打字機摒棄了傳統(tǒng)打印機的進紙機構，讓紙固定不動，打字機在紙上自由行走并打字，從而達到縮小尺寸和大幅面打印的目的。

1 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)由STM32控制器，步進電機驅(qū)動模塊、超聲波傳感器模塊、打印筆模塊以及電源模塊組成。所有模塊都通過以一個全向平臺底盤連接在一起，該全向底盤由4個全向輪組成，并通過4個步進電機來驅(qū)動，打印筆放在全向平臺的中心上，在X軸方向并列放置兩個收發(fā)一體的超聲波傳感器1和超聲波傳感器2，用來檢測打印筆Y軸的距離以及讓打字機保持水平的位置，另一個傳感器3放置在Y軸方向用來檢測打印筆X軸的距離，打字機全向底盤結(jié)構設計如圖1所示。

圖1 打字機全向底盤結(jié)構設計Fig.1 The omnidirectional chassis of typewriter design

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制模塊的設計

控制模塊是打字機的核心部分，負責讀取超聲波傳感器檢測到的距離值，控制打字機的行走以及精確定位，并控制打印筆按打印內(nèi)容打印。控制器采用意法半導體的STM32F103系列的STM32F103ZET6單片機，該系列微處理器工作頻率為72MHz，內(nèi)置高達128K字節(jié)的Flash存儲器和20K字節(jié)的S R AM，具有豐富的通用I/O端口[2]，在運算速度和存儲容量上滿足要求，豐富的外設也簡化了系統(tǒng)的硬件設計[3]。

2.2 步進電機驅(qū)動電路的設計

步進電機采用兩相四線混合式大扭矩42系列步進電機。步進電機驅(qū)動芯片采用A4988，A4988是一款完全的微步電動機驅(qū)動器，可以以全、半、1/4、1/8及1/16步進模式驅(qū)動兩相步進電機，輸出驅(qū)動性能可達35V及±2A，為系統(tǒng)步進電機提供了足夠的驅(qū)動功率[4]。

步進電機驅(qū)動電路如圖2所示，ENABLE端口接地，輸入低電平時使能，電機轉(zhuǎn)動。4個A4988的STEP引腳分別與 STM32的 PE0、PE1、PE2、PE3口相連，輸入一個脈沖，即可驅(qū)動步進電動機產(chǎn)生微步，設置脈沖的頻率，可控制步進電機旋轉(zhuǎn)速度。4個A4988的DIR引腳分別與STM32 的 PE4、PE5、PE6、PE7 口相連，輸入高電平時，步進電機順時針旋轉(zhuǎn)，輸入低電平時，步進電機逆時針旋轉(zhuǎn)。四個步進電機驅(qū)動芯片A4988的輸出端1A與1B分別接步進電機同相的兩端，輸出端2A與2B分別接步進電機另一相的兩端。MS1、MS2、MS3按照表1分別接高低電平來設置步進模式，從而選擇不同的步距角和激勵方式[4]。

圖2 步進電機驅(qū)動電路Fig.2 Stepping motor drive circuit

表1 步進控制邏輯表Tab.1 Step control logic table

2.3 超聲波測距接口電路的設計

KSl03超聲波傳感器帶溫度補償功能，測量精度高，使用溫度修正的測距命令，直接輸出距離（單位為mm），近距離內(nèi)最高精度達1mm；測量盲區(qū)最小至1cm，最大量程可達11m，基本無盲區(qū)[5]。

超聲波測距接口電路如圖3所示，MODE引腳懸空時，KS103工作于I2C模式，其中VCC連接+5V電源，GND連接電源地，SDA/TX是I2C通信的數(shù)據(jù)線分別與STM32的 PB6、PB7口相連。

圖3 超聲波測距接口電路Fig.3 Ultrasonic ranging interface circuit

2.4 打印筆驅(qū)動電路的設計

打印筆驅(qū)動電路如圖4所示，通過STM32的PE8口的輸出來控制打印筆動作。當PE8口輸出高電平（+5V）時，三極管Q1導通，連接在打印筆上的電磁鐵線圈通電，產(chǎn)生磁性吸合可動鐵芯，從而帶動打印筆伸出，實現(xiàn)打點功能。當PE8口輸出低電平時，三極管Q1截止，電磁鐵線圈斷電，不能產(chǎn)生磁性吸合可動鐵芯，在彈簧力的作用下，動鐵芯、推桿帶動打印筆縮回，不打點。

圖4 打印筆驅(qū)動電路的設計Fig.4 Design of driving circuit for printing pen

3 系統(tǒng)軟件的設計

上電后，對小車進行初始化，讓小車走到起始位置，并保持車身與X軸平行的姿態(tài)。接著根據(jù)取模數(shù)據(jù)控制打印筆開始打印，一直到所有字符都打印完成結(jié)束。

3.1 小車初始化程序流程圖

如圖5所示，小車初始化程序主要是用來設定頁邊距，根據(jù)頁邊距設定小車的起始點，并控制小車走到該起始點和保持水平的姿態(tài)，這主要是通過小車定位程序來實現(xiàn)的。當小車到了設定的起始位并保持好水平姿態(tài)，則停止運動原地待命。

圖5 小車初始化程序流程圖Fig.5 Flow chart of car initialization program

3.2 小車定位程序流程圖

小車定位程序的主要功能是借助超聲波傳感器，在一定精度范圍內(nèi)，實現(xiàn)小車保持水平姿態(tài)在平面內(nèi)任意點的定位，為打印做好準備。小車定位程序流程圖如圖6所示，首先采集3個超聲波傳感器的值，利用傳感器1和傳感器2的差值來控制小車是否保持水平。然后利用傳感器1和傳感器2的平均值來與目標點的Y值的差值與精度相比較來控制小車在目標點的Y軸方向無偏差。接著利用傳感器3與目標點的X值的差值與精度相比較來控制小車在目標點的X軸方向無偏差。

圖6 小車定位程序流程圖Fig.6 Flow chart of car positioning program

3.3 打印程序流程

首先是根據(jù)取模軟件對要打印的內(nèi)容進行一定大小的取模，從而得到一系列由十六進制數(shù)表示的點陣數(shù)據(jù)，用該點陣數(shù)據(jù)組成打印數(shù)組。取模軟件采用PCtoLCD2002，取模時可采用逐行順向取模方式，即從第一行開始向右每取8個點作為一個字節(jié)，如果最后不足8個點就補滿8位，取模順序是從高到低，即第一個點作為最高位。字節(jié)的每個位代表漢字的一個點，“0”代表沒有點，“1”代表有點。

然后通過打印程序讀取打印數(shù)組中的第一行的第一個打印數(shù)據(jù)，判斷該打印數(shù)據(jù)的對應的二進制數(shù)的每一位是否為1，若為1則代表該位為需要打墨點，則單片機通過小車定位程序控制寫字機器人走到該點的位置，并控制PE8口輸出1，控制打印筆打點。為了提高打印速度，打印完第一行的所有的打印點，然后控制寫字機器人按照“S”形路線反向返回，在返回的過程中又根據(jù)打印數(shù)據(jù)反向打印所有的打印點，打印流程圖如圖7所示。

圖7 打印程序流程圖Fig.7 Print program flow chart

圖8 打字機打印的“鄭州航院”字Typewriter printed "Zhengzhou hang yuan"

4 實驗及結(jié)論

通過上位機的取模軟件得到“鄭州航院”32×32點陣的字模數(shù)組，并通過串口傳輸給打字機的控制器。將白紙平鋪在有直角墻角（以兩相互垂直的墻為參照物）的地面上，然后把小車放在白紙上，啟動打字機電源開關，打印結(jié)果如圖8所示。打印結(jié)果表明該打字機能按照要求正確打印，該字所占的幅面長寬尺寸為990×230mm，超過了常用的A4、A3幅面，打印幅面大，實現(xiàn)大幅面打印。此外該寫字機外型尺寸長寬高為（275×275×140）mm，重 2.91kg ，尺寸小，重量輕便于攜帶。