热敏打印头温度控制电路及热敏打印机的制作方法
本发明属于打印机技术领域，涉及一种热敏打印机。具体地说，是涉及一种热敏打印头的温度控制电路以及基于所述温度控制电路设计的热敏打印机。
背景技术：
热敏打印机广泛应用于人们的日常生活中，其热敏打印头通常由一排加热元件构成，这些加热元件在通过一定电流时会很快产生高温。当介质涂层遇到这些加热元件时，在极短的时间内温度就会迅速升高，继而使介质涂层发生化学反应，现出颜色。
热敏打印纸是一种特殊的涂布加工纸，其外观与普通白纸相似。热敏打印纸的表层光滑，采用普通纸张作为纸基，上面涂覆有一层热敏发色层。所述热敏发色层通常是由胶粘剂、显色剂、无色染料(或称隐色染料)组成，化学反应处于“潜伏”状态。当热敏打印纸遇到发热的热敏打印头时，打印头所打印之处的显色剂与无色染料即会发生化学反应而变色，形成图文。
热敏打印机便是依据上述原理制作而成的，利用马达驱动齿轮转动，带动热敏打印纸经过热敏打印头的加热部位，并在加热部位停留一定时间，根据打印数据确定所要加热的部位，形成最终的打印图文。
热敏打印机在工作的过程中，随着打印过程的持续进行，打印头的温度会不断升高，打印同样灰度的图文所需的能量会相应减小。而打印头温度过高会导致打印头出现过热损坏的问题，因此，需要设计专门的控制电路来限制打印头的温升。
目前常见的热敏打印头控制电路主要是根据热敏打印头的温度，通过调整热敏打印头的加热时间来保护热敏打印头不至于过热的。这种传统的热敏打印头控制电路，虽然可以在一定程度上起到保护热敏打印头的作用，但是，导致热敏打印头过热的根本原因是加热电流持续较大。而调整打印头的加热时间显然不会改变流过打印头的加热电流，因此，传统采用控制打印头的加热时间来保护打印头不至于过热的方法，显然不能从根本上起到保护打印头的作用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种热敏打印头温度控制电路，通过调节打印头的加热电压，来控制打印头的加热电流，以实现对打印头温度的调节，继而防止打印头出现温度过高的问题，降低打印头过热损坏的可能性。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一方面，本发明提出了一种热敏打印头温度控制电路，包括用于检测热敏打印头温度的温度检测电路、用于生成不同幅值的加热电压为热敏打印头供电的电压生成电路以及控制电路；所述控制电路接收所述温度检测电路检测到的所述温度后，确定与所述温度呈负相关的电压值，以所述电压值生成控制信号且将所述控制信号输出至所述电压生成电路，所述控制信号用于控制所述电压生成电路输出与所述电压值对应的加热电压。
另一方面，本发明还提出了一种热敏打印机，包括热敏打印头和热敏打印头温度控制电路；在所述热敏打印头温度控制电路中设置有用于检测热敏打印头温度的温度检测电路、用于生成不同幅值的加热电压为热敏打印头供电的电压生成电路以及控制电路；所述控制电路接收所述温度检测电路检测到的所述温度后，确定与所述温度呈负相关的电压值，以所述电压值生成控制信号且将所述控制信号输出至所述电压生成电路，所述控制信号用于控制所述电压生成电路输出与所述电压值对应的加热电压。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的热敏打印头温度控制电路可以根据打印头的实时温度变化，改变打印头的加热电压，进而调节打印头的加热电流，实现对打印头温升的有效控制。本发明通过控制打印头的加热电压随打印头的温度进行自适应调节，从而可以从根本上起到保护打印头，避免其过热损坏的作用，使用户可以获得更好的打印体验。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提出的热敏打印头温度控制电路的一种实施例的电路原理框图；
图2为图1中的电压生成电路的一种实施例的电路原理图；
图3为图1中的过热保护电路和缺纸检测电路的一种实施例的电路原理图；
图4为图3中的滞回比较器输出低电平时的等效电路原理图；
图5为图3中的滞回比较器输出高电平时的等效电路原理图；
图6为滞回比较器的输出电平与打印头温度变化的对应关系波形图；
图7为图1中的反射式光电侦测器的一种实施例的外围电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。
本实施例的热敏打印头温度控制电路，为了对热敏打印头的温度实现有效控制，采用根据热敏打印头的温度变化，适时地调节热敏打印头的加热电压，继而改变打印过程中流过热敏打印头的加热电流，由此达到有效控制打印头的温升，从根本上保护热敏打印头的设计目的。
为了使热敏打印机能够根据其热敏打印头的温度变化，自适应地调节其施加到热敏打印头上的加热电压，本实施例在热敏打印头温度控制电路中设计了温度检测电路、电压生成电路、控制电路和过热保护电路等主要功能模块，如图1所示。其中，温度检测电路用于检测热敏打印头的温度变化，具体可以在热敏打印头的内部设置感温元件，例如热敏电阻等，优选布设在位于打印头的加热片附近的位置处，以更加实时、准确地反映出热敏打印头的实际温度。
本实施例以采用具有负温度系数的热敏电阻作为所述感温元件为例进行说明。将热敏电阻rt安装至热敏打印头的加热片的附近，当热敏打印头的温度t升高时，热敏电阻rt的阻值减小；而当打印头的温度t降低时，热敏电阻rt的阻值增大。热敏打印头的温度t与热敏电阻rt的阻值之间存在以下对应关系：
r＝r25eb(1/t-1/t25)①
其中，r为温度t下热敏电阻rt的阻值；r25为25℃下热敏电阻rt的阻值；b为温度系数常数，具体值可以参考热敏电阻rt的说明书，一般为3270左右；t25＝25℃。通过公式①，便可计算出温度t下热敏电阻rt的阻值。
利用热敏电阻rt的上述阻值变化特性，只要配合简单的外围电路，便可推算出热敏打印头的实际温度t。例如，可以将热敏电阻rt的一端接地，另一端通过已知电阻连接直流电源；通过检测热敏电阻两端的电压，配合已知的直流电源的电压以及已知电阻的阻值，便可计算出热敏电阻rt的阻值，代入公式①，便可计算出热敏打印头的实际温度t。
上述温度计算过程可以在热敏打印机的控制电路中完成，例如，可以利用热敏打印机中的控制电路采集热敏电阻rt两端的电压，经由控制电路中的模数转换单元(ad单元)进行模拟量到数字量的变换后，生成数字电压，以便于热敏打印头的实际温度t的计算。
所述控制电路可以采用微处理器mcu或者中央处理器cpu等具有数据处理能力的集成芯片配合简单的外围电路搭建而成。以cpu为例进行说明，cpu根据检测到的热敏打印头的温度t，确定出热敏打印头在当前温度t下所适宜的加热电压，记为电压值v。根据电压值v生成相应的控制信号，输出至电压生成电路，以控制电压生成电路输出幅值为v的加热电压。将所述加热电压输出至热敏打印头，以改变流过热敏打印头的加热电流，使热敏打印头的加热电流能够根据打印头的温度变化自动调节，从而达到有效控制热敏打印头温升的设计目的。通常来讲，热敏打印头的温度t越高，加热电压越小，继而使得流过打印头的加热电流减小，抑制打印头的温升，避免打印头过热损坏；而热敏打印头的温度t越低，加热电压越大，通过增大流过打印头的加热电流，以快速提升热敏打印头的温度，使经过热敏打印头的热敏打印纸能够快速地完成化学反应，清晰地显示出所需打印的图文。
作为本实施例的一种优选设计方案，cpu在根据热敏打印头的温度t确定电压值v的过程中，优选采用将热敏打印头的温度t划分成n+1个连续的区间段，针对每一个区间段确定一个适宜的电压值v，并针对每一个电压值v确定出一组控制信号k，以用于控制电压生成电路输出幅值为v的加热电压。由此便可以形成温度t、电压值v以及控制信号k的对应关系对照表，如下表所示：
将上述对照表保存在cpu中，或者将温度t、电压值v、控制信号k三者的对应关系写入cpu。在打印机运行过程中，cpu根据检测到的热敏打印头的温度t，确定其所处的温度区间段，进而将该区间段所对应的电压值vi作为打印头在当前温度t下所适宜的加热电压，并输出该区间段所对应的控制信号k，进而控制电压生成电路输出电压值为vi的加热电压。由此，便实现了打印头的加热电压随打印头的温度变化自动调节的设计目的。
在本实施例中，电压值v0、v1、……vn均应在热敏打印头所规定的加热电压允许范围vhmin～vhmax内取值。
当然，也可以根据不同的电压值v生成不同类型的控制信号，只要能够控制电压生成电路生成所需电压值v的加热电压即可，本实施例并不仅限于以上举例。
为了使电压生成电路能够根据cpu输出的控制信号，生成所需电压值v的加热电压，本实施例优选采用一颗电源管理芯片u3配合阻值可调的分压电路来设计所述的电压生成电路，如图2所示，以简化电路结构，降低硬件成本。其中，所述电源管理芯片u3可以选用降压型电源管理芯片，当然，根据实际电路情况选用升压型电源管理芯片亦可，本实施例对此不进行具体限制。将电源管理芯片u3的输入端in连接至输入电源vin，利用电源管理芯片u3对输入电源vin进行降压变换后，通过电源管理芯片u3的输出端sw输出加热电压vh。为了对电源管理芯片u3输出的加热电压vh实现调节，本实施例在所述电源管理芯片u3的输出端sw与反馈端fb之间设置阻值可调的分压电路，利用分压电路对电源管理芯片u3输出的加热电压vh进行分压，并将分压节点处生成的调节电压施加到所述电源管理芯片u3的反馈端fb，通过改变分压电路中的分压电阻的阻值，来调节分压电路分压生成的调节电压，进而改变电源管理芯片u3输出的加热电压。
作为本实施例的一种优选设计方案，本实施例的分压电路可以采用多个基本电阻r9、r11配合n个备选电阻rb1……rbn和n个开关元件q1……qn搭建而成，如图2所示，n为自然数。本实施例以配置两个基本电阻r9、r11为例进行说明。将两个基本电阻r9、r11串联后，一端连接电源管理芯片u3的输出端sw，或者通过电感l1连接电源管理芯片u3的输出端sw；另一端接地；两个基本电阻r9、r11的中间节点作为分压电路的分压节点，连接电源管理芯片u3的反馈端fb，或者根据电源管理芯片u3的实际配置要求，经由配置电阻r10连接至电源管理芯片u3的反馈端fb。将n个备选电阻rb1……rbn和n个开关元件q1……qn的开关通路一一对应串联，形成n条串联支路，然后将所述的n条串联支路分别并联在其中一个基本电阻的两端，例如并联在基本电阻r9的两端，利用cpu输出的n个控制信号(控制信号)k1、k2……kn分别对所述的n个开关元件q1、q2……qn进行通断控制，通过控制某一个开关元件qi导通，继而将与该开关元件qi串联的备选电阻rbi并联在基本电阻r9的两端，使分压电路中的分压电阻的阻值发生变化，继而改变分压节点处的调节电压的幅值，以控制电源管理芯片u3调整其输出电压，实现对热敏打印头的加热电压vh的自动调节。
以mps公司的降压型电源管理芯片mp1497为例，根据其规格书中的输出电压计算公式，其输出电压
在本实施例中，可以选用晶体管、mos管、可控硅等作为所述的开关元件qi，进行分压电路的具体设计。本实施例以采用n沟道mos管为例进行说明，如图2所示，可以将n沟道mos管qi的栅极连接至cpu，例如cpu输出控制信号ki的引脚上，接收cpu输出的控制信号ki，以控制其通断。将n沟道mos管qi的漏极与备选电阻rbi串联后，连接至电源管理芯片u3的输出端sw，或者通过电感l1连接至电源管理芯片u3的输出端sw；将n沟道mos管qi的源极连接至电源管理芯片u3的反馈端fb，或者根据电源管理芯片u3的实际配置要求，通过配置电阻r10连接至电源管理芯片u3的反馈端fb。当cpu置控制信号ki为高电平时，n沟道mos管qi导通，将备选电阻rbi并联在基本电阻r9的两端；而当cpu置控制信号ki为低电平时，n沟道mos管qi截止，备选电阻rbi与基本电阻r9断开，不会对分压电路中的分压电阻的阻值产生影响。由此，便可通过选择不同阻值的备选电阻rbi并联在基本电阻r9的两端，实现对加热电压vh的自动调节。
当然，对分压电路中的分压电阻的阻值进行调节，也可以采用其他技术手段实现，本实施例并不仅限于以上举例。
为了使本实施例的热敏打印机只在接收到打印数据时，才对热敏打印头加热，本实施例设计cpu仅在接收到打印数据时，输出有效的使能信号en1(例如，高电平)至电源管理芯片u3的使能端en，通过控制电源管理芯片u3使能运行，以输出加热电压vh，对热敏打印头加热。而在cpu未接收到打印数据时，输出无效的使能信号en1(例如，低电平)至电源管理芯片u3的使能端en，控制电源管理芯片u3停止运行，不输出加热电压vh，以降低热敏打印机的整机能耗。
虽然采用调节热敏打印头的加热电压，来改变打印头的加热电流的方式，即可对打印头的温度实现有效控制，达到保护热敏打印头的设计目的。但是，为了避免出现极端情况，以彻底杜绝热敏打印头发生过热损坏的问题，本实施例在热敏打印机中还进一步设置有过热保护电路，以实现对热敏打印头的进一步保护。具体来讲，可以设计所述过热保护电路在热敏打印头的温度超过预先设定的上限值tmax时，及时控制电压生成电路停止输出加热电压vh，进而使热敏打印头停止加热，迅速降温，实现对热敏打印头的过热保护。
考虑到热敏打印机在其打印头的温度升高到上限值tmax而进入过热保护状态停止运行时，热敏打印头的温度会迅速下降，而热敏打印头的升温速度快，降温速度也很快，当热敏打印头的温度下降到上限值tmax以下时，打印机又会重新启动运行，向热敏打印头提供加热电压vh，进而使热敏打印头的温度再次升高，超过上限值tmax。由此产生的实际打印效果是：当热敏打印头的温度上升到上限值tmax附近时，打印机一会停机、一会启动，反复启停机不仅会影响打印机的使用寿命，而且会严重影响打印体验，给用户的使用带来困扰。
为了提高打印机的使用效果，本实施例将控制打印机停止打印所对应的温度上限值tmax与重新开始打印所对应的温度安全阈值tsafe设置成两个不同的值，且重新打印的温度安全阈值tsafe低于停止打印的温度上限值tmax，由此可以避免打印机频繁进入过热保护状态，继而获得更好的打印体验。
为了达到上述设计目的，本实施例采用滞回比较器的设计原理构建所述的过热保护电路，如图3所示，包括电压比较器u2、热敏电阻rt、上拉电阻r4、反馈电阻r7和直流电源vcc等。其中，所述电压比较器u2的同相输入端“+”通过上拉电阻r4连接至直流电源vcc，并通过热敏电阻rt接地，所述热敏电阻rt可以是温度检测电路中所使用的热敏电阻，也可以单独布设，用于检测热敏打印头的温度变化。将电压比较器u2的反相输入端“-”连接至参考电压vref2，所述参考电压vref2可以由分压电阻r5、r6对直流电源vcc分压形成；将电压比较器u2的输出端经由反馈电阻r7连接至电压比较器u2的同相输入端“+”，由此构成滞回比较电路。
为了使通过电压比较器u2输出的过热保护信号temperature_alarm在热敏打印头的温度t升高到上限值tmax时，由第一电平(如高电平)跳变为第二电平(如低电平)；而在热敏打印头的温度t由上限值tmax逐渐下降到安全阈值tsafe时，由第二电平跳变回第一电平，如图6所示的波形图，本实施例采用以下方法来确定上拉电阻r4和反馈电阻r7的阻值：
首先，利用公式①分别计算出热敏电阻rt在温度上限值tmax时的阻值rt1以及在温度安全阈值tsafe时的阻值rt2；由于热敏电阻rt为负温度系数的热敏电阻，因此，rt1<rt2；
假设在热敏打印头的温度升高到温度上限值tmax，热敏电阻rt的阻值变化到rt1时，电压比较器u2输出低电平，即0v，则图3中的滞回比较电路可以简化成图4所示。此时，电压比较器u2的同相输入端“+”的电压v+应满足以下条件：
假设在热敏打印头的温度下降到安全阈值tsafe，热敏电阻rt的阻值变化到rt2时，电压比较器u2输出高电平，即幅值为vcc，则图3中的滞回比较电路可以简化成图5所示。此时，电压比较器u2的同相输入端“+”的电压v+应满足以下条件：
根据公式②、③便可计算出上拉电阻r4与反馈电阻r7之间的阻值关系，从而选取出合适的阻值，以满足滞回比较电路的设计要求。
此外，在所述电压比较器u2的同相输入端“+”还可以进一步连接滤波电容c1，以提高同相输入端“+”电压v+的稳定性。
将通过电压比较器u2输出的过热保护信号temperature_alarm传输至电压生成电路，利用过热保护信号temperature_alarm的电平变化对电压生成电路的工作状态进行控制，以实现对热敏打印头的过热保护。
作为本实施例的一种优选设计方案，可以将电压比较器u2输出的过热保护信号temperature_alarm传输至电源管理芯片u3的使能端en，当热敏打印头的温度正常时，电压比较器u2输出高电平的过热保护信号temperature_alarm，此时，电源管理芯片u3可以在控制器cpu输出的使能信号en1的控制下使能运行或者停止运行。而当热敏打印头的温度t上升到或者超过上限值tmax时，或者由上限值tmax逐渐下降，但未到达安全阈值tsafe时，电压比较器u2输出低电平的过热保护信号temperature_alarm，此时，无论控制器cpu输出的使能信号en1为高电平还是低电平，过热保护信号temperature_alarm都会将电源管理芯片u3的使能端en强制拉低，进入不工作状态，通过停止向热敏打印头提供加热电压vh，以控制热敏打印头迅速降温，起到过热保护的作用。
采用本实施例的过热保护电路，当热敏打印头的温度t升高到上限值tmax时，电压生成电路停止输出加热电压vh，热敏打印头断电降温，进入保护状态；而当热敏打印头的温度下降到低于所述上限值tmax时，电压生成电路仍保持不工作状态，使得热敏打印头持续降温，直到打印头的温度下降到安全阈值tsafe以下时，电压生成电路重新启动运行，输出加热电压vh为热敏打印头供电，使热敏打印机重新进入运行状态。
在本实施例中，优选将安全阈值tsafe与上限值tmax之间的差值设置在10℃或10℃以上，以避免出现热敏打印机反复启停的情况，进而提高了热敏打印机的打印体验。将电压比较器u2输出的过热保护信号temperature_alarm同时传输至控制器cpu，当过热保护信号temperature_alarm由高电平跳变为低电平时，cpu控制高温指示灯显示，指示打印机当前处于过热保护状态，直到过热保护信号temperature_alarm从低电平跳变回高电平，cpu控制高温指示灯熄灭，转入正常运行状态。
此外，为了使本实施例的热敏打印机在出现缺纸或者压纸轴未压好时停止打印，本实施例在热敏打印机中还设置有缺纸检测电路，结合图1、图7所示。在热敏打印头的内部安装一个反射式光电侦测器u4，如图7所示，其包括一个发光二极管和一个光电检测二极管，将发光二极管的阳极经由限流电阻r13连接至直流电源vdd，阴极接地；将光电检测二极管的发射极接地，集电极通过限流电阻r12连接直流电源vdd，并输出感应信号ps至比较器u1，结合图3所示，通过比较器u1输出缺纸检测信号out_paper。
具体来讲，当反射式光电侦测器u4中的发光二极管上电时，发光二极管发光。在打印机有纸且压纸轴已压好的情况下，发光二极管发出的光被反射至光电检测二极管，使光电检测二极管的发射极与其集电极导通，感应信号ps为低电平。而在打印机缺纸或压纸轴未压好的情况下，发光二极管发出的光无法被反射，此时光电检测二极管的发射极与其集电极断开，感应信号ps的电平为vdd，即为高电平。
将所述感应信号ps传输至比较器u1的反相输入端“-”，并将比较器u1的反相输入端“-”通过上拉电阻r3连接至直流电源vcc，将比较器u1的同相输入端“+”连接至参考电压vref1，所述参考电压vref1可以由分压电阻r1、r2对直流电源vcc分压生成。当反射式光电侦测器u4输出低电平的感应信号ps时，比较器u1输出高电平的缺纸检测信号out_paper，表示打印机有纸且压纸轴已压好。当反射式光电侦测器u4输出高电平的感应信号ps时，比较器u1因其反相输入端“-”的电压高于其同相输入端“+”的电压，而通过其输出端输出低电平的缺纸检测信号out_paper，表示打印机目前缺纸或者出现压纸轴未压好的问题。
将比较器u1输出的缺纸检测信号out_paper传输至电压生成电路，当缺纸检测信号out_paper为低电平时，控制电压生成电路停止输出加热电压vh，以控制打印头在缺纸或压纸轴未压好时停止打印。
作为本实施例的一种优选设计方案，优选将比较器u1输出的缺纸检测信号out_paper传输至电源管理芯片u3的使能端en，当打印机有纸且压纸轴已压好时，比较器u1输出高电平的缺纸检测信号out_paper，此时，电源管理芯片u3可以在控制器cpu输出的使能信号en1的控制下使能运行或者停止运行。而当打印机缺纸或者压纸轴未压好时，比较器u1输出低电平的缺纸检测信号out_paper，此时，无论控制器cpu输出的使能信号en1为高电平还是低电平，缺纸检测信号out_paper都会将电源管理芯片u3的使能端en强制拉低，进入不工作状态，通过停止向热敏打印头提供加热电压vh，以控制热敏打印头停止打印工作。
在本实施例中，所述比较器u1也可选用电压比较器，且可以与电压比较器u2集成在一个芯片中，以进一步简化电路结构。
本实施例的热敏打印头温度控制电路，只需使用单颗电源管理芯片便可根据热敏打印机的温度变化自适应地调整加热电压的大小，由此达到了调节打印电流，抑制打印头温升的技术效果。通过设计过热保护电路，并将打印机的停止打印温度与重新开始打印的温度设置为两个不同的值，由此获得了更好的打印体验。此外，通过设计缺纸检测电路，从硬件上可以保证一旦发生缺纸问题时，打印头不会再持续加热，防止程序跑飞导致打印头损坏，实现了对打印头的进一步保护，使得热敏打印机的工作更加可靠。
当然，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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