最新版基于LPC1754条形码打印设计毕业论文.docx

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最新版基于LPC1754条形码打印设计毕业论文

基于LPC1754的条形码打印设计

摘要

随着科学技术的快速发展，条形码技术是信息数据自动识别、输入的重要方法和手段，现已广泛应用到医疗、商业、工业等使用标签更多的行业。

本文介绍了一种基于32位单片机LPC1754的条形码打印机的组成，详细的阐述了整个硬件工作流程以及各个功能模块的硬件设计。

该系统包括步进电机驱动模块、热敏打印头过热保护模块、热敏打印头缺纸检测模块、RS-232通信模块以及供电等功能模块。

其中步进电机驱动模块主要控制打印头走纸及切纸，热敏打印头的过热保护采用的是热敏电阻保护方式，此外采用光电传感器完成缺纸检测功能，采用RS232通信串口完成打印机与上位机之间的通信。

供电模块给控制电路及热敏打印头供电。

本次设计结构较为简单可以很好的实现条形码打印控制功能，经反复测试，可以很好的的实现条形码打印。

关键字LPC1754单片机步进电机传感器RS-232热敏打印头

ABarCodePrintingBasedLPC1754

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,barcodeautomaticidentificationtechnologyinformationdata,entertheimportantmethodsandmeans,ithasbeenwidelyappliedtothemedical,commercial,industrialandotheruseoflabelsmoreindustries.Thispaperdescribesacompositionof32-bitmicrocontrollersbasedontheLPC1754ofbarcodeprinters,detailthehardwaredesignoftheentirehardwareworkflow,andeachmodule.Thesystemincludesasteppermotordrivemodules,thermalprintheadoverheatprotectionmodule,thethermalprintheadisoutofpaperdetectionmodule,RS-232communicationmoduleandpowersupplyandotherfunctionalmodules.Whereinthesteppermotordrivermodulecontrolstheprintheadandtakethepapercutter,thermalprotectionthermalprintingheadisusedthermistorprotection,inadditiontotheuseofphotoelectricsensorscompletepaperoutdetection,theuseofRS232serialportforprinterandPCcommunicationcommunicationbetweenmachines.Powersupplymoduletothecontrolcircuitandpowerthethermalprinthead.Thedesignofthestructureisrelativelysimpleandcanachieveagoodbarcodeprintcontrolfunction,afterrepeatedtests,canbeverygoodimplementationofbarcodeprinting.

Keywords:

LPC1754microcontrollersteppermotorsensorsRS-232thermalprinthead

1绪论

1.1课题研究背景以及需求

标签是产品标识的一部分，是合格产品不可缺少的重要标志。

在市场竞争日益激烈的今天，标签不合格都成为了一些国家阻碍他国产品进入本国的壁垒之一，这足以看出标签的重要作用。

标签也成为了产品是否能够进入国际市场的条件之一。

条码打印机又称为标签打印机，服装吊牌打印机，信封打印机，是一种专门能够大量快速打印不干胶标签、pet标签、吊牌、水洗布等的打印设备。

条码打印已经广泛应用于生产生活中的各个方面，例如：

超市、政府部门、生产制造企业、物流仓储、库存管理、服装吊牌、工业生产流水线、医疗等等铜版纸标签用量较多的地方。

条形码打印机分为热敏打印机和热转印打印机这两种方式，目前大多数的打印机都支持热敏打印和热转印打印。

并且在使用说明书中也对打印机的打印方式做了说明。

条码打印机热印主要有两种，一种是热敏纸受热变色方式，也就是常说的热敏方式；一种是转印色带墨水方式，也就是常说的热转印方式。

热敏打印方式下，条码打印机工作原理是，打印头发热，热敏标签介质在条码打印机打印头的发热点处受热后变色，显示出要打印的内容。

使用热敏承印介质的标签，在日光作用下会逐渐变淡，保存时间较短（通常不超过6个月）。

但目前很多应用领域要求标签保存长久，这就需要使用热转印原理打印。

热转印打印方式下，条码打印机工作原理是，使用热转印碳带作为介质打印到标签承印介质上。

电脑控制条码打印机的打印头发热，热转印碳带的碳粉涂层在打印头发热的热力作用及打印头压力作用下，熔化并转印到标签承印介质上，显示出要打印的图形及文字。

热转印方式打印的标签材质有多种选择，不同的材质标签保存时间是不同的例如树脂基碳带打印，它的PET标签可以保存三至五年。

如果用户需要打印发票，建议使用热转印打印，若打印其他单据，可以推荐使用热敏打印。

条形码技术是随着科学技术的发展而诞生的。

它是集编码、印刷、识别、数据采集和数据处理于一身的新型技术。

使用条形码扫描，是今后市场以及医疗领域流通的大趋势。

1.2课题研究的内容和目标

课题研究的是选定LPC1754单片机作为系统控制核心,并结合步进电机驱动模块、热敏打印头缺纸检测模块、RS-232通信模块和供电模块等部分模块构成条形码打印生成系统。

其中步进电机驱动模块主要驱动打印头以及切纸同时也控制打印纸如何走纸以及它的走纸速度;热敏打印头缺纸检测电路完成热敏打印头是否有纸检测;RS-232通信模块实现打印机与PC机之间的通信;供电模块给控制电路及热敏打印头供电。

本课题研究的主要内容包括以下几个方面：

1、系统整体方案设计。

根据系统将要实现的功能以及系统的稳定性及准确性；本次设计方案便采用模块化设计方法，这样就方便了系统的调试以及后期开发。

2、系统硬件设计主要包括LPC1754最小应用系统设计；电机驱动设计、热敏打印头设计；光电传感器控制设计、RS-232串口通信设计和电源供电模块设计。

3、系统软件设计。

主要包括步进电机驱动控制程序、传感器控制程序、打印头控制程序以及串口通信程序。

4、系统的功能调试。

1.3研究的意义与价值

随着科学技术的飞速发展，病历电子化是未来的必然发展趋势，但国内目前大部分医院仍采用手工操作，用纸张作为传递载体。

尽管国内有些医院已经有了自己的信息系统。

但它们都是事后将医生诊断的结果和处方信息录入计算机的办法，这样工作量庞大，极易出差错。

病房管理目前都是采用手工方式。

如果能将护理信息和医生巡房信息电子化，这样就能节省大量时间。

还能及时反馈病人信息和处理情况。

以条形码作为信息传递的载体，可以帮助医院对日常事务中产生的病历、住院费用、药品药库、医疗器械等物流和信息管理的即时跟踪。

帮助医院实现从粗放式管理转向精细规范化管理。

以此提高医院的竞争能力和经济效益。

此外药品的条码化管理确保其准确安全和快速。

2系统设计原理及方案概述

2.1系统方案概述

如图2-1-1所示此条形码打印机主要由五部分系统组成：

上位机系统、电源供电系统、主控制系统、驱动电路系统、执行系统等部分组成。

上位机通过串口调试电路采用rs232全双工通信协议，与主控芯片进行数据交换。

主控芯片根据上位机传输的数据，参看驱动和打印系统是否故障，无故障则驱动驱动系统，从而达到控制执行系统执行任务的目的。

其中电源供电系统包括主控电源供电系统、步进电机模块驱动系统、和热敏打印头及传感器供电系统。

主控系统包括对驱动电路的逻辑控制，及步进电机的算法运算控制，传感器的执行反馈，条形码的算法设计，及RTC时间保存。

驱动系统主要由步进电机驱动电路组成，其主要完成了精确控制打印过程中走纸速度，和热敏打印头的实时打印的位置。

执行系统主要包括传感器的缺纸检测，和热敏打印头在步进电机的控制下，经行条形码打印。

图2-1-1条形码打印结构框图

本设计条形码打印机的任务主要是通过上位机接受信息然后发给主控制系统通过它对信息进行有效处理，而后通过步进电机驱动打印头，打印头芯片再对这些数据信息进行实时打印。

此过程包括：

数据传输、信号处理、实时打印控制等过程。

基于此目的，从数据的信息量、处理控制的复杂程度以及数据传输方式等特点，本次设计便采用Cortex-M3平台完成以上任务。

嵌入式系统设计最基本要包括硬件设计和软件设计两大部分，嵌入式系统的开发过程一般包括需求分析、详细设计、应用开发以及软硬件测试等步骤。

本文的系统设计将围绕这些步骤进行详细说明。

2.1.1需求分析

由于上位机类别的差异，上位机与控制系统的通信可以有多种方式例如：

串口通信、蓝牙通信、红外或者有线网络等方式。

在硬件上可以给系统外设增加相应的通信模块，为了实现兼容在软件方面也需设计合理的通信协议。

采用不同的通信模块，它的通信速度快慢也是有差异的，因此要根据自己的系统设计综合考虑然后选择合适的通信方式。

热敏打印控制方面要求打印芯片合理控制打印纸的切纸速度、走纸速度、换行、缺纸检测以及过热保护等。

2.2控制系统总体设计

根据基本的嵌入式系统设计方式，成本控制、硬件的性价比选择、软件的最优设计以及产品的安全保障性能等，对系统进行合理规划以及设计。

2.2.1控制系统的总体设计

根据条形码打印机的打印原理，系统除主控制电路外的总体设计分为两个部分，打印控制电路部分以及数据传输通信部分。

主芯片采用LPC1754，结合复位电路、时钟电路，电源等电路完成控制功能。

热敏打印控制电路主要包括：

步进电机驱动控制、I/O口设置、打印头温度控制和检测、打印头过热保护模块以及打印头缺纸检测等电路。

【10】数据通信模块选用RS232串口通信模块。

如图2-2-2所示为系统功能结构框图

图2-2-2系统功能结构图

本系统采用24V输入电压，从电源电压输入端J1输入，通过电源转换芯片CS5144进行开关稳压，输出5V电压。

为后续电路提供5V电压。

开发板所需的3.3V电源再由5V输入经LP2951芯片产生。

它们的组合为整个系统提供电压。

本设计使用的是二相八拍步进电机驱动切纸以及控制打印机的走纸与走纸速度。

因为本设计采用的是热敏打印头所以，对温度的检测以及打印头过热保护是比不可缺少的工作，打印头有一定的温度承受范围，如果温度过高，则会烧坏打印头，如果温度过低则达不到显印的效果。

JTAG接口电路是为系统的软件编程以及调试提供接口。

3.系统硬件设计

3.1电源电路

电源电路系统，主要由三部分组成:

5V稳压电源电路；3.3V稳压电源电路；电源保护电路。

3.1.15V电源电路

本设计采用24V电源供电，通过DC-DC降压模块，输出5V电压，然后经过DC-DC模块输出3.3V电压给控制芯片，同时为驱动芯片提供逻辑电压。

本电源的5V电源系统采用CS51414作为稳压芯片。

CS51414是1.5A的降压转换器器件，是以固定频率260KHz和520KHz工作的它们使用V2TM与能比的瞬时反应，这对于如今的高速逻辑器件来说是最好的全局调整控制也是最简单的环路补偿。

图3-1-15v电源稳压电路

CS5141的电源为宽电压输入，其电压输入范围为4.5V到18V。

模块输出电压在输入电压范围内可调，所以此模块适合大多数的高压降的电源供电电路，由于其宽电压的输入输出范围，增强了输出电压的稳定性。

CS51411和CS51413带有同步电路系统，为了提高效率尤其是在高输入电压低负载的下CS51414能够选择从3.3V到6.0V的外部电源启动控制器。

其内部集成的NPN晶体管能够提供最小值为1.5A的输出电流，为了确保饱和通过一个外部的”boost”电容偏置这样就可以使芯片内部的电源损耗最小化保护电路。

系统包括热关断逐周期电流限制和频率折返。

CS51414在功能上是引脚兼容之前的版本。

CS51414的性能表现在，其V2结构提供超快速瞬时反应提高了调整能力和简化了设计，使误差放大器参考电压精度为2.0%。

当CS51414发生短路，模块的开关频率会减少到正常工作频率的1/4，从而减少了电源损耗，也保护了电源电路。

通过操作模块的BOOST引脚，可以进行Bootstrapped操作，从而使电源系统得到最大效率。

模块的同步功能的主要作用是，使电源并行工作并能使电源工作过程中产生的电源噪声降到最低。

4脚为芯片电源输出控制脚，将此脚的电平拉低，芯片就停止向外输出电压，关断电源。

当电源关断时，其流过的静止电流只有85uA。

模块支持热关断；并且支持芯片软启动。

本系统采用12V输入电压，从电源电压输入端J1输入，通过CS5144经行开关稳压，输出5V电压。

为后续电路提供5V电压。

3.1.23.3V电源电路

3.3V稳压电路采用LP2951来作为稳压芯片如下图

LP2950、LP2951是SIPEX公司推出的低功耗电压调节器。

适合于大多数电池供电的电源系统。

生活中常见的无绳电话、wifi和蓝牙控制系统、以及笔记本等都可以采用此芯片进行电源转换。

它具有极低的静态电流、压差低等特性（负载比较小的时候，压差最低能达到50mV；100mA负载时，压差为380mV）。

LP2951具有很小的初始容限（一般0.5%），非常良好的负载及线路调节特性（一般0.05%），并具有非常低的温度系数（20ppm/℃），因此非常适合做低功耗电压源。

图3-1-23.3V稳压电源电路

模块的错误标志输出脚，可以对系统工作过程中的电压进行实时监测，当电源系统电压欠压，或者输入管脚的电压跌落等情况，模块的4脚逻辑关断脚，可此管脚进行操作，控制芯片内部的调节器调整芯片的开/关状态。

LP2950有多种封装形式，其中提供了一种TO-92封装，可以轻松替换其他半导体厂商的5V、3V电源稳压模块。

本设计采用的是LP2951提供8引脚SOP8封装。

本设计采用在LP2951的输出与地之间连接一个1.0uF的钽电容来稳定输出电压。

避免发生发生振荡。

保证其在温度-25℃以下时，电子间的漂移极大地减少。

在电容的选择上严格征询的一下原则：

在输出电流比较低的情况下，稳定输出的电容值也可以适当减小。

如果电流为10mA，电容值可以降到0.33uF，如果电流为1mA，电容值可以降到0.1uF。

当输出电压在5V以下，其输出电容的容量可以适当增大一些，从而满足在较低的增益条件下的误差放大器。

在1.23V输出，100mA负载时，最好使用3.3uF或更大的电容。

LP2951与其他低压差稳压模块的不同，如果内部分压器没有额外的负载消耗的情况下，任然可以做到稳定输出。

该特性非常适用于一些CMOSRAM保持的场合。

当设置好LP2950/51的外部电阻后，仅需最小1uA的外部负载。

如果在输入与AC滤波电容之间有10英寸以上的连线，或者用电池做输入时，则在输入与地之间连接一个1uF的钽电容或铝电容。

如果LP2951的反馈端（7脚）存在杂散电容，器件的工作将可能不稳定。

此时如果使用一个比较大的外部电阻设置输出电压，将有可能造成更多的问题。

解决这个问题可以通过如下方法：

输出端和反馈端各接一个0.1uF的电容，输出电容增加到3.3uF以上。

误差输出检测:

当LP2951的实际输出值比额定输出值低5%左右时，比较器会将错误输出端输出一个低逻辑电平。

实际的参考电压与额定1.235V的参考电压偏差在60mV以内。

如果低于额定值的5%，将有可能触发输出。

调节器的可编程输出电压不考虑在内。

所示为LP2951输入电压上升及下降时，VOUT与ERROR信号的时序。

当输入电压降低至1.3V以下时，ERROR信号将维持低电平，在5V输入时（VOUT=4.75V左右），ERROR将输出高电平。

因为LP2951的压降取决于负载，输入电压触发点（5V左右）将随着负载电流变化。

输出电压触发点（接近4.75V）不会随负载变化。

误差比较器为集电极开路输出，需要外接上拉电阻。

按照系统的要求，该电阻可与5V输出及其他电压源连接。

根据这个电阻的取值，输出端的反向电流可以增长至400uA。

这个值在低电池情况下，将增加一定的电池消耗。

建议在100k到1MΩ之间取值。

如果没有使用ERROR输出功能，则无需外接上拉电阻。

LP2951的输出电压是可控的，可以通过比较器的比较端连接得到5V电压，通过模块内部分压器，在输出脚及Sense脚及反馈脚到5V端输出脚。

同样，其可以通过1.235V的参考源获得其他的输出电压，最大30V。

如图2所示，仅需一对外部电阻即可。

可以通过下面的等式得到相应的电压：

VOUT=VREFx（1+R1/R2）+IFBR1

VREF为1.235V，IFB为为反馈偏置电流，其大小一般在20uA，它需要外接一个最大1.2MΩ的上拉电阻R2从而可以得到1uA最小负载输出。

如果没有负载，IFB输出将存在2%左右的误差，在室温下可以通过调节R1消除误差。

为了增加准确度，可以选择R2=100k，其将减少误差到0.17%，及增加电阻上的12uA。

当引脚2开路、无负载时，SPX2951将消耗60uA。

降低输出噪声有很多方法可以减少输出端的噪声。

一种方法就是通过增加输出端的电容减少调节器带宽。

相对于TO-92,3脚封装的的LP2950,这种办法是可以有效的减少噪声的方法。

当输出5V，频率在100kHz带宽的情况下，当电容的容量从1uF增大到220uF，而电源噪声也从430uV减少到160uVRMS。

因为其高频增益由4减少到1。

可以按照下面等式选取电容：

CBYPASS≌1/2πR1x200Hz

或者选取0.01uF。

可以将输出电容增长到3.3uF以稳定输出。

当电源模块输出，5V时，频率为100kHz带宽时，同样可以将输出噪声从430uV减少到100uVRMS。

增大旁路电容时，电源噪声就不会再随着输出电压线路的变化而变化，所以模块输出电压比较高的时候，其噪声变化将更难预测。

3.1.3电源保护电路

本设计中采用电源保护电路保护整个电影系统，当热敏探头过热或者驱动电机过流输出时，可以通过单片机I/O口控制MOS管断开电源，从而起到保护热敏打印头过热烧毁，和步进电机驱动芯片过热烧坏电源芯片。

图3-1-3电源保护电路

如图3.1.3中所示，IRF7416为IR公司生产的P沟道场效应管，其VDS电压为30V，RDS为0.02R，在这里作为VH电压输入电压的开关来用，VIN的输入电压为27V，小余管子的耐压值，又由与其20mR的导通内置，所以发热量很小，其so-8的封装，减小了PCB板子的布局。

R23,R24,R26,R27,Q1组成MOS管的旁路电路，刚开始上电时，VH-EN脚输出低电平，Q1不能导通，VH电压通过R23脚到IRF7316的G脚，MOS管IRF7416导通，VINT通过MOS管道VH，给系统供电。

当打印机运行过程中，当LPC1754接收到过热型号时，将管教VH-EN拉高，Q1被导通，VIN通过R23,R24到地IRF7416不能被导通，VIN电压不能到达VH，电源供电电源断开。

IRLML6401在这里与IRF7416一样都是P沟道MOS管，在这里它起到的是开关的作用，起到保护3.3V电源的作用。

刚上电时，LOGIC_EN为低电平，IRLML6401导通，VIN3.3通过IRLML6401，到VL3.3为系统提供3.3V电源。

IRLML6401为SOT-23封装，体积小，耐压值为12V，内置为50mR,完全符合系统要求。

3.2主控系统

3.2.1最小系统电路

本设计采用LPC1754作为打印机主控制系统,它是整个打印机系统的核心。

LPC1754采用ARM Cortex-M3内核，Cortex-M3内核，作为当下的主流芯片内核，其以强大的外设功能，低廉的价格优势，受广大开发商和用户的青睐。

LPC1754工作频率可达到100MHz。

芯片内部包含了嵌套向量中断控制器。

嵌套中断向量控制器的作用是可快速确定外设传来的中断位置。

芯片内部包含可支持优先自动唤醒中断功能。

它的内存最高可达到512KB，SRAM最高可达到64KB。

内部包含内存保护单元，保护分为四种节能模式：

1、睡眠模式；2、深度睡眠模式。

3、关机模式；4、深度省电模式。

这四种节能模式可以使整个控制系统保持在最佳功耗状态。

采用矩阵式AHB总线，可同事运行以太网、USB等高带宽外设，而不会影响性能

其主要外设资源包括：

1、串行外设

-10/100以太网MAC

-USB2.0全速器/主机/OTG控制器，配有片上PHY

-四个UART，支持小数波特率产生、RS-458、调制解调器控制I/O和IrDA

-两个CAN2.0B控制器

-三个SSP/SPI控制器

-三个I2C总线接口，其中一个支持加速模式（1Mbit/s数据速率）

-I2S数字音频接口

2、模拟外设

-12位模数转换器，配有八个通道，转换速率最高可达200KHz

-10位数模转换器

3、其他外设

-实时时钟，工作电流<1uA

-八通道通用DMA控制器

-最高70个通用I/O

-马达控制PWN和正交编码器接口，支持三相马达

-四个32位通用计时器/计数器

-4MHz内部RC振荡器，准确度调至1%

图3-2-1最小系统图

如图3-2-1所示为此系统的最小系统图，本系统采用3.3V作为单片机的电源电压，各个电源输入脚采用0.1uF的电容作为回路的去耦电容，是系统电源电压更加稳定。

12M的晶振作为系统的控制时基基准，外面采用22PF的滤波电容对晶振电路谐振组成部分，采用32.768K的晶振作为RTC的时钟基准，为系统提供断电时间计时处理。

RIL1和C58组成芯片上电复位RC电路。

AD基准电压由电源电压3.3V,通过RIL2和c57,c56组成t形滤波电路滤除杂波后，输入给单片机VDDA脚，VSSA脚与电源系统的地相连。

3.2.2边界扫描系统（JTAG接口）

主控系统采用JTAG接口进行芯片控制程序调试接口，

JTAG（JointTestActionGroup；联合测试工作组）是一种国际标准测试协议（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。

【1】

JTAG最初是用来对芯片进行测试的，JTAG的基本原理是在器件内部定义一个TAP（TestAccessPort；【2】测试访问口）通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。

JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。

【3】如今，JTAG接口还常用于实现ISP（In-SystemProgrammer，在系统编程），对FLASH等器件进行编程。

主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试