CN102649369A - 便携热敏打印机供电电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种便携热敏打印机供电电路及方法，综合考虑电池、直流变换电路、热敏头片温度、现场温度、加热驱动电压等各种因素，据此采用优化的控制算法和电路来实现便携热敏打印最高效率的节能设计。在硬件电路方面，多路温度采样电路对现场和热敏头片进行精确和实时的温度采样并数字化，软件方面，高性能处理器通过专门的反馈和控制算法，计算温差和热敏头片的温度分布，并检测电池放电电压，优化放电曲线，通过数字电阻实时调整输出电压，实现电池利用效率的最大化。

Description

便携热敏打印机供电电路及方法

技术领域

本发明涉及便携热敏打印POS机的数字节能设计，以保证在不明显降低打印品质的前提下，在有限的电池容量下可以实现较多的票据打印。

背景技术

当前对便携式热敏打印机设计的关键要求是在有限的电池容量下可以实现较多的票据打印同时不要明显的降低打印品质，现有技术中要提供大的待机和打印能力，一般优先考虑增加电池容量，电池容量的增加直接带来体积、重量和成本的提高，也不可能无限增加；也有采用低功耗的半导体元件和加热片来实现省电，但此举节省的电力有限；另外，目前采用电池供电的便携热敏票据打印机供电的方式主要是直接由电池电压接入到热敏头片的VPP电压驱动端，中间采用一级MOS来控制电流通断，以便待机时切断电路，其优点是电路简单，但是电池的保护和电池的充分利用方面无法兼顾。因为热敏头片执行加热动作依据输入的图形和字符信息解析，对电源的消耗起伏很大，导致锂电池放电电压波动很大，容易触及到锂电的放电截止电压，对电池造成损害，同时电池有可能还有较多的电量，只是瞬间放电能力不足，电池的电量没有被有效利用。

因而，在现有技术基础上再如何降低整机系统的功耗并可以支持更多的票据打印，并最大限度地利用电池的电量则成为本领域的难点，同时也是本发明所面临的课题。

发明内容

本发明针对现有热敏打印机电池的电量没有被有效利用的问题，提出一种便携热敏打印机供电电路，其具体技术方案如下：

一种便携热敏打印机供电电路，包括：处理器、供电电池、热敏头片、封装在热敏头片中的热敏电阻，其特征在于：还包括：DC-DC变换电路，该变换电路输入端与供电电池相连，输出端通过反馈采样电阻输出驱动电压到所述热敏头片的VPP驱动端，所述变换电路的使能端连所述处理器的GPIO端；数字电阻，该数字电阻并联在所述采样电阻的两端，该数字电阻的串行接口端连所述处理器的GPIO端；系统主板上用以检测环境温度的温敏电阻，该温敏电阻通过环境温度采样电路连接所述处理器的一路ADC端，所述处理器的另一路ADC端通过头片温度采样电路连所述热敏头片中封装的热敏电阻，再一路ADC端连所述供电电池的输出端以检测电池放电电压。

如上所述的便携热敏打印机供电电路，其中，所述供电电池的输出端通过滤波电路一方面连所述处理器的ADC端，另一方面通过电压比较电路连所述处理器的中断请求端。

如上所述的便携热敏打印机供电电路，其中，所述DC-DC变换电路的输出控制端通过外置式MOSFET输出驱动电压，该MOSFET的控制端同时连所述处理器的GPIO端。

如上所述的便携热敏打印机供电电路，其中，所述检测环境温度的温敏电阻位于主板无热源影响的边缘位置。

本发明还提出一种便携热敏打印机供电方法，其中，包括如下步骤：

A、打印开始，处理器检测现场的温度和热敏头片的温度，并依据温差来设定起始的打印驱动温度；

B、打印过程中，处理器根据热敏头片的温度变换调整加热触发时间和/或通过调整数字电阻的阻值调整DC-DC变换电路的输出的驱动电压；

如上所述的便携热敏打印机供电方法，其中，所述B步骤之前或之后还包括如下步骤：

B1、处理器检测供电电池的放电电压，根据放电电压的降落通过调整数字电阻的阻值调整DC-DC变换电路输出的驱动电压。

如上所述的便携热敏打印机供电方法，其中，当所述打印机处于待机状态时，所述处理器关断整个DC-DC变换电路。

如上所述的便携热敏打印机供电方法，其中，当热敏头片的温度超过警戒温度时，所述处理器关断DC-DC变换电路。

如上所述的便携热敏打印机供电方法，其中，所述B1步骤中，当供电电池的放电电压达到截止电压时，触发处理器中断并执行如下步骤：

B11、判断打印缓冲队列未处理数据，若超过5行打印，设置缓冲已经满信号，调整打印速度，直至电池耗尽。

B12、若在5行之内打印数据，设置缓冲满信号，调整打印速度，打印完毕撤销满信号。

B13、若打印缓冲队列空，关闭DC-DC变换电路。

如上所述的便携热敏打印机供电方法，其中，所述B11中的打印速度为0.5行/秒；所述B12中的打印速度为1行/秒。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果如下：本发明综合考虑电池、直流变换电路、热敏头片温度、现场温度、加热策略驱动电压等各种因素，据此采用优化的控制算法和电路来实现热敏打印最高效率的节能设计。在硬件电路方面，多路温度采样电路对现场和热敏头片进行精确和实时的温度采样并数字化，软件方面，高性能处理器通过专门的反馈和控制算法，计算温差和热敏头片的温度分布，并检测电池放电电压，优化放电曲线，通过数字电阻实时调整输出电压，实现电池利用效率的最大化。

本发明在不影响品质的情况下能实现最大限度的使用电池的电量来做有用功。对于大多数用户可以选择自动节能配置选项，做到最优化的电池使用效率，明显提高便携热敏打印机类产品的使用体验。

附图说明

图1为本发明硬件系统结构原理图；

图2为效率、变换压差和输出电流关系图；

图3为驱动电压数字化调整电路原理图；

图4为热敏头片集成热敏电阻温度-电阻函数图；

图5为电池放电检测和保护电路；

图6为本发明供电控制状态图；

图7为现场环境温度采样电路原理图；

图8为头片温度采样电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1及图3，图1示出了本发明硬件系统结构原理图，图3为驱动电压数字化调整电路原理图，本发明包括处理器、锂电池、热敏头片、封装在热敏头片中的热敏电阻，DC-DC变换电路U1及数字电阻U2，DC-DC变换电路输入端VIN与供电电池相连，输出端通过反馈采样电阻输出驱动电压到所述热敏头片的VPP驱动端，变换电路的使能控制端CE连所述处理器的GPIO端；本实施例采样电阻包括电阻R1及R2，电阻R1的一端连驱动电压输出端，另一端一方面接DC-DC变换电路的反馈端，另一方面通过电阻R2接地，为了动态调整输出驱动电压的大小，电阻R1的两端并联数字电阻，数字电阻的串行接口端连所述处理器的GPIO端，处理器通过串行接口设定电阻刻度，动态反馈DC-DC变换电路的输出；为了监测现场环境温度，还包括一系统主板上用以检测环境温度的温敏电阻，参考图7，该温敏电阻NFR1通过环境温度采样电路连接处理器的一路ADC端，参考图8，热敏头片中的热敏电阻通过头片温度采样电路连接处理器的另一路ADC端，供电电池的输出端连接处理器的第三路ADC端。其中，DC-DC变换电路主要对锂电池进行降压稳压，降低对放电电压的波动，解决锂电池瞬间放电能力不足的问题。这样就带来了一路DC-DC变换电路的静态功耗和为降低纹波引入大容量电容带来的漏电流功耗消耗。随着电池电量的减小，其放电曲线的下降，直流变换的压差越来越大其转化效率也降低，静态功耗呈上升趋势。随着锂电池电压降低，当设定的驱动电压高于锂电电压时，则直流降压电路将不能工作，电池的利用效率较小。

为克服上述问题，本发明中热敏头片的驱动VPP使用DC-DC变换电路采用外置MOSFET Q1，由处理器控制整个DC-DC变换电路的工作，待机时关断整个直流变换电路，完全消除静态功耗和漏电流。

便携热敏打印机机芯加热头片允许一个较宽的工作范围，可以从4.2-8V工作。供电电池锂电池采用7.4V/2800mAh，内部封装两个3.7V电芯，放电截至电压为5.5V。本发明设计驱动VPP在电压4.2-7.2V内的连续调整，直流变换电路通过采样电阻反馈调整输出驱动电压，本发明设计使用ADI公司高精度可调数字电阻作为采样反馈电阻，由设定反馈分压点来动态调整输出驱动电压VOUT。如图3所示，根据输出驱动电压VOUT输出到热敏头片VPP运行范围4.2-7.2V，VOUT计算公式：

VOUT＝Vref*(1+Rx/R2)，其中Vref＝1.221。             (1)

Rx＝(R1*Rt)/(Rt+R1)                                 (2)

将(2)代入(1)中，可以得到：VOUT＝Vref*(1+(R1/R2)*(Rt/(R1+Rt)))。

继续推导，将其简化为电阻Rt的函数，可以得到：

Rt＝R1*R2(VOUT-Vref)/((Vref*(R1-R2))-VOUT*R2)。     (3)

本发明电阻R1＝10K欧姆，1％精度，电阻R2＝1K欧姆，1％精度，U2采用20K欧姆量程，1％精度。根据锂电池和热敏头片的驱动适用范围4.2-7.2V，代入(3)，可以计算电阻Rt的调整范围：4.39-15.78K欧姆。

依据U2的数字电阻计算公式：Rd＝data/256*20K          (4)

本发明采用数字电阻为256划分刻度，对应公式(4)，可以计算数字化的电阻量程刻度data＝56-202，对应十六进制电阻量程刻度data＝0x38-0xCA，基本上有效利用了数字电阻的有效刻度。由此可以继续计算最小的驱动电压ΔV约为0.02V，完全可以满足精细化调控驱动电压的设计要求。通过使用数字电阻调整驱动电压，可以在一个较宽的范围内进行连续调整。可变驱动电压可带来较佳的功耗控制水平，首先可以通过实时的现场环境和热敏头片温度的采样来判断热敏头片剩余热量，据此设定VPP的初值。若温差很大，则说明头片前面执行加热动作，可以适当降低VPP来降低功耗输出。若温差很小，则打印任务设定一个较高的VPP来保证打印质量，因为是一个动态过程，如果有连续的打印任务则VPP实施一个动态调整过程，既可以有效保证打印质量和打印速度又可以有效降低功耗。

同时，处理器还随时监控锂电池的输出电压，随着放电曲线的下降，随时调整VPP适当下降，保持最佳的直流变换效率。图2为本发明使用的某款DC变换IC的效率、变换压差和输出电流的关系图，从图中可以看到，保持输入和输出的压差小于1V则整个转换效率可以保证在95％以上，由此可以保证直流变换电路最小的静态功率损耗。

对于热敏打印机一旦启动加热动作，一定会有一部分剩余热量积累，导致热敏头片温度逐步升高，虽然热敏机芯的工作温度为0-50℃，但是连续运行后头片和陶瓷衬底的温度可以达到80℃以上，所以一般的票据打印连续打印稍长一段则就会出现过烧现象，观察打印出的字体有拖尾和扩散现象。如果开始设定一个较小的加热量则环境温度较低时，最初打印的票据则清晰度不够。本发明热敏头片内部封装一个负温度系数热敏电阻，常规设计目的为防止热敏头片过热烧毁。本发明实时计算热敏头片温度，通过和环境温度的对比，设定初始的打印驱动电压，同时在打印中动态调整驱动电压，充分利用热敏头片和衬底的温度来加热压入的热敏纸。驱动电压的调整同时又和锂电池的放电电压相关联，依据直流变换电路的转换效率来提供最佳的匹配。这种调整同时考虑了便携打印的使用特点，运行时电压波动较大，既要防止锂电池电压过放，同时又要尽最大效率释放电池电量。图4为热敏头片集成的热敏电阻的温度和电阻对应值。

现场环境温度采样电路用于采集环境温度和热敏头片的温度，采用和热敏头片集成的基本一致的负温度系数的分立式温敏电阻，其温度和电阻函数图也基本一致。在本发明的设计中，温敏电阻的排布远离电路板上其他热源的影响，靠近电路板边缘和靠近外壳。根据实际使用经验，当现场温度和热敏头片的温度之差大于4度时，启动驱动电压调节节能策略。

本发明采用现场温度测量的设计带来的一个可以深度优化的功能：在一些极端情况，比如便携打印机在低温环境中运行，一般机器启动初期打印的票据品质不好，因为加热能量和环境温度之间差很大，热敏纸加热不充分由此导致印字不清楚。通过判断现场的温度可以设置初始打印的加热时间和驱动电压来打印最佳品质。而且，通过测量现场温度的热敏电阻可以判断热敏头片的测量温度是当前的环境温度还是由于前面的加热任务导致的更高的温度。

因为热敏打印对于不同的打印数据功耗消耗起伏很大，特别是包含连续黑块的图形打印，放电电压可能短时间下降很大，经常过放电对锂电池的寿命有影响。电池的特性决定在一定时间的弛豫缓和后还是可以继续打印，因此对电池采用了两级控制保护，电池电压降落检测时，采用滤波和均衡化，参考图5，图5为电池放电和检测和保护电路。所述供电电池的输出端通过均衡滤波电路一方面连所述处理器的ADC端，另一方面连所述处理器的中断请求端。所述均衡滤波电路包括电阻R3及R4，所述电阻R 3一段连锂电池的输出端，另一端一方面通过电阻R4接地，另一方面通过电容C2接地，再一方面连接处理器的ADC1端，这样，即保证电池安全防止过放电又可以有效汲取电量。

可充电锂电池在完全充满电的电压接近8.4V，到放电截止电压6V之间都是要处理器采样的，当打印驱动运行时又将放电电压拉低到6V以下时，直接触发处理器中断，进入到异常中断处理函数中做电压过放处理，处理过程如下：

一、判断打印缓冲队列未处理数据，若超过5行打印，设置缓冲已经满信号，打印速度设置0.5行/秒，以最低品质打印，电池耗尽光、声报警。

二、5行之内打印数据，设置缓冲满信号，打印速度设置为1行/秒，打印完毕撤销满信号，电池将耗尽光、声报警。

三、打印缓冲队列空，关闭直流变换，让电池立刻弛豫恢复，在下一次启动打印前延时3秒。

本发明中通过现场环境温度、热敏头片温度和电池放电输出电压三个参数结合数字电阻来动态调整加入到热敏头片驱动电压，变化状态图如图6所示，其中环境T1通过系统主板上的温敏电阻来获得，热敏T2通过封装在头片内的温敏电阻来获得，直流变换指DC-DC变换电路，数字反馈即处理器接收到各信号后或直接或通过调整数字电阻对上述部件进行调整控制，各变换状态的控制过程如下。

①初始时环境温度决定热敏头片温度，为简化问题，通常认为热敏局部温度不会对整个现场环境温度造成影响；

②热敏头片的温度变化曲线施加于数字反馈，数字反馈改变直流变换，最大限度使用损耗热源，节省电池电量；

③一旦热敏头片温敏电阻检测头片温度超过保护警戒线则直接关断直流变换，保护头片不会过热烧毁；

④环境温度优化数字反馈信号，保证各种极端情况下获得最少电池电量消耗，获得最佳打印品质；

⑤电池放电曲线通过数字反馈来优化直流变换的效率，最大可能的降低直流变换的静态损耗；

⑥电池电压输入到直流变换电路中，电池电量低，防止电池过放电，直流变化可以直接关断；

⑦直流变换电路提供热敏头片所需要的稳定和高输出电流的能量，并且在待机模式下直接关断直流变换电路消除变换静态功耗和滤波电容带来的漏电流；

⑧为了达到节能的目的，直流变换的输出采样电阻采用了数字化电阻，在处理器的控制下可动态和直接的调整驱动电压的输出；

⑨驱动电压通过数字电阻和高精度分压电阻来反馈到直流变换电路；

⑩驱动电压的高低直接影响热敏头片的温度，其为非线性关系。

表一为关键的节能设置热敏头片温度和优化驱动电压的对应关系表，并且给出了优化的加热脉冲时间。表中给出了每隔5度的温度-电压调节曲线，因为数字电阻的最小调整刻度可以达到0.02V，因此在5度的曲线内可以认为其温度-电压为线性变化。另外，因为温度变化一般有一个滞后性，考虑到处理的简化性，在要求不高的情况下可以认为温度-电压为线性关系即可。

表一 节能参数优化表

本发明采用数字化驱动电压调节方法，利用了热敏打印机加热损耗引起的头片温度升高的特性可以预热打印纸的效果，实时检测头片的温度并提出了一套优化设计策略，综合优化了便携式打印机的功耗设计。同时不断的检测电池的放电电压，保护电池在任何情况下都不会引起深度过放状态，保护电池免于损坏。由于是一种动态调整的过程，并且实际的设计中采用了高性能处理器，因此可以设置很多的优化选项开关来进行选择。比如直流转换效率优先选项，电池放电优化优先选项，打印品质保证优先选项，余热优先利用选项等等。基体来讲，当选择直流转换效率优先时，始终保持最优的转换效率，主要通过调整加热脉冲时间及调节驱动电压的大小来实现；当电池放电优化优先时，主要是当电池电压达到截止电压时，充分利用电池的弛豫特性；当选择余热优先时，首先考虑头片的温度，充分利用头片的余热；当选择打印品质保证优先时，主要保证VPP固定，进而调整其他参数。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域有类似要求的液体、气体的控制，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种便携热敏打印机供电电路，包括：处理器、供电电池、热敏头片、封装在热敏头片中的热敏电阻，其特征在于：还包括：

DC-DC变换电路，该变换电路输入端与供电电池相连，输出端通过反馈采样电阻输出驱动电压到所述热敏头片的VPP驱动端，所述变换电路的使能端连所述处理器的GPIO端；

数字电阻，该数字电阻并联在所述采样电阻的两端，该数字电阻的串行接口端连所述处理器的GPIO端；

系统主板上用以检测环境温度的温敏电阻，该温敏电阻通过环境温度采样电路连接所述处理器的一路ADC端，所述处理器的另一路ADC端通过头片温度采样电路连所述热敏头片中封装的热敏电阻，再一路ADC端连所述供电电池的输出端以检测电池放电电压。

2.根据权利要求1所述的便携热敏打印机供电电路，其特征在于：所述供电电池的输出端通过滤波电路一方面连所述处理器的ADC端，另一方面通过电压比较电路连所述处理器的中断请求端。

3.根据权利要求1或2所述的便携热敏打印机供电电路，其特征在于：所述DC-DC变换电路的输出控制端通过外置式MOSFET输出驱动电压，该MOSFET的控制端同时连所述处理器的GPIO端。

4.根据权利要求3所述的便携热敏打印机供电电路，其特征在于：所述检测环境温度的温敏电阻位于主板无热源影响的边缘位置。

5.一种便携热敏打印机供电方法，其特征在于：包括如下步骤：

A、打印开始，处理器检测现场的温度和热敏头片的温度，并依据温差来设定起始的打印驱动温度；

B、打印过程中，处理器根据热敏头片的温度变换调整加热触发时间和/或通过调整数字电阻的阻值调整DC-DC变换电路的输出的驱动电压。

6.根据权利要求5所述的便携热敏打印机供电方法，其特征在于：所述B步骤之前或之后还包括如下步骤：

B1、处理器检测供电电池的放电电压，根据放电电压的降落通过调整数字电阻的阻值调整DC-DC变换电路输出的驱动电压。

7.根据权利要求5或6所述的便携热敏打印机供电方法，其特征在于：当所述打印机处于待机状态时，所述处理器关断整个DC-DC变换电路。

8.根据权利要求7所述的便携热敏打印机供电方法，其特征在于：当热敏头片的温度超过警戒温度时，所述处理器关断DC-DC变换电路。

9.根据权利要求8所述的便携热敏打印机供电方法，其特征在于：所述B1步骤中，当供电电池的放电电压达到截止电压时，触发处理器中断并执行如下步骤：

B11、判断打印缓冲队列未处理数据，若超过5行打印，设置缓冲已经满信号，调整打印速度，直至电池耗尽；

B12、若在5行之内打印数据，设置缓冲满信号，调整打印速度，打印完毕撤销满信号；

B13、若打印缓冲队列空，关闭DC-DC变换电路。

10.根据权利要求9所述的便携热敏打印机供电方法，其特征在于：所述B11中的打印速度为0.5行/秒；所述B12中的打印速度为1行/秒。

Images