科技不总是冷冰冰，智能便携打印机让文字更有温度!——硬件方案篇

简介：利用Wi-Fi&BLE云模组让普通打印机实现App端输入文字即可实时&远程打印。

开文唠一唠：现代的通讯越来越便捷，大家的的远程交流都是在微信、QQ等线上聊天工具中完成的了。这种即使通讯的方式在给大家带来便利的同时，也在一定程度上减少了收到信件的那种真实感；不像老一辈们可以将与朋友、爱人沟通的珍贵信件珍藏，多年以后翻看起来又有一番滋味。如何既能保留通讯的便捷、还能享受纸质信件的触感。涂鸦的”攻城狮"碰巧看到妹妹的错题打印机，灵机一动想到了可以做一个无线热敏打印机，通过WiFi连接且可以便捷携带在身边，随时享受“飞鸦传书”。

1、无线便携打印机功能设想

2、硬件框图

• 智能便携打印机方案基于涂鸦智能的低功耗 Wi-Fi&BLE双模组作为控制单元和无线连接单元，同时接收云端下发的打印数据，以此来控制打印机芯的加热头和步进电机进行打印。

为了让大家更清楚了解到智能便携打印机设计原理，下面对硬件方案选型及设计原理有做详细说明，且文内附有设计原理图，希望对有需要的同学所有帮助.

1、打印机芯

​ 打印机芯用Seiko的LTP02-245-13 ，打印的宽度为48mm。这款机芯尺寸和功能支持打印图片、长段文携带便捷的需求。打印机芯由热敏打印头、步进电机、缺纸反射光感应器和压轴组成。

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• 打印机芯具体参数：

项目	规格
加热点数	384 点/行
最多同时可激活的点	45点
点距	0.125mm
点大小	0.0625mm*0.0625mm
可打印宽度	48 mm
打印头&电机工作电压Vp	5.5V to 9.5V
逻辑工作电压Vdd	3.0V to 3.6V
打印头驱动电流(Vp)	2.64A max
电机驱动电流(Vp)	0.6A max
逻辑电流（Vdd）	0.1A max
电机类型	PM类型步进电机
电机控制电流	300 mA/脉冲
驱动脉冲范围	300 mA/脉冲
电机脉冲寿命	10^8个脉冲

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• 打印机芯的引脚定义：

序号	引脚	作用
1	PS	缺纸检测信号集电极
2	$G_{PS}$	缺纸检测信号发射集
3	$V_{PS}$	缺纸检测信号供电
4	$V_P$	打印头驱动电源
5	$V_P$	打印头驱动电源
6	$V_P$	打印头驱动电源
7	DI	打印数据输入
8	CLK	打印数据转化时钟
9	GND	GND
10	GND	GND
11	GND	GND
12	Vdd	逻辑电源
13	DST	打印头激活信号
14	TH	热敏电阻
15	GND	GND
16	GND	GND
17	GND	GND
18	/LAT	打印数据锁存器信号
19	$V_P$	打印头驱动电源
20	$V_P$	打印头驱动电源
21	A	电机驱动
22	/A	电机驱动
23	B	电机驱动
24	/B	电机驱动

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• 打印机芯接口参考原理图：

• 其中在“PAPER_SENSOR”、 “PRINT_MOSI”、“PRINT_SCLK”、“DST”、“THERMITOR”、“PRINT_LAT”信号加100Ω电阻为了限制引脚电流，防止信号异常（出现尖峰脉冲时）损坏引脚

• 打印机芯内置的热敏电阻直接接地，故在外围电路设置上拉电阻，通过检测“TH”信号电压值，反推得到热敏电阻阻值，再对照规格书中提供的热敏电阻 “阻值-温度对照表” 可得知加热的实际温度，当温度过高时，进行断电操作以保护加热头。

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• “PS"信号，”$V_{PS}$"信号设计不同的阻值的电阻上拉至Vdd；根据规格书可知，“DST”信号（打印头激活信号） 高有效，故设计下拉到地，只有高信号到达时才会被激活,可保护打印头不会因误激活而导致加热头损坏。

2、电机驱动

​ 上文介绍打印机芯参数时我们已经知道了打印机芯中的电机为PM步进电机（永磁式步进电机）。主控的IO口为数字口（可输出的电流大小为6-20mA），驱动能力很小无法直接驱动步进电机， 故我们还需要设计电机驱动电路。电机驱动芯片方面我们选择了TI的DRV8833芯片，该芯片具有两个H桥驱动器，可以驱动一部步进电机。

• 该芯片每个 H 桥均具备调节或限制绕组电流的电路，可根据*ISEN引脚的外置改变外置电阻的阻值设置输出电流的大小，还提供了一种低功耗休眠模式，“PRINT_POWER”信号逻辑高电平时，使能芯片，信号逻辑低电平时，芯片进入低功耗休眠模式。
• 电机驱动芯片输出电流公式：$I_{CHOP}=\frac{200mV}{R_{ISENSE}}$ ,其中200mV 为固定的参考电压，$R_{ISENSE}$ 为ISEN引脚外接的电阻。由上文打印机参数值中我们已知 步进电机的可承受的电流最大值为0.6A，本方案设计选择$R_{ISENSE}$ 组织为0.62Ω，使驱动电流的大小为323mA ,在步进电机的可承受的电流范围内。注意，该检测电阻的封装尺寸需要考虑可承受的功率大小，该检测电阻消耗的功耗计算公式为 $I_{RMS}^2$$R_{ISENSE}$（注：$I_{RMS}$为输出电流$I_{CHOP}$ 的均方根）,以本电路设计为例，计算可知电阻消耗的功耗为0.15mW，故应选择0805的封装。

3、主控

​ 主控是基于涂鸦智能的一款低功耗 Wi-Fi&BLE双模组设计的，原理图如下：

• 由于我们有"电量提醒、低电量报警"的需求，所以需要使用模组的ADC采样口对电池的电压进行采集，但该ADC采集口 可允许输入的电压范围为0~2.4V，我们的电池电压超出了该范围，故设计电阻分压，使其符合允许的输入电压范围。
• 打印头的THERMITOR 为检测NTC热敏电阻，也需要使用ADC引脚，但由于该模组只有一个可以使用的ADC引脚，所以我们设计采用模拟开关CH443K（CH443K内部功能说明如图7所示）进行ADC信号复用选择，在不同的时刻，由ADC_SEL 信号选择ADC信号与“ADC_ELECTRICITY”/"THERMITOR"连通。

4、指示灯/按键板

​ 利用按键实现网络配置功能的触发，指示灯可对配网状态和电量情况进行直观的显示。
另外为了方便demo的整体外观设计，将按键\指示灯线路板与主控板部分分开，两者使用FPC软排线连接，可便于指示灯\按键线路板摆放在更合理的位置。

• 当需要进行网络配置时，长按按键，触发配网功能，橙色的LED灯闪烁，显示打印机进入配网模式；分别由红、绿LED灯来显示电量充足和电量低两种状态，由于CBU模组的引脚数量有限，这里仍设计使用模拟开关CH443K对进行信号连通。当LIGHT_ELECTRICITY 为高时，LED_GREEN与GND连通，LED绿灯亮；LIGHT_ELECTRICITY 为低时，LED_RED与GND连通，LED红灯亮。

5、电源

​ 综合考虑到打印机芯的工作电压（5.5V to 9.5V&3.0V to 3.6V）、电机驱动芯片工作电压、CBU模组的工作电压（3.0V to 3.6V）以及外出携带便捷性的要求，电源部分电路设计使用可充电的两节18650 串联的锂电池（电池容量为3200mAH 、电压 7.4V ）为系统供电，再使用BUCK电路将电池电压输出为3.3V为其余部分电路供电。

1）充电管理电路

​ 由于我们使用的为7.4V锂电池，故设计充电电压为12V，电源管理芯片选用如韵电子的CN3762 ，CN3762 是两节锂电池降压型充电管理芯片。充电管理参考电路如图所示

芯片的特点：芯片的更多信息详见数据手册

• 宽输入电压范围：6.6V 到30V；充电电流可达 4A。

• CN3762 是PWM 降压模式两节锂电池充电管理集成电路，PWM 开关频率：300KHz，独立对两节锂电池充电进行管理。

• CN3762 具有涓流，恒流和恒压充电模式，非常适合锂电池充电管理。

• 在恒压充电模式，CN3762将电池充电电压调制在8.4V，也可以通过一个外部电阻向上调整；在恒流充电模式，充电电流通过一个外部电阻设置。

• 充电状态和充电结束状态指示。

电路设计关键点说明：

恒流充电时电流计算公式：$I_{CH}=120mV/Rcs$ ，$R_{cs}$ 为CSP管脚与BAT管脚之间的检测电阻。本电路设计中$R_{cs}$即R22阻值为0.1R，计算可知充电电流$I_{CH}$大小设计为1.2A。

恒压充电时电压计算公式：$V=8.4+8.996\ast 10^{-6}\ast R_x$​,其中$R_x$​为FB管脚与BAT管脚之间的电阻。为7.4V锂电池充电电压为8.4V，故本电路设计中$R_x$​​即R23阻值设计为0R。
电感的纹波电流$\Delta I_L=\frac{1}{(f)(L)}\ast V_{BAT}(1-\frac{V_{BAT}}{VCC})$ ，其中：f 为开关频率，300KH；L是电感；$V_{BAT}$ 是电池电压；VCC是输入电压。根据数据手册可知，电感值的选取受到两个条件的限制：$\{\begin{array}{l}\Delta I_L\le 0.3\ast I_{CH}\\ L>5\ast (VCC-V_{BAT}),uH\end{array}$ ,本设计的$V_{BAT}$ 为8.4V，VCC为12V，带入计算可知$L\{\begin{array}{l}\ge 18uH\\ >23.3uH\end{array}$ ,同时需要注意电感的饱和电流额定值需要大于电感峰值电流 ,故电感选用了33uH,饱和电流为1.65A。
“CHRG”管脚在充电状态，内部晶体管将此 管脚拉到低电平；反之，此管脚为高阻状态。“DONE”管脚。在充电结束状态，内部晶体管 将此管脚拉到低电平；反之，此管脚为高阻状态。故设计给“CHRG”管脚和“DONE”管脚分别接红、绿LED灯，可通过LED的的亮灭得知充电状态。

2）BUCK电路部分

​ 我们需要将电池电压降压为３.３V供系统电路使用，降压芯片选用SY8121BABC芯片，该芯片为高效同步降压DC-DC转化器，可以输出２A的电流。BUCK电路参考电路如下图所示：

芯片特点

• 4.35V至18V的宽输入电压范围

• 极低的${Ｒ}_{ＤＳ}(on)$​​​​​​

  电路设计关键点说明

  该芯片集成度高,应用电路只需选择输入电容CIN、输出电容COUT、输出电感L和反馈电阻(R1和R2),电路设计简单。输出电压计算公为：$V_{OUT}=0.6\ast (1+\frac{R1}{R2})$​​

  反馈电阻R1和R2 阻值 的选择，为了减小功耗,R1和R2 的建议选取较大阻值(建议阻值子在10K~1MΩ之间),本电路设计$V_{OUT}$为3.3V,若选择R1为100K,则计算可知R2 为22.1K。

  电感值计算公式 $L=\frac{V_{OUT}(1-\frac{V_{OUT}}{V_{IN}})}{F_{sw}\ast I_{OUT}\ast 0.4}$ 其中$F_{SW}为1.2MHZ;

  电感的峰值电流 计算公式 $I_{L,max}=I_{OUT,max}+\frac{V_{OUT}(1-\frac{V_{OUT}}{V_{IN}})}{2\ast F_{sw}\ast L}$ ；

  计算可知L为2.087uH ,$I_{L,max}$为2.43A, 需要注意电感的饱和电流额定值需要大于电感峰值电流 ,本方案选取2.2uH,饱和电流为2.8A的电感。

3）打印头供电保护部分

​ 为了防止误操作损坏打印头,使用MPOS和PMOS搭建打印头供电开关电路，参考电路如图11所示。“PEINT_POWER”为该开关电路的控制信号，当信号为高时，N沟道MOS管Q2 S极和D级导通，P沟道MOS管Q1的G级被拉低，进而导致Q1的S极和D极导通，V_BATTERY 与VP导通，打印头被供电。反之当PEINT_POWER信号为低时，Q2 S极和D极截止，Q1S极和D极也截止，V_BATTERY 与VP不导通。注意，这里的MOS管应选取导通内阻小的。

最后附上这款智能标签打印机完成的硬件原理图和PCB图，供大家参考，有需要的同学可以自行下载。智能便携打印机嵌入式功能实现方案也会尽快上线，希望大家多多鼓励，如果有任何建议或者您有更好的实现方案欢迎留言告诉我们~~

原理图和PCB总览

1)原理图

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2)PCB

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