本站原创【摘 要 】本文介绍了一种基于STC89C54单片机作为主控制器的检测系统,采用了两个高灵敏度的薄膜压电传感器作为测量设备,利用多次比较的方法,对XAAR128系列压电式打印头的健康状态进行线下测量.该系统具有结构简单,高可靠性,高精确度等优点.
【关 键 词 】STC89C54；薄膜压电传感器；压电式打印头
1.引言
喷墨式打印机因具有体积小、操作简单方便、打印噪音低等突出优点在人们的办公生活中占有重要地位.而喷墨式打印机中俗称喷头的喷墨式打印头是决定打印效果优劣的最核心部件,同时也是最昂贵、最易人为损坏的部件.使用一段时间后,由于墨汁沉淀等因素会造成喷嘴堵塞,严重时导致该喷嘴的损伤甚至报废.因此压电式打印头的清洗、修复已日趋重要.而压电式打印头内部最关键且不可修复的部分是压电陶瓷微小振动体,因此有必要在对压电打印头进行清洗或修复之前对其微小振动体部分的健康情况进行检测,判断该打印头是否具有清洗或修复价值.目前国内部分厂家采用装机打印,目视检测的方法来判断打印头喷嘴的好坏,这种方法存在效率低和误判率高等严重缺点[1].本文采用薄膜压电式传感器,设计了一种基于51单片机的XAAR128系列压电式打印头的线下检测系统,可快速地对打印头的健康状况做出精确的判断.
2.测量系统设计原理
XAAR128系列打印头是XAAR公司研制的采用压电陶瓷振动体的打印头,如图1（a）所示.该系列打印头有128个压电式喷嘴,内部基本结构如图1（b）所示,共有三个主要部分组成：盖板、墨水通道以及PZT立杆共享壁.打印机传送给打印头的驱动信号从a、b、c点进入.为了确保热力匹配,壁的顶部通常采用PZT材料制成的既薄且硬的盖板[2].
XAAR128系列打印头工作时产生的振动频率为4.25K～8.3KHz,其振动会对周围紧贴物体产生力的作用.若打印头的所有PZT立杆全部正常工作,此时用传感器测得的该打印头的振动幅度最大,随着不能正常工作的PZT立杆数量的增加,振动幅度将逐渐减小.但是,不能正常工作的PZT立杆的位置也对打印头的振动有着较大影响,因此不能正常工作的PZT立杆数量与打印头工作时的振动幅度并不是严格的线性关系.因此,对于内部存在一些不能正常工作的PZT立杆的压电打印头,我们可将它们装到打印机上经过多次打印测试,如果效果良好就可作为参考打印头,然后就再将待测压电式打印头的振动情况与它们的振动进行比较来判断待测打印头的健康状态.
在本文所设计的系统中,通过测量打印头工作时所产生的振动,对打印头的健康状态做出判断.系统选用两个高精度压电传感器,将其固定在打印头的上下两个表面,然后夹置于工作台,使传感器与打印头紧密贴合在一起.使用清洗打印头时专用激励源驱动打印头使其处于工作状态,利用传感器测量打印头此时的振动幅度.首先分别记录并存储两个传感器测得的数据,然后将两个传感器得到的数据项相加并存储,作为判断的第三个数据.系统对打印头健康状态的判断主要通过以下三个数据进行,具体方法如下：
检测时首先利用本检测系统对参考打印头进行检测,将两个传感器得到的数据分别记为Sa1、Sa2,两数据相加作为第三个数据,记为Saa,即：Saa等于Sa1+Sa2.然后再将待测压电式打印头放入系统中检测,得到其振动的数据分别记为S1、S2、Sa,同样,Sa等于S1+S2.通过对大量需清洗或修复的压电式打印头的测量和检验,可规定出压电式打印头健康状态的基本判别标准：若Sa/Saa＞1,则可认为该打印头具有修复价值；若Sa/Saa＜0.9,可认为该打印头不具有维修价值；若0.9＜Sa/Saa＜1,则计算Sa1/S1和Sa2/S2,若这两个比值中有一个数值大于0.9,则可认为该打印头具有维修价值.
3.系统硬件设计
测量系统的硬件框图如图2所示.
系统中主控芯片采用STC89C54单片机,该单片机属于51系列单片机,相比于STC89C51单片机,该单片机内部具有更大的RAM和ROM空间,可以存储更多的数据[3].XARR128系列打印头有不同的具体型号,每个型号的具体工作状态也有所不同,具有更大RAM和ROM存储空间的单片机系统可存储多组测量样本数值,使得同一套系统在不需要重新测量样本的情况下,完成对多个具体型号压电式打印头的健康状态的检测工作.
系统A/D转换采用ADC0809是8位多通道的模数转换器件,具有输入范围广,转换速度快等优点.
系统传感器采用MEAS薄膜压电传感器,如图3所示.该传感器的薄膜采用聚偏氟乙烯压电聚合物材料制成,具有精度高,结构简单,使用寿命长,动态范围宽等优点,广泛应用于弹性、触觉、振动和冲击的测量[4].当打印头产生振动作用于传感器的薄膜时,传感器将产生一个电压输出,最高输出电压可达±7V,可以通过接一个10K电阻,使其电压范围达到ADC0809的输入电压范围.
键盘控制电路使用四个按键接单片机的I/O口,作为输入控制,主要用于记录样本数据,开始测量,停止测量等操作.
系统输出采用两位LED数码管输出,在不进行测量时显示数据为0,记录样本数据时显示字符“S”,对被测打印头进行测量时,显示该打印头的相对于样本数据的比值.若被测打印头的数值小于样本数值,则显示比值的小数的后两位；若被侧打印头的数值大于样本的数值,则显示字符“A”.
4.系统的软件设计及操作流程
系统软件设计流程如图4所示.
系统的键盘处理电路采用查询方式[5],软件状态循环如图5所示.系统共有四个按键,键1是系统复位功能键,键2是记录样本数据功能键,键3是选择样本数据功能键,键4是开始测量/停止测量功能键.在等待状态下,按下键2,则此时的测量数据作为样本数据存入系统中,记录完成后再按一次键2,可记录下一组样本数据,系统最多可纪录20组样本数据.若在记录样本数据的过程中按键3,则系统将当前记录的样本数据作为此次测量使用的样本数据,同时退回到等待状态.若在等待状态中按键3,系统进入样本数据选择.在等待状态下按键4,则开始测量；再按一次键4则停止测量,同时退回到等待状态中.
系统在不运行时,应确保两片传感器上不要放置任何物品,使传感器输出电压为零.系统上电启动后,首先进行初始化操作,步骤如下：
传感器在没有放置物品时没有电压信号输出,但由于传感器自身的误差及温度、湿度等环境因素的影响,传感器会有一个微弱的电压信号输出,在系统上电的瞬间,该电压值较大,约十几毫秒后,该电压值趋于稳定,并维持为某一恒定值,直到下次系统上电运行.该输出电压信号虽然非常小,但会对测量结果的精确性造成影响,因此系统在初始化时首先要对传感器进行标定操作.系统在上电1s后,记录此时传感器输出的电压值,在测量和记录样本值时需减去该误差值以修正测量结果.系统完成传感器的标定后,控制数码管显示为0,并使系统处于等待状态.至此,系统完成上电初始化操作.
系统完成上电初始化操作后,若系统中保存有已记录的样本值,可直接使用按键操作系统进行测量操作.若没有保存记录的样本值,则首先将参考压电打印头放到传感器中测量,以记录样本值,然后再对待测打印头进行检测操作.
测量时,单片机首先控制ADC08
09,将传感器输出的电压值进行模数转换,使用一个8位的二进制数表示该电压值的大小,并由单片机记录与样本值的比较,得到结果,并通过数码管显示,完成一次对打印头的操作过程.此时,可根据需要进行下次检测,或结束检测.
5.结论
采用单片机作为主控制器,利用高灵敏度薄膜压电传感器作为探测设备,可实现压电式打印头健康状态的线下测量.在使用本系统对压电式打印头健康状态的具体测试中,测量准确度达到97%.该检测系统结构简单,成本低,可靠性和准确度高,可实时显示测量结果.随着我们日常生活中打印机的越来越广泛普及,本系统也将具有广阔的应用前景.