1.1　针式打印机的内部结构和运行原理

针式打印机是机电一体化的设备，结构精密，工作原理复杂。了解针式打印机的组成结构和工作原理，对分析针式打印机的故障原因及排除故障非常重要。

1.1.1　针式打印机的组成结构

针式打印机的种类繁多，形式各异，一般分为机械装置和电路装置两大部分。其中，机械装置主要包括打印头、传动系统、机架和外壳等四部分；电路装置主要由控制电路和电源电路组成，控制电路又包括驱动电路（包括打印针驱动电路、字车电机驱动电路和走纸电机驱动电路）、接口电路、检测电路和主控电路等几部分。如图1-1所示为打印机组成结构方框图。

图1-1　打印机组成结构方框图

1.针式打印机机械装置

针式打印机机械装置主要包括打印头、传动系统、机架和外壳等几部分。

（1）打印头

打印头是打印机的关键部件之一，在打印头中有许多打印针，它是决定打印质量和打印速度的基本部件。一般，针数越多，打印机的打印品质越高，打印速度也越快。打印头装在字车上，用于印字。针式打印机就是依靠电子电路驱动打印头钢针撞击色带，利用色带上的油墨黏附在纸上而打印出点信息的。

打印头的基本结构包括电磁组件、打印组件、散热组件、支架和垫片等，如图1-2所示为针式打印机的打印头。

（2）传输系统

传输系统主要由字车传动机构、输纸机构和色带传动机构等构成。

1）字车传动机构。字车传动机构是以字车电机为动力，通过传动机构带动字车沿导轨做左右往复的直线运动的机构。字车传动机构主要由直流伺服电机、装有打印头和色带盒的字车、导轨、导向轮及齿型皮带等几部分组成。其中，直流伺服电机同轴装有一块光栅盘用于检测小车的位置；前导轨为偏心导轨，连接一个调节杆，可调节打印头与打印胶辊之间的距离（如果是新色带或多层纸打印，打印头应调远些）。如图1-3所示为针式打印机的字车传动机构。

图1-2　针式打印机的打印头

图1-3　针式打印机的字车传动机构

2）输纸机构。输纸机构是使打印纸自动换行的机构，它以输纸步进电机为动力，通过输纸机构使打印纸按照规定的节拍向前或向后移动。输纸机构主要包括输纸电机、传动齿轮、链轮输纸器和摩擦胶辊等几部分，如图1-4所示为针式打印机的输纸机构。

输纸机构与字车机构需要配合工作，即字车机构运动时，输纸机构不动，打完一行后，再输纸。

目前，针式打印机的输纸机构主要有摩擦式输纸和链轮式输纸两种方式。其中，摩擦式输纸机构的打印纸被压在打印辊和压纸杆之间，输纸电机带动打印辊在输纸方向上转动，打印纸在摩擦力的作用下随着打印辊转动，从而实现输纸，摩擦式输纸机构适用于无输纸孔的打印纸；链轮式输纸机构的输纸传动轮与离合器相连接，打印纸随着输纸传动轮由牵引器带动打印纸输纸，链轮式输纸机构适用于有输纸孔的打印纸。

3）色带传动机构。色带传动机构是驱动环形色带做单向步进循环移动的机构。色带常用涂有黑色或蓝色油墨的带状尼龙或薄膜制成，它的作用同复写纸一样，当打印针撞击色带时，通过色带的复印作用，在纸上印出字符或图形。

在打印过程中，如果打印针一直撞击色带的同一个区域，很容易造成色带老化，从而大大缩减色带的使用寿命。因此，在打印过程中，通过色带传动机构带动色带驱动轴单向同步旋转，再带动色带盒中的色带做周而复始的单向步进循环，从而不断改变色带的撞击位置，既保证色带均匀磨损，延长色带使用寿命，又能保证打印字符颜色深浅一致。如图1-5所示为针式打印机的色带传动机构。

图1-4　针式打印机的输纸机构

图1-5　针式打印机的色带传动机构

由于针式打印机又分为单色针式打印机和彩色针式打印机两种，因此针式打印机中的色带又分为单一色带和多色带两种。其中，单色针式打印机所用的色带是单色带（一般为黑色），如图1-6所示；而彩色针式打印机的色带为四色带（红、黄、蓝、黑），且采用色带电机驱动。

（3）机架和外壳

针式打印机的机架主要由左右墙板、电器组装框架和底座等几部分构成。外壳是整体塑压成型，一般分为上盖和壳体两部分。采用全封闭形式，能起防尘和降低噪音的作用。如图1-7所示为针式打印机的机架和外壳。

图1-6　单色带

2.针式打印机电源电路

针式打印机的电源大多采用开关电源。针式打印机的直流输出电压主要有以下两组：

1）一组是+5V，主要供给逻辑电路和操作面板指示灯；

2）另一组主要为字车、输纸电机以及打印头驱动提供直流驱动电压源，不同机型的直流驱动电压有所不同，一般为16～40V。

如图1-8所示为针式打印机电源电路。

3.针式打印机控制电路

针式打印机的控制电路又称控制驱动电路，是打印机的信息处理和控制中心。控制电路主要通过接口电路与计算机主机相连并通信，接收来自计算机的打印信息和控制命令，并把打印机的状态信号和应答信号反馈给计算机。

针式打印机的控制电路可以控制字车、输纸机构、打印头，接收控制面板上的控制信息，检测DIP开关状态及打印机的自检功能。

图1-7　针式打印机的机架和外壳

图1-8　针式打印机电源电路

针式打印机的控制电路主要包括主控电路、驱动电路、检测电路和接口电路几部分。

（1）主控电路

针式打印机的主控电路本身就是一个完整的微型计算机，主要由微处理器（CPU）、读写存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、地址译码器和输入/输出电路、打印头数据形成及驱动电路、字车及输纸电机控制电路等几部分组成。主控电路是打印机的控制中心，它通过接口电路接收由计算机传输的数据和控制信息，检查各个状态传感器的状态，检测打印机错误状态并发出报警信号，控制打印机字车机构和输纸机构以及打印头的出针操作等。如图1-9所示为针式打印机的主控电路。

图1-9　针式打印机的主控电路

（2）驱动电路

针式打印机的驱动电路主要包括打印头驱动控制电路、字车电机驱动控制电路和输纸电机驱动控制电路。

其中，打印头驱动控制电路主要由针数据形成电路和针激励电路两部分组成。针数据形成电路的作用是对针数据信号进行功率放大后送给打印头，使打印针线圈获得足够的驱动电流；而针激励电路的作用是控制打印针线圈的通电时间和打印速度。

字车电机驱动控制电路的作用是驱动字车电机做正反向转动，从而拖动字车在导轨上执行左右横向运动。

输纸电机驱动控制电路用于驱动输纸电机做正向或反向转动，以实现自动输纸。

（3）检测电路

针式打印机的检测电路主要用来检测打印机的各种状态，主要有以下几种。

1）字车初始位置检测：当打印机开机，或接收到主机的初始化信号时，或者打印过程中遇到回车控制命令时，或单向打印完一行时，或双向打印完两行时，字车都应返回左端的初始位置。初始位置传感器就是用来检测在上述情况下字车是否每次都能返回到初始位置的。初始位置传感器一般由光电传感器构成。

2）纸尽检测：用来检测打印机是否已经装好打印纸，或打印过程中发现纸用完时及时报告给CPU。主要有反射型光电传感器和簧片机械开关两种传感器。

3）送纸调整杆位置检测：通常用簧片开关进行检测，用该开关的开关状态设置摩擦输纸或链轮输纸。

4）打印头温度检测：近年来推出的24针打印机都备有打印头温度检测电路，温度检测大都采用热敏电阻，主要用于防止打印头因连续打印而过热，导致打印头损坏。

（4）接口电路

接口电路是打印机与计算机进行数据传输的通道。打印机通过25芯"D"型插座与计算机相连，实现接口信号的输入与输出，打印机接口信号是通过36芯插座进行信号的输入与输出的。如图1-10所示为接口连接信号的对应关系图。

图1-10　接口连接信号的对应关系图

打印机和主机接口通过电缆连接，连接电缆的长度一般不能超过3m，而且必须要屏蔽。

1.1.2　针式打印机的工作原理

针式打印机本身就是一个微型计算机系统，它的全部工作都是由微处理器（CPU）控制。针式打印机的控制程序存放在只读存储器（ROM）中，这样开机CPU就可以工作。CPU既可以接收来自操作面板的各种控制指令，也可以接收来自计算机的指令，并对各种指令进行解释和执行。这些信号的传递都是通过计算机的接口完成的。针式打印机一般有文本模式（Text Mode）和位映像打印模式（Bit Image Print Mode）两种工作方式。

1.文本模式工作方式

通过文本模式工作时，针式打印机的打印数据是通过与计算机的接口从主机得到的。打印机得到的打印数据是要打印的字符的ASCII码，这些ASCII码存放在打印机内的打印缓冲区中。每当主机传送的数据装满打印缓冲区，打印机就会给主机发送一个“BUSY(忙)”信号。主机接到该信号后，暂停发送数据，然后打印机开始打印。

打印开始后，打印机内的CPU从打印缓冲区中取出打印字符的ASCII码，经过计算得到该字符对应的字符点阵存储区的首地址。按地址逐个取出每列的点阵码，驱动打印针，撞击色带，在打印纸上形成打印字符。打印机的字符发生器ROM中，通常存有96种ASCII码及一些特殊字符的字形编码（有的打印机内也有汉字的点阵码，如LQ-1600K）。当缓冲区内的数据打印完成后，又一次开放打印机，接收主机送来的新打印数据，开始新的打印过程，以此循环，直到完成打印。

如果需要打印的是图形或汉字(对于没有汉字字库的打印机)，则由主机送出图形的像素信号或汉字字型码即可。很明显，这种打印方式和显示器显示字符的方式是类似的。

2.位映像打印模式工作方式

在位映像打印模式工作方式下，计算机送出的打印数据就是控制打印针的出针、收针的数据，所以程序设计人员可以直接编写程序来控制每根打印针，从而打印出图形、表格和汉字。

针式打印机打印字符实际上是依靠打印针击打所形成色点的组合来实现的。计算机发出打印信号后，打印机会按照其输入数据缓冲区的容量来接收来自计算机的数据。在接收数据阶段，打印机中的微处理器（CPU）或门阵列电路控制接口电路实现与计算机的通信。

接收到打印数据后，接着对打印命令数据进行处理，确定每行要打印字符或打印列的数量，然后从数据缓冲区中取出相同数量的字符数据或位图像数据进行有关点阵数据的处理，即通常所说的按行处理，处理一行打印一行。

打印数据准备好后，控制程序要根据打印质量的要求来确定字车步进电机的运行步频，并根据选定的步频进行字车驱动控制，驱动打印头打印一列的点阵图形，同时字车横向运动，产生列间距和字间距，再打印下一列，以此逐列进行打印；当一行打印数据打印完成后，控制程序就转入输纸控制中，启动输纸机构进纸，产生行距，同时打印头回车换行，打印下一行；上述过程反复进行，直到完成打印。

打印机执行打印的具体过程如下。

1）首先打开打印机的电源，电源电路开始工作。

2）控制电路中的时钟电路开始工作，产生CPU、门阵列电路等时钟信号。

3）复位电路产生复位信号，使CPU复位。

4）CPU复位后，开始执行初始化程序，检测打印机各部分的状态。

5）初始化结束后，打印机进入待机状态，准备打印。

6）待打印机接收到打印信息后，打印机的控制电路对打印数据进行处理，处理完后向打印机驱动电路发出控制信号。

7）字车驱动电路根据控制信号启动字车电机，将字车移至初始位置。之后，字车初始位置的传感器检测字车是否在初始位置，开始执行打印机的初始化。

8）输纸机构按照控制电路发来的信号，驱动电机工作，控制打印纸进入，并将打印纸移动至打印头的下面，准备打印。

9）准备工作完成后，打印机控制电路根据打印信息向打印头驱动电路发送打印信息，打印头控制与驱动电路驱动打印针打印一列。

10）打印完一列后，打印机控制电路又向字车发出信号，产生列间距、字间距。

11）待一行打印完毕后，控制电路向输纸驱动电路发出控制信号，输纸驱动电路启动输纸电机，输纸机构开始运转将打印纸向前移动一行。

12）与此同时，控制电路发出换行信号，字车驱动电路驱动字车换行（若是单向，则回车），为下一行打印做准备。