戴亞洲，王棟

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州，215104）

0 引言

本課題設(shè)計(jì)一款基于STC15微控制器的智能激光雕刻機(jī)。系統(tǒng)由單片機(jī)控制系統(tǒng)和為智能激光雕刻機(jī)量身定制的Android應(yīng)用軟件兩部分組成。Android手機(jī)端軟件繪制的圖形，進(jìn)行圖形數(shù)字化處理后，通過(guò)Wi—Fi把數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，由其得到圖形和電機(jī)位移之間的算法關(guān)系，驅(qū)動(dòng)X—Y兩路步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)控制激光發(fā)生器開(kāi)關(guān)狀態(tài)和輸出功率大小，從而實(shí)現(xiàn)木板、亞克力等材料的激光雕刻。

本設(shè)計(jì)采用嵌入式系統(tǒng)，成本底、穩(wěn)定性好、體積小、靈活性好等具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 控制系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

如圖1所示，激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng)以STC15為核心控制器，通過(guò)Wi—Fi模塊接收到上位機(jī)的發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)接受信息的處理得到對(duì)XY軸步進(jìn)電機(jī)和激光頭的控制指令。其中由單片機(jī)對(duì)激光雕刻機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。

圖1 激光雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 西南等軸視圖

圖3 東南等軸視圖

如圖2，圖3所示是激光雕刻機(jī)三維模型，從兩個(gè)實(shí)體模型圖中我們可以清晰地看到激光雕刻機(jī)的構(gòu)造，有激光器、步進(jìn)電機(jī)、固定板、底座、導(dǎo)軌、滾動(dòng)滑輪、齒輪、螺絲、還有控制盒等。這些部件便組成了激光雕刻機(jī)硬件結(jié)構(gòu)。再通過(guò)控制系統(tǒng)，和硬件電路便可以構(gòu)成一個(gè)整體。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)主要包括STC15最小系統(tǒng)、USB在線(xiàn)燒錄模塊、搖桿控制模塊、WIFI通信模塊、激光發(fā)射模塊、OLED顯示屏、激光溫度檢測(cè)模塊、按鍵指示和報(bào)警模塊，USB在線(xiàn)燒錄模塊、XY軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、激光發(fā)射模塊、OLED顯示屏、激光溫度檢測(cè)模塊、按鍵指示和報(bào)警模塊等。我們選取電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和Wi—Fi通信電路進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

下面是A4988的外圍電路。X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中DIR端接MCU的P1.0可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。STEP接MCU的P1.1，由微控制器中定時(shí)器產(chǎn)生脈沖信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖4所示。

同理Y軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中DIR 端接MCU的P1.2可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。STEP接MCU的P1.3，由MCU產(chǎn)生脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。OUT1B，OUT1A，OUT2A，PUT2B分別對(duì)應(yīng)接步進(jìn)電機(jī)接線(xiàn)座。

圖4 X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊圖

圖5 Wi—Fi通信模塊

3.2 Wi-Fi通信電路設(shè)計(jì)

Wi—Fi串口通信模塊主要由一塊工業(yè)級(jí)嵌入式HX—M02型 Wi—Fi模塊芯片組成。其工作電壓為3.3V，自帶電源指示燈，當(dāng)建立連接有數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，指示燈會(huì)閃爍。如圖5所示。

4 嵌入式底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

激光雕刻機(jī)的底層控制程序是在Keil環(huán)境下有C語(yǔ)言編寫(xiě)的，程序?qū)崿F(xiàn)了與上位機(jī)通信、電機(jī)控制、信息顯示和數(shù)據(jù)采集等功能。我們選取電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和Wi—Fi通信程序進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

4.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

圖6 底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程圖

如圖6是激光雕刻機(jī)的底層驅(qū)動(dòng)流程圖。激光雕刻機(jī)上電以后，進(jìn)行程序、硬件的初始化。底層程序在接收到Android端的控制指令時(shí)，首先接收電機(jī)的控制數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)包含著電機(jī)的運(yùn)動(dòng)距離信息。接著打開(kāi)激光發(fā)射器。然后是接收電機(jī)的控制指令，其中控制指令包含著需要做運(yùn)動(dòng)的電機(jī)對(duì)象和運(yùn)動(dòng)的方向信息。一次交互完成后，雕刻機(jī)會(huì)暫時(shí)關(guān)閉激光，等待著下一次控制指令。周而復(fù)始，直到完成雕刻工作。

4.2 Wi-Fi通信程序設(shè)計(jì)

設(shè)備上電以后，程序會(huì)完成對(duì)串口中斷的配置和硬件對(duì) Wi—Fi模塊的初始化工作。當(dāng)Android有數(shù)據(jù)通信時(shí)，嵌入式底層的RI變量將會(huì)置“1”，產(chǎn)生串口中斷，此時(shí)底層驅(qū)動(dòng)只接收八個(gè)字節(jié)的傳輸數(shù)據(jù)。并把傳輸數(shù)據(jù)保存在緩存數(shù)組中。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的解壓、校驗(yàn)，判斷數(shù)據(jù)的正確性。如果數(shù)據(jù)正確，單片機(jī)會(huì)把數(shù)組中的緩存數(shù)據(jù)保存在控制數(shù)組中，方便其他部分的處理。否則，將接收Android端的下一次發(fā)送的數(shù)據(jù)。如圖7所示是Wi—Fi通信程序流程圖。

圖7 Wi—Fi通信程序流程圖

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

5.1 智能激光雕刻機(jī)實(shí)物圖

如圖8為激光雕刻機(jī)的實(shí)物圖雕刻機(jī)的機(jī)身由金屬構(gòu)成，保證了雕刻機(jī)在運(yùn)作中的穩(wěn)定性。Y軸上采用的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，緩解了整個(gè)雕刻機(jī)機(jī)身對(duì)單個(gè)Y軸電機(jī)的壓力，保證了雕刻機(jī)的雕刻精度。

5.2 雕刻作品展示

如圖9所示，是由智能激光雕刻機(jī)在傲松板上雕刻的實(shí)際效果圖。圖片左側(cè)為準(zhǔn)備雕刻的圖案樣式，右側(cè)為圖片的雕刻效果，雕刻圖案呈現(xiàn)效果清晰，邊角分明，完美達(dá)到了制作激光雕刻機(jī)的預(yù)期效果。

圖8 激光雕刻機(jī)的實(shí)物圖

圖9 雕刻效果圖

6 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是做一個(gè)基于STC15微控器的智能激光雕刻機(jī)，控制軟件是用Java語(yǔ)言編寫(xiě)的安卓軟件，在現(xiàn)在安卓手機(jī)占據(jù)手機(jī)行業(yè)大半的市場(chǎng)環(huán)境下，就有良好的學(xué)習(xí)和傳播性；同時(shí)，設(shè)計(jì)小巧、輕便，具有很高的便捷性。