基于STC15微控制器的智能激光雕刻機設(shè)計

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)計一款基于STC15微控制器的智能激光雕刻機。系統(tǒng)由單片機控制系統(tǒng)和為智能激光雕刻機量身定制的Android應(yīng)用軟件兩部分組成。Android手機端軟件繪制的圖形，進(jìn)行圖形數(shù)字化處理后，通過Wi—Fi把數(shù)據(jù)傳給單片機，由其得到圖形和電機位移之間的算法關(guān)系，驅(qū)動X—Y兩路步進(jìn)電機，同時控制激光發(fā)生器開關(guān)狀態(tài)和輸出功率大小，從而實現(xiàn)木板、亞克力等材料的激光雕刻。

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

1 控制系統(tǒng)框圖設(shè)計

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

圖1 激光雕刻機結(jié)構(gòu)框圖

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 西南等軸視圖

圖3 東南等軸視圖

如圖2，圖3所示是激光雕刻機三維模型，從兩個實體模型圖中我們可以清晰地看到激光雕刻機的構(gòu)造，有激光器、步進(jìn)電機、固定板、底座、導(dǎo)軌、滾動滑輪、齒輪、螺絲、還有控制盒等。這些部件便組成了激光雕刻機硬件結(jié)構(gòu)。再通過控制系統(tǒng)，和硬件電路便可以構(gòu)成一個整體。

3 硬件電路設(shè)計

硬件電路設(shè)計主要包括STC15最小系統(tǒng)、USB在線燒錄模塊、搖桿控制模塊、WIFI通信模塊、激光發(fā)射模塊、OLED顯示屏、激光溫度檢測模塊、按鍵指示和報警模塊，USB在線燒錄模塊、XY軸電機驅(qū)動電路、激光發(fā)射模塊、OLED顯示屏、激光溫度檢測模塊、按鍵指示和報警模塊等。我們選取電機驅(qū)動電路和Wi—Fi通信電路進(jìn)行說明。

3.1 電機驅(qū)動電路設(shè)計

下面是A4988的外圍電路。X軸電機驅(qū)動電路中DIR端接MCU的P1.0可以控制電機的正反轉(zhuǎn)。STEP接MCU的P1.1，由微控制器中定時器產(chǎn)生脈沖信號來驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。如圖4所示。

同理Y軸電機驅(qū)動電路中DIR 端接MCU的P1.2可以控制電機的正反轉(zhuǎn)。STEP接MCU的P1.3，由MCU產(chǎn)生脈沖信號驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。OUT1B，OUT1A，OUT2A，PUT2B分別對應(yīng)接步進(jìn)電機接線座。

圖4 X軸電機驅(qū)動模塊圖

圖5 Wi—Fi通信模塊

3.2 Wi-Fi通信電路設(shè)計

Wi—Fi串口通信模塊主要由一塊工業(yè)級嵌入式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，指示燈會閃爍。如圖5所示。

4 嵌入式底層驅(qū)動設(shè)計

激光雕刻機的底層控制程序是在Keil環(huán)境下有C語言編寫的，程序?qū)崿F(xiàn)了與上位機通信、電機控制、信息顯示和數(shù)據(jù)采集等功能。我們選取電機驅(qū)動程序和Wi—Fi通信程序進(jìn)行詳細(xì)的說明。

4.1 電機驅(qū)動程序設(shè)計

圖6 底層驅(qū)動設(shè)計流程圖

如圖6是激光雕刻機的底層驅(qū)動流程圖。激光雕刻機上電以后，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，首先接收電機的控制數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)包含著電機的運動距離信息。接著打開激光發(fā)射器。然后是接收電機的控制指令，其中控制指令包含著需要做運動的電機對象和運動的方向信息。一次交互完成后，雕刻機會暫時關(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

設(shè)備上電以后，程序會完成對串口中斷的配置和硬件對 Wi—Fi模塊的初始化工作。當(dāng)Android有數(shù)據(jù)通信時，嵌入式底層的RI變量將會置“1”，產(chǎn)生串口中斷，此時底層驅(qū)動只接收八個字節(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。通過對數(shù)據(jù)的解壓、校驗，判斷數(shù)據(jù)的正確性。如果數(shù)據(jù)正確，單片機會把數(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)實現(xiàn)

5.1 智能激光雕刻機實物圖

如圖8為激光雕刻機的實物圖雕刻機的機身由金屬構(gòu)成，保證了雕刻機在運作中的穩(wěn)定性。Y軸上采用的兩個步進(jìn)電機提供動力，緩解了整個雕刻機機身對單個Y軸電機的壓力，保證了雕刻機的雕刻精度。

5.2 雕刻作品展示

如圖9所示，是由智能激光雕刻機在傲松板上雕刻的實際效果圖。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的預(yù)期效果。

圖8 激光雕刻機的實物圖

圖9 雕刻效果圖

6 結(jié)語

本設(shè)計是做一個基于STC15微控器的智能激光雕刻機，控制軟件是用Java語言編寫的安卓軟件，在現(xiàn)在安卓手機占據(jù)手機行業(yè)大半的市場環(huán)境下，就有良好的學(xué)習(xí)和傳播性；同時，設(shè)計小巧、輕便，具有很高的便捷性。