基于STC15微控制器的智能激光雕刻機設計

戴亞洲，王棟

（蘇州工業職業技術學院，江蘇蘇州，215104）

0 引言

本課題設計一款基于STC15微控制器的智能激光雕刻機。系統由單片機控制系統和為智能激光雕刻機量身定制的Android應用軟件兩部分組成。Android手機端軟件繪制的圖形，進行圖形數字化處理后，通過Wi—Fi把數據傳給單片機，由其得到圖形和電機位移之間的算法關系，驅動X—Y兩路步進電機，同時控制激光發生器開關狀態和輸出功率大小，從而實現木板、亞克力等材料的激光雕刻。

本設計采用嵌入式系統，成本底、穩定性好、體積小、靈活性好等具有很高的實用價值。

1 控制系統框圖設計

如圖1所示，激光雕刻機控制系統以STC15為核心控制器，通過Wi—Fi模塊接收到上位機的發送的數據，經過對接受信息的處理得到對XY軸步進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進行實時的監控。

圖1 激光雕刻機結構框圖

2 機械結構設計

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造，有激光器、步進電機、固定板、底座、導軌、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構。再通過控制系統，和硬件電路便可以構成一個整體。

3 硬件電路設計

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

3.1 電機驅動電路設計

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

同理Y軸電機驅動電路中DIR 端接MCU的P1.2可以控制電機的正反轉。STEP接MCU的P1.3，由MCU產生脈沖信號驅動電機轉動。OUT1B，OUT1A，OUT2A，PUT2B分別對應接步進電機接線座。

圖4 X軸電機驅動模塊圖

圖5 Wi—Fi通信模塊

3.2 Wi-Fi通信電路設計

Wi—Fi串口通信模塊主要由一塊工業級嵌入式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，當建立連接有數據收發時，指示燈會閃爍。如圖5所示。

4 嵌入式底層驅動設計

激光雕刻機的底層控制程序是在Keil環境下有C語言編寫的，程序實現了與上位機通信、電機控制、信息顯示和數據采集等功能。我們選取電機驅動程序和Wi—Fi通信程序進行詳細的說明。

4.1 電機驅動程序設計

圖6 底層驅動設計流程圖

如圖6是激光雕刻機的底層驅動流程圖。激光雕刻機上電以后，進行程序、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據，控制數據包含著電機的運動距離信息。接著打開激光發射器。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，雕刻機會暫時關閉激光，等待著下一次控制指令。周而復始，直到完成雕刻工作。

4.2 Wi-Fi通信程序設計

設備上電以后，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Android有數據通信時，嵌入式底層的RI變量將會置“1”，產生串口中斷，此時底層驅動只接收八個字節的傳輸數據。并把傳輸數據保存在緩存數組中。通過對數據的解壓、校驗，判斷數據的正確性。如果數據正確，單片機會把數組中的緩存數據保存在控制數組中，方便其他部分的處理。否則，將接收Android端的下一次發送的數據。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 系統實現

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成，保證了雕刻機在運作中的穩定性。Y軸上采用的兩個步進電機提供動力，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。圖片左側為準備雕刻的圖案樣式，右側為圖片的雕刻效果，雕刻圖案呈現效果清晰，邊角分明，完美達到了制作激光雕刻機的預期效果。

圖8 激光雕刻機的實物圖

圖9 雕刻效果圖

6 結語

本設計是做一個基于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，在現在安卓手機占據手機行業大半的市場環境下，就有良好的學習和傳播性；同時，設計小巧、輕便，具有很高的便捷性。