基于arduino的多功能寫字機的設計概述

郭宗昊 張盛陽 周家樂 霍建振

摘 要 本文在數控機床理論與創新的基礎上，基于arduino平臺，設計了一種性價比高、體型小、穩定性強的多功能寫字機系統。通過對上位機傳輸的G代碼信息的采集、翻譯后控制兩個電機進行相應的動作，進而控制刀頭移動。通過藍牙模塊亦可通過手機進行無線操控，便于調試。該系統具有搭建簡單、造價低廉、功能易于擴展等優點。

關鍵詞 arduino平臺;寫字機;藍牙;激光雕刻

引言

現如今，我國的教育水平相較于之前有了很大的提升，但發展仍然有一些不平衡，一些學校、教育機構缺少教育條件，學生雖然學習了一些機床的工作原理，但卻無法將知識與實際相結合，本項目建立了一個便宜簡易的機床模型，從而使學生更好地將知識與實際結合;而在學校小型實驗室中，常常會需要切割一些脆性材料，但一方面通過鍘刀等物理器具切割時，切口往往不直，或者大面積崩裂，另一方面，市面上的激光切割裝置價格高昂，小型實驗室往往難以負擔，而且一些DIY愛好者往往喜歡在作品上留下自己的印記，市面上的激光裝置功率太大，只能做到切割，而無法做到雕刻圖案，而通過本項目的激光切割雕刻功能則能解決上述的成本與精細度問題;另外，對于一些文案工作者，往往會需要大量謄抄一些文章，作為本項目的基礎功能，寫字功能可以幫助他們節省時間，用戶也可以通過軟件生成自己的字跡，讓一般人分辨不出是否出自機器之手。本項目的進行主要從硬件和軟件兩個方面進行[1]。

1 系統總體設計及硬件選擇

為了達成高內聚低耦合，保證系統穩定運行，在挑選硬件時，除了硬件本身要穩定之外，與其他部分連接后構成的系統也要穩定。

本項目的硬件系統主要包括電機驅動部分，激光切割部分，舵機驅動部分，藍牙驅動模塊，以及Arduino控制器。其中，手機端與電腦端軟件負責圖片處理，并分別通過藍牙模塊和USB轉接線與主板通信。

1.1 電機的選擇

市面上可供選擇的步進電機很多，這里我們選用兩個42HB2401A步進電機來帶動齒條，進一步使功能頭在平面上移動。電機的額定電壓為3.57V。額定電流為1.7A，扭矩為0.31N.m。

1.2 激光頭的選擇

激光頭多種多樣，由于本項目有簡小、便宜的要求，我們這里選用波長為450nm功率為3000mw的CNC藍紫光激光頭，除了小巧便宜，它還具有可以調節PWM的功能，因此可以直接調試，不需要改寫程序，功率調大可以用于切割，功率調小可以用于雕刻，應用靈活方便。

1.3 舵機的選擇

舵機作為控制起筆落筆的重要器件，要求反應靈敏，耐磨耐用，價格低廉。這里我們選用SG90S，這款舵機工作扭力為2.0kg（4.8V），反應速度為0.11s（4.8V），塑料齒的轉動角度范圍是90～180°，且重量僅有13.6g，便于機器靈活移動[2]。

1.4 藍牙模塊的選擇

藍牙模塊用于與手機等移動上位機進行聯系，這里選用HC-06藍牙模塊，工作頻段為2.4G，工作電壓3.0～3.6V，有效接收距離為10m，適于在教室等場合進行展示，也便于學生親自動手體驗;支持8位數據位，1位停止位、無奇偶校驗的通信格式。

1.5 控制板的選擇

主控板選擇arduino uno r3，其上搭載的主控芯片為AVR的ATmega328P，且arduino系列產品都擁有簡單易用的Arduino IDE作為開發環境，便于程序調試;arduino uno r3的時鐘頻率為16MHz，14路數字IO出口，六路模擬輸入，輸入電壓7-12V，六路PWM通道。

1.6 串口通信

通過arduino uno r3的主控芯片ATmega328內置的UART進行與上位機的串口通信，再通過板上自帶的CH340這一USB 總線的轉接芯片就可以進行數據傳輸[3]。

2 機械結構的設計

本項目采用corexy結構，通過一根齒條在經過固定板上的從動軸、電機下面的主動軸多次改向后，使齒條回到原來的固定板，通過電機帶動主動軸，主動軸帶動齒條，齒條帶動機械臂上的固定板來使機械臂在滑軌上移動。

X軸：將電機放在X軸兩端，通過對兩個電機的調控，控制機器在X軸方向（左右）和Y方向（上下）的運動;考慮到電氣接線的緣故，我們將控制板放置在X軸左邊的固定板上，這樣導線可以在不碰觸滑動路徑、不影響機器運動的條件下連接主控板和舵機、電機等驅動裝置[4]。

3 結束語

本項目設計了一個多功能寫字機系統，采用corexy運動結構，此結構簡單穩定，使電機不工作在運動軸上，保證了運動的穩定性的同時搭建也比較簡易。針對教育水平各地區各學校發展不平衡，一些學校和教育機構雖然教授機床的相關課程，但卻沒有相應的條件能夠使學生可以動手實踐，本項目可作為簡易的教具機床使用。除了具備傳統的電腦控制，使用藍牙功能后，還可以手機控制機械臂移動，不再受電腦攜帶不易的限制，可在普通教室作為學生了解機床的簡易教具。另外，通過配置各種不同的模塊裝置后就具有作為教具、寫字、繪制圖案、雕刻、切割等功能。且本項目硬件方面有體積小、造價低、搭建簡易的優點，利于在課堂、小型實驗室使用;軟件操作簡單，利于無基礎用戶上手。

參考文獻

[1] 馮亮，辛建，富東贏.基于arduino的激光雕刻&寫字機的研發[J].科技創新導報，2018，（34）：92.

[2] 田軍，楊磊，薛榮.基于智能控制的直流電機PWM調速[J].價值工程，2019，（18）：46.

[3] 劉勇，張東升，齊高峰.基于Arduino的一種桌面型激光雕刻系統的研發[J].花炮科技與市場，2018，（1）：59.

[4] 蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J].電子設計工程，2012，（16）：3.

作者簡介

郭宗昊（1999-），男;學歷：本科生，現就讀單位：臨沂大學 自動化與電氣工程學院，研究方向：自動控制、單片機應用技術。

霍建振（1972-），男;學歷：碩士，副教授，現就職單位：臨沂大學 自動化與電氣工程學院，研究方向：自動控制、電力電子技術及電力拖動。

[基金項目] 臨沂市科技攻關項目（編號：2015GG031）。