基于STM32的三喷头彩色3D打印机系统设计

丁承君, 赵泽羽, 尹雷鹏

(河北工业大学 机械工程学院， 天津 300130)

基于STM32的三喷头彩色3D打印机系统设计

丁承君, 赵泽羽, 尹雷鹏

(河北工业大学 机械工程学院， 天津 300130)

针对目前3D打印机控制系统中存在的处理速度慢、电路复杂、打印质量不高、断电重新打印等缺点，设计了一款基于STM32的彩色3D打印机的控制系统，该方案实现了上位机通信、数据处理、信号控制、断电续打、彩色打印等功能，选用DRV8825步进电机驱动器实现了对步进电机的细分驱动；使用PID调节的方式调节加热床的温度。重点论述了控制系统的主要硬件电路设计和软件实现流程。系统表现良好且能缩短大量打印时间。

3D打印机； STM32； 断电续打； PID调节

3D打印技术又叫快速成型技术[1-3]，作为一门新型的技术已被应用在各行各业，大到航空航天，小到生物医学方面都有3D打印的影子。目前使用的打印机大多是单喷头单色打印，采用的AVR单片机工作频率低、外设少。本文设计了三喷头的彩色3D打印机，可根据三基色原理自动进行颜色的配比[4]，真正实现了无间断无缝隙的彩色打印。

1 系统总体实现方案

1.1 设计方案概述

设计的基于STM32的彩色3D打印机[5]，主要以STM32为控制核心，通过读取三维模型的数据信息，由单片机发出相应的指令来完成动作。由加热喷头和热床上升到指定温度后，挤出系统配合X、Y、Z轴电机进行联动控制，逐层打印各个切片平面，最后堆叠成型[6]。本次设计的挤出系统采用的是三喷头式，即通过3个挤出电机控制3种材料的进给速度来实现彩色打印的功能。

1.2 系统硬件组成

本系统主要由电源模块、加热模块、温度检测模块、SD卡模块、屏幕显示模块、STM32控制模块、上位机通信模块、运动控制模块、断丝检测以及断电续打等8个子系统模块构成。系统结构框图见图1。

图1 3D打印机系统的结构框图

系统以STM32控制模块为核心，完成各个子模块的协同工作。STM32通过读取预先存储在SD卡模块里的三维数据模型，然后控制加热模块对喷头和加热床进行加热，并通过温度检测部分将喷头和打印平台的温度与预先设定好的温度进行比较，若到达设定值，则将控制信号传递给运动控制系统，由运动控制系统来控制电机完成规定的运动轨迹；同时，上位机可通过USB接口实现与上位PC机进行可靠快速通信，保证打印数据文件及时正确传输，上位机也可通过USB接口给系统发送控制命令。显示部分用于显示当前打印机的各个工作状态，并且可以通过控制按钮来控制打印机的速度、温度等各种功能。断丝检测用于在打印过程中突然出现打印材料中途断丝的情况，以防影响打印进度。断电续打模块用于突然断电时，系统自动记录当前的打印状态，当再次上电时会提示是否继续打印，这样，不仅节约了成本，同时也省去了大量的时间。

2 系统的硬件电路设计

2.1 STM32F103ZET6微控制器电路

STM32F103ZET6使用32位工作系统，频率为72 MHz，I/O引脚丰富，工作电压在2～3.6 V，可用工作温度-40～85 ℃。STM32F103ZET6微控制器电路如图2所示，其工作电压为3.3 V，主频振荡器接8 MHz晶振，作为CPU的时钟源；RTC振荡器频率为32.768 kHz、提供给RTC时钟，作为CPU和监视定时器的时钟源；TIM定时器端口用于控制加热电路；SD_CS、SPI1_SCK、SPI1_MISO 、SPI1_MOSI端口连接SD卡电路；DIR、STEP、ENABLE等端口分别接7路步进电机驱动器;PC12、PC13端口用于连接断电续打以及断丝检测电路。

2.2 步进电机驱动电路设计

本次使用的电机是两相四线混合式步进电机，其工作电压是24 V，额定电流是1.7 A，最大可承受2.5 A瞬间电流；其驱动芯片采用DRV8825的微双极步进电机驱动器，具有可调电流限制、过流和过热保护。可在整步、半步、1/4-step、1/8-step、1/16-step、1/32-step细分[7]模式下操作步进电机，驱动性能可达45 V及2.5 A，可提供足够输出功率[8]。内置稳压器，可在慢或混合模式下工作。

DRV8825步进电机驱动器及外围电路见图3。STM32F103RCT6微控制器只需要控制EN、DIR、STEP这3路端口就能实现步进电机的运动。滑动变阻器用于控制驱动电流的大小。ENABLE端口用于使能DRV8825内部的FET输出，当ENABLE为高时，不使能输出，电机处于锁紧状态；当ENABLE为低时，使能输出，电机运动。DIR端口用于控制步进电机的正反转。STEP端口输入微步信号，表示每输入一个脉冲步进电机每步走的距离，通过M0、M1、M2控制细分步进量，细分方法见表1。

图2 STM32F103ZET6微控制器电路

图3 步进电机驱动电路

表1 驱动器细分表

2.3 上位机接口模块

本文采用USB转串口模块用于连接上位PC机，通信电路如图4所示。一般打印机的USB接口只能实现下载或者通信一种功能。本文采用了FT232RL芯片，其既可以通过次USB进行程序的更新，同时也可以连接到上位机，实现上位机与控制器的快速可靠通信。

2.4 加热模块

此次通过N沟道的MOSFET组成的开关电路实现PWM波形的输出，通过改变PWM波的占空比达到调节喷头和加热床的目的。加热电路见图5。

图4 上位机通信电路

图5 加热电路

2.5 断电续打模块

断电续打模块为AC220 V和开关电源的中转区，一端接插座220 V，另一端接开关电源，通过继电器控制它们之间的通短。断电续打电路见图6。其核心思想是当突然断电时，利用其储存在电容里的余电对微控制器芯片发送断电指令，通知单片机此刻断电以保存当前时刻的位置信息，当再次上电时，可以继续打印上次未打印完成的模型。使用继电器实现弱电控制强电，光电耦合器PC817隔离前后级电路，防止强电部分对弱电部分的干扰。Single端输出高电平时为正常状态。由于光耦反应速度在几微妙左右，所以当突然断电时，Single会瞬间发出一个低电平通知单片机来完成保存数据的命令，此时，单片机利用存储在电容里的余电进行数据的保存。经验证，此功能实现了单片机可顺利完成数据的存储功能。

图6 断电续打电路

3 系统软件部分设计

系统涉及到的功能包括通信、数字信号控制和读取与处理、电机的控制、断电续打等。系统的主程序包括：系统的初始化；通过SP1接口读取SD卡中的数据信息并将其保存到SD卡缓存区中，或者通过USB接口接受上位机发送的数据并将其保存到串口接受缓存区；然后处理接收到的数据；当在处理数据过程中出现突然断电的情况下，断点保存模块会瞬间通知单片机，使其保存当前正在打印模型的信息到Flash存储芯片内，当下次来电时，会显示是否继续上次未完成的模型信息继续打印，否则可以重新选择模型，是则读取Flash内模型的信息继续未完成的模型打印，直至打印完成；最后关闭功能并停机。主程序流程见图7。

3.1 步进电机控制程序

由于步进电机正常状态下的运行速度比较快，而对于刚启动的情况，为了避免电机的振动，其启动速度不能太快。在电机整个运转过程中，电机需经过加速-恒速-减速-停止的运转过程，要避免对电机的不良使用。在整个周期下，速度的控制是通过控制系统的脉冲频率来实现的。步进电机的控制采用定时器中断来实现。通过中断读取存储在串口缓存区或者存储在SD卡缓存区中的数据来计算出步进电机需要运行的总步数、加速步数、恒速步数、减速步数以及步进电机运行的方向[9]，然后通过程序给出判断并给方向引脚和脉冲引脚发出命令信号。步进电机的控制流程见图8。

图7 主程序流程

图8 步进电机控制流程

3.2 温度控制程序

温度控制主要实现对加热床和挤出机温度的控制。通过定时器的中断来获得温度传感器采集的信号，单片机采集到信号将其转换成数字量形式，对照温度转换表就可以获得对应的温度值，再与设定的参考温度进行比较，通过PID方式来对温度偏移进行检测[10]，实现对温度的准确控制，提高打印质量。温度控制流程见图9。

图9 温度控制流程

图10和图11为无PID调节和有PID调节[11]时喷头温度曲线；比较两图可以看出，无PID调节温度的时候，温度曲线在设定温度值上下徘徊，大约有十几度的波动；当有PID调节温度的时候，温度曲线趋近于设定的温度，上下偏差在0.6 ℃以内。

3.3 断电续打控制程序

断电续打控制程序实现断电上电无间断打印。当正在打印模型时出现断电情况下，断电续打模块模块会发出断电信号并通知单片机，使得此刻单片机立刻进入外部中断，将此刻模型的名称、正在打印的温度、XYZ的坐标信息保存到Flash外部存储芯片上，当下次上电的时候，系统提示是否继续未完成该模型打印，提高了打印速度。断电打印流程见图12。

图10 无PID调节的温度曲线

图11 有PID调节的温度曲线

图12 断电续打流程

3.4 实验结果

实验样机见图13，打印的彩色样品见图14。

图13 实验样机

图14 样品

4 结语

3D打印机技术已应用于生活中的各大领域，包括产品设计、模具制造、医学领域等，3D技术已初步形成一套完整的技术体系。本文以彩色打印为基础，外加断电续打等功能，以ARM Cortex-M3系列芯片的STM32F103ZET6的微控制器芯片实现了三喷头彩色3D打印机的控制系统设计，提高了处理数据信息的能力，打印速度有了保障。通过PID调节加热床和喷头温度。由于打印机的快速性和断电续打功能，因而大大缩短了其模型设计到实现的周期。

References)

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[2] 张龙. 3D打印过程的计算机仿真研究[D]. 兰州：兰州理工大学，2014.

[3] 张国玲，吴涛，张功国. 快速成型训练项目的建设与实践[J]. 实验室研究与探索，2011,30(3)：314-316,325.

[4] 胡威捷.现代颜色技术原理及应用[M].北京：北京理工大学出版社，2007

[5] 王振华，薛严冰，许琳娜. 基于STM32的立体式3D打印机控制系统设计[J]. 自动化技术与应用，2017，36(3)：130-134.

[6] 刘欣灵 .3D 打印机及其工作原理 [J]. 网络与信息 ,2015(2):45-46.

[7] 许延涛. 3D打印技术：产品设计新思维[J]. 电脑与电信，2012，(9):36-37.

[8] 古丽萍 . 蓄势待发的 3D 打印机及其发展 [J]. 数码印刷，2011(10):12-13.

[9] 刘厚才，莫健华，刘海涛. 三维打印快速成形技术及其应用[J]. 机械科学与技术，2008(9):1184-1190.

[10] 王雪莹 .3D 打印技术与产业的发展及前景分析[J]. 中国高新技术企业,2012(26):3-5.

[11] 张岱，宁永海，马源. 智能化PID控制实验系统[J]. 实验技术与管理，1995,12(3)：45-48.

Design of three-nozzles 3D color printer system based on STM32

Ding Chengjun, Zhao Zeyu, Yin Leipeng

(College of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

In view of the shortcomings of the current 3D printer control system such as slow processing speed, complex circuit, rather poor printing quality, re-printing because of power failure, etc., a control system of the 3D color printer based on STM32 is designed. This scheme realizes the functions such as the upper computer communication, data processing, signal control, continuous printing after power failure, color printing, etc. The DRV8825 stepping motor driver is adopted to achieve the subdivision drive of the stepping motor, and the temperature of the heating bed is adjusted by means of the PID regulation. The main hardware circuit design and the software flow chart of the control system are discussed. The system performs well and shortens the printing time.

3D printer; STM32; continuous printing after power failure; PID regulation

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.026

TP334.8

A

1002-4956(2017)11-0106-08

2017-05-20

天津市科技支撑计划项目(14ZCDZGX00811)；天津市科技支撑计划项目(13ZCZDGX01200)；天津市产学研合作项目(14ZCZDSF00025，13RCHZGX01116); 天津市863成果转化项目(14RCHZGX00862)；天津市科技支撑计划项目(15ZXHLGX0210)

丁承君(1973—)，男，河北邯郸，教授，博士生导师，主要研究方向为移动机器人智能控制、嵌入式计算机系统.

E-mail444014187@qq.com