基于STC15微控制器的智能激光雕刻机设计

戴亚洲，王栋

（苏州工业职业技术学院，江苏苏州，215104）

0 引言

本课题设计一款基于STC15微控制器的智能激光雕刻机。系统由单片机控制系统和为智能激光雕刻机量身定制的Android应用软件两部分组成。Android手机端软件绘制的图形，进行图形数字化处理后，通过Wi—Fi把数据传给单片机，由其得到图形和电机位移之间的算法关系，驱动X—Y两路步进电机，同时控制激光发生器开关状态和输出功率大小，从而实现木板、亚克力等材料的激光雕刻。

本设计采用嵌入式系统，成本底、稳定性好、体积小、灵活性好等具有很高的实用价值。

1 控制系统框图设计

如图1所示，激光雕刻机控制系统以STC15为核心控制器，通过Wi—Fi模块接收到上位机的发送的数据，经过对接受信息的处理得到对XY轴步进电机和激光头的控制指令。其中由单片机对激光雕刻机的工作状态进行实时的监控。

图1 激光雕刻机结构框图

2 机械结构设计

图2 西南等轴视图

图3 东南等轴视图

如图2，图3所示是激光雕刻机三维模型，从两个实体模型图中我们可以清晰地看到激光雕刻机的构造，有激光器、步进电机、固定板、底座、导轨、滚动滑轮、齿轮、螺丝、还有控制盒等。这些部件便组成了激光雕刻机硬件结构。再通过控制系统，和硬件电路便可以构成一个整体。

3 硬件电路设计

硬件电路设计主要包括STC15最小系统、USB在线烧录模块、摇杆控制模块、WIFI通信模块、激光发射模块、OLED显示屏、激光温度检测模块、按键指示和报警模块，USB在线烧录模块、XY轴电机驱动电路、激光发射模块、OLED显示屏、激光温度检测模块、按键指示和报警模块等。我们选取电机驱动电路和Wi—Fi通信电路进行说明。

3.1 电机驱动电路设计

下面是A4988的外围电路。X轴电机驱动电路中DIR端接MCU的P1.0可以控制电机的正反转。STEP接MCU的P1.1，由微控制器中定时器产生脉冲信号来驱动电机转动。如图4所示。

同理Y轴电机驱动电路中DIR 端接MCU的P1.2可以控制电机的正反转。STEP接MCU的P1.3，由MCU产生脉冲信号驱动电机转动。OUT1B，OUT1A，OUT2A，PUT2B分别对应接步进电机接线座。

图4 X轴电机驱动模块图

图5 Wi—Fi通信模块

3.2 Wi-Fi通信电路设计

Wi—Fi串口通信模块主要由一块工业级嵌入式HX—M02型 Wi—Fi模块芯片组成。其工作电压为3.3V，自带电源指示灯，当建立连接有数据收发时，指示灯会闪烁。如图5所示。

4 嵌入式底层驱动设计

激光雕刻机的底层控制程序是在Keil环境下有C语言编写的，程序实现了与上位机通信、电机控制、信息显示和数据采集等功能。我们选取电机驱动程序和Wi—Fi通信程序进行详细的说明。

4.1 电机驱动程序设计

图6 底层驱动设计流程图

如图6是激光雕刻机的底层驱动流程图。激光雕刻机上电以后，进行程序、硬件的初始化。底层程序在接收到Android端的控制指令时，首先接收电机的控制数据，控制数据包含着电机的运动距离信息。接着打开激光发射器。然后是接收电机的控制指令，其中控制指令包含着需要做运动的电机对象和运动的方向信息。一次交互完成后，雕刻机会暂时关闭激光，等待着下一次控制指令。周而复始，直到完成雕刻工作。

4.2 Wi-Fi通信程序设计

设备上电以后，程序会完成对串口中断的配置和硬件对 Wi—Fi模块的初始化工作。当Android有数据通信时，嵌入式底层的RI变量将会置“1”，产生串口中断，此时底层驱动只接收八个字节的传输数据。并把传输数据保存在缓存数组中。通过对数据的解压、校验，判断数据的正确性。如果数据正确，单片机会把数组中的缓存数据保存在控制数组中，方便其他部分的处理。否则，将接收Android端的下一次发送的数据。如图7所示是Wi—Fi通信程序流程图。

图7 Wi—Fi通信程序流程图

5 系统实现

5.1 智能激光雕刻机实物图

如图8为激光雕刻机的实物图雕刻机的机身由金属构成，保证了雕刻机在运作中的稳定性。Y轴上采用的两个步进电机提供动力，缓解了整个雕刻机机身对单个Y轴电机的压力，保证了雕刻机的雕刻精度。

5.2 雕刻作品展示

如图9所示，是由智能激光雕刻机在傲松板上雕刻的实际效果图。图片左侧为准备雕刻的图案样式，右侧为图片的雕刻效果，雕刻图案呈现效果清晰，边角分明，完美达到了制作激光雕刻机的预期效果。

图8 激光雕刻机的实物图

图9 雕刻效果图

6 结语

本设计是做一个基于STC15微控器的智能激光雕刻机，控制软件是用Java语言编写的安卓软件，在现在安卓手机占据手机行业大半的市场环境下，就有良好的学习和传播性；同时，设计小巧、轻便，具有很高的便捷性。