基于Arduino的激光雕刻机设计
李哲;庄其;余跃
【摘 要】A small laser engraving machine is designed based on Arduino. The system design is divided into two parts: hardware and software. The Arduino UNO R3 is used as the kernal control board, the Bluetooth communication module, the RFID card module and the peripheral drive circuit constitute the hardware system. The software is based on the application of the Android platform, and the image processing technology is applied to realize the real-time transmission, processing and printing of the image. The system has the features of upgrades, convenient operation, low cost and good real time. It is suitable for application in office and creative design.%基于Arduino设计了一种小型激光雕刻机,采用Arduino UNO R3为主控制板,结合蓝牙通讯模块,RFID刷卡模块以及外围的驱动电路构成硬件系统,并设计基于Android平台的软件系统,运用图像处理技术,实现了图像实时传递、处理和打印.系统具有可升级,操作方便,成本低,实时性好的特点,适合办公室及创意设计等场合推广使用.
【期刊名称】《电子设计工程》
【年(卷),期】2019(027)004
【总页数】5页(P176-179,184)
【关键词】Arduino;激光雕刻;蓝牙;Android
【作 者】李哲;庄其;余跃
【作者单位】中国石油大学(华东)信息与控制工程学院,山东 青岛 266580;中国石油大学(华东)信息与控制工程学院,山东 青岛 266580;中国石油大学(华东)信息与控制工程学院,山东 青岛 266580
【正文语种】中 文
【中图分类】TN108.1
随着科学技术的发展，越来越多的新技术融入到我们的生活中，激光是20世纪以来，继原
子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”[1]。而激光技术也推动了许多领域的迅猛发展，它的应用范围之广泛，在加工领域尤其显著[2-5]。激光雕刻机作为一种机、光、电、算相结合的高科技产品也在市场上出现，其应用相当广泛，市场需求量很大。工业级的激光雕刻机的成本非常高，体积庞大，不利于携带，为了满足那些有设计创意和喜欢激光雕刻的人们的需求，推动激光雕刻机在日常生活中的普及，设计了一款基于Arduino的微型激光雕刻机。
以开源的Arduino为核心控制板，系统设计分为硬件和软件两方面。上位机即手机端将指令通过蓝牙传输到下位机Arduino控制器，由控制器控制X、Y轴步进电机，从而使激光器发射出激光束到达相应的雕刻位置，同时添加RFID刷卡模块控制雕刻机的使用权限。
1 硬件设计
微型雕刻机系统的硬件部分系统结构如图1所示，主要包括Arduino控制器、供电电路、电机驱动模块、蓝牙驱动模块、激光控制电路和RFID刷卡模块。其中，手机端软件负责图片处理，并通过蓝牙驱动模块与核心板进行通讯。RFID刷卡模块配合手机端命令，控制激光打印的启停。
控制系统主要控制激光头的运动与调节激光器的功率与开闭，激光头的运动由X、Y向步进电机驱动，激光器的功率由0～5 V模拟电平控制。激光器的开关由控制系统发出的脉冲信号控制。
图1 系统硬件结构框图
1.1 Arduino
Arduino是一个基于开放原始码的软硬件平台，构建于开放原始码simple I/O介面版，并且具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境[6]。它由一个基于单片机并且开放源码的硬件平台，和一套为Arduino IDE板编写程序的开发环境组成。基于Arduino单片机的开发不需要太多硬件知识，仅需掌握端口作用即可；Arduino软件语言为精简指令系统，指令不多，但指令的功能却很强大，可读性好。Arduino的核心控制器硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的，在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码。Arduino简单的开发方式使得开发者更关注创意与实现，实现了产品原型快速研发，节约了学习的成本，缩短了开发的周期[7-11]。
本系统采用Arduino UNO R3开发板作为核心控制单元。UNO的处理器核心是ATmega328，USB接口芯片采用ATmega16U2。R3版本与前两版相比能够支持I2C接口，并能兼容5 V和3.3 V核心板，改进了复位电路设计。控制器主要用来保存用户参数以及加工文件，并运行G代码解释程序控制步进电机与激光头进行雕刻。
1.2 电机驱动模块
系统采用带转换器和过流保护的DMOS微步驱动器A4988驱动42步进电机，采用全步进模式。图2是系统中步进电机驱动电路，通过驱动A4988控制步进电机工作，供电电压为12 V。通过单片机对A4988的STEP管脚输出脉冲来控制步进电机的速度，通过控制A4988的DIR管脚来控制步进电机的转向。A4988的MS1、MS2、MS3管脚通过不同组合选择不同的细分。在电源供电方面，器件逻辑电压VDD和GND之间接Arduino的+5 V电源端，电机电源 VMOT和 GND之间接12 V（DC）。
1.3 激光控制电路
图2 步进电机驱动电路
PC817是常用的线性光藕，在各种要求比较精密的功能电路中常常被当作耦合器件，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响。工作机理为当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换。激光控制电路如图3所示，电路采用光耦PC817驱动MOSFET开关，进而控制激光的开通关断MOSFET开关控制激光器比继电器控制，具有开关频率高，损耗小，低噪声等优点。
图3 激光控制电路
1.4 RFID刷卡模块
无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用感应识别特定的电子标签（RFID Tags）发出的无线电波特定频段的能量，或由电子标签主动发送某一频率的信号，进行非接触式双向通信，完成目标识别和数据交换目的的自动识别技术，而不需要识别系统（一般是RFID阅读器）与电子标签之间建立机械或光学接触[12]。RFID已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域[13-14]。MF RC522是应用于13.56 MHz非接触式通信的非接触式读写卡
芯片。具有低电压、低成本、体积小的特点，是智能仪表和便携式手持设备研发的较好选择。
设计中的智能管理系统采用无线射频（RFID）感应技术，以RC522射频卡为存储媒介实现微型激光雕刻的权限管理。刷卡模块驱动电路如图4所示。
图4 刷卡模块驱动电路
1.5 蓝牙驱动模块
蓝牙是一种支持设备短距离通信（10m内）的无线传输技术。利用蓝牙技术，能够有效地简化移动终端设备之间的通信，从而让数据传输变得更加高效迅速，蓝牙支持点对点及点对多通信，传输速率为1Mbps[15]。目前电子市场上基于蓝牙传输的模块类型丰富，适合开发阶段的初级应用和调试，本设计采用HC-06蓝牙模块，连接电路如图5所示。VCC：接Arduino的 5 V；GND：接 Arduino的 GND；TXD：发送端，接Arduino的RX；XD：接收端，接Arduino的TX。
图5 蓝牙模块及连接电路
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2 系统的软件方案
2.1 Arduino的下位机软件的编写及调试
Arduino基于processing IDE开发，可通过USB接口直接进行编程和通信，其界面友好，语法简单，基于wiring语言开发，是对AVRGCC库的二次封装，不需要太多的单片机基础、编程基础，适合快速开发[16]。Arduino IDE 可以在 Windows、Macintosh OSX、Linux 3大主流操作系统上运行，适合跨平台开发并具有兼容性。Arduino下位机主要从蓝牙接收手机控制端命令及数据，根据命令判断工作模式，接收相应图像处理后的数据，进而启动步进电机进行打印或者雕刻。程序流程图如图6所示。
图6 Arduino IDE程序流程图
2.2 Android手机端APP控制软件的设计
Android是google推出的移动设备操作系统，目前占手机系统的最大市场份额。手机端应用开发基于Eclipse，它是一个开放源代码的、基于Java的可扩展开发平台，配合Android SDK、ADT环境可开发Android手机端应用程序[17]。基于Android的蓝牙通讯和网络通讯方
式是目前手机应用与单片机产品交互的主流设计方法[18]。本项目基于java语言实现了手机端应用端激光测试，图片来源选择，阈值选择和导入G代码功能，并设计了涂鸦功能。
G代码是数控程序中的指令，本设计参考Grbl Controller G代码控制器[19]，设计出属于对应硬件的G代码控制器，并向Arduino中编写Grbl程序。控制激光雕刻机的起停，并将图像处理成打印机所需格式，该步骤是手机端流程的关键。此外，控制界面和蓝牙通信是手机端和下位机端通信的保障。Android手机端应用程序流程如图7所示。手机端界面设计如图8所示。
图7 Android手机端应用程序流程图
图8 手机端界面设计
3 系统调试
对系统各个硬件模块及软件功能采用了独立测试、跟踪测试的分布调试方法，最后对系统实现联合调试，完成了预期的功能。雕刻机硬件外观如图9所示，打印效果如图10所示。

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