迷你激光雕刻机的设计与实现毕业设计说明书文档格式.docx
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Keywords:
Arduino;
laserengravingtechnology;
steppermotor;
3Dprintingtechnology
引言
激光在20世纪60年代问世之后，在生产中很快得到了应用，而后，对其相关的基本理论研究不断的加深。
各种各样的激光器逐步的发展起来，使得激光的应用领域也不断的被拓宽，规模也逐渐的被扩大，产生的社会与经济效益也更加的显著。
激光技术得到了各个科技发达国家的高度重视，并且也得到了许多发展中国家的高度重视，同时也给与了大量的投入。
在二十世纪的科学技术发展中，新兴科技之一的激光技术成为了那个时代重要的发展标志。
而自二十世纪八十年代至今，激光技术被全球的很多国家及政府作为国家级别的建设发展计划。
例如,英国的阿维尔计划,美国的激光核聚变计划，日本的激光研究五年计划等。
因为这些计划的实施使得激光技术迅速的发展起来，并且形成了一个生气盎然的新兴产业。
大量的学科技术，多样的生产水平因为激光技术的发展而得到了提高。
激光技术作为高新的加工工艺，广泛的被用来进行雕刻切割的处理，同时其得到了非常快速的发展。
由于激光雕刻切割技术的机械传动结构搭建起来方便灵巧，并且低噪，低损耗，高精度，拥有广泛的适用性，对于控制软件的开发设计十分方便易于控制。
因为在高能量激光聚焦后，能够将被加工件瞬间气化，以此获得雕刻切割的效果，这样被加工的材料表面受到的影响较小，不会造成加工材料的刮痕或变形等，加工的缝隙也较小，尤其是对亚克力材料，切口较为整齐，无接触的加工所以不会产生加工接触力，无刀具的损耗，无模具，工件也无需特别装夹。
而对激光雕刻技术的原理学习了解，及如何实现高精度雕刻等等，可以促进激光雕刻产业的发展。
因此，迷你型激光雕刻机系统的设计是让更多人接触到激光雕刻技术的一项重要课题。
市面上动辄几千上万的激光雕刻切割机器是普通人无法轻易尝试的，这对于那些想要接触激光技术的人们来说，无疑是一道很高的门槛，而本设计的迷你型激光雕刻机系统，将激光雕刻技术从工业大型设备转变为家用小型设备，降低了激光雕刻技术的学习成本，使得更多有兴趣的人参与到激光雕刻技术的学习研究中。
通过开发傻瓜型的控制软件，将机械传动部分小型化，采用功率较小的激光器，使得激光雕刻机变得简便易携带，操作也极为简单，同时也支持使用CNC机床的Gcode控制代码，因而能够对本机器进行二次开发学习。
1设计要求
1.1毕业设计题目
迷你激光雕刻机的设计与实现
1.2设计的主要功能
本设计以ArduinoUNO型单片机为核心，制作一个迷你激光雕刻机的设计和实现的主要功能如下：
（1）实现弱光定位，通过PWM的调节，将激光的强度降至一个较低的数值，以便于雕刻前的定位设置。
（2）在非金属的物体表面烧刻出由计算机传输的图案，由上位机的控制软件发送指令至单片机进行动作。
（3）支持重复雕刻，在一次雕刻完成之后，雕刻机会自动返回雕刻初始位置，此时不移动电机位置，直接生成指令，可以再次在同样的位置进行雕刻，以达到修补首次雕刻时未出雕刻效果的部分区域。
（4）支持印章的阴阳雕刻，在光敏垫或部分胶皮材质上进行印章的雕刻，雕刻成型后即可上油墨进行盖印。
（5）可通过电脑端软件控制进行手动的上下左右移动，开光激光器等行为。
（6）使用由ArduinoUNO型单片机构成的中央处理模块，完成对指令的发送接收，数据的处理以及进行控制。
2工作原理和系统结构
根据设计的要求，本课题的迷你激光雕刻机的设计与实现主要系统分为六个模块：
串口通信模块、中央处理模块、电机驱动模块、激光器驱动模块、机械传动结构模块、外型框架模块，系统结构如图2-1所示。
图2-1系统结构框图
1）中央处理模块
主要采用ArduinoUNO型单片机设计，为本设计的核心模块，主要负责对其他部分进行数据处理和控制。
2）串口通信模块
采用PL2303HXD芯片，对RS232电平与USB电平进行转换，负责电脑与单片机的实时通信传输。
3）电机驱动模块
该模块使用了L9110S电机驱动芯片，该芯片主要是为了控制和驱动电机而设计。
该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，故每驱动一个步进电机，则需要两枚L9110S芯片来提供二相四线步进电机所需要的线序脉冲。
4）激光器驱动模块
使用SS8050NPN型三极管构建控制激光器的开关电路，单片机通过发送高低电平信号，来控制三极管的通断。
5）机械传动结构模块
由3D打印件、二相四线步进电机、亚克力面板组成，亚克力面板作为底板承载支架与电机，3D打印件与步进电机接合之后，步进电机能够带动3D打印件进行移动，以此达到机械传动的目的。
6）外型框架模块
外型框架模块主要使用亚克力面板，通过螺丝的接合，制成搭载机械传动结构模块和电路板等物件的支架。
3硬件设计
3.1系统总电路图
由ArduinoUNO型单片机构成的中央处理模块；
由PL2303HXD构成的串口通信模块，四枚L9110S电机驱动芯片构成电机驱动模块；
SS8050NPN三极管构成激光器驱动电路，系统总电路图如图3-1所示。
图3-1系统总电路图
3.2控制和数据处理模块
控制和数据处理模块采用ArduinoUNO型单片机构成，由于Arduino单片机拥有运算能力较强，并且软件编程控制方便，功耗低，体积小、I/O口资源丰富、内置A\D模数转换、通用性强和成本较低等优点。
通过外界变压器提供的+5V电压供电，有源晶振输入时钟，控制模块能够正常工作；
通过与串口通信模块连接上位机，可实现程序的下载，支持在线调试程序，并能使用上位机软件给单片机发送指令，从而控制各个模块正常工作。
控制和数据模块电路如图3-2所示。
图3-2控制与数据处理模块
Arduino，是一个开源的软硬件平台，通过对AVR单片机的二次封装开发，简化了单片机引脚的使用，并且有专用的开发编程语言。
这个著名的开源硬件项目，诞生于意大利的一所设计学校。
马西莫的学生经常抱怨找不到一个物美价廉好用的单片机来对机器人进行控制。
之后，马西莫和朋友大卫讨论了这个问题，他们决定设计自己的电路板，并邀请学生大卫梅利斯设计编程语言。
一个星期后，设计完成。
电路板被命名为Arduino，来自学生经常去附近的一个酒吧。
聪明的马西莫认为开源能够产生更广泛的传播效应，给Arduino带来更多的关注。
于是，他将设计数据发布到网上。
正如马西莫所设想的那样，在短短几个月的时间，Arduino的发展快速增长，而且充满激情的爱好者也提出了很多改进电路和程序语言的建议。
表3-1主要性能参数
工作电压
1.8V-5.5V
外部供电电压
7V-12V
最大外部供电电压（不推荐）
20V
数字输入/输出口
14
PWM
6
10位ADC
8/6（DIP）
单个输入/输出管脚的直流电流值
40mA
3.3V管脚直流电流值
50mA
FlashMemory
32KB
SRAM
2KB
EEPROM
1KB
时钟频率
16MHz
16位定时器/计数器
1
8位定时器/计数器
2
RTC
YES
SPI
UART
TWI
WDT
1（带独立片内振荡器）
外部中断
24
睡眠模式
6种
硬件乘法器
片内振荡器
引脚电平中断/唤醒功能
掉电检测
上电复位
模拟比较器
工作温度范围:
-40℃至85℃
ArduinoUNO单片机两种封装引脚如图3-3和图3-4及其功能：
图3-3TQFP32型封装
图3-4PDIP28型封装
（1）VCC：
数字电路的电源
（2）GND：
地
（3）数字端口（D1..D13）
D1至D13是arduino经过重新封装之后进行编号的管脚，具有正常的数字输入输出功能，它的工作电压为5V，每一个I/O口能够接入与输出的最大电流为40毫安，同时也内置了20至50K的上拉电阻（默认为不连接状态）。
除此之外，有部分管脚具有其他特定的功能。
1 D0、D1引脚：
D0为串口信号RX，D1为串口信号TX,它们与串口通信芯片相连接，为串口信号的接收提供TTL电压。
2 D2、D3引脚：
外部中断触发引脚。
3 D3、D5、D6、D9、D10、D11引脚：
能够输出PWM脉冲。
4 D10（SS）、D11（MOSI）、D12（MISO）、D13（SCK）：
SPI通信接口。
（4）模拟端口（A0..A5）
A0至A5是ADC输入管脚，在单片机内部配置有一个10位的ADC寄存器，用于将读入的模拟数据进行处理，将其转变为数字，便于用户对数据进行处理。
（5）RESET
复位输入引脚。
低于最低时间低阈值长会导致系统复位。
脉冲持续时间小于复位之间的阈值。
（6）XTAL1是晶振的输入端。
（7）XTAL2是晶振的输出端。
（8）AVCC
AVCC为模拟A口与模数转换器提供了电压，若是ADC尚未进行工作，则AVCC与电源VCC进行连接。
（9）AREF：
进行A/D模数转换时需要的基准电压输入引脚。
（10）晶体振荡器
如图3-5所示，石英的晶体与陶瓷谐振器一般常常被用来制作该振荡器。
图3-5
晶体振荡器连接图
若是要震得到的幅度完满，则需要对熔丝位CKOPT进行一定的程序编译工作。
对于噪声环境与需要驱动第二时钟缓冲器的情况来说该模式非常适用，并且该模式的频率范围很宽[1]。
若CKOPT没有被进行编程，则振荡器输出幅度会变得比较小。
这样就会降低器件的功耗，但是也因为这样，就导致了频率范围缩小，也不能够再运行别的时钟缓冲器。
就谐振器而言，没有得到程序编译的CKOPT，其最大的频率是8兆赫兹，而经过程序编译之后则可以达到16兆赫兹。
无论采用的是谐振器或晶体，两个电容的值要求相等，它们的值也可能取决于环境中的各项杂质参数[1]。
表3-2晶体振荡器工作模式
CKOP
TCKSEL3..1
频率范围
（MHz）
电容C1和C2的推荐使用范围（pF）
101
（1）
0.4
-
0.9
–
110
0.9
3.0
12
22
111
3.0
8.0
101,
110,
1.0
≤
晶体振荡器器拥有三种不同的工作模式，这三种不同的工作模式每一个都有一个最优的频率范围。
通过对CKSEL3..1的进行一定的设定也会影响到振荡器的工作模式，如表3-2所示[1]。
如图3-6所示，由于芯片采用了哈弗结构，并且具有单独分立的数据与程序总线，因此得到了最高的性能与并行性。
程序存储器中的指令流水线通过各级运行。
每当CPU执行一条命令时也会读取下一条的命令，单时钟周期运行指令由此得到实现[11]。
在芯片的内部，通用工作寄存器被设计在快速访问寄存器中，而当你需要对其进行访问的时候只需要一个时钟周期，因此ALU操作能够在一个时钟周期内进行的想法得以变为现实。
当有两个相等的操作数在进行ALU操作的时候，它们的寄存器被访问，然后就会执行操作，将得到的结果发送回来，在这样的一次操作，也只需要一个时钟周期的时间。
间接寻址寄存器指针能够对数据空间进行寻址，提高地址运算的效率，并且使用存储器的地址指针时，也可以利用其中一个指针来为其进行查找表的工作[11]。
寄存器之间、寄存器与常数之间的运算可以使用ALU操作进行，单寄存器也能够进行ALU操作。
在进行ALU之后，状态寄存器就能获取并显示新的结果。
有无条件的跳转与指令的调用产生了程序的流通，以此能够对整个地址空间进行直接寻址的操作[1]。
引导程序区、应用程序区存在于程序存储器空间中，他们都具有特定的锁定位以及读写的保护。
引导程序区中可以进行应用程序区的SPM指令编写。
在堆栈中保存了中断以及子程序被调用时的程序计数器。
而通用数据SRAM的大小也影响了置身其中的堆栈的大小。
一个便于使用的中断模块被设计在芯片之中。
控制寄存器会被设计在输入输出的空间里，而全局中断使能位被设计在状态器中。
任何一个中断都会在中断的向量表里面获得一个单独分立的中断向量，如果优先级越来越低，那么就说明了它的地址越来越高。
图3-6芯片结构方框图
3.3串口通信电路
本设计中采用PL2303HXD作为单片机与上位机之间的通信连接。
PL2303HXD自身的TXD和RXD引脚与单片机的PD0（RXD）和PD1（TXD）进行连接，以实现数据的传输。
串口通信电路如图3-7所示。
图3-7串口通信电路
在市面上有许多集成了RS232-USB接口的转换器，而我选择了PL2303HXD来设计串口通信模块。
这块芯片能够使用了USB的接口，并且是一个全双工异步的串口通信设备，它的内部配置有振荡器，USB的控制与收发器，兼容UART协议，而为了能够让USB与RS232之间信号的转变也只是需要对外围电路加装若干颗电容器便能够完成需求。
由于它的外围电路体积小，因此可以方便的内嵌进各种各样的电路及设备中，同时它也可以自动完成数据接收与发送的工作，令技术员不需要再考虑其他的设计[2]。
大多数的操作系统都能够安装上PL2303HXD的驱动程序，在电脑上可以显示为传统的COM口，也能够让基于COM口的应用轻松的转变成USB口的应用程序，而且通讯波特率能够达到6mb/s。
它具有低功耗的睡眠与工作模式，对于手持设备是一个非常好的选择。
PL2303HXD具有的特点包括：
完全兼容USB协议；
能够对波特率进行编程设置；
可以设置不同的输出电压，以此来满足各种电压的应用需求；
双向数据缓冲可以调节并且有512字节大小；
内部有默认的ROM，也能够使用外置的E2PROM对设备的相关信息进行存储[2]。
PL2303HXD主要性能参数：
1.
兼容USB规范2.0
2.
芯片内设计有USB
1.1收发器
3.
对RS232串行接口有良好支持
1）
全双工发送器TxD和接收器RxD
2）
RTS，CTS，DTR，DSR，DCD和RI的作用为调制解调控制
3）5至8个数据位
4）
具有各种握手模式
6）
奇偶判错，帧错误和串行中断检测
7）
可编程波特率从75bps到6
Mbps
8）
外部的RS232驱动下降控制
9）
独立的串行接口电源
4.
宽广的流量控制机制
自动与CTS
/
RTS流控制
自动使用的XON
XOFF流量控制
3）
入站数据缓冲区溢出检测
5.
可配置的512个字节双向数据缓冲器
256字节的输出缓冲区和256字节的输入缓冲区
128字节的输出缓冲区和384字节的输入缓冲区
6.
具有唤醒的功能，通过远程控制相关调制信号的输入
7.
四个通用的I/O口
8.
外部的EEPROM可以用于机器运行时对配置的存储
9.
驱动程序支持各大主流操作系统
10.获得了微软驱动程序认证
11.小尺寸的28引脚SSOP封装
图3-8PL2303HXD引脚图
各个引脚的功能解释如表3-3中所述。
表3-3各个引脚功能
引脚
名字
类型
引
脚
描
述
TXD
输出
数据输出到串口；
2
DTR_N
准备数据终端，低电平有效；
3
RST_N
发送请求，低电平有效；
4
VDD_325
电源
IC电源，串口电压是多少V，那么串行端口就是多少V；
5
RXD
输入
串口数据输入；
6
RI_N
输入/输出
串行端口（环指示器）；
7
GND
接地；
8
NC
无连接
9
DSR_N
串行端口（数据集就绪）
10
DCD_N
串行端口（数据载波检测）
11
CTS_N
串行端口（清除发送）
SHTD_N
控制RS232收发器关机
13
EE_CLK
输入/输出串行
EEPROM时钟
14
EE_DATA
串行EEPROM数据
15
DP
USB端口D+信号
16
DM
USB端口D-信号
17
VO_33
常规
3.3V电源输出
18
接地
19
无连接
20
VDD_5
USB端口的5V电压电源
21
22
GP0
通用I/O引脚0
23
GP1
通用I/O引脚1
25
GND_A
模拟地锁相环
26
PLL_TEST
锁相环测试
27
OSC1
晶体振荡器输入
28
OSC2
晶体振荡器输出
3.4电机驱动模块
本电机驱动模块采用L9110S电机驱动芯片，驱动电路如图3-9所示。
图3-9电机驱动电路
其主要工作原理为：
L9110S与单片机IO口进行连接，单片机收到上位机发送的指令后，依据单片机的内部程序给L9110S芯片输送相应的电平，一枚L9110S芯片包含两路输入、两路输出引脚，而一个二相四线步进电机则需要两个L9110S组成四路端口来完成对步进电机线序的输出。
在本设计中采用的L9110S芯片是一枚能够对电机进行控制与驱动的芯片，它的内部包含了相应的分立电路器件，具有两组输入输出端口，减少了外围电路的设计，以此降低了成本，同时也让系统安全性能有了显著的上升。
两个输入端配置了TTL/CMOS，以此兼容电平，它们被设计在了芯片的内部，具有不错的抗干扰特性；
而在输出端部分，每一个输出端能够输出大约800毫安的电流，以供对电机正反向转动的直接驱动，瞬间峰值电流能够达到2安；
这枚芯片在各种电机或电磁器件上能够进行稳定无风险的驱动，这是由于它的内部安装了钳位二极管，使得芯片的输出饱和压降的值变得更小，令驱动时可能会造成的不良影响得以降低[3]。
L9110主要性能参数：
1.宽电压的范围：
2.5V至12V；
2.每一个输出端能够持续输出800毫安的电流；
3.饱和压降的值
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