【正文】 迷你激光雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文目錄引言 11 設(shè)計(jì)要求 2 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 2 設(shè)計(jì)的主要功能 22 工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 23 硬件設(shè)計(jì) 3 系統(tǒng)總電路圖 3 控制和數(shù)據(jù)處理模塊 4 串口通信電路 10 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 15 激光管驅(qū)動(dòng)模塊 18 機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)模塊 19 3D打印件 19 二相四線步進(jìn)電機(jī) 21 亞克力面板 24 滑臺(tái) 244 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 26 Arduino IDE介紹 26 Delphi7軟件簡介 26 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 27 各個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì) 28 系統(tǒng)初始化模塊 28 控制協(xié)議分析模塊 29 指令任務(wù)執(zhí)行模塊 31 上位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 345 系統(tǒng)測(cè)試 36 測(cè)試工具和環(huán)境 36 激光雕刻機(jī)整機(jī)調(diào)試 36 測(cè)試流程 376 總結(jié) 40致 謝 41參考文獻(xiàn) 42桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙引言激光在20世紀(jì)60年代問世之后，在生產(chǎn)中很快得到了應(yīng)用，而后，對(duì)其相關(guān)的基本理論研究不斷的加深。各種各樣的激光器逐步的發(fā)展起來，使得激光的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷的被拓寬，規(guī)模也逐漸的被擴(kuò)大，產(chǎn)生的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益也更加的顯著。激光技術(shù)得到了各個(gè)科技發(fā)達(dá)國家的高度重視，并且也得到了許多發(fā)展中國家的高度重視，同時(shí)也給與了大量的投入。在二十世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展中，新興科技之一的激光技術(shù)成為了那個(gè)時(shí)代重要的發(fā)展標(biāo)志。而自二十世紀(jì)八十年代至今，激光技術(shù)被全球的很多國家及政府作為國家級(jí)別的建設(shè)發(fā)展計(jì)劃。例如, 英國的阿維爾計(jì)劃, 美國的激光核聚變計(jì)劃，日本的激光研究五年計(jì)劃等。因?yàn)檫@些計(jì)劃的實(shí)施使得激光技術(shù)迅速的發(fā)展起來，并且形成了一個(gè)生氣盎然的新興產(chǎn)業(yè)。大量的學(xué)科技術(shù)，多樣的生產(chǎn)水平因?yàn)榧す饧夹g(shù)的發(fā)展而得到了提高。激光技術(shù)作為高新的加工工藝，廣泛的被用來進(jìn)行雕刻切割的處理，同時(shí)其得到了非?？焖俚陌l(fā)展。由于激光雕刻切割技術(shù)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)搭建起來方便靈巧，并且低噪，低損耗，高精度，擁有廣泛的適用性，對(duì)于控制軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)十分方便易于控制。因?yàn)樵诟吣芰考す饩劢购?，能夠?qū)⒈患庸ぜ查g氣化，以此獲得雕刻切割的效果，這樣被加工的材料表面受到的影響較小，不會(huì)造成加工材料的刮痕或變形等，加工的縫隙也較小，尤其是對(duì)亞克力材料，切口較為整齊，無接觸的加工所以不會(huì)產(chǎn)生加工接觸力，無刀具的損耗，無模具，工件也無需特別裝夾。而對(duì)激光雕刻技術(shù)的原理學(xué)習(xí)了解，及如何實(shí)現(xiàn)高精度雕刻等等，可以促進(jìn)激光雕刻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，迷你型激光雕刻機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是讓更多人接觸到激光雕刻技術(shù)的一項(xiàng)重要課題。市面上動(dòng)輒幾千上萬的激光雕刻切割機(jī)器是普通人無法輕易嘗試的，這對(duì)于那些想要接觸激光技術(shù)的人們來說，無疑是一道很高的門檻，而本設(shè)計(jì)的迷你型激光雕刻機(jī)系統(tǒng)，將激光雕刻技術(shù)從工業(yè)大型設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榧矣眯⌒驮O(shè)備，降低了激光雕刻技術(shù)的學(xué)習(xí)成本，使得更多有興趣的人參與到激光雕刻技術(shù)的學(xué)習(xí)研究中。通過開發(fā)傻瓜型的控制軟件，將機(jī)械傳動(dòng)部分小型化，采用功率較小的激光器，使得激光雕刻機(jī)變得簡便易攜帶，操作也極為簡單，同時(shí)也支持使用CNC機(jī)床的Gcode控制代碼，因而能夠?qū)Ρ緳C(jī)器進(jìn)行二次開發(fā)學(xué)習(xí)。1 設(shè)計(jì)要求 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 迷你激光雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 設(shè)計(jì)的主要功能本設(shè)計(jì)以Arduino UNO型單片機(jī)為核心，制作一個(gè)迷你激光雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：（1） 實(shí)現(xiàn)弱光定位，通過PWM的調(diào)節(jié)，將激光的強(qiáng)度降至一個(gè)較低的數(shù)值，以便于雕刻前的定位設(shè)置。（2） 在非金屬的物體表面燒刻出由計(jì)算機(jī)傳輸?shù)膱D案，由上位機(jī)的控制軟件發(fā)送指令至單片機(jī)進(jìn)行動(dòng)作。（3） 支持重復(fù)雕刻，在一次雕刻完成之后，雕刻機(jī)會(huì)自動(dòng)返回雕刻初始位置，此時(shí)不移動(dòng)電機(jī)位置，直接生成指令，可以再次在同樣的位置進(jìn)行雕刻，以達(dá)到修補(bǔ)首次雕刻時(shí)未出雕刻效果的部分區(qū)域。（4） 支持印章的陰陽雕刻，在光敏墊或部分膠皮材質(zhì)上進(jìn)行印章的雕刻，雕刻成型后即可上油墨進(jìn)行蓋印。（5） 可通過電腦端軟件控制進(jìn)行手動(dòng)的上下左右移動(dòng)，開光激光器等行為。（6） 使用由Arduino UNO型單片機(jī)構(gòu)成的中央處理模塊，完成對(duì)指令的發(fā)送接收，數(shù)據(jù)的處理以及進(jìn)行控制。2 工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，本課題的迷你激光雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要系統(tǒng)分為六個(gè)模塊：串口通信模塊、中央處理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、激光器驅(qū)動(dòng)模塊、機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)模塊、外型框架模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖21所示。圖21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1) 中央處理模塊主要采用Arduino UNO型單片機(jī)設(shè)計(jì)，為本設(shè)計(jì)的核心模塊，主要負(fù)責(zé)對(duì)其他部分進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制。2) 串口通信模塊采用PL2303HXD芯片，對(duì)RS232電平與USB電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，負(fù)責(zé)電腦與單片機(jī)的實(shí)時(shí)通信傳輸。3) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊該模塊使用了L9110S電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片主要是為了控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)而設(shè)計(jì)。該芯片有兩個(gè)TTL/CMOS兼容電平的輸入，故每驅(qū)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，則需要兩枚L9110S芯片來提供二相四線步進(jìn)電機(jī)所需要的線序脈沖。4) 激光器驅(qū)動(dòng)模塊使用SS8050 NPN型三極管構(gòu)建控制激光器的開關(guān)電路，單片機(jī)通過發(fā)送高低電平信號(hào)，來控制三極管的通斷。5) 機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)模塊由3D打印件、二相四線步進(jìn)電機(jī)、亞克力面板組成，亞克力面板作為底板承載支架與電機(jī)，3D打印件與步進(jìn)電機(jī)接合之后，步進(jìn)電機(jī)能夠帶動(dòng)3D打印件進(jìn)行移動(dòng)，以此達(dá)到機(jī)械傳動(dòng)的目的。6) 外型框架模塊外型框架模塊主要使用亞克力面板，通過螺絲的接合，制成搭載機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)模塊和電路板等物件的支架。3 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總電路圖由Arduino UNO型單片機(jī)構(gòu)成的中央處理模塊；由PL2303HXD構(gòu)成的串口通信模塊，四枚L9110S電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；SS8050 NPN三極管構(gòu)成激光器驅(qū)動(dòng)電路，系統(tǒng)總電路圖如圖31所示。圖31 系統(tǒng)總電路圖 控制和數(shù)據(jù)處理模塊控制和數(shù)據(jù)處理模塊采用Arduino UNO型單片機(jī)構(gòu)成，由于Arduino單片機(jī)擁有運(yùn)算能力較強(qiáng)，并且軟件編程控制方便，功耗低，體積小、I/O口資源豐富、內(nèi)置A\D模數(shù)轉(zhuǎn)換、通用性強(qiáng)和成本較低等優(yōu)點(diǎn)。通過外界變壓器提供的+5V電壓供電，有源晶振輸入時(shí)鐘，控制模塊能夠正常工作；通過與串口通信模塊連接上位機(jī)，可實(shí)現(xiàn)程序的下載，支持在線調(diào)試程序，并能使用上位機(jī)軟件給單片機(jī)發(fā)送指令，從而控制各個(gè)模塊正常工作?？刂坪蛿?shù)據(jù)模塊電路如圖32所示。圖32 控制與數(shù)據(jù)處理模塊 Arduino，是一個(gè)開源的軟硬件平臺(tái)，通過對(duì)AVR單片機(jī)的二次封裝開發(fā)，簡化了單片機(jī)引腳的使用，并且有專用的開發(fā)編程語言。這個(gè)著名的開源硬件項(xiàng)目，誕生于意大利的一所設(shè)計(jì)學(xué)校。馬西莫的學(xué)生經(jīng)常抱怨找不到一個(gè)物美價(jià)廉好用的單片機(jī)來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。之后，馬西莫和朋友大衛(wèi)討論了這個(gè)問題，他們決定設(shè)計(jì)自己的電路板，并邀請(qǐng)學(xué)生大衛(wèi)梅利斯設(shè)計(jì)編程語言。一個(gè)星期后，設(shè)計(jì)完成。電路板被命名為Arduino，來自學(xué)生經(jīng)常去附近的一個(gè)酒吧。聰明的馬西莫認(rèn)為開源能夠產(chǎn)生更廣泛的傳播效應(yīng)，給Arduino帶來更多的關(guān)注。于是，他將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)上。正如馬西莫所設(shè)想的那樣，在短短幾個(gè)月的時(shí)間，Arduino的發(fā)展快速增長，而且充滿激情的愛好者也提出了很多改進(jìn)電路和程序語言的建議。表31 主要性能參數(shù)工作電壓外部供電電壓7V12V最大外部供電電壓（不推薦）20V數(shù)字輸入/輸出口14PWM 610位ADC 8 / 6(DIP)單個(gè)輸入/輸出管腳的直流電流值40mA50mAFlash Memory32KBSRAM2KBEEPROM1KB時(shí)鐘頻率16MHz16位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 18位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 2RTC YESSPI 2UART 1TWI 1WDT 1（帶獨(dú)立片內(nèi)振蕩器）外部中斷 24睡眠模式 6種硬件乘法器 YES片內(nèi)振蕩器 YES引腳電平中斷/喚醒功能 YES掉電檢測(cè) YES上電復(fù)位 YES模擬比較器 YES工作溫度范圍:40℃至85℃Arduino UNO單片機(jī)兩種封裝引腳如圖33和圖34及其功能：圖33 TQFP32型封裝圖34 PDIP28型封裝（1） VCC：數(shù)字電路的電源（2） GND：地（3） 數(shù)字端口（D1..D13）D1至D13是arduino經(jīng)過重新封裝之后進(jìn)行編號(hào)的管腳，具有正常的數(shù)字輸入輸出功能，它的工作電壓為5V，每一個(gè)I/O口能夠接入與輸出的最大電流為40毫安，同時(shí)也內(nèi)置了20至50K的上拉電阻（默認(rèn)為不連接狀態(tài)）。除此之外，有部分管腳具有其他特定的功能。1　 D0、D1引腳：D0為串口信號(hào)RX，D1為串口信號(hào)TX,它們與串口通信芯片相連接，為串口信號(hào)的接收提供TTL電壓。2　 DD3引腳：外部中斷觸發(fā)引腳。3　 DDDDDD11引腳：能夠輸出PWM脈沖。4　 D10（SS）、D11(MOSI)、D12(MISO)、D13(SCK)：SPI通信接口。（4） 模擬端口（A0..A5)A0至A5是ADC輸入管腳，在單片機(jī)內(nèi)部配置有一個(gè)10位的ADC寄存器，用于將讀入的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字，便于用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。（5） RESET復(fù)位輸入引腳。低于最低時(shí)間低閾值長會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位。脈沖持續(xù)時(shí)間小于復(fù)位之間的閾值。（6） XTAL1是晶振的輸入端。（7） XTAL2是晶振的輸出端。（8） AVCCAVCC為模擬A口與模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供了電壓，若是ADC尚未進(jìn)行工作，則AVCC與電源VCC進(jìn)行連接。（9） AREF：進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)需要的基準(zhǔn)電壓輸入引腳。（10） 晶體振蕩器如圖35所示，石英的晶體與陶瓷諧振器一般常常被用來制作該振蕩器。圖35 晶體振蕩器連接圖若是要震得到的幅度完滿，則需要對(duì)熔絲位CKOPT進(jìn)行一定的程序編譯工作。對(duì)于噪聲環(huán)境與需要驅(qū)動(dòng)第二時(shí)鐘緩沖器的情況來說該模式非常適用，并且該模式的頻率范圍很寬[1]。若CKOPT沒有被進(jìn)行編程，則振蕩器輸出幅度會(huì)變得比較小。這樣就會(huì)降低器件的功耗，但是也因?yàn)檫@樣，就導(dǎo)致了頻率范圍縮小，也不能夠再運(yùn)行別的時(shí)鐘緩沖器。就諧振