stc15微控制器的智能激光雕刻机设计与实现(软件设计)
传统雕刻技术作为传统机械加工的重要分支，一直存在着难以克服的缺点，基于这种环境下，新的激光加工技术凭借其材料广泛、加工精度高等优点孕育而生，并且伴随着激光技术和计算机技术的迅猛发展，在材料加工及其他产业联系越来越密切。本设计是提出了一套基于嵌入式技术的智能激光雕刻系统设计方案，该系统主要由雕刻机底层驱动、Wi-Fi通信协议、Android端控制软件三部分组成，立脚雕刻机的加工过程、工作原理开始研究，通过借鉴前人的设计成果，总结成功和失败的经验，提出全新的设计方案。可以实现对指定格式的图片文件雕刻和与激光雕刻机进行人机交互等功能，具有操作简单、简约实用等优点，在创客教育、简单加工等领域有较大的发展前景。
目录
一、绪论 1
(一) 本课题的研究背景和意义 1
(二) 光刻机硬件结构和工作原理 2
(三) 课题来源 3
(四) 激光刻机的主要技术指标 3
(五) 本设计的主要工作 4
二、总体方案设计 5
(一) 智能激光雕刻机控制系统总体设计要求 5
(二) 智能激光雕刻机控制系统的总体框图设计 5
(三) 智能激光雕刻机的硬件总体框图设计 6
三、智能激光雕刻机控制系统的软件设计 7
(一) 系统总体设计要求 7
(二) 系统总体设计框图 7
(三) 上位机软件设计 8
(四) 底层控制驱动设计 10
四、通信协议与算法实现 12
(一) 通信接口 12
(二) 通信协议 13
(三) 底层算法的编写 14
(四) Android端的图案处理 14
五、软件调试测试 17
(一) Android上位机界面设计 17
(二) 智能激光雕刻机的实现效果 18
总结 19
致 谢 20
参考文献 21
一、绪论
本课题的研究背景和意义
自20世纪60年代的人类造出的第一台激光器起，激光这一科技界的新产儿就对人类社会产生了深远的影响。激光的出现不仅冲击了整个光学世 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
界，同时，凭借着它巨大的能量也对人类的生产、生活方式的演变产生了推动作用。经过数十年的技术革新，今天的“激光”已经不是纯粹的学术概念，由激光为核心的激光技术正在逐渐走向各行各业。
在制造业领域，激光技术的主要加工方式有雕刻、焊接、钻孔、打标等；激光技术主要利用激光的高能分子轰击物体表面，熔化或引发控制光化学反应，从而达到机械加工的目的。因为激光不与材料直接接触，所以具备加工特殊材料的特点。
传统雕刻技术作为传统机械加工的重要分支，一直存在着特殊材料难以加工的问题，产品合格率不高。激光雕刻机是利用激光切割把激光束聚焦在产品表面，使表面灼烧和气化的原理。具备一下优点：
（1）材料广泛
激光束在经过聚焦以后，聚焦点的直径只有几十微米到几百微米，具有极高的能量密度。所以可以加工硬度大、熔点高的工件。由于激光雕刻机的非接触性（即激光头不直接与工件相接触），所以激光雕刻机可以雕刻质地脆、材质软的工件。（例如玻璃加工、食品加工等）
（2）切割精度高
激光束聚焦以后的聚焦点的直径只有几十微米到几百微米，具有非常高的切割和打点精度。
（3）速度快
因为不与工件接触，所以激光雕刻机在运作中没有工件附加的摩擦力，工作效率是传统加工方式的几十倍。
（4）运用广泛
只要调节激光头的发射功率，就可以轻松完成工件的切割、雕刻、打孔等一系列工作。最大意义上节省了购买其他机器的成本。
本设计采用的STC15系列的微控制器，该芯片是宏晶公司在2012年发布的新一代处理芯片，有较强运算能力，同时内置的R/C时钟可以省掉昂贵的晶体时钟。为大规模生产节省了成本。个人移动设备作为辅助操作工具可以拓展控制功能，支持自主设计加工。
光刻机硬件结构和工作原理
激光雕刻的基本原理
激光雕刻机主要利用高能激光束经过聚焦以后形成的高密度能量的光斑，将产品快速加热，熔化或引发控制光化学反应的原理，达到在产品表面留下痕迹的效果。
激光雕刻机硬件结构
激光雕刻机主要由XY控制电路（A4988驱动模块、两相四线步进电机）、USB转串口电路（CH340烧入芯片）、激光发生器（300mW激光发射器）、电源电路（12V直流电压给步进电机供电、5V直流电压为微处理器供电）、液晶显示电路（0.95寸OLED屏）、温度检测电路、信号控制电路（STC15F2K60S2微处理器）等，如图11是激光雕刻机的结构图：
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图 11 激光雕刻机结构图
激光雕刻机采用的是300mW的激光发射器，可以根据不同的加工方式调节输出功率。
激光雕刻机的机械结构是由横梁、导轨和滑块构成的。滑块由步进电机驱动，固定在滑块上的激光头可以随着步进电机沿着导轨做X向和Y向的机械运动。雕刻过程中，激光头沿着加工路线移动，在工件上熔融出一条轨迹。一条条轨迹的叠加达到雕刻的效果。
激光雕刻机工作原理
激光雕刻机主要利用高能激光束经过聚焦以后形成的高密度能量的光斑，将产品快速加热，熔化或引发控制光化学反应，留下痕迹的雕刻方法。
激光雕刻机运用点、线、面的工作方式，利用激光头在工件上的运动轨迹合成想要的雕刻图案。X轴与Y轴的步进电机分别控制激光头在X轴、Y轴上的运动，以“S”型的运动方式工作。
设备上电后，系统通过按照接收到的上位机发来的行进指令开始工作，用逐行打印的工作方式，直到X轴方向走完，然后Y轴向下移动一定的距离，反复交替，直至雕刻完成。在引进过程中，雕刻机会根据上位机传输的信息控制激光器的开、关。每次完成X轴的运动轨迹后，雕刻机会上传完成指令，然后继续雕刻工作。
本设计系统选用的工作模式是动态数据传输，众所周知，动态传输的过程中容易出现数据的“丢包”现象，因此，对雕刻机数据的接收、处理以及电机驱动的运行时间都有相当高的要求。如图12是激光雕刻机的信息传递结构，图13是雕刻机的运动方式
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图 12 激光雕刻机的工作原理 图 13雕刻机的运动方式
课题来源
通过社会走访，我们发现市场上的激光雕刻机大致可以分成工业级、实验级两类。工业级的激光雕刻机普遍存在价格偏高的现象，并且体积过大。实验级的激光雕刻机功能单一、控制繁复。基于以上原因，同时结合我国加工制造业的具体情况，我们提出要设计一款控制简单，功能丰富，价廉物美的桌面级智能激光雕刻机的方案。以满足创客、手工发烧友的需求，争取做到符合现在的市场需求。
目录
一、绪论 1
(一) 本课题的研究背景和意义 1
(二) 光刻机硬件结构和工作原理 2
(三) 课题来源 3
(四) 激光刻机的主要技术指标 3
(五) 本设计的主要工作 4
二、总体方案设计 5
(一) 智能激光雕刻机控制系统总体设计要求 5
(二) 智能激光雕刻机控制系统的总体框图设计 5
(三) 智能激光雕刻机的硬件总体框图设计 6
三、智能激光雕刻机控制系统的软件设计 7
(一) 系统总体设计要求 7
(二) 系统总体设计框图 7
(三) 上位机软件设计 8
(四) 底层控制驱动设计 10
四、通信协议与算法实现 12
(一) 通信接口 12
(二) 通信协议 13
(三) 底层算法的编写 14
(四) Android端的图案处理 14
五、软件调试测试 17
(一) Android上位机界面设计 17
(二) 智能激光雕刻机的实现效果 18
总结 19
致 谢 20
参考文献 21
一、绪论
本课题的研究背景和意义
自20世纪60年代的人类造出的第一台激光器起，激光这一科技界的新产儿就对人类社会产生了深远的影响。激光的出现不仅冲击了整个光学世 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
界，同时，凭借着它巨大的能量也对人类的生产、生活方式的演变产生了推动作用。经过数十年的技术革新，今天的“激光”已经不是纯粹的学术概念，由激光为核心的激光技术正在逐渐走向各行各业。
在制造业领域，激光技术的主要加工方式有雕刻、焊接、钻孔、打标等；激光技术主要利用激光的高能分子轰击物体表面，熔化或引发控制光化学反应，从而达到机械加工的目的。因为激光不与材料直接接触，所以具备加工特殊材料的特点。
传统雕刻技术作为传统机械加工的重要分支，一直存在着特殊材料难以加工的问题，产品合格率不高。激光雕刻机是利用激光切割把激光束聚焦在产品表面，使表面灼烧和气化的原理。具备一下优点：
（1）材料广泛
激光束在经过聚焦以后，聚焦点的直径只有几十微米到几百微米，具有极高的能量密度。所以可以加工硬度大、熔点高的工件。由于激光雕刻机的非接触性（即激光头不直接与工件相接触），所以激光雕刻机可以雕刻质地脆、材质软的工件。（例如玻璃加工、食品加工等）
（2）切割精度高
激光束聚焦以后的聚焦点的直径只有几十微米到几百微米，具有非常高的切割和打点精度。
（3）速度快
因为不与工件接触，所以激光雕刻机在运作中没有工件附加的摩擦力，工作效率是传统加工方式的几十倍。
（4）运用广泛
只要调节激光头的发射功率，就可以轻松完成工件的切割、雕刻、打孔等一系列工作。最大意义上节省了购买其他机器的成本。
本设计采用的STC15系列的微控制器，该芯片是宏晶公司在2012年发布的新一代处理芯片，有较强运算能力，同时内置的R/C时钟可以省掉昂贵的晶体时钟。为大规模生产节省了成本。个人移动设备作为辅助操作工具可以拓展控制功能，支持自主设计加工。
光刻机硬件结构和工作原理
激光雕刻的基本原理
激光雕刻机主要利用高能激光束经过聚焦以后形成的高密度能量的光斑，将产品快速加热，熔化或引发控制光化学反应的原理，达到在产品表面留下痕迹的效果。
激光雕刻机硬件结构
激光雕刻机主要由XY控制电路（A4988驱动模块、两相四线步进电机）、USB转串口电路（CH340烧入芯片）、激光发生器（300mW激光发射器）、电源电路（12V直流电压给步进电机供电、5V直流电压为微处理器供电）、液晶显示电路（0.95寸OLED屏）、温度检测电路、信号控制电路（STC15F2K60S2微处理器）等，如图11是激光雕刻机的结构图：
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图 11 激光雕刻机结构图
激光雕刻机采用的是300mW的激光发射器，可以根据不同的加工方式调节输出功率。
激光雕刻机的机械结构是由横梁、导轨和滑块构成的。滑块由步进电机驱动，固定在滑块上的激光头可以随着步进电机沿着导轨做X向和Y向的机械运动。雕刻过程中，激光头沿着加工路线移动，在工件上熔融出一条轨迹。一条条轨迹的叠加达到雕刻的效果。
激光雕刻机工作原理
激光雕刻机主要利用高能激光束经过聚焦以后形成的高密度能量的光斑，将产品快速加热，熔化或引发控制光化学反应，留下痕迹的雕刻方法。
激光雕刻机运用点、线、面的工作方式，利用激光头在工件上的运动轨迹合成想要的雕刻图案。X轴与Y轴的步进电机分别控制激光头在X轴、Y轴上的运动，以“S”型的运动方式工作。
设备上电后，系统通过按照接收到的上位机发来的行进指令开始工作，用逐行打印的工作方式，直到X轴方向走完，然后Y轴向下移动一定的距离，反复交替，直至雕刻完成。在引进过程中，雕刻机会根据上位机传输的信息控制激光器的开、关。每次完成X轴的运动轨迹后，雕刻机会上传完成指令，然后继续雕刻工作。
本设计系统选用的工作模式是动态数据传输，众所周知，动态传输的过程中容易出现数据的“丢包”现象，因此，对雕刻机数据的接收、处理以及电机驱动的运行时间都有相当高的要求。如图12是激光雕刻机的信息传递结构，图13是雕刻机的运动方式
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图 12 激光雕刻机的工作原理 图 13雕刻机的运动方式
课题来源
通过社会走访，我们发现市场上的激光雕刻机大致可以分成工业级、实验级两类。工业级的激光雕刻机普遍存在价格偏高的现象，并且体积过大。实验级的激光雕刻机功能单一、控制繁复。基于以上原因，同时结合我国加工制造业的具体情况，我们提出要设计一款控制简单，功能丰富，价廉物美的桌面级智能激光雕刻机的方案。以满足创客、手工发烧友的需求，争取做到符合现在的市场需求。
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