单片机的激光刻字系统设计【字数：10906】
摘 要随着时代的发展，雕刻技术日新月异，应用范围也很广。与手工雕刻相比，机械雕刻在效率和精度方面要优越得多。同时，激光雕刻又作为机械雕刻的一个分支。它不与工件表面接触，自然也没有刻刀碰撞的影响。表面不会变形。它优于传统的雕刻方式，在各种产业链中都有着不错的应用。本次设计基于Arduino控制板以及Python编程语言设计并且实现了一种带图像处理的激光打印系统。系统包含了图像处理模块、通信模块、数据处理模块、步进电机驱动模块、激光模块、外框模块等部分，可实现在木材、纸张上打印规定图像的功能。设计基于Arduino Mega2560型单片机，串口模块用于上位机和下位机之间的通信，使用上位机实现二值化和抖动算法，处理和发送需打印的图像，下位机接收到二值图像后进行解析，最后控制电机的运动、激光器的开关，准确地打印图像。
目录
第一章 绪论 1
1.1前言 1
1.2项目背景 1
1.3激光雕刻机发展现状 2
1.4 论文安排及主要内容 2
第二章 系统总体方案设计 4
2.1功能需求 4
2.2激光雕刻机控制结构 4
2.3系统设计 5
2.3.1 系统的硬件设计规划 5
2.3.2系统的软件设计规划 6
2.4 机械结构设计 6
2.4.1传动结构 6
2.4.2外形框架 7
第三章 系统硬件电路的设计开发 8
3.1控制系统硬件电路总体结构设计 8
3.2控制芯片选择 8
3.3电机及驱动系统设计 11
3.3.1步进电机的选择 11
3.3.2驱动器的选择 11
3.4激光模块的选择 13
3.5限位模块的选择 13
3.6系统电源选用 14
第四章 系统软件设计 15
4.1系统软件总体结构设计 15
4.2上位机开发环境及软件系统设计 16
4.2.1上位机开发环境介绍 16
4.2.2上位机软件部分组成 16
4.2.3 OpenCV图像预处理 16 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
4.2.3二值化处理 18
4.2.4抖动算法 21
4.2.5串口通信发送程序 23
4.3下位机软件系统设计 25
4.3.1下位机软件部分组成 25
4.3.2串口接收数据 25
4.3.3电机驱动程序 27
4.3.4激光驱动程序 28
4.3.5数据处理 29
第五章 系统调试 30
5.1上位机软件调试 30
5.2下位机软件调试 32
5.3改进方向 32
参考文献 34
致谢 35
附录 36
第一章 绪论
1.1前言
自动化雕刻技术的产生对传统加工制造业造成了很大影响，自1960年起，自动化技术飞速发展，这一切都源于自动化加工的高效率，高精度，这些都是人工所不可比拟的。这些特点都在各种加工行业都得到了很好的应用。
传统雕刻机，主要通过工件表面的形变，以达到各种加工目的。精度、效率虽然不低，但对被雕刻的材料限制较大。
而激光雕刻机在雕刻过程中不与工件表面接触，自然也没有刻刀碰撞对工件所造成的影响，可以对一部分金属进行雕刻，也可以对如有机玻璃、木材、橡胶等材料进行加工，在装修、打印、广告等领域有这不少的用途。
1.2项目背景
激光加工在加工过程中不与工件表面接触，自然也就没有变刀，刀具磨损等一系列问题，它采用的是将激光束聚集在工件表面后通过光热效应去除材料，所以激光雕刻作为一种高新技术，正在给良传统工业生产方式带来技术革命。它有着以下优势:
（1）可加工的材质很多。只要激光功率只够，它产生的温度可在多种高熔点金属上留下痕迹，而传统加工方式则难以做到这一点。同时加工不与工件接触，对工件的损伤较小，所以也适用脆性材质的加工。
（2）多功能。加工设备通常只需要调整激光器的功率就可以对工件进行切割、雕刻、打孔等多种功能，省去了刀具加工中换刀的操作。
（3）精度高。激光器所产生的激光点的直径非常小，故而精度非常高。
（4）效率高。因为其加工产生的温度高且加工面积小，所以加工效率非常高，如激光在做切割时，切割速度比刀具切割快上好多倍，这比刀具切割效率高得多。
1.3激光雕刻机发展现状
自1980年激光雕刻机诞生，其发展经历了如下几个过程
第一代最原始的激光雕刻机，用手动控制激光器的亮灭，完全由人控制激光器的运动，可以雕刻一些简单的图像和文字，加工精度非常低，所以成本也不高。
第二代开始使用单片机控制激光器的运动和激光器的亮灭，但只能雕刻黑白图像，在白色像素上关闭激光，在黑色像素上打开激光，直至雕刻出目标图像，第二代与第一代相比，精度远超第一代，同时在控制方式上也较为简单，但加工方式单一。
第三代使用主从式控制结构，图像的处理完全交于计算机进行操作，同时由于这一行业发展迅速，在运动控制方面也出现了专门的运动控制卡，无论从图像处理还是运动控制上都有着不小的提高，可处理的图像可以十分复杂，加工方式也越来越多，所以现在大多数都使用的都是这种控制方式。
现阶段激光雕刻机主要分为主从式和单机式；单机式：完全由计算机完成所有工作，处理效率会受影响。主从式：上位机的主要负责图像处理，下位机只要负责运动控制，这不仅提高了工作的效率，也提高了系统的稳定性。
因为雕刻机行业正处于热门期，所以也诞生了一批专门针对雕刻系统的控制板，可以完成快速定位，快速多种插补运算等多种功能，使其一直在朝着更高的精度，更高的效率的方向发展。
1.4 论文安排及主要内容
本次设计结合图像处理技术、运动控制技术，设计了雕刻机的实物框架结构、硬件电路、软件算法，开发出一种台式激光雕刻机。
目录
第一章 绪论 1
1.1前言 1
1.2项目背景 1
1.3激光雕刻机发展现状 2
1.4 论文安排及主要内容 2
第二章 系统总体方案设计 4
2.1功能需求 4
2.2激光雕刻机控制结构 4
2.3系统设计 5
2.3.1 系统的硬件设计规划 5
2.3.2系统的软件设计规划 6
2.4 机械结构设计 6
2.4.1传动结构 6
2.4.2外形框架 7
第三章 系统硬件电路的设计开发 8
3.1控制系统硬件电路总体结构设计 8
3.2控制芯片选择 8
3.3电机及驱动系统设计 11
3.3.1步进电机的选择 11
3.3.2驱动器的选择 11
3.4激光模块的选择 13
3.5限位模块的选择 13
3.6系统电源选用 14
第四章 系统软件设计 15
4.1系统软件总体结构设计 15
4.2上位机开发环境及软件系统设计 16
4.2.1上位机开发环境介绍 16
4.2.2上位机软件部分组成 16
4.2.3 OpenCV图像预处理 16 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
4.2.3二值化处理 18
4.2.4抖动算法 21
4.2.5串口通信发送程序 23
4.3下位机软件系统设计 25
4.3.1下位机软件部分组成 25
4.3.2串口接收数据 25
4.3.3电机驱动程序 27
4.3.4激光驱动程序 28
4.3.5数据处理 29
第五章 系统调试 30
5.1上位机软件调试 30
5.2下位机软件调试 32
5.3改进方向 32
参考文献 34
致谢 35
附录 36
第一章 绪论
1.1前言
自动化雕刻技术的产生对传统加工制造业造成了很大影响，自1960年起，自动化技术飞速发展，这一切都源于自动化加工的高效率，高精度，这些都是人工所不可比拟的。这些特点都在各种加工行业都得到了很好的应用。
传统雕刻机，主要通过工件表面的形变，以达到各种加工目的。精度、效率虽然不低，但对被雕刻的材料限制较大。
而激光雕刻机在雕刻过程中不与工件表面接触，自然也没有刻刀碰撞对工件所造成的影响，可以对一部分金属进行雕刻，也可以对如有机玻璃、木材、橡胶等材料进行加工，在装修、打印、广告等领域有这不少的用途。
1.2项目背景
激光加工在加工过程中不与工件表面接触，自然也就没有变刀，刀具磨损等一系列问题，它采用的是将激光束聚集在工件表面后通过光热效应去除材料，所以激光雕刻作为一种高新技术，正在给良传统工业生产方式带来技术革命。它有着以下优势:
（1）可加工的材质很多。只要激光功率只够，它产生的温度可在多种高熔点金属上留下痕迹，而传统加工方式则难以做到这一点。同时加工不与工件接触，对工件的损伤较小，所以也适用脆性材质的加工。
（2）多功能。加工设备通常只需要调整激光器的功率就可以对工件进行切割、雕刻、打孔等多种功能，省去了刀具加工中换刀的操作。
（3）精度高。激光器所产生的激光点的直径非常小，故而精度非常高。
（4）效率高。因为其加工产生的温度高且加工面积小，所以加工效率非常高，如激光在做切割时，切割速度比刀具切割快上好多倍，这比刀具切割效率高得多。
1.3激光雕刻机发展现状
自1980年激光雕刻机诞生，其发展经历了如下几个过程
第一代最原始的激光雕刻机，用手动控制激光器的亮灭，完全由人控制激光器的运动，可以雕刻一些简单的图像和文字，加工精度非常低，所以成本也不高。
第二代开始使用单片机控制激光器的运动和激光器的亮灭，但只能雕刻黑白图像，在白色像素上关闭激光，在黑色像素上打开激光，直至雕刻出目标图像，第二代与第一代相比，精度远超第一代，同时在控制方式上也较为简单，但加工方式单一。
第三代使用主从式控制结构，图像的处理完全交于计算机进行操作，同时由于这一行业发展迅速，在运动控制方面也出现了专门的运动控制卡，无论从图像处理还是运动控制上都有着不小的提高，可处理的图像可以十分复杂，加工方式也越来越多，所以现在大多数都使用的都是这种控制方式。
现阶段激光雕刻机主要分为主从式和单机式；单机式：完全由计算机完成所有工作，处理效率会受影响。主从式：上位机的主要负责图像处理，下位机只要负责运动控制，这不仅提高了工作的效率，也提高了系统的稳定性。
因为雕刻机行业正处于热门期，所以也诞生了一批专门针对雕刻系统的控制板，可以完成快速定位，快速多种插补运算等多种功能，使其一直在朝着更高的精度，更高的效率的方向发展。
1.4 论文安排及主要内容
本次设计结合图像处理技术、运动控制技术，设计了雕刻机的实物框架结构、硬件电路、软件算法，开发出一种台式激光雕刻机。
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