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現(xiàn)今社會日益提倡綠色節(jié)能、低碳環(huán)保，在此背景下，本作品利用51系列單片機以及步進電機改制成一種新型實用的微型激光雕刻機。主要定位于桌面型、個性化要求的微型激光雕刻機，在個人電腦中安裝雕刻機上位機，用戶即可將圖片或者文字通過取模軟件轉(zhuǎn)換成位圖文件 ，導(dǎo)入到上位機中進行實物的自動加工?？蓪崿F(xiàn)設(shè)計創(chuàng)意的實時呈現(xiàn)，操作人性化、維護簡單化、應(yīng)用場合靈活化。
本作品采用廉價低功耗單片機處理器，控制伺服電機的運動及激光頭的工作通斷，通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)的方式將上位機處理的數(shù)據(jù)逐行發(fā)送到單片機緩存中，由單片機讀取并運動控制程序控制私服電機，以及激光的通斷，實現(xiàn)平面區(qū)域內(nèi)的掃描與雕刻。
控制器采用基于51指令集的STC12C5A6062單片機，完全兼容常見的51、52系列單片機，片內(nèi)存儲達60K，完全能應(yīng)對串口收發(fā)的數(shù)據(jù)的容量要求。
電機驅(qū)動采用L298N驅(qū)動模塊，采用ST公司原裝全新的L298N芯片， SMT工藝穩(wěn)定性高，使用高質(zhì)量鋁電解電容，使電路穩(wěn)定工作?？梢灾苯域?qū)動兩路3-16V直流電機，并提供了5V輸出接口（輸入最低只要6V）可以給5V單片機電路系統(tǒng)供電（低紋波系數(shù)）,支持3.3V MCU ARM控制，可以方便的控制直流電機速度和方向
步進電機的運動采用單片機編程控制，由計算機處理后的精確插補軌跡信號傳輸?shù)絾纹瑱C中，單片機處理后輸出驅(qū)動脈沖，電機驅(qū)動模塊接收驅(qū)動脈沖從而對伺服電機的運動進行精確控制。
當(dāng)今人們越來越熱衷于個性化設(shè)計與制作，對于一個屬于自己唯一的、能反應(yīng)自己個性的手工藝品及裝飾佩件情有獨鐘，并且在這樣一個追求個性、追求創(chuàng)新的社會環(huán)境下，人們也更愿意花更多的時間來“DIY”，親手雕琢自己的創(chuàng)意，本產(chǎn)品可代替原始的一般手工微雕刻技術(shù)，可使雕刻工藝得到更好的提高，不僅滿足了客戶群體對時尚、個性、獨特、小型雕刻飾品的追求，同時多樣性的雕刻更豐富了市場。

激光器采用405nm，200MW可調(diào)焦藍紫激光器，12V直流供電，接口簡單，易于維護，性能穩(wěn)定，壽命可達8000小時。

1.1 主要方案的確定
控制器采用基于51指令集的STC12C5A60S2單片機，完全兼容常見的51、52系列單片機，片內(nèi)存儲達60K，能應(yīng)對串口收發(fā)的數(shù)據(jù)的容量要求。
電機驅(qū)動采用L298N驅(qū)動模塊，采用ST公司原裝全新的L298N芯片， SMT工藝穩(wěn)定性高，使用高質(zhì)量鋁電解電容，使電路穩(wěn)定工作。可以直接驅(qū)動兩路3-16V直流電機，并提供了5V輸出接口（輸入最低只要6V）可以給5V單片機電路系統(tǒng)供電（低紋波系數(shù)）,支持3.3V MCU ARM控制，可以方便的控制直流電機速度和方向
步進電機的運動采用單片機編程控制，由計算機處理后的精確插補軌跡信號傳輸?shù)絾纹瑱C中，單片機處理后輸出驅(qū)動脈沖，電機驅(qū)動模塊接收驅(qū)動脈沖從而對伺服電機的運動進行精確控制。
激光器采用405nm，200MW可調(diào)焦紅色激光器，12V直流供電，接口簡單，易于維護，性能穩(wěn)定，壽命可達8000小時。
1.2 總體結(jié)構(gòu)框圖
根據(jù)方案設(shè)計的確定，本作品主要由STC12C5A60S2單片機電機控制模塊、X軸與Y軸步進電機、激光器、主體支撐結(jié)構(gòu)等組成。雕刻的圖案通過計算機轉(zhuǎn)換成位置信息指令傳送至單片機電機控制系統(tǒng)，單片機控制系統(tǒng)處理收到的數(shù)據(jù)反應(yīng)到電機驅(qū)動。電機在控制系統(tǒng)的指令下按照規(guī)定的線路運行，在此期間主控芯片控制著激光器的通斷。在電機與激光器的雙重配合下最終可完成對圖案的雕刻。
2.1 主控芯片STC12C5A60S2單片機系統(tǒng)：
主控芯片：
STC12C5A60S2是一款基于51指令集的單片機，該單片機具有較大的內(nèi)部存儲空間，能將串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行儲存，并且通過程序?qū)Σ竭M電機、以及激光進行控制。
2.2 步進電機控制系統(tǒng)：
L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標(biāo)準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。
步進電機的運動采用單片機編程控制，由計算機處理后的精確插補軌跡信號傳輸?shù)絾纹瑱C中，單片機處理后輸出驅(qū)動脈沖，電機驅(qū)動模塊接收驅(qū)動脈沖從而對伺服電機的運動進行精確控制。芯片小巧易用，配合51單片機主控確定雕刻行程，使其精準運行，雕刻出那些復(fù)雜有創(chuàng)意的圖片。
2.3 激光器控制系統(tǒng)：
激光頭主要包括：激光發(fā)生器（又稱激光二極管），半反光棱鏡，物鏡，透鏡以及光電二極管這幾部分。激光頭固定在X軸上，隨著軸的運動雕刻圖案。工作時，51主控芯片通過與PC數(shù)據(jù)通信控制繼電器的通斷，繼電器與激光頭連接，從而控制激光頭精準工作。 2.4 主體結(jié)構(gòu)介紹：
與其他微型激光雕刻機相對比，本雕刻機利用計算機輔助設(shè)計技術(shù)、動態(tài)模擬仿真、有限元分析等方法，進行雕刻機結(jié)構(gòu)和運動方案設(shè)計，根據(jù)強化功能、簡化結(jié)構(gòu)、減少成本等目標(biāo)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化參數(shù)選擇，達到整體優(yōu)化或最佳結(jié)構(gòu)目標(biāo)?？刂破?、電機驅(qū)動模塊等都隱藏于下方，并帶風(fēng)扇扇熱功能，能有效地給電機驅(qū)動模塊扇熱；X軸在機身頂部左右移動，機身下部Y軸安裝在滑臺上前后移動，上下兩軸配合，保證雕刻圖形的完整性，平臺小巧、精密度高，結(jié)合軟件與單片機處理器，控制X軸垂直于平臺左右移動， Y軸前后移動，兩軸精度、步進數(shù)嚴格一致，從機械結(jié)構(gòu)上減少了雕刻精度上的誤差。

控制器采用基于51指令集的STC12C5A60S2單片機，此單片機平臺有著良好的人機交互編譯環(huán)境，大大地降低了編程的繁瑣與復(fù)雜程度，成本及難度相對于其它平臺更有優(yōu)勢，也大大降低了本雕刻機研發(fā)時間與成本，提升性價比。并采用先進的插補算法進行軌跡和路徑的精確控制，雕刻系統(tǒng)工作時運動軌跡一般由直線、圓弧組成，對于一些復(fù)雜的圖形，則采用直線或者圓弧逼近的方法。插補算法就是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)，進行計算，將加工部件的輪廓、電機運動描述出來，邊計算邊發(fā)送進給指令，其中，差補過程采用逐點點比較法的方法，使用階梯直線來逼近被差補的直線或者圓弧，一般是按偏差判別、偏差計算和終點判別四個步驟來實現(xiàn)一次軌跡的精確差補過程。在判別的同時，發(fā)送進給指令，并為下一個點的偏差計算做準備。此微型激光雕刻機利用軟件執(zhí)行插補算法，依托計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力，為雕刻機提供實時的數(shù)據(jù)輸入，并且，軟件端能根據(jù)圖形的雕刻進度進行實時的反饋，顯示當(dāng)前的雕刻進度和工作狀態(tài)。軟件簡單易用，人性化設(shè)計，可自定義雕刻圖形與文字，充分發(fā)揮其自主性、靈活性與DIY的特點。

第十四屆“挑戰(zhàn)杯”二等獎