5.3　功能及總體設計

本項目的核心是將Arduino開發板及其控制的步進電機，改造成數控機床，再通過PC端的軟件向Arduino開發板傳輸的G代碼指令，控制步進電機的運作和激光頭的開啟關閉，以達到雕刻的效果。G代碼是控制數控機床常用的指令類代碼，結合坐標使用，共有90多種指令，是一種集成度很高的代碼。

設計主要分為G代碼輸入部分與激光頭輸出部分。G代碼輸入部分主要將圖形轉化為G代碼，輸入Arduino UNO開發板，開發板同時對x軸和y軸步進電機進行驅動，激光頭輸出部分由另一個Arduino UNO開發板控制電流輸入，以達到控制開關的效果。

5.3.1　功能介紹

激光雕刻機可以將輸入的矢量圖或者簡單的線性圖案轉化為G代碼后雕刻到目標上，由于激光頭是紅色的，所以本激光雕刻機不能對反射紅光的物體（如白色、紅色外觀的物體）進行雕刻。本項目希望能做一個相對小型的雕刻機，目前的尺寸是13cm×13cm×20cm，雖然不能達到便攜，但是尺寸已經相對較小。激光雕刻可以解決一些光滑表面上雕刻的問題，并方便地留下相關的信息。

5.3.2　總體設計

本項目的激光雕刻機由輸入和輸出部分組成。輸入部分由Grbl控制器將矢量圖或者線性圖案轉化為G代碼，輸出部分使用了激光筆和步進電機，處理部分用Arduino UNO開發板。

1．整體框架圖

項目整體框架如圖5-1所示。

2．系統流程圖

系統的流程如圖5-2所示。

3．總電路圖

系統總電路及Arduino UNO開發板引腳，如圖5-3所示。其中左邊的電機控制x軸方向，右邊的控制y軸方向，引腳連線如表5-1所示。本項目中使用2個Arduino UNO開發板，二者的連線如圖5-3所示，引腳連線如表5-2所示。

圖5-3（a）是控制步進電機的Arduino開發板通過A4988步進電機驅動板與步進電機相連，一共有2個步進電機。它們在工作時相互垂直分為兩層，共同運作達到激光筆的雕刻位置，然后在一個平面上自由移動。

圖5-3（b）是激光筆的供能電路。圖5-3（b）中左邊的Arduino開發板與圖5-3（a）中的Arduino開發板是同一塊，通過12口發出使能信息，另一塊板根據接收到的信息控制激光筆的亮（雕刻狀態）和暗（非雕刻狀態）。圖5-3（b）中紅色LED燈表示激光筆，激光筆有一個輸入端和一個輸出端，通電時發出的是紅光。

5.3.3　模塊介紹

本項目從硬件和軟件兩方面實現，其中，硬件端模塊有Arduino UNO開發板上的Grbl固件模塊、激光筆供能與使能模塊，軟件端模塊有上位機Grbl Controller模塊、nc文件生成軟件Inkscape模塊。下面分別給出各部分的功能、元件、電路圖和相關代碼。

1．nc文件生成軟件Inkscape模塊

Inkscape是一款開源軟件，用于圖像的處理，在本項目中，用Inkscape的一個擴展功能將想要打印（雕刻）的圖案處理成Grbl Controller可以讀取的路徑文件（.nc），界面如圖5-4所示。

2．Grbl Controller模塊

Grbl Controller的核心功能是向Arduino發送G指令（即G代碼），可以識別Inkscape軟件生成的路徑文件。通過USB口與Arduino UNO上的Grbl固件模塊相連并向其發送G代碼，界面如圖5-5所示。

3．Grbl固件模塊

本模塊電路連接如總電路圖5-3所示，由1個Arduino板與2個步進電機驅動板組成，Arduino開發板上下載的是grbl.hex文件，是由WinAVR生成的機器語言碼。Arduino開發板通過USB口與PC端相接，接收有PC端的Grbl Controller發來的G代碼信號，分別控制x軸電機、y軸電機的運動以及激光筆的開關。

通過Xloader向Arduino下載已有程序包grbl.hex，這樣Arduino開發板就能通過USB口識別Grbl Controller發送的G代碼信號，并通過A4988驅動板控制步進電機，文件如圖5-6所示。需要注意pin_map.h中關于引腳號的定義語句：

G代碼的函數：

4．激光筆供能與使能模塊

電路如圖5-3所示，該模塊通過識別Grbl固件模塊中的Arduino開發板12口的使能信號控制激光筆。圖5-3左邊是Grbl固件模塊中的Arduino開發板，右邊是控制激光筆的Arduino開發板。電路部分設計成類似反向器的電路，激光筆的正極接5V電壓，負極接7口并通過電阻后接地。當7口輸出高電平時激光筆兩端電壓較小，此時激光筆不工作；當7口輸出高電平時激光筆兩端電壓較大，此時激光筆工作。

控制激光筆代碼如下：