5.3　功能及总体设计

本项目的核心是将Arduino开发板及其控制的步进电机，改造成数控机床，再通过PC端的软件向Arduino开发板传输的G代码指令，控制步进电机的运作和激光头的开启关闭，以达到雕刻的效果。G代码是控制数控机床常用的指令类代码，结合坐标使用，共有90多种指令，是一种集成度很高的代码。

设计主要分为G代码输入部分与激光头输出部分。G代码输入部分主要将图形转化为G代码，输入Arduino UNO开发板，开发板同时对x轴和y轴步进电机进行驱动，激光头输出部分由另一个Arduino UNO开发板控制电流输入，以达到控制开关的效果。

5.3.1　功能介绍

激光雕刻机可以将输入的矢量图或者简单的线性图案转化为G代码后雕刻到目标上，由于激光头是红色的，所以本激光雕刻机不能对反射红光的物体（如白色、红色外观的物体）进行雕刻。本项目希望能做一个相对小型的雕刻机，目前的尺寸是13cm×13cm×20cm，虽然不能达到便携，但是尺寸已经相对较小。激光雕刻可以解决一些光滑表面上雕刻的问题，并方便地留下相关的信息。

5.3.2　总体设计

本项目的激光雕刻机由输入和输出部分组成。输入部分由Grbl控制器将矢量图或者线性图案转化为G代码，输出部分使用了激光笔和步进电机，处理部分用Arduino UNO开发板。

1．整体框架图

项目整体框架如图5-1所示。

2．系统流程图

系统的流程如图5-2所示。

3．总电路图

系统总电路及Arduino UNO开发板引脚，如图5-3所示。其中左边的电机控制x轴方向，右边的控制y轴方向，引脚连线如表5-1所示。本项目中使用2个Arduino UNO开发板，二者的连线如图5-3所示，引脚连线如表5-2所示。

图5-3（a）是控制步进电机的Arduino开发板通过A4988步进电机驱动板与步进电机相连，一共有2个步进电机。它们在工作时相互垂直分为两层，共同运作达到激光笔的雕刻位置，然后在一个平面上自由移动。

图5-3（b）是激光笔的供能电路。图5-3（b）中左边的Arduino开发板与图5-3（a）中的Arduino开发板是同一块，通过12口发出使能信息，另一块板根据接收到的信息控制激光笔的亮（雕刻状态）和暗（非雕刻状态）。图5-3（b）中红色LED灯表示激光笔，激光笔有一个输入端和一个输出端，通电时发出的是红光。

5.3.3　模块介绍

本项目从硬件和软件两方面实现，其中，硬件端模块有Arduino UNO开发板上的Grbl固件模块、激光笔供能与使能模块，软件端模块有上位机Grbl Controller模块、nc文件生成软件Inkscape模块。下面分别给出各部分的功能、元件、电路图和相关代码。

1．nc文件生成软件Inkscape模块

Inkscape是一款开源软件，用于图像的处理，在本项目中，用Inkscape的一个扩展功能将想要打印（雕刻）的图案处理成Grbl Controller可以读取的路径文件（.nc），界面如图5-4所示。

2．Grbl Controller模块

Grbl Controller的核心功能是向Arduino发送G指令（即G代码），可以识别Inkscape软件生成的路径文件。通过USB口与Arduino UNO上的Grbl固件模块相连并向其发送G代码，界面如图5-5所示。

3．Grbl固件模块

本模块电路连接如总电路图5-3所示，由1个Arduino板与2个步进电机驱动板组成，Arduino开发板上下载的是grbl.hex文件，是由WinAVR生成的机器语言码。Arduino开发板通过USB口与PC端相接，接收有PC端的Grbl Controller发来的G代码信号，分别控制x轴电机、y轴电机的运动以及激光笔的开关。

通过Xloader向Arduino下载已有程序包grbl.hex，这样Arduino开发板就能通过USB口识别Grbl Controller发送的G代码信号，并通过A4988驱动板控制步进电机，文件如图5-6所示。需要注意pin_map.h中关于引脚号的定义语句：

G代码的函数：

4．激光笔供能与使能模块

电路如图5-3所示，该模块通过识别Grbl固件模块中的Arduino开发板12口的使能信号控制激光笔。图5-3左边是Grbl固件模块中的Arduino开发板，右边是控制激光笔的Arduino开发板。电路部分设计成类似反向器的电路，激光笔的正极接5V电压，负极接7口并通过电阻后接地。当7口输出高电平时激光笔两端电压较小，此时激光笔不工作；当7口输出高电平时激光笔两端电压较大，此时激光笔工作。

控制激光笔代码如下：