现今社会日益提倡绿色节能、低碳环保，在此背景下，本作品利用51系列单片机以及步进电机改制成一种新型实用的微型激光雕刻机。主要定位于桌面型、个性化要求的微型激光雕刻机，在个人电脑中安装雕刻机上位机，用户即可将图片或者文字通过取模软件转换成位图文件 ，导入到上位机中进行实物的自动加工。可实现设计创意的实时呈现，操作人性化、维护简单化、应用场合灵活化。
本作品采用廉价低功耗单片机处理器，控制伺服电机的运动及激光头的工作通断，通过串口发送数据的方式将上位机处理的数据逐行发送到单片机缓存中，由单片机读取并运动控制程序控制私服电机，以及激光的通断，实现平面区域内的扫描与雕刻。
控制器采用基于51指令集的STC12C5A6062单片机，完全兼容常见的51、52系列单片机，片内存储达60K，完全能应对串口收发的数据的容量要求。
电机驱动采用L298N驱动模块，采用ST公司原装全新的L298N芯片， SMT工艺稳定性高，使用高质量铝电解电容，使电路稳定工作。可以直接驱动两路3-16V直流电机，并提供了5V输出接口（输入最低只要6V）可以给5V单片机电路系统供电（低纹波系数）,支持3.3V MCU ARM控制，可以方便的控制直流电机速度和方向
步进电机的运动采用单片机编程控制，由计算机处理后的精确插补轨迹信号传输到单片机中，单片机处理后输出驱动脉冲，电机驱动模块接收驱动脉冲从而对伺服电机的运动进行精确控制。
当今人们越来越热衷于个性化设计与制作，对于一个属于自己唯一的、能反应自己个性的手工艺品及装饰佩件情有独钟，并且在这样一个追求个性、追求创新的社会环境下，人们也更愿意花更多的时间来“DIY”，亲手雕琢自己的创意，本产品可代替原始的一般手工微雕刻技术，可使雕刻工艺得到更好的提高，不仅满足了客户群体对时尚、个性、独特、小型雕刻饰品的追求，同时多样性的雕刻更丰富了市场。

激光器采用405nm，200MW可调焦蓝紫激光器，12V直流供电，接口简单，易于维护，性能稳定，寿命可达8000小时。

1.1 主要方案的确定
控制器采用基于51指令集的STC12C5A60S2单片机，完全兼容常见的51、52系列单片机，片内存储达60K，能应对串口收发的数据的容量要求。
电机驱动采用L298N驱动模块，采用ST公司原装全新的L298N芯片， SMT工艺稳定性高，使用高质量铝电解电容，使电路稳定工作。可以直接驱动两路3-16V直流电机，并提供了5V输出接口（输入最低只要6V）可以给5V单片机电路系统供电（低纹波系数）,支持3.3V MCU ARM控制，可以方便的控制直流电机速度和方向
步进电机的运动采用单片机编程控制，由计算机处理后的精确插补轨迹信号传输到单片机中，单片机处理后输出驱动脉冲，电机驱动模块接收驱动脉冲从而对伺服电机的运动进行精确控制。
激光器采用405nm，200MW可调焦红色激光器，12V直流供电，接口简单，易于维护，性能稳定，寿命可达8000小时。
1.2 总体结构框图
根据方案设计的确定，本作品主要由STC12C5A60S2单片机电机控制模块、X轴与Y轴步进电机、激光器、主体支撑结构等组成。雕刻的图案通过计算机转换成位置信息指令传送至单片机电机控制系统，单片机控制系统处理收到的数据反应到电机驱动。电机在控制系统的指令下按照规定的线路运行，在此期间主控芯片控制着激光器的通断。在电机与激光器的双重配合下最终可完成对图案的雕刻。
2.1 主控芯片STC12C5A60S2单片机系统：
主控芯片：
STC12C5A60S2是一款基于51指令集的单片机，该单片机具有较大的内部存储空间，能将串口发送来的数据进行储存，并且通过程序对步进电机、以及激光进行控制。
2.2 步进电机控制系统：
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。
步进电机的运动采用单片机编程控制，由计算机处理后的精确插补轨迹信号传输到单片机中，单片机处理后输出驱动脉冲，电机驱动模块接收驱动脉冲从而对伺服电机的运动进行精确控制。芯片小巧易用，配合51单片机主控确定雕刻行程，使其精准运行，雕刻出那些复杂有创意的图片。
2.3 激光器控制系统：
激光头主要包括：激光发生器（又称激光二极管），半反光棱镜，物镜，透镜以及光电二极管这几部分。激光头固定在X轴上，随着轴的运动雕刻图案。工作时，51主控芯片通过与PC数据通信控制继电器的通断，继电器与激光头连接，从而控制激光头精准工作。 2.4 主体结构介绍：
与其他微型激光雕刻机相对比，本雕刻机利用计算机辅助设计技术、动态模拟仿真、有限元分析等方法，进行雕刻机结构和运动方案设计，根据强化功能、简化结构、减少成本等目标优化结构设计，优化参数选择，达到整体优化或最佳结构目标。控制器、电机驱动模块等都隐藏于下方，并带风扇扇热功能，能有效地给电机驱动模块扇热；X轴在机身顶部左右移动，机身下部Y轴安装在滑台上前后移动，上下两轴配合，保证雕刻图形的完整性，平台小巧、精密度高，结合软件与单片机处理器，控制X轴垂直于平台左右移动， Y轴前后移动，两轴精度、步进数严格一致，从机械结构上减少了雕刻精度上的误差。

控制器采用基于51指令集的STC12C5A60S2单片机，此单片机平台有着良好的人机交互编译环境，大大地降低了编程的繁琐与复杂程度，成本及难度相对于其它平台更有优势，也大大降低了本雕刻机研发时间与成本，提升性价比。并采用先进的插补算法进行轨迹和路径的精确控制，雕刻系统工作时运动轨迹一般由直线、圆弧组成，对于一些复杂的图形，则采用直线或者圆弧逼近的方法。插补算法就是数控系统根据输入的数据，进行计算，将加工部件的轮廓、电机运动描述出来，边计算边发送进给指令，其中，差补过程采用逐点点比较法的方法，使用阶梯直线来逼近被差补的直线或者圆弧，一般是按偏差判别、偏差计算和终点判别四个步骤来实现一次轨迹的精确差补过程。在判别的同时，发送进给指令，并为下一个点的偏差计算做准备。此微型激光雕刻机利用软件执行插补算法，依托计算机强大的数据处理能力，为雕刻机提供实时的数据输入，并且，软件端能根据图形的雕刻进度进行实时的反馈，显示当前的雕刻进度和工作状态。软件简单易用，人性化设计，可自定义雕刻图形与文字，充分发挥其自主性、灵活性与DIY的特点。

第十四届“挑战杯”二等奖