基于wifi的無線3D打印機控制器設計

摘要：3D打印技術近幾年發(fā)展迅速，已經(jīng)廣泛應用于航天、國防、醫(yī)療設備及教育等領域。針對目前3D打印機主要是采用有線方式打印，需要電腦等設備，不方便攜帶，本文設計一種基于wifi的無線3D打印機，可以直接脫離電腦，實現(xiàn)移動設備無線控制進行打印，為用戶提供了便利。

3D打印屬于快速成形技術的一種，是以數(shù)字模型文件為基礎，運用塑料或粉末狀金屬等材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。近幾年3D打印技術飛速發(fā)展，已廣泛應用于航天、國防、醫(yī)療設備、教育及制造業(yè)。但目前的3D打印機大部分依然采用電腦連接進行操作打印，或者采用SD卡存儲打印產(chǎn)品的數(shù)據(jù)進行打印，有時為用戶使用帶來極大不便。手機、平板電腦等移動設備終端已經(jīng)成為了人們的生活必備品，這些產(chǎn)品都帶有wifi無線傳輸功能。本文設計一種可以利用手機、平板等移動端安裝app應用軟件實現(xiàn)移動設備wifi無線控制3D打印機進行打印的控制器。通過移動端app軟件進行打印對象的選擇、傳輸及打印控制。有了wifi操作，3D打印機就不局限于在電腦上操作，方便了用戶使用，節(jié)省了使用成本。本文重點闡述無線式3D打印機控制器和上位機APP應用界面的設計。

1 無線式3D打印機控制器設計方案

控制器的核心CPU選用ST公司的STM32F103VET6微控制器，控制系統(tǒng)主要完成接收WiFi模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù);讀取SD卡內(nèi)存放的3D模型數(shù)據(jù)文件;完成對步進電機的控制;擠出頭和熱床的溫度控制;擠出頭行程控制等。無線式3D打印機的控制系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

如圖1所示，手機端的控制軟件代替了電腦，通過手機上的wifi將打印數(shù)據(jù)和命令傳輸?shù)?D打印機控制器進行打印控制，3D打印機控制器也會將擠出頭及熱床溫度、打印機當前狀態(tài)等信息傳輸?shù)绞謾C端進行顯示，方便用戶查看。3D打印機控制器通過wifi模塊接收數(shù)據(jù)文件存儲到SD卡中，打印數(shù)據(jù)存儲完成后，當控制器接收到打印命令后就可以開始打印了。兩路溫度傳感器經(jīng)CPU片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換通道分別檢測擠出頭和熱床的溫度;CPU的兩路數(shù)字信號輸出分別控制擠出頭和熱床加熱電路的NMOS功率開關管，結(jié)合溫度傳感器實現(xiàn)擠出頭和熱床溫度的控制;四路步進電機驅(qū)動電路分別控制X、Y、Z這3個軸的步進電機以及擠出頭的步進電機;三路行程開關定位X、Y、Z軸的原點和運動相對位移量。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 wifi通信電路設計

本設計中選用的是ESP8266為主控芯片的wifi模塊。ESP8266的wifi模塊具有接口簡單、價格低廉、高效的AT指令，開發(fā)更簡單等特點。ESP8266芯片具有一個完整且自成體系的wifi網(wǎng)絡解決方案，高度片內(nèi)集成，包括天線開關、電源管理轉(zhuǎn)換器，因此只需要極少的外部電路，且包括前端模塊在內(nèi)的整個電路所占PCB空間非常小，專為移動設備和物聯(lián)網(wǎng)應用設計，可將用戶的物理設備連接到wifi無線網(wǎng)絡上，進行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信。WiFi模塊采用UART和控制器進行通信。STM32通過串口TX發(fā)送AT指令對wifi的工作模式、UART波特率、建立連接等相關參數(shù)進行設置。STM32的USART接收端口RX則接收wifi模塊從移動端接收到數(shù)據(jù)和指令。這樣，當移動端和3D打印終端建立無線連接后，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通信了。

2.2 步進電機驅(qū)動電路設計

對于小型打印機一般采用兩相四線42系列的步進電機。STM32控制步進電機要借助于電機驅(qū)動電路，在3D打印機中一般采用A4988芯片作為步進電機驅(qū)動，但A4988芯片最大只有16細分，輸出最大電流為2A。而TI公司的DRV8825步進電機驅(qū)動芯片最高可以達到32細分，驅(qū)動電流可以輸出 2.5A，低至0.2歐的導通電阻，保證了芯片良好的散熱性等優(yōu)勢。另外芯片還集成了快速響應的短路、過熱、欠壓及交叉?zhèn)鲗ПＷo功能電路，能夠檢測故障狀況，并迅速切斷H橋，從而為電機和驅(qū)動芯片提供保護。本設計選擇DEV8825作為步進電機驅(qū)動芯片。圖2為步進電機驅(qū)動電路和加熱及溫度檢測電路與 STM32的接口。圖2中P1為兩相四線步進電機和DRV8825驅(qū)動電路的接口，芯片的STEP步進和DIR方向控制管腳連接到STM32的PC0和 PC1管腳進行控制。本設計中在驅(qū)動電路硬件設計時已經(jīng)將細分設置為1/32，休眠、復位等都失能，這樣可以節(jié)省STM32的GPIO端口，如果控制器芯片管腳夠用，可以通過程序控制這些管腳進行更多功能的步進電機控制。

2.3 擠出頭溫度檢測及加熱電路設計

3D打印過程中擠出頭和熱床都需要保持相對恒定的溫度，如果采用的是PLA打印材料一般將擠出頭加熱溫度設置為175-200度，熱床溫度設置為40-60度。電路中溫度檢測采用MAX6675數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換芯片將熱敏電阻的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量由STM32讀出。擠出頭和熱床溫度可根據(jù)具體使用環(huán)境確定實際溫度值，擠出頭和熱床溫度檢測和加熱電路是相同的，這里以擠出頭溫度檢測和加熱電路說明其加熱原理，電路如圖2所示。

JP27為加熱管的接線端子，連接直流發(fā)熱芯，R41和D13組成指示燈電路，MOS管Q3導通時，指示燈D13亮，發(fā)熱芯加熱。U4為熱敏電阻溫度轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換完成的溫度數(shù)字量通過STM32的3個管腳根據(jù)MAX6675操作時序讀出。STM32將讀出的溫度值和設定的溫度值進行比較，形成反饋，采用 PID算法實現(xiàn)溫度的恒定。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 手機端APP軟件設計

移動端的應用程序主要實現(xiàn)3D打印文件的選擇、確認、3D打印機狀態(tài)顯示以及wifi的連接等。應用程序采用Android編程，實現(xiàn)打印數(shù)據(jù)文件的讀取，并控制wifi進行數(shù)據(jù)的傳輸，還能夠設置3D打印機的打印頭溫度、熱床溫度，并且可以接收打印頭和熱床溫度進行顯示，以及所用材料類型及使用量信息進行顯示。移動端應用程序主要頁面設計如圖3所示。

首先在應用程序首頁選擇要打印的STL文件，進入下一界面進行預覽，預覽確認后可以啟動打印，在打印界面可以選擇暫停，并能夠顯示當前打印機的速度、熱床和擠出頭溫度等信息。

3. 2 主程序流程圖

軟件程序具有通信、數(shù)字信號的控制和數(shù)據(jù)讀取與處理等功能，根據(jù)設計要求，軟件程序流程圖設計如圖4所示：

首先，3D打印機終端對wifi、電機及加熱等模塊初始化完成后，開始等待移動端發(fā)出的打印命令。一旦移動端發(fā)出打印命令，接收端接收到命令后，開始接收數(shù)據(jù)，為節(jié)省時間，在接收打印數(shù)據(jù)的同時，對擠壓頭及熱床進行預熱。當檢測到數(shù)據(jù)接收完成，溫度等達到預設值后，啟動打印，并將打印速率、擠壓頭及熱床溫度等信息實時回傳到手機的應用軟件上進行顯示，直到打印完成。

4 結(jié)束語

隨著3D打印機和手機、平板電腦等移動終端的普及，采用移動終端對3D打印機進行控制是未來3D打印機的發(fā)展方向。本文就實現(xiàn)3D打印機的無線打印，給出了具體實現(xiàn)原理及程序流程，采用STM32微控制器提高了處理速度，加熱電路通過PID調(diào)節(jié)，保證了溫度恒定，減少了斷絲、粗細不均現(xiàn)象，提高了打印質(zhì)量。經(jīng)實際驗證，能夠?qū)崿F(xiàn)手機等移動終端對3D打印機的控制，并且本設計提高了打印質(zhì)量。無線打印，為用戶使用3D打印機提供了方便。