一、系统方案
1.1 项目背景
镭射打印机可以用于各种材料上进行标刻，现在已经有很多人都在用镭射打印机来对物品进行打印的工作，如一些金属制品的标牌、标签或者广告制作方面都可以用到它；而对于塑料制品而言，我们也可以使用镭射打印机对其进行打印加工，比如塑料制品上的商标等就可以使用镭射打印机来进行加工。镭射打印机可以应用于许多领域，如广告行业、旅游纪念品行业等。因为镭射打印机是采用高能量密度的激光束对材料表面进行照射，从而在材料表面上打制出一层非常薄的图形，且镭射打印机在加工过程中不需要使用任何化学试剂，因此不会对环境产生任何污染，且具有很高的加工精度，因此可以实现非常精准的打印。
随着打印技术的成熟，打印行业不断发展，人们对快、高质量的打印需求也越来越高。但普遍使用的还是喷墨打印机，对于镭射打印机的使用还不是很普遍，因为镭射打印 机的成本比较昂贵，操作繁琐，导致只有在一些大型企业和单位会使用，由于镭射打印技 术只能满足个别人群领域的使用，具有局限性，因此我们设计了一款简单易用，节省成本，环保的镭射打印机去满足更多用户的需求。
1.2 项目目标
本项目主要以STM32f103C8T6单片机作为驱动核心，由供电模块和电压转换模块提供电源和电压的转换，搭配丝杆电机模块依据 PWM 波信号从而控制镭射激光束的来回移动，运用 IRFZ44N 场效应管作为开关控制镭射激光头，在图案雕刻方面先利用单片机对图像进行存储，然后利用 HALCON 进行机器视觉的处理，使用 HALCON 编写程序读取图像所有像素信息，读取图像每一个点的像素值，并将其返回到一个数组中，最后根据像素点的不同将其分为黑点和白点，让激光头对其加以辨别，最后各模块相互搭配，根据各个临界值通过对物体图像的采集进行准确的打印。
1.3 需求分析
在未来镭射打印机的发展过程中，我们需要不断提高其质量与性能，从而使其能够为用户提供更好的服务。其次，我们还需要不断开发一些新技术来提高其性能。例如我们可以将激光打印机与高速激光切割机进行结合，从而使其在工作过程中不会出现任何故障。未来镭射打印机的发展趋势是非常好的，因为随着科技不断发展以及应用领域不断拓宽与完善，镭射打印机在各个方面都具有很大发展空间。
随着技术的不断进步，镭射打印机的打印速度和精度将会不断提高。未来的镭射打印机可能会采用更高频率的激光器、更先进的控制系统以及更高精度的打印头，以实现更快、更精准的打印效果，镭射打印机的生产成本和使用成本都在逐渐降低，这样就会扩大镭射答应及的使用领域，并非只有一些大型企业或者单位才能使用镭射打印机，让镭射打印机走进民用领域，让更多人可以体验到镭射打印机，现代镭射打印机采用更节能、环保的材料和设计，使得其对环境的影响更小，真正做到零污染，节能减排的效果，镭射打印机的应用范围越来越广泛，并可根据不同需求进行个性化定制，根据用户想要的图形进行个性化设置，做到个性化定制的作用。
未来的镭射打印机将会面临更高的环保要求。我们将会采用更环保的材料和能源，减少对环境的污染。此外，未来的镭射打印机还可能会采用可再生材料和可降解材料，以进一步降低对环境的影响目前，我们团队设计的镭射打印机使用的镭射激光仪，有效的做到节能环保的效果，符和未来将面临的更高环保要求。随着未来镭射打印机应用领域的不断扩展，所需的材料也将会变得越来越多样化。我们需要面临选择材料的复杂性，以满足不同用户的需求，我们设计的镭射打印机可以在多种材料上进行打印精美图形。镭射打印机的价格相对较高，未来仍需面对成本问题。我们使用的单片机为STM32单片机进行制造，很大程度上节省了成本的消耗，这样我们就可以让更多的人体验镭射打印机，推动更为广阔的市场。
我们主要是追求更高的质量、更高的速度、更低的成本、更好的环保和更多的个性化选择。
1.4 项目设计
本项目主要采用机器视觉与STM32的结合设计的一个自动镭射打印机。功能模块主要有供电模块，镭射模块，STM32F103C8T6 单片机，丝杆电机模块以及一些电压转换模块构成。丝杆电机模块采用了一个微型滑台，利用它来实现打印机在需要雕刻板子的自由活动。由于单片机与步进电机等其他模块之间的最佳电压不同，我们采用了电压转换电路，使系统更加稳定。用IRFZ44N 场效应管作为开关控制镭射激光头。在滑动方面用 A4988 芯片驱动丝杆电 机，可以将单片机的 PWM 信号转化为步进电机的驱动信号。从而控制丝杆电机转动。
其次在图案雕刻方面先利用单片机对图像进行存储，然后利用 HALCON 进行机器视觉的处理，使用 HALCON 编写程序读取图像所有像素信息，HALCON 是德国 MVTec 公司开发的一套 完善的标准的机器视觉算法包，拥有应用广泛的机器视觉集成开发环境。其工作原理就是读 取图像每一个点的像素值，并将其返回到一个数组中，最后根据像素点的不同将其分为黑点和白点，让激光头对其加以辨别，以便于准确的打印出图案。
1.5 实施计划
（1）投入和目前，个性化定制图形打印，多种材料打印，成本消耗较少，可实现下一阶段，将增加其他功能，app/微信小程序远程控制打印，安全系统实现，app/小程序个性化定制图形。
（2）现如今的镭射打印机已完全实现镭射打印图形的功能，未发生其他情况。下一阶段，将制作app/小程序进行图形定制功能，不用在机器视觉软件上面制作图形，直接在app/小程序上实现图形定制。
（3）镭射打印机基础硬件已经搭建完毕，下一阶段将设置打印机的安全性能，让它更加安全有效的为用户提供服务。
二、功能与指标
2.1 功能：
本项目采用激光技术进行打印，可以实现一些图形的精细的打印效果，解决了传统打印机在打印质量上遇到的问题，并且该镭射打印的设计具有长期稳定性，比其他打印技术（如喷墨），打印头使用寿命更长，打印质量更稳定，打印机的使用寿命更长。可以实现用户的个性化定制，根据用户所设定的图形进行精美打印。
2.2 主要指标：
(1).精度指标：这是镭射打印技术应用最为重要的性能指标，其对应的参数是精确度和维度精确度。我们的实物系统在打印设计的过程中运用栅格化算法和轨迹规划算法使打印的精度和准度都 得到了相应的提高。
(2).使用寿命指标：我们的系统采用高品质的材料，具有足够的使用寿命，并能够在长期使用中保持一致的 打印质量。这种材料的寿命能够得到一定程度上的提高，并且容易进行更换。
(3).材料选择指标：我们的系统可以使用多种材料来完成打印任务，例如木板，玻璃，塑料等。这种多样性 的选择会让我们的实物系统在应对不同需求、不同情况时，具有更大的适用范围和更好的灵活性
三、实现原理
3.1总体设计结构
本项目主要以STM32f103C8T6单片机作为驱动核心，由供电模块和电压转换模块提供电 源和电压的转换，搭配丝杆电机模块依据 PWM 波信号从而控制镭射激光束的来回移动，运用 IRFZ44N 场效应管作为开关控制镭射激光头，在图案雕刻方面先利用单片机对图像进行存储，然后利用 HALCON 进行机器视觉的处理，使用 HALCON 编写程序读取图像所有像素信息，读取图像每一个点的像素值，并将其返回到一个数组中，最后根据像素点的不同将其分为黑点和白点，让激光头对其加以辨别，最后各模块相互搭配，根据各个临界值通过对物体图像的采集进行准确的打印。
3.2 硬件框图
3.2.1整体硬件设计框图
（图3.2.1-设计流程图）
项目硬件是由STM32开发板为控制板，搭载嵌入式控制板，设计了电源供电模块对开发板进行安全供电，开发板对丝杆电机模块和IRFZ44N场效应管进行信号通信，对单片机内部所存图形进行精准打印。
3.2.2 主要核心硬件：
(1).STM32f103C8T6:
STM32是ST公司基于ARM Cortex-M 内核开发的32位微控制器,主要用于嵌入式系统和应用程序的开发。它通常被用于控制外部设备、传感器和执行任务。STM32还支持多种通信协议，如SPI、I2C和UART，以便与其他设备进行通信。此外，STM32还具有多种接口和功能，如定时器、PWM控制器、ADC、DAC等，可以快速实现各种不同的应用程序。我们用 STM32 作为主控，是为了在一定程度上提高产品的稳定性和可控性，让产品做到简单上手且便于调试。
(图3.2.2（1） STM32f103C8T6最小系统板)
(2).IRFZ44N场效应管：
IRFZ44N是一种常见的N沟道MOSFET场效应管，被广泛应用于电子电路中。其主要作用是控制电路中的电流流动。当控制端施加正电压时，场效应管内的电场会使得阻挡层消失，电子可以自由地通过管子流到负电极上，从而使得管子的导通电阻趋近于零，起到导电作用。而当施加负电压时，阻挡层会变得更加厚，电子难以通过管子，从而导致管子中的电流几乎为零，即使存在一定的漏电流，但也非常小。IRFZ44N 场效应管在电路中常被用于开关电源的控制、驱动单片机或是其他IC芯片、以及放大信号等应用场景。我们在产 品中运用了IRFZ44N 场效应管控制电路，从而达到电路中电流的持续稳定，以达到连续控制外设的作用，让产品能够更好更稳定的进行相应的工作。
(图3.2.2（2） IRFZ44N 场效应管)
(3).丝杆电机
丝杆电机是一种将旋转运动转换为直线运动的装置。它主要由电机、减速器、丝杆和导轨等部分组成。丝杆电机的工作原理是电机带动减速器旋转，通过丝杆和螺母的配合实现直线运动。丝杆电机可以广泛应用于CNC机床、自动化生产线、数控机床、电动汽车、人工智能机器人等领域。丝杆电机具有启动力矩大，运动精度高、工作稳定性好等特点。在现代工业生产中，丝杆电机的应用越来越广泛，成为增强自动化程度和提高生产效率的重要手段。在产品设计的过程中我们根据丝杆电机的工作原理对其进行运用，从而达到控制激光束的来回移动。
（图5.2.2（3）丝杆电机）
(4).3D打印机配件 A4988 DRV8825步进电机驱动器
A4988是一款完全的微步电动机驱动器，带有内置转换器，易于操作。该产品可在全、半、1/4、1/8及1/16进模式时操作双极步进电动机，输出驱动性能可达35V及±1A。A4988包括一个固定关断时间电流稳压器，该稳压器可在慢或混合衰减模式下工作。转换器是A4988易于实施的关键。只要在“步进”输入中输入一个脉冲即可驱动电动机产生微步。
（图3.2.2(4) A4988驱动）
(5).红色激光器激光镭射头
这是一款大功率激光模组，激光波长为650nm，发射的是红色激光。它可以用于DIY雕刻、激光打标和激光测距等项目。激光镭射头可以将激光束聚焦到一个小点上，增强激光的功率密度，从而提高其雕刻、打标的效果。需要注意的是，使用大功率激光模组时要注意安全，避免直接照射眼睛或皮肤。
(图3.2.2(5) 激光镭射头)
3.3 原理图
(图3.3-设计原理图)
原理图部分是由 STM32 作为核心控制板分别控制三大板块，分别是供电板块，镭射板块， 丝杆电机板块，供电板块由分为供电模块（12V转5V），5V转3.3V，12V转6V 对各种传感器和模块进行稳定供电，使得各模块之间稳定的由单片机进行控制。
材料选择：
3.4 PCB 板的设计
(图3.4-PCB板)
(1).创建新的PCB文档并设置PCB 板尺寸和层数。
(2).将元件库中的器件拖放到PCB文档中，并连接它们以形成电路图。
(3).定义 PCB 布局规则，包括追踪宽度、间距、孔径等参数。
(4).使用 PCB 编辑工具布置和调整元件位置以满足性能和空间要求。 (5).在PCB文档中添加必要的机械和电气特征，例如孔洞、丝印、焊盘等。
(6).进行信号完整性分析，例如时钟速度、信号延迟等。
(7).生成 Gerber 文件以进行生产制造。
(8).完成 PCB 设计后，使用 Altium Designer 的 DRC 功能检查设计是否符合设计规则。
3.5 实物效果
(3.5-实物打印)
(3.5-打印效果)
