基于WiFi的无线3D打印机控制器设计方案

3D打印属于快速成形技术的一种，是以数字模型文件为基础，运用塑料或粉末状金属等材料，通过逐层打印的方式来构造物体。近几年3D打印技术飞速发展，已广泛应用于航天、国防、医疗设备、教育及制造业。但目前的3D打印机大部分依然采用电脑连接进行操作打印，或者采用SD卡存储打印产品的数据进行打印，有时为用户使用带来极大不便。手机、平板电脑等移动设备终端已经成为了人们的生活必备品，这些产品都带有WiFi无线传输功能。

本文设计一种可以利用手机、平板等移动端安装app应用软件实现移动设备WiFi无线控制3D打印机进行打印的控制器。通过移动端app软件进行打印对象的选择、传输及打印控制。有了WiFi操作，3D打印机就不局限于在电脑上操作，方便了用户使用，节省了使用成本。本文重点阐述无线式3D打印机控制器和上位机APP应用界面的设计。

1 无线式3D打印机控制器设计方案

控制器的核心CPU选用ST公司的STM32F103VET6微控制器，控制系统主要完成接收WiFi模块传输的数据;读取SD卡内存放的3D模型数据文件;完成对步进电机的控制;挤出头和热床的温度控制;挤出头行程控制等。无线式3D打印机的控制系统总体框图如图1所示。

图1：无线式3D打印机控制器方案

如图1所示，手机端的控制软件代替了电脑，通过手机上的WiFi将打印数据和命令传输到3D打印机控制器进行打印控制，3D打印机控制器也会将挤出头及热床温度、打印机当前状态等信息传输到手机端进行显示，方便用户查看。3D打印机控制器通过WiFi模块接收数据文件存储到SD卡中，打印数据存储完成后，当控制器接收到打印命令后就可以开始打印了。两路温度传感器经CPU片内A/D转换通道分别检测挤出头和热床的温度;CPU的两路数字信号输出分别控制挤出头和热床加热电路的NMOS功率开关管，结合温度传感器实现挤出头和热床温度的控制;四路步进电机驱动电路分别控制X、Y、Z这3个轴的步进电机以及挤出头的步进电机;三路行程开关定位X、Y、Z轴的原点和运动相对位移量。

2 系统硬件电路设计

2.1 WiFi通信电路设计

本设计中选用的是ESP8266为主控芯片的WiFi模块。ESP8266的WiFi模块具有接口简单、价格低廉、高效的AT指令，开发更简单等特点。ESP8266芯片具有一个完整且自成体系的WiFi网络解决方案，高度片内集成，包括天线开关、电源管理转换器，因此只需要极少的外部电路，且包括前端模块在内的整个电路所占PCB空间非常小，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到WiFi无线网络上，进行互联网或局域网通信。WiFi模块采用UART和控制器进行通信。STM32通过串口TX发送AT指令对WiFi的工作模式、UART波特率、建立连接等相关参数进行设置。STM32的USART接收端口RX则接收WiFi模块从移动端接收到数据和指令。这样，当移动端和3D打印终端建立无线连接后，就可以实现数据双向通信了。

2.2 步进电机驱动电路设计

对于小型打印机一般采用两相四线42系列的步进电机。STM32控制步进电机要借助于电机驱动电路，在3D打印机中一般采用A4988芯片作为步进电机驱动，但A4988芯片最大只有16细分，输出最大电流为2A。而TI公司的DRV8825步进电机驱动芯片最高可以达到32细分，驱动电流可以输出 2.5A，低至0.2欧的导通电阻，保证了芯片良好的散热性等优势。另外芯片还集成了快速响应的短路、过热、欠压及交叉传导保护功能电路，能够检测故障状况，并迅速切断H桥，从而为电机和驱动芯片提供保护。本设计选择DEV8825作为步进电机驱动芯片。图2为步进电机驱动电路和加热及温度检测电路与 STM32的接口。图2中P1为两相四线步进电机和DRV8825驱动电路的接口，芯片的STEP步进和DIR方向控制管脚连接到STM32的PC0和 PC1管脚进行控制。本设计中在驱动电路硬件设计时已经将细分设置为1/32，休眠、复位等都失能，这样可以节省STM32的GPIO端口，如果控制器芯片管脚够用，可以通过程序控制这些管脚进行更多功能的步进电机控制。

2.3 挤出头温度检测及加热电路设计

3D打印过程中挤出头和热床都需要保持相对恒定的温度，如果采用的是PLA打印材料一般将挤出头加热温度设置为175-200度，热床温度设置为40-60度。电路中温度检测采用MAX6675数字温度转换芯片将热敏电阻的温度转换为数字量由STM32读出。挤出头和热床温度可根据具体使用环境确定实际温度值，挤出头和热床温度检测和加热电路是相同的，这里以挤出头温度检测和加热电路说明其加热原理，电路如图2所示。

图2：DRV8825驱动电路

JP27为加热管的接线端子，连接直流发热芯，R41和D13组成指示灯电路，MOS管Q3导通时，指示灯D13亮，发热芯加热。U4为热敏电阻温度转换芯片，转换完成的温度数字量通过STM32的3个管脚根据MAX6675操作时序读出。STM32将读出的温度值和设定的温度值进行比较，形成反馈，采用 PID算法实现温度的恒定。

3 系统软件设计

3.1 手机端APP软件设计

移动端的应用程序主要实现3D打印文件的选择、确认、3D打印机状态显示以及WiFi的连接等。应用程序采用Android编程，实现打印数据文件的读取，并控制WiFi进行数据的传输，还能够设置3D打印机的打印头温度、热床温度，并且可以接收打印头和热床温度进行显示，以及所用材料类型及使用量信息进行显示。移动端应用程序主要页面设计如图3所示。

图3：APP主要显示界面

首先在应用程序首页选择要打印的STL文件，进入下一界面进行预览，预览确认后可以启动打印，在打印界面可以选择暂停，并能够显示当前打印机的速度、热床和挤出头温度等信息。

3.2 主程序流程图

软件程序具有通信、数字信号的控制和数据读取与处理等功能，根据设计要求，软件程序流程图设计如图4所示：

图4：3D打印主程序流程图

首先，3D打印机终端对WiFi、电机及加热等模块初始化完成后，开始等待移动端发出的打印命令。一旦移动端发出打印命令，接收端接收到命令后，开始接收数据，为节省时间，在接收打印数据的同时，对挤压头及热床进行预热。当检测到数据接收完成，温度等达到预设值后，启动打印，并将打印速率、挤压头及热床温度等信息实时回传到手机的应用软件上进行显示，直到打印完成。

4 结束语

随着3D打印机和手机、平板电脑等移动终端的普及，采用移动终端对3D打印机进行控制是未来3D打印机的发展方向。本文就实现3D打印机的无线打印，给出了具体实现原理及程序流程，采用STM32微控制器提高了处理速度，加热电路通过PID调节，保证了温度恒定，减少了断丝、粗细不均现象，提高了打印质量。经实际验证，能够实现手机等移动终端对3D打印机的控制，并且本设计提高了打印质量。无线打印，为用户使用3D打印机提供了方便。

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