如何使用 Arduino 构建绘图仪

使用开源硬件和软件，自动化绘制、雕刻等操作，DIY 绘图仪。

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在学校时，科学系的储藏室里藏着一台 HP 绘图仪。我玩了一段时间，一直想拥有一台自己的绘图仪。快进多年后，步进电机很容易获得，我又开始用电子产品和微控制器做东西，最近我看到有人用雕刻的丙烯酸制作显示器。这促使我最终构建了自己的绘图仪。

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作为一个老派的 5V 爱好者，我真的很喜欢最初的 Arduino Uno。以下是我使用的其他组件列表（声明一下，我与这些公司没有任何关联）

FabScan 扩展板：物理上承载步进电机驱动器。
SilentStepSticks：电机驱动器，因为 Arduino 本身无法处理步进电机所需的电压和电流。我现在使用的是带有 Trinamic TMC2130 芯片的驱动器，但目前处于独立模式。这些是 Pololu 4988 的替代品，但运行起来安静得多。
SilentStepStick 保护器：二极管，可防止转动的电机烧毁您的电机驱动器（相信我，您需要它们）。
步进电机：我选择了 12V 的 NEMA 17 电机（例如，来自 Watterott 和 SparkFun 的型号）。
线性导轨
木制底板
木螺钉
GT2 皮带
GT2 同步带轮

这是一个正在进行中的个人项目。如果您正在寻找现成的套件，请查看德国 Make 杂志的 MaXYposi。

硬件设置

正如您在这里看到的，我一开始做得太大了。这个绘图仪不能舒服地放在我的桌子上，但这没关系，因为我这样做是为了学习目的（而且，因为我必须重做一些事情，下次我会使用更小的梁）。

Plotter base plate with X-axis and Y-axis rails

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皮带安装在导轨的两侧，然后用一些辅助轮绕在电机上

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我在 Arduino 上堆叠了几个组件。Arduino 在底部，上面是 FabScan 扩展板，接下来是电机插槽 1+2 上的 StepStick 保护器，最上面是 SilentStepStick。请注意，SCK 和 SDI 引脚未连接。

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小心正确地将电线连接到电机。如有疑问，请查看数据表或使用欧姆表来确定哪些电线属于一起。

软件设置

虽然像 grbl 这样的软件可以解释用于工具移动和其他操作的所谓 G 代码，而且我可以将其刷入 Arduino，但我很好奇，想更好地理解这些东西。（我的 X-Y 绘图仪软件可在 GitHub 上获得，不提供任何 гарантии）。

基础知识

要使用 StepStick（或兼容）驱动器驱动步进电机，您基本上需要向相应的引脚发送高电平和低电平信号。或者用 Arduino 的术语来说

digitalWrite(stepPin, HIGH);
delayMicroseconds(30);
digitalWrite(stepPin, LOW);

其中 stepPin 是步进电机的引脚号：电机 1 为 3，电机 2 为 6。

在步进电机开始工作之前，必须启用它。

digitalWrite(enPin, LOW);

实际上，StepStick 知道引脚的三种状态

低电平：电机已启用
高电平：电机已禁用
引脚未连接：电机已启用，但一段时间后进入节能模式

当电机启用时，其线圈通电，并保持其位置。几乎不可能手动转动其轴。这对于精度目的很有好处，但也意味着电机和驱动芯片都被“充满”电力，并且会升温。

最后，但同样重要的是，我们需要一种确定绘图仪方向的方法

digitalWrite(dirPin, direction);

下表列出了功能和引脚

功能	电机 1	电机 2
启用	2	5
方向	4	7
步进	3	6

在我们使用引脚之前，我们需要在代码的 setup() 部分将它们设置为 OUTPUT 模式

pinMode(enPin1, OUTPUT);
pinMode(stepPin1, OUTPUT);
pinMode(dirPin1, OUTPUT);
digitalWrite(enPin1, LOW);

有了这些知识，我们可以轻松地让步进电机移动起来

    totalRounds = ...
    for (int rounds =0 ; rounds < 2*totalRounds; rounds++) {
       if (dir==0){ // set direction
         digitalWrite(dirPin2, LOW);
       } else {
         digitalWrite(dirPin2, HIGH);
       }
       delay(1); // give motors some breathing time
       dir = 1-dir; // reverse direction
       for (int i=0; i < 6400; i++) {
         int t = abs(3200-i) / 200;
         digitalWrite(stepPin2, HIGH);
         delayMicroseconds(70 + t);
         digitalWrite(stepPin2, LOW);
         delayMicroseconds(70 + t);
       }
    }

这将使滑块左右移动。这段代码处理一个步进电机，但对于 X-Y 绘图仪，我们需要考虑两个轴。

命令解释器

我开始实现一个简单的命令解释器来使用路径规范，例如

"X30|Y30|X-30 Y-30|X-20|Y-20|X20|Y20|X-40|Y-25|X40 Y25

描述以毫米为单位的相对移动（1 毫米等于 80 步）。

绘图仪软件实现了连续模式，允许 PC 将大型路径（分块）馈送到绘图仪。（这就是我在此视频中绘制希尔伯特曲线的方式。）

构建更好的笔架

在上面的第一张图片中，笔是用一些金属线绑在 Y 轴上的。这不精确，也无法让软件升降笔（这解释了大的黑点）。

从那时起，我创建了一个更好、更精确的笔架，它使用伺服电机来升降笔。在这个图片和上面链接的希尔伯特曲线视频中可以看到这个新的、改进的笔架。

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笔用一个小夹子固定（图中所示的是 8 号夹子，通常用于将电缆固定到墙壁上）。伺服臂可以抬起笔；当手臂放下时，重力会将笔放下。

驱动伺服电机

驱动伺服电机相对简单：只需提供位置，伺服电机即可完成所有工作。

#include <Servo.h>

// Servo pin
#define servoData PIN_A1

// Positions
#define PEN_UP 10
#define PEN_DOWN 50

Servo penServo;

void setup() {
  // Attach to servo and raise pen
  penServo.attach(servoData);
  penServo.write(PEN_UP);
}

我正在使用 FabScan 扩展板电机 4 位置上的伺服头，所以我使用了模拟引脚 1。

放下笔就像这样简单