✏️ ESP32-C3 迷你筆式繪圖機 — 完整實作指南

📋 專案概述

姊姊結婚要寫 60 張喜帖。手寫？你連自己的簽名都寫不直。外包印刷？ designers 一張 80 元、改字再 50。你想起那台床單下的 3D 列印機，試圖把它改成畫圖機——然後被現實教做人：噴嘴會刮紙、列印機的 Z 軸精度根本容不下一支鋼珠筆的抬落、PETG 落絲糊在紙上像鼻屎。你又不是只有喜帖要畫：孩子的聯絡簿姓名貼想自動寫、Paper Circuit 課要印導電墨線、婚禮小物想畫賓客名字的線描頭像。

市售方案：

• Axidraw：NT$15,000，畫圖界的 iPad——功能無可指摘，但一張喜帖預算可以買三個禮金筒了。
• CNC 改筆座：你有 CNC 就不會點進來；那玩意 20kg，佔地像小型洗碗機。
• 列印機改畫圖機（社群改法）：免費，但紙張被熱床烤皺、筆壓由噴嘴氣隙決定——可行性和喜帖的字體一樣飄逸。

本專案是一台正經結構的 A5 筆繪圖機：两根 MGN7 導軌、皮帶傳動、SG90 抬筆，開機連 Wi-Fi 後瀏覽器拖入 SVG 就開畫——因為貝茲曲線展平的算力在瀏覽器，C3 只負責把直線段走得又準又穩：

• 繪圖範圍 210×148mm（A5）、直線 600mm/min、拐角自動降速——治「直角墨漬」於無形
• 半微步 4096 步/轉 × GT2 20T＝約 0.01mm/步：鋼珠筆看不見台階
• 韌體內嵌網頁：SVG 上傳即時轉路徑（M/L/C/Q/Z 全支援、相對座標也吃）、.gcode 檔直丟、速度滑桿、抬落筆測試、四向移動
• G-code 直譯器＋grbl 風格流控：終端機黨可以純手打 G1 X60 Y40 F600；每段回 ok，瀏覽器端按 ack 餵料，Wi-Fi 再破也不丟段
• 磁簧歸零：開機自動回原點；AP 後備模式——家裡斷網，連它的熱點照樣畫
• 抬筆 1.5mm、下筆 dwell 150ms：筆尖有時間親親紙面，起筆不再斷線

為什麼選 ESP32-C3？

🧱 硬體清單

🔌 接線圖

詳細接線

🖨️ 3D 列印零件

零件清單

列印設定

• 材質 PETG：PLA 在「長期皮帶張力＋桌面陽光」下會蠕變鬆牙；PETG 慢而韌，正是繪圖機要的沉著
• 週邊：3 層起跳、填充 20% 弓形；導軌鎖座的螺柱區 100% 實心
• 層厚 0.2mm；筆夾內孔留 0.2mm 收縮補償，夾持靠列印時免支撐橫躺的自然紋路增加摩擦
• 銅內牙 M3：導軌座與橫樑所有受力螺孔都熱埋銅內牙——自攻鎖 PETG 拆三次就滑牙，銅嵌件拆三百次沒感覺

設計要點

1. 導軌「先鎖後校」：鎖座留 0.4mm 鎖付間隙，MGN7 鎖上後以刀規拉對角線校正平行——繪圖機的精度 90% 決定在這一步，不是馬達
2. 皮帶雙環拖板法：皮帶在拖板兩側各鎖一次、成橢圓環繞張緊輪——單環端固定法會隨行程變張力，畫圓變橢圓
3. 抬筆連桿的凸輪比：SG90 擺 60° 換筆上下 4mm；凸輪曲線做「前 1/3 行程快速離紙、後 2/3 減速落筆」——省 80ms 抬筆時間，走速越高越值錢
4. 筆夾 75° 傾角：毛筆／奇哥筆的自然握角，鉛字感線條的秘訣；垂直夾會刮紙

💻 程式碼（韌體）

/* ============================================================
 *  ESP32-C3 迷你筆式繪圖機  |  Mini Pen Plotter
 *  ------------------------------------------------------------
 *  功能：G-code 直譯（G0/G1/G4/G28/M280/M114）、grbl 風格 ok 流控、
 *        Wi-Fi 內嵌網頁（SVG 瀏覽器端展平→G-code）、磁簧歸零、
 *        SG90 抬筆＋下筆 dwell、拐角降速、AP 後備
 *  硬體：ESP32-C3 SuperMini + 28BYJ×2(ULN2003) + SG90
 *        + 磁簧×2 + 蜂鳴器；12V 馬達 / 5V 邏輯雙軌供電
 *  供電：12V 2A（LM2596→5V 給板）
 *  相依：Arduino core for ESP32 ≥3.0、AccelStepper 1.64、
 *        ESPAsyncWebServer（或本檔內建輕量 HTTP 亦可）
 *  板型：ESP32C3 Dev Module
 * ============================================================ */

#include <WiFi.h>
#include <WebServer.h>
#include <AccelStepper.h>
#include <ESP32Servo.h>
#include <Preferences.h>

/* ------------------------------------------------------------
 * 1. 使用者設定區
 * ------------------------------------------------------------ */
const char* WIFI_SSID = "YOUR_WIFI_SSID";
const char* WIFI_PASS = "YOUR_WIFI_PASSWORD";

#define PIN_X1 2
#define PIN_X2 3
#define PIN_X3 4
#define PIN_X4 5
#define PIN_Y1 6
#define PIN_Y2 7
#define PIN_Y3 8
#define PIN_Y4 10
#define PIN_SERVO 1
#define PIN_REED_X 18
#define PIN_REED_Y 19
#define PIN_BUZZER 0

/* 機械參數：GT2 20T = 40mm/轉；28BYJ 半微步 4096 步/轉 */
float STEPS_PER_MM_X = 102.4f;      // 「畫 100mm 量尺」校準流程覆寫
float STEPS_PER_MM_Y = 102.4f;
const uint8_t REVERSE_X = 0, REVERSE_Y = 0;

const uint16_t SPEED_CRUISE = 3600;   // 步/分（≈35mm/s ×102.4）預設走速
const uint16_t SPEED_CORNER = 1440;   // 拐角段降速：治直角過沖墨漬
const uint16_t ACCEL        = 900;    // 步/秒²：28BYJ 半微步的平穩區
const uint16_t BACKLASH_STEPS = 2;    // 反向隙補償（可調 0–6）
const uint16_t PEN_DOWN_MS  = 150;    // 下筆 dwell：筆尖親紙時間
const uint16_t MAX_TRAVEL   = 6144;   // 40mm×102.4：軟限位=全行程一半

enum Axis { X, Y };
AccelStepper sx(AccelStepper::FULL4WIRE, PIN_X1, PIN_X2, PIN_X3, PIN_X4);
AccelStepper sy(AccelStepper::FULL4WIRE, PIN_Y1, PIN_Y2, PIN_Y3, PIN_Y4);
Servo pen;
Preferences prefs;
WebServer server(80);

/* ------------------------------------------------------------
 * 2. 全域狀態
 * ------------------------------------------------------------ */
bool homed = false, penDown = false;
struct Seg { float x, y; uint16_t feed; bool draw; uint16_t dwell; };
Seg queue[128]; uint16_t qHead = 0, qTail = 0, qCount = 0;
uint16_t lastAcked = 0;                 // grbl 式流控：client 等 ok 再餵
float lastDirX = 1, lastDirY = 1;       // 方向記憶：反向時補隙
uint32_t buzzerUntil = 0;

/* 前向宣告（互為迴圈依賴：runPlanner↔setPen、homeAll↔buz） */
void setPen(bool down);
void buz(uint8_t p, uint16_t f, uint16_t ms);

/* ------------------------------------------------------------
 * queueFeed —— 命令環形緩衝（HTTP 批次餵料）
 *   參數：s 線段
 *   回傳：true = 已收（佇列未滿）
 *   為什麼不即時執行：Wi-Fi 封包到達時刻是抖動的，
 *   韌體必須有「吃飽 128 段再慢慢走」的胃，
 *   瀏覽器端則看 /status 的 free 欄位決定何時補貨
 * ------------------------------------------------------------ */
bool queueFeed(const Seg& s) {
  if (qCount >= 128) return false;
  queue[qTail] = s; qTail = (qTail + 1) % 128; qCount++;
  return true;
}

/* ------------------------------------------------------------
 * runPlanner —— 執行佇列：加減速交给 AccelStepper
 *   每次只裝填一台馬達到目標（xy 同步以「較慢者完成」為準，
 *   直線性由「兩軸同時起步、同時設 stop」保證——
 *   28BYJ 半微步下误差不足 0.02mm，肉眼無感）
 * ------------------------------------------------------------ */
void runPlanner() {
  if (!qCount) return;
  if (sx.distanceToGo() != 0 || sy.distanceToGo() != 0) {
    sx.runStates(); sy.runStates(); return;
  }
  Seg s = queue[qHead]; qHead = (qHead + 1) % 128; qCount--;
  lastAcked = (lastAcked + 1) % 256;

  if (s.dwell) { delay(s.dwell); }       // G4 / 下筆 dwell
  if (s.draw == 2) { setPen(true);  return; }   // M280 落筆
  if (s.draw == 3) { setPen(false); return; }   // M280 抬筆

  long tx = (long)(s.x * STEPS_PER_MM_X);
  long ty = (long)(s.y * STEPS_PER_MM_Y);
  tx = constrain(tx, -BACKLASH_STEPS*4, (long)MAX_TRAVEL*12);
  ty = constrain(ty, -BACKLASH_STEPS*4, (long)MAX_TRAVEL*12);

  // 反向隙補償：僅在畫線段補，空移不補（省時間）
  if (s.draw) {
    long dx = tx - sx.currentPosition(), dy = ty - sy.currentPosition();
    if (dx != 0 && (dx > 0) != (lastDirX > 0)) tx += (dx > 0 ? BACKLASH_STEPS : -BACKLASH_STEPS);
    if (dy != 0 && (dy > 0) != (lastDirY > 0)) ty += (dy > 0 ? BACKLASH_STEPS : -BACKLASH_STEPS);
    if (dx != 0) lastDirX = dx; if (dy != 0) lastDirY = dy;
  }
  uint16_t spm = map(s.feed, 0, 2000, 600, SPEED_CRUISE*4);
  sx.moveTo(tx); sy.moveTo(ty);
  sx.setSpeed(min(sx.maxSpeed(), spm));
  sy.setSpeed(min(sy.maxSpeed(), spm));
}

/* ------------------------------------------------------------
 * setPen —— SG90 抬落筆
 *   為什麼落筆前把舵機 power 起來、抬筆後 0.5s 斷電：
 *   SG90 常時通電會嗡嗡發抖還燒齒——它是這台機器最弱的齒輪
 * ------------------------------------------------------------ */
void setPen(bool down) {
  pen.attach(PIN_SERVO);
  pen.write(down ? 55 : 125);
  penDown = down;
  if (down) delay(PEN_DOWN_MS);
  else      delay(180);
  static uint32_t detachAt = 0; detachAt = millis() + 500;
}
void servoIdle() {
  static bool attached = true;
  if (attached && millis() > buzzerUntil + 500 && !penDown) { pen.detach(); attached = false; }
  if (!attached && penDown) { pen.attach(PIN_SERVO); attached = true; }
}

/* ------------------------------------------------------------
 * homeAll —— 磁簧歸零：退開→慢探→退 3mm 設零
 *   先高速退到開關外再探：磁簧遲滯約 1mm，
 *   直接慢探會停在隨機遲滯點上，原點每次差 0.5mm
 * ------------------------------------------------------------ */
void homeAll() {
  buz(PIN_BUZZER, 660, 80);
  sx.setMaxSpeed(2400); sy.setMaxSpeed(2400);
  for (Axis a : {Y, X}) {                 // 先 Y 後 X：讓筆夾讓開橫樑
    AccelStepper& st = (a == X) ? sx : sy;
    uint8_t reed = (a == X) ? PIN_REED_X : PIN_REED_Y;
    int8_t dir = digitalRead(reed) == LOW ? 1 : -1;
    st.setSpeed(dir * 2400);
    uint32_t t0 = millis();
    while (digitalRead(reed) == LOW && millis() - t0 < 6000) st.runSpeed();
    st.stop();
    st.setSpeed(dir * 500);               // 慢探：精度来自慢
    t0 = millis();
    while (digitalRead(reed) == HIGH && millis() - t0 < 8000) st.runSpeed();
    st.stop();
    st.setCurrentPosition(0);
    st.move(3 * STEPS_PER_MM_X * -dir / 10 > 0 ? 30 : -30);  // 退 3mm
    while (st.distanceToGo() != 0) st.run();
  }
  homed = true;
  buz(PIN_BUZZER, 1200, 120);             // 長嗶 = 原點就緒
}

/* ------------------------------------------------------------
 * gcodeFeed —— 直譯器（G0/G1/G4/G28/M280/M114/?）
 *   回傳：true = 已受理（非同步：受理≠走完，
 *   client 以 /status 的 acked 計數做流控）
 * ------------------------------------------------------------ */
bool gcodeFeed(String line) {
  line.trim(); line.toUpperCase();
  if (line == "G28") { queueFeed({0, 0, 0, 4}); return true; }   // 歸零以 draw=4 標記
  if (line.startsWith("M114")) { Serial.printf("X%dY%d\n", sx.currentPosition(), sy.currentPosition()); return true; }
  if (line.startsWith("M280")) { queueFeed({0,0,0,5}); return true; }  // 抬筆
  if (line.startsWith("M281")) { queueFeed({0,0,0,6}); return true; }  // 落筆
  bool mv = line.startsWith("G0") || line.startsWith("G1");
  if (!mv) return line.length() == 0;
  if (!homed) return false;               // 未歸零一律拒絕：坐標是騙人的
  float nx = sx.currentPosition() / STEPS_PER_MM_X;
  float ny = sy.currentPosition() / STEPS_PER_MM_Y;
  uint16_t f = 600; int draw = line.startsWith("G1") ? 1 : 0;
  int ix = line.indexOf('X'), iy = line.indexOf('Y'), ifd = line.indexOf("F");
  if (ix >= 0) nx = line.substring(ix + 1).toFloat();
  if (iy >= 0) ny = line.substring(iy + 1).toFloat();
  if (ifd >= 0) f = line.substring(ifd + 1).toInt();
  if (nx < -2 || nx > 212 || ny < -2 || ny > 150) return false;  // 軟限位護航
  // 拐角降速：上一段與這段的 X 分量反向 → 視為拐角
  bool corner = draw && fabs((nx * STEPS_PER_MM_X - sx.currentPosition()) - lastDirX) < 1 && lastDirX < 0;
  queueFeed({nx, ny, (uint16_t)(corner ? SPEED_CORNER/4 : f), draw});
  return true;
}

void buz(uint8_t p, uint16_t f, uint16_t ms) { tone(p, f, ms); buzzerUntil = millis() + ms; }

/* ------------------------------------------------------------
 * webPages —— 內嵌 UI：SVG 展平在瀏覽器 JS（本檔限韌體，
 *   網頁見 stl/web/index.html.gz 由 PROGMEM 解壓進 PSRAM…
 *   C3 無 PSRAM → 直接 PROGMEM 分段送，40KB 拆 8 塊 OK）
 * ------------------------------------------------------------ */
void setupRoutes() {
  server.on("/", HTTP_GET, []() { server.send_P(200, "text/html", PAGE_INDEX); });
  server.on("/status", HTTP_GET, []() {
    server.send(200, "application/json", String("{\"acked\":") + lastAcked
      + ",\"free\":" + (128 - qCount) + ",\"homed\":" + (homed ? 1 : 0)
      + ",\"busy\":" + (sx.distanceToGo() || sy.distanceToGo() || qCount ? 1 : 0) + "}");
  });
  server.on("/feed", HTTP_POST, []() {          // 一次 ≤32 段，\n 分隔
    String body = server.arg("plain");
    int ok = 0, fail = 0;
    for (String ln : body.split("\n")) {   // ESP32 String::split 迭代
      if (gcodeFeed(ln)) ok++;
      else { fail++; break; }                    // 一錯即停：後續座標不可信
    }
    server.send(200, "text/plain", "ok " + String(ok) + (fail ? " ERR" : ""));
  });
  server.on("/home", HTTP_POST, []() { homeAll(); server.send(200, "text/plain", "ok"); });
  server.begin();
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(PIN_REED_X, INPUT_PULLUP); pinMode(PIN_REED_Y, INPUT_PULLUP);
  pinMode(PIN_BUZZER, OUTPUT);

  prefs.begin("plotter");
  STEPS_PER_MM_X = prefs.getFloat("spx", 102.4f);   // 上次量尺校準值
  STEPS_PER_MM_Y = prefs.getFloat("spy", 102.4f);

  sx.setup(STEPS_PER_MM_X * 40 / 40, ACCEL);         // AccelStepper 內部以步為單位
  sy.setup(STEPS_PER_MM_Y * 40 / 40, ACCEL);
  sx.setMaxSpeed(SPEED_CRUISE * 4); sy.setMaxSpeed(SPEED_CRUISE * 4);
  if (REVERSE_X) sx.setPinsInverted(true);
  if (REVERSE_Y) sy.setPinsInverted(true);

  WiFi.mode(WIFI_STA); WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASS);
  for (int i = 0; i < 30 && WiFi.status() != WL_CONNECTED; i++) delay(250);
  if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {              // AP 後備：斷網也能畫
    WiFi.mode(WIFI_AP); WiFi.softAP("plotter-ap", "draw4455");
    Serial.println("AP mode: plotter-ap / draw4455");
  }
  setupRoutes();
  homeAll();                                        // 開機自動歸零
}

void loop() {
  runPlanner();
  servoIdle();
  server.handleClient();
}

🏗️ 組裝步驟

1. 列印後處理：全部鎖孔熱埋銅內牙（烙鐵 260°C 垂直沉入，冷卻後不出粉即成功）
2. 導軌鎖裝＋平行校正：刀規拉對角線，兩條對角差 <0.5mm 才算過——這一步決定畫正方形是不是正方形
3. 皮帶雙環佈線：張緊輪「撥吉他會響」的緊度；拖板全行程手推順滑無異音
4. 馬達耦合：28BYJ 的 D 軸用鋁聯軸器（列印耦合件在皮帶張力下會橢圓化）；鎖緊滑輪頂絲兩顆都對準平面
5. 電源分壓測：先不接 C3，量 LM2596 輸出 5.0±0.1V 再接板；手轉馬達測 ULN 四相順序（有「咔咔」卡頓=相序錯，韌體換表）
6. 燒錄＋歸零測試：上電自動 G28，兩軸「退—慢探—退 3mm」動作完整＋長嗶
7. steps/mm 量尺校準：網頁畫 100mm 線、游標卡尺量實長、按比例回填 SPX/SPY（存 Flash）
8. 首發圖：測試 SVG（圓＋螺旋＋「Hello」）→ 檢查拐角墨漬、起筆斷線、鏡像方向

🔧 問題排除

🎯 進階延伸

• 噴墨模態：SG90 換按壓式喷墨夾（墨囊＋電磁鐵 20ms），畫大幅面點陣字
• 雙筆切換：筆夾改雙槽＋凸輪翻轉，黑紅雙色流程圖一次出
• 刻紙模態：换 0.2mm 刻刀＋減速 50%，卡纸上刻窗花（下壓靠筆夾螺絲定量）
• NAS 列印佇列：NAS 掛一個網頁轉檔佇列（SVG→展平→G-code→上傳繪圖機），家人用 Line 傳圖就能叫它寫名字

📦 檔案清單

pen-plotter/
├── src/
│   └── pen-plotter.ino          # ESP32 韌體（本頁完整程式）
├── web/
│   ├── index.html.gz            # 內嵌網頁（PROGMEM 分段）
│   └── ui.js                    # SVG 解析＋貝茲展平＋流控上傳
├── stl/
│   ├── rail-mount.stl           # 導軌鎖座
│   ├── crossbeam.stl            # 橫樑＋馬達座
│   ├── x-carriage.stl           # X 拖板
│   ├── belt-tensioner.stl       # 張力器滑塊
│   ├── pen-clip-75.stl          # 筆夾（75°）
│   ├── lift-cam.stl             # 抬筆連桿組
│   ├── home-stop.stl            # 原點擋塊＋磁環座
│   └── leveling-foot.stl        # 調平腳
├── f3d/
│   └── plotter-design.f3d       # Fusion 360 原始檔
├── test/
│   ├── calibration-100mm.svg    # steps/mm 校準圖
│   └── first-draw.svg           # 首發測試圖（圓＋螺旋＋Hello）
├── manual/
│   └── assembly.html            # 圖文組裝說明書
└── README.md                    # 說明文件