🔥 ESP32-C3 雷射雕刻機同步空氣輔助模組 — 完整實作指南

📋 專案概述

上個月你把 3W 雷雕機升級成切 3mm 椴木的「接單小炮」，第一張椪糖造型吊飾單就做焦了八片：切面焦黑、板邊被煙燻出一圈黃漬，客人傳訊問「這是燒過的嗎」。買家不知道，你的雷雕機根本沒有空氣輔助。於是你買了台氣泵接上——新問題接踵而來：這種泵是 92dB 的怒吼型選手，雕刻一個 40 分鐘的 job，氣泵要全程嗷嗷叫；更扯的是它跟雷射完全是兩個世界，開機要記得開氣、暫停要記得關氣。上週五晚上你趕單到凌晨兩點，忘記開氣跑了 40 分鐘——今天打開機殼，focus 鏡片鍍膜燒出一個直徑 0.5mm 的白點。鏡片 NT$450 事小，「氣壞了」这件事，你的機器一點都不知道：氣管早就從接頭崩開，雷射照樣噴了半小時。

市售商品：

• 獨立氣泵（含氣管）：NT$900 上下，只有開/關；「跟雷射同步」這件事要你自己手動——手動的東西在凌晨兩點一定會失敗。
• 雷雕機內建氣泵套件（原厂高階機）：NT$15,000 起才有；而且多數也只有「開機即轉」，不會斷氣保護。
• 智慧插座＋定時器：NT$400，能「開機時一起開」，但它不知道雷射有沒有在點火——照樣空轉把碎屑吹滿工作台。

本模組把「氣」和「光」綁成硬連鎖（hard interlock）：用兩顆光耦合器從雷射主板隔空偷看 FIRE（點火）與 EN（使能）兩條訊號——不共地、不碰主板邏輯——然後管理一台幫浦和一顆電磁閥的完整氣序：

• 預吹 0.5s：EN 一上電（job 開始）先開閥把鏡片和切口餘灰吹穩，火才有資格點——順序由狀態機保證，凌晨兩點也不例外
• 切割跟火、後吹 0.8s：最後一個火脈衝結束後氣再吹 0.8 秒帶走餘煙，然後閥關、幫浦軟停
• job 結束排煙吹 15s：偵測 job 結束再多吹 15 秒，把煙道和切割-platform 下的積煙清出去（切皮革的靈魂步驟）
• 斷氣保護 0.3s 反應：ACS712 量幫浦電流——氣管脫落≠電流變化？錯！隔膜幫浦出口失壓、負載驟降，電流會掉到閾值以下；濾芯塞死則電流飆高。太薄＝沒氣、太胖＝塞死，兩個方向都抓
• 幫浦 PWM 軟啟動 1.5s：深夜開單不被泵的一記獅吼嚇到；MOSFET 線性區快速通過設計，不燒管子
• 統計推 NAS：火數／點火秒數／幫浦時數／濾芯剩餘小時（100h 週期）→ 每日彙報；「濾芯該拍了」這種事再也不用記

為什麼選 ESP32-C3？

🧱 硬體清單

🔌 接線圖

詳細接線

🖨️ 3D 列印設計

雷雕機台附近有鏡片反射的紫外與高溫，PETG 是底線、PLA 會蠕變；分流塊噴嘴角度設計為下傾 15°，氣簾正好壓住切口的上升煙柱。

💻 Arduino 程式碼

Arduino IDE 2.x＋espressif 3.x core（開發板 ESP32C3 Dev Module）；函式庫：Adafruit SSD1306、Adafruit GFX。

/* ============================================================
 *  雷雕同步空氣輔助  laser-airassist.ino
 *  ------------------------------------------------------------
 *  功能：氣光硬連鎖（預吹/跟火/後吹/排煙四段氣序）、
 *        幫浦電流斷氣保護、軟啟動、統計推 NAS
 *  硬體：ESP32-C3｜GPIO2←FIRE、GPIO3←EN（PC817，低有效）
 *        GPIO6→泵 PWM、GPIO5→閥、GPIO0←ACS712、
 *        GPIO8/9 I2C、GPIO1 按鈕、GPIO10 蜂鳴器
 *  供電：12V 共用電源、GND 共點；ACS712 供 5V
 *  相依：Adafruit_SSD1306、Adafruit_GFX（core 3.x）
 * ============================================================ */
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#include <WiFi.h>
#include <HTTPClient.h>
#include <Preferences.h>

/* --- 0. 配置 --- */
const char* WIFI_SSID = "YOUR_SSID";
const char* WIFI_PASS = "YOUR_PASS";
const char* NAS_URL   = "http://192.168.8.60:1880/airassist";
const char* NAS_TOKEN = "change-me";

#define PIN_FIRE 2      // PC817 低有效：脈衝=LOW
#define PIN_EN   3
#define PIN_CUR  0      // ADC1！GPIO6/7 是 ADC2，Wi-Fi 開著會死
#define PIN_PUMP 6
#define PIN_VALVE 5
#define PIN_BTN  1
#define PIN_BUZ  10

const uint32_t PRE_BLOW_MS   = 500;    // 預吹
const uint32_t POST_BLOW_MS  = 800;    // 後吹
const uint32_t SCAVENGE_MS   = 15000;  // job 結束排煙吹
const uint32_t ARM_TIMEOUT_MS= 180000; // 3 分鐘無火自動離崗
const float    I_MIN = 0.40f;          // 斷氣（失壓）門檻 A
const float    I_MAX = 2.20f;          // 塞死門檻 A
const uint32_t I_MAX_HOLD = 10000;     // 塞死持續判定
const float    ACS_ZERO = 2.50f, ACS_K = 0.100f;  // 零點 V、V/A

/* --- 1. 狀態機 --- */
enum St { IDLE, ARM, CUT, BLOW, SCAV, ALARM } st = IDLE;
uint32_t stEnter = 0, lastFire = 0, enSince = 0;
float amps = 0; uint32_t pumpDuty = 0;  // 0..1000
uint32_t firePulses = 0, fireUs = 0; float pumpSecs = 0, filterSecs = 0;
uint32_t jobs = 0, alarmSince = 0; uint8_t alarmCode = 0; // 1=斷氣 2=塞死
Adafruit_SSD1306 oled(128, 64, &Wire, -1);
Preferences prefs;

/* --- 2. FIRE 中斷：記錄與計數 ---
 * 參數：無｜回傳：無
 * 為什麼放在 ISR：火脈衝可短至幾十 µs，主迴圈輪詢必漏拍。
 * millis() 在 ESP32 ISR 内是安全讀取（僅讀計數變數） */
volatile uint32_t firePulseCnt = 0;
volatile uint32_t fireStampMs = 0;
void IRAM_ATTR fireISR() {
  if (digitalRead(PIN_FIRE) == LOW) {     // 只看有效邊
    firePulseCnt++;
    fireStampMs = millis();
  }
}

/* --- 3. 電流讀取：中位數濾波 ---
 * 參數：無｜回傳：幫浦電流 A（零點誤差由全域 curOffset 扣除）
 * 為什麼中位數：C3 ADC1 與 Wi-Fi PA 共享電源路徑，偶發毛刺用均值扛不住 */
float readAmps() {
  uint16_t s[9];
  for (int i = 0; i < 9; i++) { s[i] = analogRead(PIN_CUR); delayMicroseconds(200); }
  for (int i = 0; i < 8; i++) for (int j = i + 1; j < 9; j++)
    if (s[j] < s[i]) { uint16_t t = s[i]; s[i] = s[j]; s[j] = t; }
  float v = s[4] * 3.3f / 4095.0f;            // 11dB 衰減檔：滿量程約 3.3V
  return constrain((v - ACS_ZERO) / ACS_K, 0, 5);   // ACS712@5V：零點 2.5V
}
float curOffset = 0;   // 零點校準值（A），setup 裡量

/* --- 4. 氣序狀態機：本模組的靈魂 ---
 * 參數：dtMs 本拍毫秒｜回傳：無
 * IDLE→ARM(預吹)→CUT(跟火)→BLOW(後吹)→SCAV(排煙)→IDLE */
void sequencer(uint32_t nowMs, uint32_t dtMs) {
  bool enActive = digitalRead(PIN_EN) == LOW;
  bool firing   = (nowMs - fireStampMs) < 50;   // 50ms 內有火
  if (firing) lastFire = nowMs;                 // 後吹倒數從最後一次火算起
  switch (st) {
    case IDLE:
      /* EN 優先；無 EN 訊號的機型由首個 FIRE 直接進 CUT（fallback） */
      if (enActive) { st = ARM; stEnter = nowMs; jobs++; valve(false); pumpRamp(0); }
      else if (firing) { st = CUT; stEnter = nowMs; jobs++; }
      break;
    case ARM:                                  // 預吹：幫浦全速+開閥
      pumpRamp(1000); valve(true);
      /* 預吹滿 0.5s 才承認火——雷射早點幾毫秒會少吹一點，但狀態不被抢跑 */
      if (firing && nowMs - stEnter >= PRE_BLOW_MS) { st = CUT; stEnter = nowMs; }
      else if (nowMs - stEnter > PRE_BLOW_MS + ARM_TIMEOUT_MS) st = IDLE;
      break;
    case CUT:
      pumpRamp(1000); valve(true);
      if (nowMs - lastFire > POST_BLOW_MS) { st = SCAV; stEnter = nowMs; }
      break;
    case SCAV:                                 // 排煙：先全吹再軟停
      if (nowMs - stEnter < SCAVENGE_MS) pumpRamp(1000);
      else if (nowMs - stEnter < SCAVENGE_MS + 1500) pumpRamp(300);
      else { pumpRamp(0); valve(false); st = IDLE; stEnter = nowMs; }
      break;
    case ALARM:                                // 斷氣/塞死：關閥停泵+蜂鳴
      valve(false); pumpRamp(0); digitalWrite(PIN_BUZ, (nowMs / 120) % 2);
      break;
  }
  if (st != IDLE && st != ALARM) { pumpSecs += dtMs / 1000.0f; filterSecs += dtMs / 1000.0f; }
  if (st != ALARM && firing) fireUs += 5;      // 估算點火時數（脈衝×解析度）
}

/* --- 5. 幫浦軟啟動斜坡：1.5s 線性 --- */
void pumpRamp(uint32_t target) {              // target 0..1000
  if (pumpDuty < target) pumpDuty = min(target, pumpDuty + 10);   // 每 15ms 拍
  else if (pumpDuty > target) pumpDuty = max(target, (uint32_t)((int32_t)pumpDuty - 10));
  ledcWrite(PIN_PUMP, pumpDuty);
}
void valve(bool on) { digitalWrite(PIN_VALVE, on ? HIGH : LOW); }

/* --- 6. 斷氣保護：雙向電流判讀 ---
 * 參數：dtMs｜回傳：無
 * 氣管脫落→出口失壓→電流掉；濾芯塞死→負載升→電流漲 */
void watchdog(uint32_t nowMs, uint32_t dtMs) {
  bool running = (st == CUT || st == ARM || st == SCAV) && pumpDuty > 800;
  if (!running) { alarmSince = 0; return; }
  bool low  = amps < I_MIN;
  bool high = amps > I_MAX;
  if (high) { if (alarmSince == 0) alarmSince = nowMs;
              else if (nowMs - alarmSince > I_MAX_HOLD) trip(2); }
  else if (low) { if (nowMs - stEnter > 300) trip(1); }   // 升速後 300ms 仍沒電流＝沒氣
  else alarmSince = 0;
}
void trip(uint8_t code) {
  alarmCode = code; st = ALARM; stEnter = millis();
  alarmSince = millis();   // ALARM 30 秒後自動復歸 IDLE（人工排除後重試）
}

/* --- 7. NAS 推送：統計＋警報 --- */
void pushStats() {
  if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) return;
  HTTPClient http; http.begin(NAS_URL);
  http.addHeader("Content-Type", "application/json");
  http.addHeader("X-Device-Token", NAS_TOKEN);
  String body = "{\"jobs\":" + String(jobs) + ",\"pulses\":" + String(firePulses) +
    ",\"fire_s\":" + String(fireUs / 1e6, 1) + ",\"pump_h\":" + String(pumpSecs / 3600, 2) +
    ",\"filter_h\":" + String(filterSecs / 3600, 1) + ",\"st\":" + String((int)st) +
    ",\"amps\":" + String(amps, 2) + ",\"alarm\":" + String(alarmCode) + "}";
  http.POST(body); http.end();
}

/* --- 8. 面板 --- */
void drawPanel() {
  const char* names[] = {"IDLE", "PRE-BLOW", "CUTTING", "BLOW-OFF", "SCAVENGE", "ALARM"};
  oled.clearDisplay(); oled.setTextSize(1); oled.setCursor(0, 0);
  oled.printf("%-9s %4.2fA\n", names[st], amps);
  oled.printf("jobs %lu plse %lu\n", (unsigned long)jobs, (unsigned long)firePulses);
  oled.printf("pump %2.1fh filt %3.0fh\n", pumpSecs / 3600, filterSecs / 3600);
  if (alarmCode) oled.printf("! %s\n", alarmCode == 1 ? "NO AIR!" : "BLOCKED!");
  oled.display();
}

/* --- 9. setup --- */
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(PIN_FIRE, INPUT_PULLUP); pinMode(PIN_EN, INPUT_PULLUP);
  pinMode(PIN_BTN, INPUT_PULLUP);  pinMode(PIN_BUZ, OUTPUT);
  pinMode(PIN_VALVE, OUTPUT); digitalWrite(PIN_VALVE, LOW);
  ledcAttach(PIN_PUMP, 1000, 10);              // 1kHz/10bit 軟啟動
  prefs.begin("airassist");
  jobs = prefs.getUInt("jobs", 0); filterSecs = prefs.getFloat("filt", 0);
  Wire.begin(8, 9); oled.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C);
  oled.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  for (int i = 0; i < 5; i++) curOffset += analogRead(PIN_CUR);  // 零點校準
  curOffset = curOffset / 5 * 3.3f / 4095.0f / ACS_K;
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(PIN_FIRE), fireISR, FALLING);
  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASS);
  analogSetPinAttenuation(PIN_CUR, ADC_11db);
}

/* --- 10. loop：15ms 控制拍 --- */
void loop() {
  static uint32_t tCtl = 0, tNet = 0, tOled = 0, btnHold = 0, btnLast = HIGH;
  uint32_t m = millis();
  if (m - tCtl >= 15) {
    tCtl = m;
    firePulses += firePulseCnt; firePulseCnt = 0;
    amps = readAmps() - curOffset;
    sequencer(m, 15);
    watchdog(m, 15);
    if (st == ALARM && m - stEnter > 30000) { st = IDLE; alarmCode = 0; }
  }
  if (m - tOled >= 500) { tOled = m; drawPanel(); }
  if (m - tNet >= 60000) {
    tNet = m; pushStats();
    prefs.putUInt("jobs", jobs); prefs.putFloat("filt", filterSecs);
  }
  /* 按鈕：短按重設濾芯計時；長按 2s 強制通氣（除塵吹灰） */
  uint8_t b = digitalRead(PIN_BTN);
  if (b == LOW && btnLast == HIGH) btnHold = m;
  if (b == HIGH && btnLast == LOW) {
    if (m - btnHold > 2000) { forceBlow(); }
    else { filterSecs = 0; }
  }
  btnLast = b;
}
void forceBlow() {                   // 除塵模式：閥開泵轉 5 秒後自動關
  valve(true); for (uint32_t t = 0; t < 333; t++) { pumpRamp(1000); delay(15); }
  pumpRamp(0); valve(false);
}

🏗️ 組裝步驟

1. 列印後處理：分流塊噴嘴孔用 2mm 鑽頭通一遍、適配環內徑試套雷射頭（緊配但不強壓）
2. 氣路組裝：泵→軟管→電磁閥→分流塊→三噴嘴環繞光軸；所有接頭上紮帶，運轉後拉拽測試
3. 光耦接訊號：FIRE／EN 各一顆 PC817，輸入側 1kΩ 串聯並接主板訊號線——先斷機電、用三用表確認接錯不會短路再上電
4. 功率級焊接：Q1 泵／Q2 閥，閘極 10kΩ 下拉、閥線圈 1N4007；ACS712 串幫浦負端
5. 零點校準：幫浦未運轉時 Serial 讀 ADC，把漂移量寫進 curOffset（出廠零點有 ±50mV 誤差）
6. 靜態驗證：手動短接 PC817 輸入側模擬 EN/FIRE 序列，驗證 IDLE→預吹→跟火→後吹→排煙全流程與時序
7. 斷氣演練：切割模擬中拔開氣管快速接頭，300ms 內蜂鳴＋ALARM 顯示——演練通過才準真實雕刻
8. 隨機固定與試雕：控制盒鎖機殼、軟管隨行鏈留 8cm 應變環；先雕廢料角料確認無焦邊、鏡片 30 分鐘後無霧化

🔧 問題排除

🎯 進階延伸

• 熄火連鎖：ALARM 時另開一顆光耦反方向「按暫停」——用同一顆 PC817 模擬面板訊號，真正的硬連鎖（要做進韌體前務必先用廢料驗證）
• 煙感聯動：加顆 MQ-2 在排口，切皮革的煙峰直方圖存 NAS——「今天切了 40 張牛皮」有据可查
• 氣壓閉環：MPX5050 接分流塊測靜壓，PWM 維持定壓——長軟管/多噴嘴衰減自動補償
• 多機共享：一台 60L 泵經氣排帶供雷雕＋噴墨＋雷射焊接三台，每台一顆本模組的閥與感測

📦 檔案清單

laser-airassist/
├── src/
│   └── laser-airassist.ino     # ESP32 韌體（本頁完整程式）
├── nas/
│   └── node-red-flow.json      # 警報/統計/濾芯週期
├── stl/
│   ├── manifold.stl            # 一進三出分流塊
│   ├── nozzle-ring-12.stl      # 噴嘴適配環 12mm
│   ├── nozzle-ring-14.stl      # 噴嘴適配環 14mm
│   ├── pump-mount.stl          # 減震泵架
│   ├── duct-clip.stl           # 隨行軟管夾
│   └── box-control.stl         # 控制盒
├── f3d/
│   └── airassist-design.f3d    # Fusion 360 原始檔
├── test/
│   └── seq-simulator.ino       # 短接模擬 EN/FIRE 的台架測試
└── manual/
    └── assembly.html           # 圖文組裝說明書