摘要：為了提高PCB板制作的效率，改變傳統(tǒng)的化學(xué)腐蝕制板工藝，使用機(jī)械仿形銑制作電路板的方法，設(shè)計了以ATMEGA16單片機(jī)為核心部件的PCB板雕刻機(jī)控制系統(tǒng)。其中包括PCB雕刻機(jī)的基本功能、主要硬件電路設(shè)計和軟件的實現(xiàn)流程，并給出了相關(guān)設(shè)計電路。重點分析了雕刻機(jī)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路以及主軸電機(jī)的驅(qū)動電路，該雕刻機(jī)經(jīng)實際運(yùn)行，系統(tǒng)工作良好，可有效提高PCB板的制作效率。
關(guān)鍵詞：ATMEGA16；PCB；A3977；雕刻機(jī)；主軸電機(jī)
隨著通信、計算機(jī)、消費(fèi)電子等產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，印刷電路板(PCB)行業(yè)也在快速發(fā)展，并給電子制造裝備提出越來越高的要求。在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，PCB成為電子產(chǎn)品的重要組成部分。在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，PCB成為電子產(chǎn)品的重要組成部分。
目前，電路板制作技術(shù)通常采用的是化學(xué)腐蝕制板工藝，并且這種制板技術(shù)仍在繼續(xù)沿著大批量生產(chǎn)的方向發(fā)展。然而，并不是所有的產(chǎn)品、機(jī)構(gòu)都需要這樣的量產(chǎn)成果，他們需要的是小批量或者極小批量PCB制作能力，需要柔性的隨需制作能力。所以，有必要對PCB板雕刻機(jī)進(jìn)行研究。
鑒于此，本文設(shè)計了一款使用機(jī)械仿形銑制作電路板的方法，大大縮短了研發(fā)周期，提高了設(shè)計成功率。
1 系統(tǒng)的總體設(shè)計
根據(jù)對PCB板雕刻機(jī)的分析，設(shè)計了一款以ATMEGA16單片機(jī)作為主控芯片的雕刻機(jī)，系統(tǒng)包括上下位機(jī)通訊模塊(包括串行傳輸和并行傳輸接口擴(kuò)展模塊)、主軸電路模塊、存儲器擴(kuò)展模塊(包括程序存儲器擴(kuò)展和數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展)、鍵盤電路模塊、液晶顯示器接口電路模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、單片機(jī)復(fù)位電路等幾部分。
系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
在本系統(tǒng)中，采用AVR系列產(chǎn)品ATMEGA16作為控制芯片，使該系統(tǒng)擁有獨立的微處理器和獨立控制主板電源等，具有實用可靠和穩(wěn)定的特點。其中PC機(jī)用來處理加工數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成下位機(jī)需要的數(shù)據(jù)格式，并傳輸數(shù)據(jù)。在與上位機(jī)的通訊中，本設(shè)計采用PC并行口的數(shù)據(jù)傳輸方式。實驗證明，滿足雕刻機(jī)高速加工的要求。系統(tǒng)擴(kuò)展8255 A作為并行口輸出，A口用于控制X、Y向步進(jìn)電機(jī)的方向和進(jìn)給脈沖。B口用于向LCD寫顯示數(shù)據(jù)，C口用于輸出LCD的控制信號。由于ATMEGA16只有16 K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、512字節(jié)EEPROM和1 K字節(jié)SRAM，無法滿足雕刻機(jī)程序以及數(shù)據(jù)的存儲。故需要通過擴(kuò)展片外程序存儲器以及數(shù)據(jù)存儲器，來滿足加工時的要求。系統(tǒng)中的主軸轉(zhuǎn)速的控制，采用獨立于ATMEGA16的電路。本設(shè)計中，通過555電路來產(chǎn)生脈沖信號，來驅(qū)動主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動。
2 功能模塊設(shè)計
2．1 系統(tǒng)擴(kuò)展模塊
ATMEGA16單片機(jī)共有4個并行的I／O端口，PA、PB、PC和PD口。雖然看起來I／O端口比較多，但PA口同時作為存儲器擴(kuò)展口；PB口用來與上位機(jī)的通信；PD口具有定時中斷功能，可以產(chǎn)生PWM脈沖信號。這樣當(dāng)構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)后，只剩下PC口作為一般的I／O口使用。這對于稍大、稍復(fù)雜的系統(tǒng)而言，難以滿足應(yīng)用上的需求，在設(shè)計中常需進(jìn)行I／O口的擴(kuò)展。在單片機(jī)外部擴(kuò)展I／O口時，本設(shè)計使用8255A芯片，擴(kuò)展電路如圖2所示。8255A的輸出端口連接步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路以及LCD顯示電路。
2．2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊
ATMEGA16用16位的定時器T1來產(chǎn)生PWM波形，可獲得較寬頻率的脈沖波。T1工作于相位和頻率修正PWM模式，可以產(chǎn)生高精度的、相位與頻率都準(zhǔn)確的PWM波形。相頻修正PWM模式基于雙斜坡操作，其對稱性十分適合于電機(jī)控制。輸出的PWM頻率可通過如下公式計算得到：
通過式(1)改變TOP值就可改變頻率，本系統(tǒng)采用在T1發(fā)生溢出中斷時的中斷程序里改變TOP值，從而達(dá)到改變頻率的大小。
對本設(shè)計雕刻機(jī)步進(jìn)電機(jī)選用57BYG027型混合式步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動采用A3977SE驅(qū)動芯片。控制系統(tǒng)采用開環(huán)方式控制步進(jìn)電機(jī)。電路原理如圖3所示。其中管腳STEP連接8255的PA0或PA2，當(dāng)管腳PA0或PA2為高時，X軸或Y軸步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度。管腳DIR連接8255的PA1或PA3口，來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以通過軟件，來控制ATMEGA16的PWM輸出的頻率從而控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動。
2．3 LCD顯示模塊
為了顯示激光雕刻機(jī)的工作狀態(tài)，本控制系統(tǒng)設(shè)計了一塊液晶顯示器，用于顯示激光雕刻機(jī)的當(dāng)前正在進(jìn)行的工作，以及激光雕刻機(jī)的所有當(dāng)前信息，例如加工速度、加工指令、暫停等。本設(shè)計通過并行I／O口8255A來控制液晶12864，其中PB口用來向12864寫顯示數(shù)據(jù)，PC口控制液晶的片選、寫等信號，可以方便的對液晶12864進(jìn)行控制。電路原理如圖4所示。
2．4 主軸電機(jī)的控制模塊
本設(shè)計中，主軸電機(jī)選取直流電機(jī)，通過555電路，產(chǎn)生一個占空比可調(diào)的脈沖信號。主軸電機(jī)連接MOS管Q1，當(dāng)IC555電路輸出低電平時，Q1導(dǎo)通使得電機(jī)開始轉(zhuǎn)動。當(dāng)IC555電路輸出高電平時，Q1截止使得電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。脈沖的空比越大，電機(jī)電驅(qū)電流就越小，轉(zhuǎn)速減慢；脈沖占空比越小，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就加快故調(diào)節(jié)電位器W1值可以改變555電路的脈沖的輸出頻率，進(jìn)而控制主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電路圖如圖5所示。
圖中D3是續(xù)流二極管。在功放管截止期間為電驅(qū)電流提供通路，既保證電驅(qū)電流的連續(xù)性，又防止電驅(qū)線圈的自感反電動勢損壞功放管。整個電路的脈沖頻率選在3～5 kHz之間。頻率太低電機(jī)會抖動，太高時因占空比范圍小使電機(jī)調(diào)速范圍減小。
2．5 存儲器擴(kuò)展模塊
本文在控制系統(tǒng)中，設(shè)計了32 KB的程序存儲器27C256，用于擴(kuò)展片外程序存儲器，存放系統(tǒng)監(jiān)控程序；雕刻機(jī)在加工時要處理大量的數(shù)據(jù)，ATMEGA16內(nèi)部RAM也不能滿足加工的需要，因此也要擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲器，系統(tǒng)擴(kuò)展2 MB的片外RAM(4片HM628512)，用于存儲加工數(shù)據(jù)。
3 軟件設(shè)計
PCB雕刻機(jī)應(yīng)用軟件采用C語言直接編寫。程序設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，其特點是通用性強(qiáng)，易查找故障。軟件模塊主要包括初始化模塊、按鍵掃描模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通訊模塊、插補(bǔ)模塊和步進(jìn)電機(jī)控制模塊。程序流程如圖6所示。
4 抗干擾設(shè)計
PCB在加工過程中經(jīng)常會出現(xiàn)干擾，例如在加工過程中出現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位、加工出錯、系統(tǒng)死機(jī)等現(xiàn)象。現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜各種各樣的電磁干擾也是造成雕刻機(jī)不能正常穩(wěn)定運(yùn)行的主要原因之一，因此在控制系統(tǒng)設(shè)計中就要考慮設(shè)計抗干擾的措施使雕刻機(jī)正常工作。
本設(shè)計主要是使用光電耦合器，隔離步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給和方向脈沖信號以及鍵盤輸入信號。在對電源處理的時候，做到控制系統(tǒng)設(shè)計中CUP單獨使用一塊電源，其他外圍電路以及步進(jìn)電機(jī)采用單獨的電源提供，這樣也可有效的防止電機(jī)供電的電源對單片機(jī)電源的干擾，保證了單片機(jī)的正常工作。在電路板的布線中，每個集成電路的電源引腳接1只Q1 pF的濾波電容，可以有效地去除電源對電路的干擾。
5 結(jié)束語
本文以AVR系列單片機(jī)ATEGA16為主控芯片，實現(xiàn)了PCB板雕刻機(jī)的下位機(jī)控制。經(jīng)通過對樣機(jī)的實驗，控制效果良好，完全滿足設(shè)計的需求。