基于AVR的PCB板雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)

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(jì)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(jì)和軟件的實(shí)現(xiàn)流程，并給出了相關(guān)設(shè)計(jì)電路。重點(diǎn)分析了雕刻機(jī)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路以及主軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，該雕刻機(jī)經(jīng)實(shí)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(jì)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(jì)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(jì)成功率。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
    根據(jù)對PCB板雕刻機(jī)的分析，設(shè)計(jì)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(chǔ)器擴(kuò)展模塊(包括程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dòng)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(dú)立的微處理器和獨(dú)立控制主板電源等，具有實(shí)用可靠和穩(wěn)定的特點(diǎn)。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(jì)采用PC并行口的數(shù)據(jù)傳輸方式。實(shí)驗(yàn)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(hào)。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(chǔ)。故需要通過擴(kuò)展片外程序存儲(chǔ)器以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，來滿足加工時(shí)的要求。系統(tǒng)中的主軸轉(zhuǎn)速的控制，采用獨(dú)立于ATMEGA16的電路。本設(shè)計(jì)中，通過555電路來產(chǎn)生脈沖信號(hào)，來驅(qū)動(dòng)主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 功能模塊設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)擴(kuò)展模塊
    ATMEGA16單片機(jī)共有4個(gè)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(shí)作為存儲(chǔ)器擴(kuò)展口；PB口用來與上位機(jī)的通信；PD口具有定時(shí)中斷功能，可以產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)。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(jì)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(shí)，本設(shè)計(jì)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(dòng)電路以及LCD顯示電路。

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2．2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
    ATMEGA16用16位的定時(shí)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(jì)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(shí)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(jì)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(dòng)采用A3977SE驅(qū)動(dòng)芯片?？刂葡到y(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(shí)，X軸或Y軸步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(dòng)。

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(jì)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(jì)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(hào)，可以方便的對液晶12864進(jìn)行控制。電路原理如圖4所示。

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2．4 主軸電機(jī)的控制模塊
    本設(shè)計(jì)中，主軸電機(jī)選取直流電機(jī)，通過555電路，產(chǎn)生一個(gè)占空比可調(diào)的脈沖信號(hào)。主軸電機(jī)連接MOS管Q1，當(dāng)IC555電路輸出低電平時(shí)，Q1導(dǎo)通使得電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)IC555電路輸出高電平時(shí)，Q1截止使得電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)勢損壞功放管。整個(gè)電路的脈沖頻率選在3～5 kHz之間。頻率太低電機(jī)會(huì)抖動(dòng)，太高時(shí)因占空比范圍小使電機(jī)調(diào)速范圍減小。

2．5 存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊
    本文在控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了32 KB的程序存儲(chǔ)器27C256，用于擴(kuò)展片外程序存儲(chǔ)器，存放系統(tǒng)監(jiān)控程序；雕刻機(jī)在加工時(shí)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(chǔ)器，系統(tǒng)擴(kuò)展2 MB的片外RAM(4片HM628512)，用于存儲(chǔ)加工數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)
    PCB雕刻機(jī)應(yīng)用軟件采用C語言直接編寫。程序設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)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(chǔ)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(jì)
    PCB在加工過程中經(jīng)常會(huì)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(cuò)、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(jì)中就要考慮設(shè)計(jì)抗干擾的措施使雕刻機(jī)正常工作。
    本設(shè)計(jì)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(hào)以及鍵盤輸入信號(hào)。在對電源處理的時(shí)候，做到控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中CUP單獨(dú)使用一塊電源，其他外圍電路以及步進(jìn)電機(jī)采用單獨(dú)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(gè)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(shí)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(shí)驗(yàn)，控制效果良好，完全滿足設(shè)計(jì)的需求。