基于ADuC812的電路板腐蝕機研制

楊永華

(嘉應學院電子信息工程學院,廣東梅州514015)

基于ADuC812的電路板腐蝕機研制

楊永華

(嘉應學院電子信息工程學院,廣東梅州514015)

針對傳統電路板腐蝕機缺乏自動控制的問題,研制一種自帶12位A/D輸入的ADuC812單片機為主控芯片,使用PT100溫度傳感器和葉輪式流量傳感器采集數據的電路板腐蝕機。文章描述了該腐蝕機系統的總體結構、硬件電路組成以及軟件設計。經應用測試,該腐蝕機具有腐蝕精度高、安全快捷、運行穩定的優點,有效解決了電路板手工制作的麻煩,具有實際應用價值。

電路板腐蝕機;PT100;流量傳感器;PID算法;PWM輸出

電子產品的設計大多都離不開電路板的制作,因此,電路板腐蝕機已經在電子科研、教學、工廠技術部門等場所普遍使用。目前國內制造的腐蝕機一般都缺乏自動控制,制作過程主要采用三氯化鐵、雙氧水、鹽酸或過硫酸銨等液體對銅箔的腐蝕,加工方法是純手工制作,效率低且有安全隱患,而研制一臺帶有自動控制、快速高效且安全實用的電路板腐蝕機就顯得尤為必要。腐蝕機的設計主要在于液體溫度和流量的自動控制,本文介紹一種基于自帶12位A/D轉換器的ADuC812單片機作為主控芯片,利用帶有保護層的PT100鉑電阻和防腐蝕流量傳感器進行檢測并自動控制溫度和流量的方法,實現了系統電路的微型化、自動化且安全高效,同時利用AduC812具有在線可編程技術,還實現了可以不定時更新系統的功能。

1 電路板腐蝕機結構

電路板制作工藝主要是實現對多余覆銅的去除,利用化學腐蝕法可以較快地完成這一過程。但是,腐蝕采用的腐蝕液都具有腐蝕性,直接接觸對人體有一定的傷害,為了加快腐蝕進程,就必須對腐蝕液進行加熱和攪拌,以提高化學反應速度,這兩項動作勢必增加腐蝕液對人體的危害,而電路板板基受熱溫度高容易彎曲,攪拌力度過大容易造成較小銅線蝕斷,這兩種情況又都會嚴重影響電路板的制作精度。因此,采用自動控制加溫和對腐蝕液回流流量控制過程將能很好地解決這些問題。電路板腐蝕機的結構如圖1所示,主要工作過程是:腐蝕液首先倒入腐蝕液收集箱,經水泵抽取后到回流腐蝕箱,其流速和溫度均可由用戶根據制作的板材自行設定,然后再經腐蝕槽對電路板腐蝕后流回腐蝕液收集箱完成一個流程。

2 硬件電路設計

電路板腐蝕機原理框圖如圖2所示,系統主要由溫度信號采集單元、流量信號采集單元、ADuC812單片機控系統單元、LCD顯示模塊、按鍵設置模塊、程序下載調試單元、電機驅動和加熱單元構成。

電路的工作原理是:單片機通過控制腐蝕液的加熱功率和流量大小的方式持續對覆銅板腐蝕,系統的初始溫度設置為50℃,流量為最大。用戶可根據需要通過按鍵來修改腐蝕液的溫度和流量參數,單片機系統自動對腐蝕液溫度和流量數據進行采樣,然后根據設置值調整算法參數,計算后調整兩個輸出的PWM信號分別控制水泵流速和加熱管加熱功率,從而保證用戶需要的腐蝕進度和精度。其中,溫度和流量的設置值和實際值都實時顯示在LCD屏幕上,以方便用戶實時了解腐蝕機的工作狀態。

圖1 電路板腐蝕機結構圖

圖2 電路板腐蝕機原理框圖

2.1 主控芯片介紹

電路板腐蝕機主控芯片采用ADuC812單片機,該芯片內部集成了完整的8052內核,一個 8通道12位單電源ADC,保證了數據采集精度。另外,ADuC812的應用開發比傳統的8051加外圍芯片的結構更簡潔,采用52個引腳塑料四方形扁平封裝形式(PQFP),容易實現電路小型化,它還可以通過PC機的串行口直接加載程序對芯片編程,這使得開發調試和系統的再更新變得很方便,因此,它是一個完整的數據采集微系統[1]。

ADuC812與8052單片機外圍電路類似,但ADuC812芯片對復位電路的要求比較嚴格,不能采用普通的電阻-電容式復位電路,否則上電后,單片機不工作,程序無法下載。因此本系統采用了MAX813復位芯片,同時外接 MAX813還可起到看門狗的保護作用,確保系統工作的穩定性。ADuC812單片機最小系統如圖3所示。

2.2 電路實現

2.2.1 信號采集及元器件選擇

電路板腐蝕機溫度信號的檢測及調理電路如圖4所示,本文設計的溫度顯示范圍為-50～150℃,檢測精度為±1℃。電路采用線性度較好的PT100 WZP型鉑熱電阻作為溫度傳感器,采用AD620和OP07進行信號放大和調整,最后輸出為0～2.5V的標準電壓經單片機進行數據采集后通過查表法算出對應溫度值,并顯示在液晶屏上。

1)采用恒流源電路來獲取溫度信號。運放OP07、精密電阻R2、精密電壓源LM 336-2.5V組成恒流源,對溫度傳感器PT100供應恒定的電流,從而連接PT100兩端的電壓差正好反映溫度變化的信號并送入后級的放大器。

2)信號調理電路。由于本文設計的溫度顯示范圍為-50～150℃,則鉑電阻對應分度表為80～158.21Ω,為符合ADuC812的A/D接口AD0端要求的最大輸入為2.5V,電路將-50℃以下的電阻值通過+5V、RP3、R7組成偏置電路的方法減掉,然后通過OP07放大提高分辨率。AD620外接RP2電位器,增益則由下式:

即可確定[2]。

3)流量信號采集電路。本文設計的流量變化分為10個等級,以第10級表示為最大流量。流量的檢測采用耐腐蝕電脈沖輸出葉輪式流量傳感器,該傳感器可以直接輸出反映流量大小的電脈沖信號,經跟隨器輸出后,由單片機 T0口輸入計數并轉換為流量參數顯示。

圖3 ADuC812單片機最小系統

圖4 溫度信號的檢測及調理電路

2.2.2 電機驅動和加熱模塊

腐蝕機的電機驅動由單片機輸出脈寬調制(PWM)信號控制L298電機驅動芯片,從而調整水泵直流電機轉速來完成。電路如圖5所示,L298是一個內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器,可以用來驅動直流電動機負載,驅動持續工作電流可達2A,足以驅動小型直流電機[3]。因此,通過單片機調節PWM輸出脈沖寬度可以控制電機抽水速度。

腐蝕機的加熱模塊主要由雙向可控硅BTA 06和帶零點檢測的光電耦合器MOC3401等組成。單片機從 P2.7口發出 PWM控制信號,通過MOC3401耦合隔離,并調整BTA 06的導通角來控制加熱功率[4]。

2.2.3 其他硬件電路

1)按鍵和顯示電路。腐蝕機溫度和流量控制參數設置的按鍵電路采用單片機中斷接口電路。設置5個按鍵分別為溫度和流量的轉換、流量增加和溫度的個、十、百位數增加設置鍵。液晶顯示模塊采用LCD1602芯片與單片機接口電路,LCD顯示第1行為溫度設定值和實際值顯示,第2行為流量設定值和實際值顯示。

圖5 L298電機驅動電路

2)串口通信電路。ADuC812單片機開發只需要從AD公司下載WSD程序燒錄器既可方便把程序寫入單片機。在ADuC812的上電復位時,控制PSEN引腳接+VCC,芯片上電后就處在正常工作狀態。反之,如果PSEN引腳通過1 kΩ的電阻接地,則芯片上電后,就處于閃速/電擦除程序串行下載模式,這時,運行WSD軟件,選擇下載代碼寫入到ADuC812的閃速/電擦除程序存儲器中。因此,在本系統中使用了MAX232A串行接口芯片、9針D型頭等組成了單片機與計算機的串行通信電平轉換電路。

3 系統軟件設計

本系統軟件由主程序、A/D采樣程序、T0口中斷計數程序、按鍵及LCD顯示程序、數字濾波程序、PID控制程序、PWM輸出程序等組成。

主要程序流程如圖6所示。系統上電后,單片機復位,進行程序初始化,然后進行溫度參數的A/D采樣并使用數字濾波方法去除干擾,濾波后數據輸出LCD顯示并與溫度設定值比較,結果再采用積分分離PID控制算法進行運算和調用PWM程序控制腐蝕液的溫度。在程序的執行過程中,流量信號的采集采用 T0口中斷計數程序,中斷后計算出流量大小并顯示,然后根據設定流量和實時流量比較,改變調節水泵的PWM參數,最終控制腐蝕液的流量大小[5]。

圖6 主要程序流程圖

4 實驗結果與分析

為了驗證系統的實用性與可靠性,把系統安裝在電路板腐蝕機中實驗,根據電路板腐蝕指標,覆銅板必須在腐蝕后仍然平直,腐蝕剩下的所有銅線不間斷,而這些要求關鍵是要控制好腐蝕液的溫度值以保證覆銅板受熱不變形,且腐蝕速度快,但銅線通路保護材料不被同時腐蝕。根據腐蝕經驗,實驗中調節出6個腐蝕液溫度值對碳粉轉印法后的薄覆銅板腐蝕,結果如表1所示。

表1 腐蝕液溫度變化對應的覆銅板腐蝕效果

從實驗結果可以看出,對普通碳粉轉印法的覆銅板腐蝕后,在50℃以上會出現變形,在60℃以上會出現斷線,而腐蝕時間隨著溫度的增加而減少。因此,為了較高效率地腐蝕出好的電路板,可以選擇在40℃左右的溫度值進行,而腐蝕液溫度控制系統可以較精確地控制溫度達到快速腐蝕電路板的目的。

5 結論

本文設計了一種以ADuC812單片機為核心的電路板腐蝕機控制系統,通過在硬件上采用線性度較好的PT100溫度傳感器及耐腐蝕葉輪式流量傳感器、帶12位A/D輸入單片機和執行機構,軟件上采用了數字濾波、積分分離PID算法和PWM輸出,實現了溫度和流量的自動控制,確保了電路板腐蝕的精度。另外,在人機交互上通過按鍵和LCD顯示結合,使電路板腐蝕機的操作更安全和方便。該系統精度高,抗干擾能力強,解決了現今市場上電路板腐蝕機缺乏自動控制的問題,可以廣泛應用于各種電子產品進行電路板設計制作的場合。

[1] 何萌,李莉,吳疆.ADuC812單片機溫度控制器[J].航空計測技術,2003(1):15-16.

[2] 朱曉謙,趙書俊,任天平.基于ADuC812的溫度控制儀表[J].水利電力機械,2006(3):44-47.

[3] 張立勛,沈錦華,路敦民,等.AVR單片機實現的直流電機PWM調速控制器[J].機械與電子,2004(4).

[4] 石冬梅,徐金增.基于單片機的水熱毯溫度控制系統設計[J].實用電子制作,2008(11):19-20.

[5] 沈紅衛.基于單片機的智能系統設計與實現[M].北京:電子工業出版社,2005.

The Development of Circuit Board Corrosion Machine Based on ADuC812

Yang Yonghua
(College of Electronic and Information Engineering,Jiaying University,Meizhou,Guangdong 514015,China)

Aiming at the problem of lacking automatic control about traditional circuit board corrosion machines,we developed a new type of circuit board corrosion machine which can be controlled automaticly.The main control chip of the machine was ADuC812 with a native 12 bit A/D input,and the PT100 temperature sensor and impeller-type flow sensor were used to collect data.This paper described the overall structure of the system,the hardware circuit and software design.The application testing result indicated that the corrosion machine had the advantages of high precision,safe and stable operation.The corrosion machine solved the the trouble of hand-made circuit board efficiently and had practical application value.

circuit board corrosion machine;PT100;flow sensor;PID algorithm;PWM output

TP2

A

1671-2544(2010)03-0044-05

2009-12-30

廣東省梅州市科技計劃項目(08KJ06)

楊永華(1977— ),男,廣東梅州人,嘉應學院電子信息工程學院實驗師,碩士。

(責任編輯:鄒禮平)