基于ARM系列芯片的智能PCB洗板機

黃志芳　陳煒康　陳澤銳　陳旭　宋世杰

摘要：該文是基于ARM芯片的樹莓派和STC12C系列單片機為主控制芯片，使用TELESKY SG90舵機、Video-Streamer攝像頭、wifi模塊等元器件構成，具備了網絡通信、人工智能、自動控制功能，融合了人工智能系統、計算機網絡系統和網絡通信技術于一體的PCB洗板機。智能PCB洗板機可實現自動定時曝光、拍照上傳、顯影、去銅等洗板操作，使用者可通過小程序實時查看洗板進度。實踐證明系統實現了預期功能，性能良好，可靠性高，成本較低，有效的解決學生洗板成功率，適合在同層次高校推廣應用。

關鍵詞：PCB;ARM;樹莓派;自動化

中圖分類號：TP3? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）25-0209-03

Abstract： This kind of design can help college students to make Thermo Scientific Plate Washer which belongs to printed circuit more conveniently. This machine's main control chips are Raspberry pi which based on ARM chip and STC12C-series SCM. It uses TELESKY SG90 steering gear， Video-Streamer camera， WiFi module and other components. It combines network communication， artificial intelligence and automation control electronic products. Actually， it puts integrating artificial intelligence system， computer network system and network communication technology into an automation equipment. Experiments show that this system can realize regular exposure， photo upload. After finishing exposure， it will automatically transmit to the flushing area and and complete the operation of developing and removing copper. During this period， users can see the current status of the plate washing in real time through the Wechat applet. The performance of the system is meeting expectations， with good performance and low cost. It is suitable for popularizing and applying to college students.

Key words： Printed Circuit Board; Acorn RISC Machine; Raspberry Pi; Automation

目前，印刷電路板需要使用者花費較大精力去關注各個步驟所耗費的時間，使得學生在印刷電路板時只能專注于PCB板制作，同時很多不確定因素會導致印刷電路板缺陷乃至報廢。研發一種減少人工操作，降低操作難度和減少洗板時間的，又能實時關注洗板進程的基于ARM系列芯片的智能PCB洗板機，既能提高學生洗板的效率和成功率，又能讓學生在印刷電路板同時還能兼顧產品調試開發工作。

基于ARM系列芯片的智能PCB洗板機集多功能于一體的產品，使用者將未操作的電路板與PCB版圖放置曝光源上，系統默認執行1分鐘曝光程序，使用者也可通過小程序或系統按鍵設置曝光時間，曝光參數設置完成后，洗板機執行曝光程序，使用者可通過小程序實時查看洗板進度及狀態。曝光完成后，系統將拍照圖像自動通過數據傳輸到小程序，方便使用者查看。系統設定一定等待值，使用者查看后決定是否進入洗板流程，在使用者做出選擇或默認等待時間后，推動PCB板的舵機工作，將PCB板傳送到沖印區，進行自動洗板。沖印區設置了攝像頭實時監控PCB板沖洗進度，系統也可設置在固定時間內拍攝圖像，使用者通過小程序查看，確認是否完成洗板。

1 系統整體構造

智能PCB洗板機整體結構如圖1所示，它由紫外線曝光系統、履帶傳送系統、循環沖刷系統、溶液回收系統構成。設備整體構造采用亞克力板加PVC塑料材質構成，板與板之間采用螺絲絞合、合頁等方式進行連接。由于采用平行紫外線進行曝光，為了滿足曝光條件，整體采用白色亞克力板，頂部用白色亞克力板作為合蓋，隔絕外部紫外線污染。顯影液、蝕刻液均具有腐蝕性，因此本設備需要采取以下防腐蝕措施：1）循環沖刷系統所使用的的水箱均采用PVC材料;2）水泵采用陶瓷水泵。

2 系統的硬件結構

本系統硬件結構如圖2所示，它以STC12C5A60S2微型處理器配合基于ARM芯片的樹莓派為核心，輔以Video-Streamer攝像頭、SG90舵機、防腐蝕水泵、紫外線模塊等。

2.1 硬件功能模塊

1）基于ARM芯片的樹莓派

基于ARM芯片的樹莓派是一款專門為計算機編輯語言教育而設計的[1]，其體積小功能強大，能夠搭載Linux等操作系統，既可直接運行Python等腳本語言，也能運行Python程序來控制外圍器件，如攝像頭、外圍引腳等，內部搭載了Wi-FI模塊，可直接實現互聯網的功能。

2）STC12C5A60S2單片機

宏晶公司生產的STC12C5A60S2單片機是新一代采用8051內核的高速單片機[2]。相較于傳統8051單片機而言，其運行速度、用戶應用程序空間及RAM均較傳統8051單片機擁有較大提升，同時內部擁有4個16位定時器、3個時鐘輸出口、外部中斷I/O口七路并且支持上升沿中斷、擁有2路PWM以及8路十位精度ADC、轉換精度達250K/S即每秒鐘25萬次。選擇STC12C5A60A2單片機完全滿足本設計的參數要求。

3）定時曝光

采用STC12C5A60S2中4路定時器的TO定時器，曝光機在PCB制作過程中是進行圖像轉移[3]， 通過UV燈發出的紫外線對有機聚合物 （通常稱為電子抗蝕劑或光刻膠） 進行曝光， 受電子束輻照后的光刻膠， 其物理化學性質發生變化， 在一定的溶劑中形成良溶或非良溶區域，從而在抗蝕劑上形成精細圖形。本系統采用默認設置紫外線曝光時長為1分鐘，同時可通過按鍵進行調整定時時長。當系統達到定時時長時，將自動關閉紫外線燈光，并通過基于ARM芯片的樹莓派操控Video-Streamer攝像頭進行圖像抓拍，WIFI傳輸圖像至Web服務器，同時在小程序端從Web服務器中抓取照片，在用戶界面顯示查看[4]。

4）攝像頭（Video-Streamer）

Video-Streamer是一款CSI接口、像素為800W的攝像頭，能直接與樹莓派對應的接口連接，通過命令行Python程序直接調用，可實現拍攝圖片、視頻直播等功能。

5）紫外線燈組

紫外線燈組采用三組紫外線燈平行放置于一透明亞克力板下[5]，透明亞克力板采用卡扣固定在箱體中。曝光操作時，PCB板放置于透明亞克力板上，通過合頁實現亞克力板之間的鏈接，實現隔絕紫外線燈光污染。

2.2 電路板傳輸

本系統采用STC12C5A60S2單片機對370電機進行控制，通過設置好轉動距離并輔以履帶達到將電路板從曝光區傳輸至沖刷區操作。其效果圖如圖3所示。

2.3循環沖刷系統

該循環沖刷系統采用12V防腐蝕水泵進行循環沖刷作業。水泵從蓄水箱中抽取相應溶液，然后通過開啟相應的電磁閥使溶液循環流入蓄水箱中，達到循環利用節約資源的目的。一般使用的蝕刻劑為三氯化鐵、過氧化氫、鹽酸或過硫酸銨等液體對銅箔進行腐蝕[6]，需要使用者自行完成相關溶液配制，效率低且存在一定的安全隱患。所以本系統采用新型綠色環保蝕刻液，其具有可循環利用，自動吸氧再生功能，同時蝕刻過程中產生的有毒氣體微乎其微，并不會像傳統的蝕刻液發出難聞的有毒氣體味道。

1）防腐蝕水泵

PCB印刷電路板洗板過程中，去銅操作使用的溶液具有腐蝕銅的特性，因此采用了無刷直流超靜音耐腐蝕陶瓷水泵。

2）電磁閥

電磁閥采用金勝DN15電磁閥，其內部管道采用PVC材料，具有防腐蝕性能。

3 軟件設計與實現

當單片機上電復位后，對系統內的各個模塊進行初始化操作。系統初始化完成后，通過按鍵設置定時時長并顯示在LCD1602液晶屏上進行實時倒數，倒數一定的秒數自動開始開啟紫外線燈進行曝光，同時開啟定時器0對紫外線燈曝光時間進行計時。開啟紫外線燈后，開始進入空循環體內等待定時器0，若定時器0到來后，立刻關閉定時器0。開啟履帶所對應的繼電器，啟動履帶推動電路板進入水槽中。待電路板進入水槽之后則開啟對應溶液的電閥門，沖刷電路板實現顯影及去銅[7]。

3.1 攝像頭拍照

1）基于ARM芯片的樹莓派Python程序設計

基于ARM芯片的樹莓派運行Python程序[8]，程序主要用于控制攝像頭拍攝，采集到的圖片上傳至服務器，供給用戶調用。當樹莓派識別出數據庫中需要上傳圖片的字段修改時，則調用攝像頭拍取一張圖片存儲，通過文件二進制的方式打開，逐步將文件內容讀取出來，并且發送至服務器的文件接收端。當識別到用戶對洗板機流程控制字段修改時，則通過串口通信的方式[9]，將數據發送給洗板機的主控芯片，通知其可進入下一個流程或結束。其流程圖如圖4所示。

2）服務器Python程序設計

服務器通過運行圖片接收程序，當接收到基于ARM芯片的樹莓派端發送圖片的報頭信號后，即進入文件接收程序，接收到的數據通過二進制的方式寫入文件，將文件保存。其流程圖如圖5所示。

3）服務器Web程序設計

Web采用的是Django框架進行設計[10]，通過事先編寫好的HTML文件，供小程序端口訪問。Web服務器當識別到小程序端對服務器對應字段有修改訪問，則立即執行修改對應字段方便通知客戶端。

4 實驗結果

實物圖片如圖6所示，經試驗證明，該系統可正常運行，實現定時曝光，自動傳送PCB板，自動顯影，自動去銅等操作功能。在完成每一步操作后可實時的傳送PCB板的狀態至小程序端進行查看。經過大量的對比試驗，基于ARM系列芯片的智能PCB洗板機的洗板成功率為90%。在試驗中小概率地出現了小區域顯影失敗的情況，后期將針對問題加以改進。

5 結束語

試驗表明基于ARM系列芯片的智能PCB洗板機滿足設計要求，達到了設計參數，實現了設計目標。它既縮短了洗板的全程時間，同時也縮短了紫外線曝光時間。與人工洗板相比，所產生的有毒氣體微乎其微，環境污染小，極大地改善了使用者的洗板體驗。

參考文獻：

[1] 盧建華，龍超平.基于樹莓派的嵌入式課程教學探索[J].教育教學論壇，2019（15）：76-78.

[2] 周佐，張兆基.基于STC12C5A60S2單片機的水位測控系統[J].工業儀表與自動化裝置，2018（02）：90-93+96.

[3] 楊志鋒，李寅，陳永明.PCB曝光機自動控制系統設計[J].機電工程技術，2009，38（11）：43-45+104.

[4] 賈強.曝光箱定時系統設計[J].電子制作，2015（04）：5.

[5] 趙新才，吳云峰，謝煜，等.PCB曝光機照明系統的均勻性仿真與研究[J].光學儀器，2010，32（04）：52-57.

[6] 楊永華.基于ADuC812的電路板腐蝕機研制[J].孝感學院學報，2010，30（03）：44-48.

[7] 趙永.專用自動PCB顯影機[J].科技視界，2015（18）：92+127.

[8] 郝光兆，楊靜，吳迪，等.“Python程序設計”課程智能答疑系統的設計與實現[J].電腦知識與技術，2019（7）：86-88.

[9] 周政偉.PC機與PLC串口通信設計與應用[J].技術與市場，2019，26（04）：133+135.

[10] 雷曉薇.基于Django框架的教學管理系統的研究與實現[J].電子設計工程，2018，26（18）：39-43+48.

【通聯編輯：代影】