基于ADuC812的電路板腐蝕機(jī)研制

楊永華

(嘉應(yīng)學(xué)院電子信息工程學(xué)院,廣東梅州514015)

基于ADuC812的電路板腐蝕機(jī)研制

楊永華

(嘉應(yīng)學(xué)院電子信息工程學(xué)院,廣東梅州514015)

針對傳統(tǒng)電路板腐蝕機(jī)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(jī)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(shù)據(jù)的電路板腐蝕機(jī)。文章描述了該腐蝕機(jī)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、硬件電路組成以及軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)應(yīng)用測試,該腐蝕機(jī)具有腐蝕精度高、安全快捷、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),有效解決了電路板手工制作的麻煩,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

電路板腐蝕機(jī);PT100;流量傳感器;PID算法;PWM輸出

電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)大多都離不開電路板的制作,因此,電路板腐蝕機(jī)已經(jīng)在電子科研、教學(xué)、工廠技術(shù)部門等場所普遍使用。目前國內(nèi)制造的腐蝕機(jī)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(shí)用的電路板腐蝕機(jī)就顯得尤為必要。腐蝕機(jī)的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器的ADuC812單片機(jī)作為主控芯片,利用帶有保護(hù)層的PT100鉑電阻和防腐蝕流量傳感器進(jìn)行檢測并自動控制溫度和流量的方法,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)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(shù),還實(shí)現(xiàn)了可以不定時更新系統(tǒng)的功能。

1 電路板腐蝕機(jī)結(jié)構(gòu)

電路板制作工藝主要是實(shí)現(xiàn)對多余覆銅的去除,利用化學(xué)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(jìn)程,就必須對腐蝕液進(jìn)行加熱和攪拌,以提高化學(xué)反應(yīng)速度,這兩項(xiàng)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(yán)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(jī)的結(jié)構(gòu)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(jīng)水泵抽取后到回流腐蝕箱,其流速和溫度均可由用戶根據(jù)制作的板材自行設(shè)定,然后再經(jīng)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(shè)計(jì)

電路板腐蝕機(jī)原理框圖如圖2所示,系統(tǒng)主要由溫度信號采集單元、流量信號采集單元、ADuC812單片機(jī)控系統(tǒng)單元、LCD顯示模塊、按鍵設(shè)置模塊、程序下載調(diào)試單元、電機(jī)驅(qū)動和加熱單元構(gòu)成。

電路的工作原理是:單片機(jī)通過控制腐蝕液的加熱功率和流量大小的方式持續(xù)對覆銅板腐蝕,系統(tǒng)的初始溫度設(shè)置為50℃,流量為最大。用戶可根據(jù)需要通過按鍵來修改腐蝕液的溫度和流量參數(shù),單片機(jī)系統(tǒng)自動對腐蝕液溫度和流量數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,然后根據(jù)設(shè)置值調(diào)整算法參數(shù),計(jì)算后調(diào)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(jìn)度和精度。其中,溫度和流量的設(shè)置值和實(shí)際值都實(shí)時顯示在LCD屏幕上,以方便用戶實(shí)時了解腐蝕機(jī)的工作狀態(tài)。

圖1 電路板腐蝕機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 電路板腐蝕機(jī)原理框圖

2.1 主控芯片介紹

電路板腐蝕機(jī)主控芯片采用ADuC812單片機(jī),該芯片內(nèi)部集成了完整的8052內(nèi)核,一個 8通道12位單電源ADC,保證了數(shù)據(jù)采集精度。另外,ADuC812的應(yīng)用開發(fā)比傳統(tǒng)的8051加外圍芯片的結(jié)構(gòu)更簡潔,采用52個引腳塑料四方形扁平封裝形式(PQFP),容易實(shí)現(xiàn)電路小型化,它還可以通過PC機(jī)的串行口直接加載程序?qū)π酒幊?這使得開發(fā)調(diào)試和系統(tǒng)的再更新變得很方便,因此,它是一個完整的數(shù)據(jù)采集微系統(tǒng)[1]。

ADuC812與8052單片機(jī)外圍電路類似,但ADuC812芯片對復(fù)位電路的要求比較嚴(yán)格,不能采用普通的電阻-電容式復(fù)位電路,否則上電后,單片機(jī)不工作,程序無法下載。因此本系統(tǒng)采用了MAX813復(fù)位芯片,同時外接 MAX813還可起到看門狗的保護(hù)作用,確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。ADuC812單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3所示。

2.2 電路實(shí)現(xiàn)

2.2.1 信號采集及元器件選擇

電路板腐蝕機(jī)溫度信號的檢測及調(diào)理電路如圖4所示,本文設(shè)計(jì)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(jìn)行信號放大和調(diào)整,最后輸出為0～2.5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后通過查表法算出對應(yīng)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(yùn)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(yīng)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(diào)理電路。由于本文設(shè)計(jì)的溫度顯示范圍為-50～150℃,則鉑電阻對應(yīng)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(shè)計(jì)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(jīng)跟隨器輸出后,由單片機(jī) T0口輸入計(jì)數(shù)并轉(zhuǎn)換為流量參數(shù)顯示。

圖3 ADuC812單片機(jī)最小系統(tǒng)

圖4 溫度信號的檢測及調(diào)理電路

2.2.2 電機(jī)驅(qū)動和加熱模塊

腐蝕機(jī)的電機(jī)驅(qū)動由單片機(jī)輸出脈寬調(diào)制(PWM)信號控制L298電機(jī)驅(qū)動芯片,從而調(diào)整水泵直流電機(jī)轉(zhuǎn)速來完成。電路如圖5所示,L298是一個內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器,可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)負(fù)載,驅(qū)動持續(xù)工作電流可達(dá)2A,足以驅(qū)動小型直流電機(jī)[3]。因此,通過單片機(jī)調(diào)節(jié)PWM輸出脈沖寬度可以控制電機(jī)抽水速度。

腐蝕機(jī)的加熱模塊主要由雙向可控硅BTA 06和帶零點(diǎn)檢測的光電耦合器MOC3401等組成。單片機(jī)從 P2.7口發(fā)出 PWM控制信號,通過MOC3401耦合隔離,并調(diào)整BTA 06的導(dǎo)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(jī)溫度和流量控制參數(shù)設(shè)置的按鍵電路采用單片機(jī)中斷接口電路。設(shè)置5個按鍵分別為溫度和流量的轉(zhuǎn)換、流量增加和溫度的個、十、百位數(shù)增加設(shè)置鍵。液晶顯示模塊采用LCD1602芯片與單片機(jī)接口電路,LCD顯示第1行為溫度設(shè)定值和實(shí)際值顯示,第2行為流量設(shè)定值和實(shí)際值顯示。

圖5 L298電機(jī)驅(qū)動電路

2)串口通信電路。ADuC812單片機(jī)開發(fā)只需要從AD公司下載WSD程序燒錄器既可方便把程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)。在ADuC812的上電復(fù)位時,控制PSEN引腳接+VCC,芯片上電后就處在正常工作狀態(tài)。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(yùn)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(tǒng)中使用了MAX232A串行接口芯片、9針D型頭等組成了單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的串行通信電平轉(zhuǎn)換電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件由主程序、A/D采樣程序、T0口中斷計(jì)數(shù)程序、按鍵及LCD顯示程序、數(shù)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(tǒng)上電后,單片機(jī)復(fù)位,進(jìn)行程序初始化,然后進(jìn)行溫度參數(shù)的A/D采樣并使用數(shù)字濾波方法去除干擾,濾波后數(shù)據(jù)輸出LCD顯示并與溫度設(shè)定值比較,結(jié)果再采用積分分離PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算和調(diào)用PWM程序控制腐蝕液的溫度。在程序的執(zhí)行過程中,流量信號的采集采用 T0口中斷計(jì)數(shù)程序,中斷后計(jì)算出流量大小并顯示,然后根據(jù)設(shè)定流量和實(shí)時流量比較,改變調(diào)節(jié)水泵的PWM參數(shù),最終控制腐蝕液的流量大小[5]。

圖6 主要程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)用性與可靠性,把系統(tǒng)安裝在電路板腐蝕機(jī)中實(shí)驗(yàn),根據(jù)電路板腐蝕指標(biāo),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(guān)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(hù)材料不被同時腐蝕。根據(jù)腐蝕經(jīng)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)出6個腐蝕液溫度值對碳粉轉(zhuǎn)印法后的薄覆銅板腐蝕,結(jié)果如表1所示。

表1 腐蝕液溫度變化對應(yīng)的覆銅板腐蝕效果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,對普通碳粉轉(zhuǎn)印法的覆銅板腐蝕后,在50℃以上會出現(xiàn)變形,在60℃以上會出現(xiàn)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(jìn)行,而腐蝕液溫度控制系統(tǒng)可以較精確地控制溫度達(dá)到快速腐蝕電路板的目的。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種以ADuC812單片機(jī)為核心的電路板腐蝕機(jī)控制系統(tǒng),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(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu),軟件上采用了數(shù)字濾波、積分分離PID算法和PWM輸出,實(shí)現(xiàn)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(jī)交互上通過按鍵和LCD顯示結(jié)合,使電路板腐蝕機(jī)的操作更安全和方便。該系統(tǒng)精度高,抗干擾能力強(qiáng),解決了現(xiàn)今市場上電路板腐蝕機(jī)缺乏自動控制的問題,可以廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)制作的場合。

[1] 何萌,李莉,吳疆.ADuC812單片機(jī)溫度控制器[J].航空計(jì)測技術(shù),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(jī)械,2006(3):44-47.

[3] 張立勛,沈錦華,路敦民,等.AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制器[J].機(jī)械與電子,2004(4).

[4] 石冬梅,徐金增.基于單片機(jī)的水熱毯溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)用電子制作,2008(11):19-20.

[5] 沈紅衛(wèi).基于單片機(jī)的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)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(jì)劃項(xiàng)目(08KJ06)

楊永華(1977— ),男,廣東梅州人,嘉應(yīng)學(xué)院電子信息工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師,碩士。

(責(zé)任編輯:鄒禮平)