基于ADuC812的电路板腐蚀机研制

杨永华

(嘉应学院电子信息工程学院,广东梅州514015)

基于ADuC812的电路板腐蚀机研制

杨永华

(嘉应学院电子信息工程学院,广东梅州514015)

针对传统电路板腐蚀机缺乏自动控制的问题,研制一种自带12位A/D输入的ADuC812单片机为主控芯片,使用PT100温度传感器和叶轮式流量传感器采集数据的电路板腐蚀机。文章描述了该腐蚀机系统的总体结构、硬件电路组成以及软件设计。经应用测试,该腐蚀机具有腐蚀精度高、安全快捷、运行稳定的优点,有效解决了电路板手工制作的麻烦,具有实际应用价值。

电路板腐蚀机;PT100;流量传感器;PID算法;PWM输出

电子产品的设计大多都离不开电路板的制作,因此,电路板腐蚀机已经在电子科研、教学、工厂技术部门等场所普遍使用。目前国内制造的腐蚀机一般都缺乏自动控制,制作过程主要采用三氯化铁、双氧水、盐酸或过硫酸铵等液体对铜箔的腐蚀,加工方法是纯手工制作,效率低且有安全隐患,而研制一台带有自动控制、快速高效且安全实用的电路板腐蚀机就显得尤为必要。腐蚀机的设计主要在于液体温度和流量的自动控制,本文介绍一种基于自带12位A/D转换器的ADuC812单片机作为主控芯片,利用带有保护层的PT100铂电阻和防腐蚀流量传感器进行检测并自动控制温度和流量的方法,实现了系统电路的微型化、自动化且安全高效,同时利用AduC812具有在线可编程技术,还实现了可以不定时更新系统的功能。

1 电路板腐蚀机结构

电路板制作工艺主要是实现对多余覆铜的去除,利用化学腐蚀法可以较快地完成这一过程。但是,腐蚀采用的腐蚀液都具有腐蚀性,直接接触对人体有一定的伤害,为了加快腐蚀进程,就必须对腐蚀液进行加热和搅拌,以提高化学反应速度,这两项动作势必增加腐蚀液对人体的危害,而电路板板基受热温度高容易弯曲,搅拌力度过大容易造成较小铜线蚀断,这两种情况又都会严重影响电路板的制作精度。因此,采用自动控制加温和对腐蚀液回流流量控制过程将能很好地解决这些问题。电路板腐蚀机的结构如图1所示,主要工作过程是:腐蚀液首先倒入腐蚀液收集箱,经水泵抽取后到回流腐蚀箱,其流速和温度均可由用户根据制作的板材自行设定,然后再经腐蚀槽对电路板腐蚀后流回腐蚀液收集箱完成一个流程。

2 硬件电路设计

电路板腐蚀机原理框图如图2所示,系统主要由温度信号采集单元、流量信号采集单元、ADuC812单片机控系统单元、LCD显示模块、按键设置模块、程序下载调试单元、电机驱动和加热单元构成。

电路的工作原理是:单片机通过控制腐蚀液的加热功率和流量大小的方式持续对覆铜板腐蚀,系统的初始温度设置为50℃,流量为最大。用户可根据需要通过按键来修改腐蚀液的温度和流量参数,单片机系统自动对腐蚀液温度和流量数据进行采样,然后根据设置值调整算法参数,计算后调整两个输出的PWM信号分别控制水泵流速和加热管加热功率,从而保证用户需要的腐蚀进度和精度。其中,温度和流量的设置值和实际值都实时显示在LCD屏幕上,以方便用户实时了解腐蚀机的工作状态。

图1 电路板腐蚀机结构图

图2 电路板腐蚀机原理框图

2.1 主控芯片介绍

电路板腐蚀机主控芯片采用ADuC812单片机,该芯片内部集成了完整的8052内核,一个 8通道12位单电源ADC,保证了数据采集精度。另外,ADuC812的应用开发比传统的8051加外围芯片的结构更简洁,采用52个引脚塑料四方形扁平封装形式(PQFP),容易实现电路小型化,它还可以通过PC机的串行口直接加载程序对芯片编程,这使得开发调试和系统的再更新变得很方便,因此,它是一个完整的数据采集微系统[1]。

ADuC812与8052单片机外围电路类似,但ADuC812芯片对复位电路的要求比较严格,不能采用普通的电阻-电容式复位电路,否则上电后,单片机不工作,程序无法下载。因此本系统采用了MAX813复位芯片,同时外接 MAX813还可起到看门狗的保护作用,确保系统工作的稳定性。ADuC812单片机最小系统如图3所示。

2.2 电路实现

2.2.1 信号采集及元器件选择

电路板腐蚀机温度信号的检测及调理电路如图4所示,本文设计的温度显示范围为-50～150℃,检测精度为±1℃。电路采用线性度较好的PT100 WZP型铂热电阻作为温度传感器,采用AD620和OP07进行信号放大和调整,最后输出为0～2.5V的标准电压经单片机进行数据采集后通过查表法算出对应温度值,并显示在液晶屏上。

1)采用恒流源电路来获取温度信号。运放OP07、精密电阻R2、精密电压源LM 336-2.5V组成恒流源,对温度传感器PT100供应恒定的电流,从而连接PT100两端的电压差正好反映温度变化的信号并送入后级的放大器。

2)信号调理电路。由于本文设计的温度显示范围为-50～150℃,则铂电阻对应分度表为80～158.21Ω,为符合ADuC812的A/D接口AD0端要求的最大输入为2.5V,电路将-50℃以下的电阻值通过+5V、RP3、R7组成偏置电路的方法减掉,然后通过OP07放大提高分辨率。AD620外接RP2电位器,增益则由下式:

即可确定[2]。

3)流量信号采集电路。本文设计的流量变化分为10个等级,以第10级表示为最大流量。流量的检测采用耐腐蚀电脉冲输出叶轮式流量传感器,该传感器可以直接输出反映流量大小的电脉冲信号,经跟随器输出后,由单片机 T0口输入计数并转换为流量参数显示。

图3 ADuC812单片机最小系统

图4 温度信号的检测及调理电路

2.2.2 电机驱动和加热模块

腐蚀机的电机驱动由单片机输出脉宽调制(PWM)信号控制L298电机驱动芯片,从而调整水泵直流电机转速来完成。电路如图5所示,L298是一个内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器,可以用来驱动直流电动机负载,驱动持续工作电流可达2A,足以驱动小型直流电机[3]。因此,通过单片机调节PWM输出脉冲宽度可以控制电机抽水速度。

腐蚀机的加热模块主要由双向可控硅BTA 06和带零点检测的光电耦合器MOC3401等组成。单片机从 P2.7口发出 PWM控制信号,通过MOC3401耦合隔离,并调整BTA 06的导通角来控制加热功率[4]。

2.2.3 其他硬件电路

1)按键和显示电路。腐蚀机温度和流量控制参数设置的按键电路采用单片机中断接口电路。设置5个按键分别为温度和流量的转换、流量增加和温度的个、十、百位数增加设置键。液晶显示模块采用LCD1602芯片与单片机接口电路,LCD显示第1行为温度设定值和实际值显示,第2行为流量设定值和实际值显示。

图5 L298电机驱动电路

2)串口通信电路。ADuC812单片机开发只需要从AD公司下载WSD程序烧录器既可方便把程序写入单片机。在ADuC812的上电复位时,控制PSEN引脚接+VCC,芯片上电后就处在正常工作状态。反之,如果PSEN引脚通过1 kΩ的电阻接地,则芯片上电后,就处于闪速/电擦除程序串行下载模式,这时,运行WSD软件,选择下载代码写入到ADuC812的闪速/电擦除程序存储器中。因此,在本系统中使用了MAX232A串行接口芯片、9针D型头等组成了单片机与计算机的串行通信电平转换电路。

3 系统软件设计

本系统软件由主程序、A/D采样程序、T0口中断计数程序、按键及LCD显示程序、数字滤波程序、PID控制程序、PWM输出程序等组成。

主要程序流程如图6所示。系统上电后,单片机复位,进行程序初始化,然后进行温度参数的A/D采样并使用数字滤波方法去除干扰,滤波后数据输出LCD显示并与温度设定值比较,结果再采用积分分离PID控制算法进行运算和调用PWM程序控制腐蚀液的温度。在程序的执行过程中,流量信号的采集采用 T0口中断计数程序,中断后计算出流量大小并显示,然后根据设定流量和实时流量比较,改变调节水泵的PWM参数,最终控制腐蚀液的流量大小[5]。

图6 主要程序流程图

4 实验结果与分析

为了验证系统的实用性与可靠性,把系统安装在电路板腐蚀机中实验,根据电路板腐蚀指标,覆铜板必须在腐蚀后仍然平直,腐蚀剩下的所有铜线不间断,而这些要求关键是要控制好腐蚀液的温度值以保证覆铜板受热不变形,且腐蚀速度快,但铜线通路保护材料不被同时腐蚀。根据腐蚀经验,实验中调节出6个腐蚀液温度值对碳粉转印法后的薄覆铜板腐蚀,结果如表1所示。

表1 腐蚀液温度变化对应的覆铜板腐蚀效果

从实验结果可以看出,对普通碳粉转印法的覆铜板腐蚀后,在50℃以上会出现变形,在60℃以上会出现断线,而腐蚀时间随着温度的增加而减少。因此,为了较高效率地腐蚀出好的电路板,可以选择在40℃左右的温度值进行,而腐蚀液温度控制系统可以较精确地控制温度达到快速腐蚀电路板的目的。

5 结论

本文设计了一种以ADuC812单片机为核心的电路板腐蚀机控制系统,通过在硬件上采用线性度较好的PT100温度传感器及耐腐蚀叶轮式流量传感器、带12位A/D输入单片机和执行机构,软件上采用了数字滤波、积分分离PID算法和PWM输出,实现了温度和流量的自动控制,确保了电路板腐蚀的精度。另外,在人机交互上通过按键和LCD显示结合,使电路板腐蚀机的操作更安全和方便。该系统精度高,抗干扰能力强,解决了现今市场上电路板腐蚀机缺乏自动控制的问题,可以广泛应用于各种电子产品进行电路板设计制作的场合。

[1] 何萌,李莉,吴疆.ADuC812单片机温度控制器[J].航空计测技术,2003(1):15-16.

[2] 朱晓谦,赵书俊,任天平.基于ADuC812的温度控制仪表[J].水利电力机械,2006(3):44-47.

[3] 张立勋,沈锦华,路敦民,等.AVR单片机实现的直流电机PWM调速控制器[J].机械与电子,2004(4).

[4] 石冬梅,徐金增.基于单片机的水热毯温度控制系统设计[J].实用电子制作,2008(11):19-20.

[5] 沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现[M].北京:电子工业出版社,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

广东省梅州市科技计划项目(08KJ06)

杨永华(1977— ),男,广东梅州人,嘉应学院电子信息工程学院实验师,硕士。

(责任编辑:邹礼平)