基于AVR的PCB板雕刻機的設計

摘要：為了提高PCB板制作的效率，改變傳統(tǒng)的化學腐蝕制板工藝，使用機械仿形銑制作電路板的方法，設計了以ATMEGA16單片機為核心部件的PCB板雕刻機控制系統(tǒng)。其中包括PCB雕刻機的基本功能、主要硬件電路設計和軟件的實現(xiàn)流程，并給出了相關設計電路。重點分析了雕刻機步進電機的驅動電路以及主軸電機的驅動電路，該雕刻機經(jīng)實際運行，系統(tǒng)工作良好，可有效提高PCB板的制作效率。
關鍵詞：ATMEGA16；PCB；A3977；雕刻機；主軸電機

隨著通信、計算機、消費電子等產(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，電路板制作技術通常采用的是化學腐蝕制板工藝，并且這種制板技術仍在繼續(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、機構都需要這樣的量產(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板雕刻機進行研究。
鑒于此，本文設計了一款使用機械仿形銑制作電路板的方法，大大縮短了研發(fā)周期，提高了設計成功率。

1 系統(tǒng)的總體設計
根據(jù)對PCB板雕刻機的分析，設計了一款以ATMEGA16單片機作為主控芯片的雕刻機，系統(tǒng)包括上下位機通訊模塊(包括串行傳輸和并行傳輸接口擴展模塊)、主軸電路模塊、存儲器擴展模塊(包括程序存儲器擴展和數(shù)據(jù)存儲器擴展)、鍵盤電路模塊、液晶顯示器接口電路模塊、步進電機驅動模塊、單片機復位電路等幾部分。
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)擁有獨立的微處理器和獨立控制主板電源等，具有實用可靠和穩(wěn)定的特點。其中PC機用來處理加工數(shù)據(jù)，轉換成下位機需要的數(shù)據(jù)格式，并傳輸數(shù)據(jù)。在與上位機的通訊中，本設計采用PC并行口的數(shù)據(jù)傳輸方式。實驗證明，滿足雕刻機高速加工的要求。系統(tǒng)擴展8255 A作為并行口輸出，A口用于控制X、Y向步進電機的方向和進給脈沖。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。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，無法滿足雕刻機程序以及數(shù)據(jù)的存儲。故需要通過擴展片外程序存儲器以及數(shù)據(jù)存儲器，來滿足加工時的要求。系統(tǒng)中的主軸轉速的控制，采用獨立于ATMEGA16的電路。本設計中，通過555電路來產(chǎn)生脈沖信號，來驅動主軸電機的轉動。

2 功能模塊設計
2．1 系統(tǒng)擴展模塊
ATMEGA16單片機共有4個并行的I／O端口，PA、PB、PC和PD口。雖然看起來I／O端口比較多，但PA口同時作為存儲器擴展口；PB口用來與上位機的通信；PD口具有定時中斷功能，可以產(chǎn)生PWM脈沖信號。這樣當構成單片機系統(tǒng)后，只剩下PC口作為一般的I／O口使用。這對于稍大、稍復雜的系統(tǒng)而言，難以滿足應用上的需求，在設計中常需進行I／O口的擴展。在單片機外部擴展I／O口時，本設計使用8255A芯片，擴展電路如圖2所示。8255A的輸出端口連接步進電機的驅動電路以及LCD顯示電路。