摘要：為了提高PCB板制作的效率，改變傳統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。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，該雕刻機經實際運行，系統工作良好，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、消費電子等產業的飛速發展，印刷電路板(PCB)行業也在快速發展，并給電子制造裝備提出越來越高的要求。在現代電子產品中，PCB成為電子產品的重要組成部分。在現代電子產品中，PCB成為電子產品的重要組成部分。
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沿著大批量生產的方向發展。然而，并不是所有的產品、機構都需要這樣的量產成果，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，大大縮短了研發周期，提高了設計成功率。
1 系統的總體設計
根據對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據存儲器擴展)、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。
系統組成框圖如圖1所示。
在本系統中，采用AVR系列產品ATMEGA16作為控制芯片，使該系統擁有獨立的微處理器和獨立控制主板電源等，具有實用可靠和穩定的特點。其中PC機用來處理加工數據，轉換成下位機需要的數據格式，并傳輸數據。在與上位機的通訊中，本設計采用PC并行口的數據傳輸方式。實驗證明，滿足雕刻機高速加工的要求。系統擴展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寫顯示數據，C口用于輸出LCD的控制信號。由于ATMEGA16只有16 K字節的系統內可編程Flash、512字節EEPROM和1 K字節SRAM，無法滿足雕刻機程序以及數據的存儲。故需要通過擴展片外程序存儲器以及數據存儲器，來滿足加工時的要求。系統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，可以產生PWM脈沖信號。這樣當構成單片機系統后，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。
2．2 步進電機驅動模塊
ATMEGA16用16位的定時器T1來產生PWM波形，可獲得較寬頻率的脈沖波。T1工作于相位和頻率修正PWM模式，可以產生高精度的、相位與頻率都準確的PWM波形。相頻修正PWM模式基于雙斜坡操作，其對稱性十分適合于電機控制。輸出的PWM頻率可通過如下公式計算得到：
通過式(1)改變TOP值就可改變頻率，本系統采用在T1發生溢出中斷時的中斷程序里改變TOP值，從而達到改變頻率的大小。
對本設計雕刻機步進電機選用57BYG027型混合式步進電機，驅動采用A3977SE驅動芯片。控制系統采用開環方式控制步進電機。電路原理如圖3所示。其中管腳STEP連接8255的PA0或PA2，當管腳PA0或PA2為高時，X軸或Y軸步進電機轉動一個角度。管腳DIR連接8255的PA1或PA3口，來控制步進電機的轉向。步進電機的轉速，可以通過軟件，來控制ATMEGA16的PWM輸出的頻率從而控制步進電機的運動。
2．3 LCD顯示模塊
為了顯示激光雕刻機的工作狀態，本控制系統設計了一塊液晶顯示器，用于顯示激光雕刻機的當前正在進行的工作，以及激光雕刻機的所有當前信息，例如加工速度、加工指令、暫停等。本設計通過并行I／O口8255A來控制液晶12864，其中PB口用來向12864寫顯示數據，PC口控制液晶的片選、寫等信號，可以方便的對液晶12864進行控制。電路原理如圖4所示。
2．4 主軸電機的控制模塊
本設計中，主軸電機選取直流電機，通過555電路，產生一個占空比可調的脈沖信號。主軸電機連接MOS管Q1，當IC555電路輸出低電平時，Q1導通使得電機開始轉動。當IC555電路輸出高電平時，Q1截止使得電機停止轉動。脈沖的空比越大，電機電驅電流就越小，轉速減慢；脈沖占空比越小，電機的轉速就加快故調節電位器W1值可以改變555電路的脈沖的輸出頻率，進而控制主軸電機的轉速。電路圖如圖5所示。
圖中D3是續流二極管。在功放管截止期間為電驅電流提供通路，既保證電驅電流的連續性，又防止電驅線圈的自感反電動勢損壞功放管。整個電路的脈沖頻率選在3～5 kHz之間。頻率太低電機會抖動，太高時因占空比范圍小使電機調速范圍減小。
2．5 存儲器擴展模塊
本文在控制系統中，設計了32 KB的程序存儲器27C256，用于擴展片外程序存儲器，存放系統監控程序；雕刻機在加工時要處理大量的數據，ATMEGA16內部RAM也不能滿足加工的需要，因此也要擴展片外數據存儲器，系統擴展2 MB的片外RAM(4片HM628512)，用于存儲加工數據。
3 軟件設計
PCB雕刻機應用軟件采用C語言直接編寫。程序設計采用模塊化結構，其特點是通用性強，易查找故障。軟件模塊主要包括初始化模塊、按鍵掃描模塊、數據存儲模塊、通訊模塊、插補模塊和步進電機控制模塊。程序流程如圖6所示。
4 抗干擾設計
PCB在加工過程中經常會出現干擾，例如在加工過程中出現系統復位、加工出錯、系統死機等現象。現場環境復雜各種各樣的電磁干擾也是造成雕刻機不能正常穩定運行的主要原因之一，因此在控制系統設計中就要考慮設計抗干擾的措施使雕刻機正常工作。
本設計主要是使用光電耦合器，隔離步進電機的進給和方向脈沖信號以及鍵盤輸入信號。在對電源處理的時候，做到控制系統設計中CUP單獨使用一塊電源，其他外圍電路以及步進電機采用單獨的電源提供，這樣也可有效的防止電機供電的電源對單片機電源的干擾，保證了單片機的正常工作。在電路板的布線中，每個集成電路的電源引腳接1只Q1 pF的濾波電容，可以有效地去除電源對電路的干擾。
5 結束語
本文以AVR系列單片機ATEGA16為主控芯片，實現了PCB板雕刻機的下位機控制。經通過對樣機的實驗，控制效果良好，完全滿足設計的需求。