基于AVR的PCB板雕刻机的设计

　　电子设计工程bookmark0基于AVR的PCB板雕刻机的设计张玉更，王晋（西安航空技术高等专科学校陕西西安710077）软件的实现流程，并给出了相关设计电路。重点分析了雕刻机步进电机的驱动电路以及主轴电机的驱动电路，该雕刻机经实际运行，系统工作良好，可有效提高PCB板的制作效率。

　　随着通信、计算机、消费电子等产业的飞速发展，印刷电路板（PCB）行业也在快速发展，并给电子制造装备提出越来越高的要求。在现代电子产品中，PCB成为电子产品的重要组成部分。在现代电子产品中，PCB成为电子产品的重要组成部分。

　　目前，电路板制作技术通常采用的是化学腐蚀制板工艺，并且这种制板技术仍在继续沿着大批量生产的方向发展。然而，并不是所有的产品、机构都需要这样的量产成果，他们需要的是小批量或者极小批量PCB制作能力，需要柔性的随需制作能力。所以，有必要对PCB板雕刻机进行研宄。

　　鉴于此，本文设计了一款使用机械仿形铣制作电路板的方法，大大缩短了研发周期，提高了设计成功率。

　　1系统的总体设计根据对PCB板雕刻机的分析，设计了一款以ATMEGA16单片机作为主控芯片的雕刻机，系统包括上下位机通讯模块（包括串行传输和并行传输接口扩展模块）、主轴电路模块、存储器扩展模块（包括程序存储器扩展和数据存储器扩展）、键盘电路模块、液晶显示器接口电路模块、步进电机驱动模块、单片机复位电路等几部分。

　　系统组成框图如所示。

　　步呤电机驱在本系统中，采用AVR系列产品ATMEGA16作为控制芯片，使该系统拥有独立的微处理器和独立控制主板电源等，具有实用可靠和稳定的特点。其中PC机用来处理加工数据，转换成下位机需要的数据格式，并传输数据。在与上位机的通讯中，本设计采用PC并行口的数据传输方式8255A的输出端口连接步进电机的驱动电路以及LCD显示电路2.2步进电机驱动模块获得较宽频率的脉冲波。T1工作于相位和频率修正PWM模式，可以产生高精度的、相位与频率都准确的PWM波形。相频修正PWM模式基于双斜坡操作，其对称性十分适合于电机控制。输出的PWM频率可通过如下公式计算得到：r fclk-I/O N预分频因子（1、8、64、256或1通过式（1）改变TOP值就可改变频率，本系统采用在T1发生溢出中断时的中断程序里改变TOP值，从而达到改变频率的大小。

　　对本设计雕刻机步进电机选用57BYG027型混合式步进电机，驱动采用A3977SE驱动芯片。控制系统采用开环方式控制步进电机。电路原理如所示。其中管脚STEP连接8255的PA0或PA2，当管脚PA0或PA2为高时，X轴或Y轴步进电机转动一个角度。管脚DIR连接8255的PA1或PA3口，来控制步进电机的转向。步进电机的转速，可以通过软件，来控制ATMEGA16的PWM输出的频率从而控制步进电机的运动。

　　2.3LCD显示模块为了显示激光雕刻机的工作状态，本控制系统设计了一块液晶显示器，用于显示激光雕刻机的当前正在进行的工作，以及激光雕刻机的所有当前信息，例如加工速度、加工指令、暂停等。本设计通过并行I/O口8255A来控制液晶12864，其中PB口用来向12864写显示数据，PC口控制液晶的片选、写等信号，可以方便的对液晶12864进行控制。电路原理如所示。

　　张玉更，等基于AVR的PCB板雕刻机的设计2.4主轴电机的控制模块本设计中，主轴电机选取直流电机，通过555电路，产生一个占空比可调的脉冲信号。主轴电机连接MOS管Q1，当IC555电路输出低电平时，Q1导通使得电机开始转动。当IC555电路输出高电平时，Q1截止使得电机停止转动。脉冲的空比越大，电机电驱电流就越小，转速减慢；脉冲占空比越小，电机的转速就加快故调节电位器W1值可以改变555电路的脉冲的输出频率，进而控制主轴电机的转速。电路图如所示。

　　图中D3是续流二极管。在功放管截止期间为电驱电流提供通路，既保证电驱电流的连续性，又防止电驱线圈的自感反电动势损坏功放管。整个电路的脉冲频率选在3~5kHz之间。频率太低电机会抖动，太高时因占空比范围小使电机调速范围减小。

　　2.5存储器扩展模块本文在控制系统中，设计了32KB的程序存储器27C256，用于扩展片外程序存储器，存放系统监控程序；雕刻机在加工时要处理大量的数据，ATMEGA16内部RAM也不能满足加工的需要，因此也要扩展片外数据存储器，系统扩展2MB的片外RAM（4片HM628512），用于存储加工数据。

　　3软件设计PCB雕刻机应用软件采用C语言直接编写。程序设计采用模块化结构，其特点是通用性强，易查找故障。软件模块主要包括初始化模块、按键扫描模块、数据存储模块、通讯模块、插补模块和步进电机控制模块。程序流程如所示。

　　4抗干扰设计PCB在加工过程中经常会出现干扰，例如在加工过程中出现系统复位、加工出错、系统死机等现象。现场环境复杂本设计主要是使用光电耦合器，隔离步进电机的进给和方向脉冲信号以及键盘输入信号。在对电源处理的时候，做到控制系统设计中CUP单独使用一块电源，其他外围电路以及步进电机采用单独的电源提供，这样也可有效的防止电机供电的电源对单片机电源的干扰，保证了单片机的正常工作。在电路板的布线中，每个集成电路的电源引脚接1只O.lpF的滤波电容，可以有效地去除电源对电路的干扰。

　　5结束语本文以AVR系列单片机ATMEGA16为主控芯片，实现了PCB板雕刻机的下位机控制。经通过对样机的实验，控制效果良好，完全满足设计的需求。