基于AVR的PCB板雕刻机的设计

摘要：为了提高PCB板制作的效率，改变传统的化学腐蚀制板工艺，使用机械仿形铣制作电路板的方法，设计了以ATMEGA16单片机为核心部件的PCB板雕刻机控制系统。其中包括PCB雕刻机的基本功能、主要硬件电路设计和软件的实现流程，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。
关键词：ATMEGA16；PCB；A3977；雕刻机；主轴电机

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板雕刻机进行研究。
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。
系统组成框图如图1所示。

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。实验证明，满足雕刻机高速加工的要求。系统扩展8255 A作为并行口输出，A口用于控制X、Y向步进电机的方向和进给脉冲。B口用于向LCD写显示数据，C口用于输出LCD的控制信号。由于ATMEGA16只有16 K字节的系统内可编程Flash、512字节EEPROM和1 K字节SRAM，无法满足雕刻机程序以及数据的存储。故需要通过扩展片外程序存储器以及数据存储器，来满足加工时的要求。系统中的主轴转速的控制，采用独立于ATMEGA16的电路。本设计中，通过555电路来产生脉冲信号，来驱动主轴电机的转动。

2 功能模块设计
2．1 系统扩展模块
ATMEGA16单片机共有4个并行的I／O端口，PA、PB、PC和PD口。虽然看起来I／O端口比较多，但PA口同时作为存储器扩展口；PB口用来与上位机的通信；PD口具有定时中断功能，可以产生PWM脉冲信号。这样当构成单片机系统后，只剩下PC口作为一般的I／O口使用。这对于稍大、稍复杂的系统而言，难以满足应用上的需求，在设计中常需进行I／O口的扩展。在单片机外部扩展I／O口时，本设计使用8255A芯片，扩展电路如图2所示。8255A的输出端口连接步进电机的驱动电路以及LCD显示电路。