黃志芳　陳煒康　陳澤銳　陳旭　宋世杰

摘要：該文是基于ARM芯片的樹(shù)莓派和STC12C系列單片機(jī)為主控制芯片，使用TELESKY SG90舵機(jī)、Video-Streamer攝像頭、wifi模塊等元器件構(gòu)成，具備了網(wǎng)絡(luò)通信、人工智能、自動(dòng)控制功能，融合了人工智能系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體的PCB洗板機(jī)。智能PCB洗板機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定時(shí)曝光、拍照上傳、顯影、去銅等洗板操作，使用者可通過(guò)小程序?qū)崟r(shí)查看洗板進(jìn)度。實(shí)踐證明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，性能良好，可靠性高，成本較低，有效的解決學(xué)生洗板成功率，適合在同層次高校推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PCB;ARM;樹(shù)莓派;自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TP3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）25-0209-03

Abstract： This kind of design can help college students to make Thermo Scientific Plate Washer which belongs to printed circuit more conveniently. This machine's main control chips are Raspberry pi which based on ARM chip and STC12C-series SCM. It uses TELESKY SG90 steering gear， Video-Streamer camera， WiFi module and other components. It combines network communication， artificial intelligence and automation control electronic products. Actually， it puts integrating artificial intelligence system， computer network system and network communication technology into an automation equipment. Experiments show that this system can realize regular exposure， photo upload. After finishing exposure， it will automatically transmit to the flushing area and and complete the operation of developing and removing copper. During this period， users can see the current status of the plate washing in real time through the Wechat applet. The performance of the system is meeting expectations， with good performance and low cost. It is suitable for popularizing and applying to college students.

Key words： Printed Circuit Board; Acorn RISC Machine; Raspberry Pi; Automation

目前，印刷電路板需要使用者花費(fèi)較大精力去關(guān)注各個(gè)步驟所耗費(fèi)的時(shí)間，使得學(xué)生在印刷電路板時(shí)只能專注于PCB板制作，同時(shí)很多不確定因素會(huì)導(dǎo)致印刷電路板缺陷乃至報(bào)廢。研發(fā)一種減少人工操作，降低操作難度和減少洗板時(shí)間的，又能實(shí)時(shí)關(guān)注洗板進(jìn)程的基于ARM系列芯片的智能PCB洗板機(jī)，既能提高學(xué)生洗板的效率和成功率，又能讓學(xué)生在印刷電路板同時(shí)還能兼顧產(chǎn)品調(diào)試開(kāi)發(fā)工作。

基于ARM系列芯片的智能PCB洗板機(jī)集多功能于一體的產(chǎn)品，使用者將未操作的電路板與PCB版圖放置曝光源上，系統(tǒng)默認(rèn)執(zhí)行1分鐘曝光程序，使用者也可通過(guò)小程序或系統(tǒng)按鍵設(shè)置曝光時(shí)間，曝光參數(shù)設(shè)置完成后，洗板機(jī)執(zhí)行曝光程序，使用者可通過(guò)小程序?qū)崟r(shí)查看洗板進(jìn)度及狀態(tài)。曝光完成后，系統(tǒng)將拍照?qǐng)D像自動(dòng)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫〕绦颍奖闶褂谜卟榭?。系統(tǒng)設(shè)定一定等待值，使用者查看后決定是否進(jìn)入洗板流程，在使用者做出選擇或默認(rèn)等待時(shí)間后，推動(dòng)PCB板的舵機(jī)工作，將PCB板傳送到?jīng)_印區(qū)，進(jìn)行自動(dòng)洗板。沖印區(qū)設(shè)置了攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控PCB板沖洗進(jìn)度，系統(tǒng)也可設(shè)置在固定時(shí)間內(nèi)拍攝圖像，使用者通過(guò)小程序查看，確認(rèn)是否完成洗板。

1 系統(tǒng)整體構(gòu)造

智能PCB洗板機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由紫外線曝光系統(tǒng)、履帶傳送系統(tǒng)、循環(huán)沖刷系統(tǒng)、溶液回收系統(tǒng)構(gòu)成。設(shè)備整體構(gòu)造采用亞克力板加PVC塑料材質(zhì)構(gòu)成，板與板之間采用螺絲絞合、合頁(yè)等方式進(jìn)行連接。由于采用平行紫外線進(jìn)行曝光，為了滿足曝光條件，整體采用白色亞克力板，頂部用白色亞克力板作為合蓋，隔絕外部紫外線污染。顯影液、蝕刻液均具有腐蝕性，因此本設(shè)備需要采取以下防腐蝕措施：1）循環(huán)沖刷系統(tǒng)所使用的的水箱均采用PVC材料;2）水泵采用陶瓷水泵。

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，它以STC12C5A60S2微型處理器配合基于ARM芯片的樹(shù)莓派為核心，輔以Video-Streamer攝像頭、SG90舵機(jī)、防腐蝕水泵、紫外線模塊等。

2.1 硬件功能模塊

1）基于ARM芯片的樹(shù)莓派

基于ARM芯片的樹(shù)莓派是一款專門(mén)為計(jì)算機(jī)編輯語(yǔ)言教育而設(shè)計(jì)的[1]，其體積小功能強(qiáng)大，能夠搭載Linux等操作系統(tǒng)，既可直接運(yùn)行Python等腳本語(yǔ)言，也能運(yùn)行Python程序來(lái)控制外圍器件，如攝像頭、外圍引腳等，內(nèi)部搭載了Wi-FI模塊，可直接實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的功能。

2）STC12C5A60S2單片機(jī)

宏晶公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)是新一代采用8051內(nèi)核的高速單片機(jī)[2]。相較于傳統(tǒng)8051單片機(jī)而言，其運(yùn)行速度、用戶應(yīng)用程序空間及RAM均較傳統(tǒng)8051單片機(jī)擁有較大提升，同時(shí)內(nèi)部擁有4個(gè)16位定時(shí)器、3個(gè)時(shí)鐘輸出口、外部中斷I/O口七路并且支持上升沿中斷、擁有2路PWM以及8路十位精度ADC、轉(zhuǎn)換精度達(dá)250K/S即每秒鐘25萬(wàn)次。選擇STC12C5A60A2單片機(jī)完全滿足本設(shè)計(jì)的參數(shù)要求。

3）定時(shí)曝光

采用STC12C5A60S2中4路定時(shí)器的TO定時(shí)器，曝光機(jī)在PCB制作過(guò)程中是進(jìn)行圖像轉(zhuǎn)移[3]， 通過(guò)UV燈發(fā)出的紫外線對(duì)有機(jī)聚合物 （通常稱為電子抗蝕劑或光刻膠） 進(jìn)行曝光， 受電子束輻照后的光刻膠， 其物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化， 在一定的溶劑中形成良溶或非良溶區(qū)域，從而在抗蝕劑上形成精細(xì)圖形。本系統(tǒng)采用默認(rèn)設(shè)置紫外線曝光時(shí)長(zhǎng)為1分鐘，同時(shí)可通過(guò)按鍵進(jìn)行調(diào)整定時(shí)時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到定時(shí)時(shí)長(zhǎng)時(shí)，將自動(dòng)關(guān)閉紫外線燈光，并通過(guò)基于ARM芯片的樹(shù)莓派操控Video-Streamer攝像頭進(jìn)行圖像抓拍，WIFI傳輸圖像至Web服務(wù)器，同時(shí)在小程序端從Web服務(wù)器中抓取照片，在用戶界面顯示查看[4]。

4）攝像頭（Video-Streamer）

Video-Streamer是一款CSI接口、像素為800W的攝像頭，能直接與樹(shù)莓派對(duì)應(yīng)的接口連接，通過(guò)命令行Python程序直接調(diào)用，可實(shí)現(xiàn)拍攝圖片、視頻直播等功能。

5）紫外線燈組

紫外線燈組采用三組紫外線燈平行放置于一透明亞克力板下[5]，透明亞克力板采用卡扣固定在箱體中。曝光操作時(shí)，PCB板放置于透明亞克力板上，通過(guò)合頁(yè)實(shí)現(xiàn)亞克力板之間的鏈接，實(shí)現(xiàn)隔絕紫外線燈光污染。

2.2 電路板傳輸

本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)對(duì)370電機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)設(shè)置好轉(zhuǎn)動(dòng)距離并輔以履帶達(dá)到將電路板從曝光區(qū)傳輸至沖刷區(qū)操作。其效果圖如圖3所示。

2.3循環(huán)沖刷系統(tǒng)

該循環(huán)沖刷系統(tǒng)采用12V防腐蝕水泵進(jìn)行循環(huán)沖刷作業(yè)。水泵從蓄水箱中抽取相應(yīng)溶液，然后通過(guò)開(kāi)啟相應(yīng)的電磁閥使溶液循環(huán)流入蓄水箱中，達(dá)到循環(huán)利用節(jié)約資源的目的。一般使用的蝕刻劑為三氯化鐵、過(guò)氧化氫、鹽酸或過(guò)硫酸銨等液體對(duì)銅箔進(jìn)行腐蝕[6]，需要使用者自行完成相關(guān)溶液配制，效率低且存在一定的安全隱患。所以本系統(tǒng)采用新型綠色環(huán)保蝕刻液，其具有可循環(huán)利用，自動(dòng)吸氧再生功能，同時(shí)蝕刻過(guò)程中產(chǎn)生的有毒氣體微乎其微，并不會(huì)像傳統(tǒng)的蝕刻液發(fā)出難聞的有毒氣體味道。

1）防腐蝕水泵

PCB印刷電路板洗板過(guò)程中，去銅操作使用的溶液具有腐蝕銅的特性，因此采用了無(wú)刷直流超靜音耐腐蝕陶瓷水泵。

2）電磁閥

電磁閥采用金勝DN15電磁閥，其內(nèi)部管道采用PVC材料，具有防腐蝕性能。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

當(dāng)單片機(jī)上電復(fù)位后，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)模塊進(jìn)行初始化操作。系統(tǒng)初始化完成后，通過(guò)按鍵設(shè)置定時(shí)時(shí)長(zhǎng)并顯示在LCD1602液晶屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)倒數(shù)，倒數(shù)一定的秒數(shù)自動(dòng)開(kāi)始開(kāi)啟紫外線燈進(jìn)行曝光，同時(shí)開(kāi)啟定時(shí)器0對(duì)紫外線燈曝光時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。開(kāi)啟紫外線燈后，開(kāi)始進(jìn)入空循環(huán)體內(nèi)等待定時(shí)器0，若定時(shí)器0到來(lái)后，立刻關(guān)閉定時(shí)器0。開(kāi)啟履帶所對(duì)應(yīng)的繼電器，啟動(dòng)履帶推動(dòng)電路板進(jìn)入水槽中。待電路板進(jìn)入水槽之后則開(kāi)啟對(duì)應(yīng)溶液的電閥門(mén)，沖刷電路板實(shí)現(xiàn)顯影及去銅[7]。

3.1 攝像頭拍照

1）基于ARM芯片的樹(shù)莓派Python程序設(shè)計(jì)

基于ARM芯片的樹(shù)莓派運(yùn)行Python程序[8]，程序主要用于控制攝像頭拍攝，采集到的圖片上傳至服務(wù)器，供給用戶調(diào)用。當(dāng)樹(shù)莓派識(shí)別出數(shù)據(jù)庫(kù)中需要上傳圖片的字段修改時(shí)，則調(diào)用攝像頭拍取一張圖片存儲(chǔ)，通過(guò)文件二進(jìn)制的方式打開(kāi)，逐步將文件內(nèi)容讀取出來(lái)，并且發(fā)送至服務(wù)器的文件接收端。當(dāng)識(shí)別到用戶對(duì)洗板機(jī)流程控制字段修改時(shí)，則通過(guò)串口通信的方式[9]，將數(shù)據(jù)發(fā)送給洗板機(jī)的主控芯片，通知其可進(jìn)入下一個(gè)流程或結(jié)束。其流程圖如圖4所示。

2）服務(wù)器Python程序設(shè)計(jì)

服務(wù)器通過(guò)運(yùn)行圖片接收程序，當(dāng)接收到基于ARM芯片的樹(shù)莓派端發(fā)送圖片的報(bào)頭信號(hào)后，即進(jìn)入文件接收程序，接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)二進(jìn)制的方式寫(xiě)入文件，將文件保存。其流程圖如圖5所示。

3）服務(wù)器Web程序設(shè)計(jì)

Web采用的是Django框架進(jìn)行設(shè)計(jì)[10]，通過(guò)事先編寫(xiě)好的HTML文件，供小程序端口訪問(wèn)。Web服務(wù)器當(dāng)識(shí)別到小程序端對(duì)服務(wù)器對(duì)應(yīng)字段有修改訪問(wèn)，則立即執(zhí)行修改對(duì)應(yīng)字段方便通知客戶端。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)物圖片如圖6所示，經(jīng)試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)定時(shí)曝光，自動(dòng)傳送PCB板，自動(dòng)顯影，自動(dòng)去銅等操作功能。在完成每一步操作后可實(shí)時(shí)的傳送PCB板的狀態(tài)至小程序端進(jìn)行查看。經(jīng)過(guò)大量的對(duì)比試驗(yàn)，基于ARM系列芯片的智能PCB洗板機(jī)的洗板成功率為90%。在試驗(yàn)中小概率地出現(xiàn)了小區(qū)域顯影失敗的情況，后期將針對(duì)問(wèn)題加以改進(jìn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)表明基于ARM系列芯片的智能PCB洗板機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。它既縮短了洗板的全程時(shí)間，同時(shí)也縮短了紫外線曝光時(shí)間。與人工洗板相比，所產(chǎn)生的有毒氣體微乎其微，環(huán)境污染小，極大地改善了使用者的洗板體驗(yàn)。

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