基于ARM系列芯片的智能PCB洗板机

2019-11-12黄志芳陈炜康陈泽锐陈旭宋世杰

电脑知识与技术 2019年25期

黄志芳　陈炜康　陈泽锐　陈旭　宋世杰

摘要：该文是基于ARM芯片的树莓派和STC12C系列单片机为主控制芯片，使用TELESKY SG90舵机、Video-Streamer摄像头、wifi模块等元器件构成，具备了网络通信、人工智能、自动控制功能，融合了人工智能系统、计算机网络系统和网络通信技术于一体的PCB洗板机。智能PCB洗板机可实现自动定时曝光、拍照上传、显影、去铜等洗板操作，使用者可通过小程序实时查看洗板进度。实践证明系统实现了预期功能，性能良好，可靠性高，成本较低，有效的解决学生洗板成功率，适合在同层次高校推广应用。

关键词：PCB;ARM;树莓派;自动化

中图分类号：TP3 文献标识码：A

文章编号：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费较大精力去关注各个步骤所耗费的时间，使得学生在印刷电路板时只能专注于PCB板制作，同时很多不确定因素会导致印刷电路板缺陷乃至报废。研发一种减少人工操作，降低操作难度和减少洗板时间的，又能实时关注洗板进程的基于ARM系列芯片的智能PCB洗板机，既能提高学生洗板的效率和成功率，又能让学生在印刷电路板同时还能兼顾产品调试开发工作。

基于ARM系列芯片的智能PCB洗板机集多功能于一体的产品，使用者将未操作的电路板与PCB版图放置曝光源上，系统默认执行1分钟曝光程序，使用者也可通过小程序或系统按键设置曝光时间，曝光参数设置完成后，洗板机执行曝光程序，使用者可通过小程序实时查看洗板进度及状态。曝光完成后，系统将拍照图像自动通过数据传输到小程序，方便使用者查看。系统设定一定等待值，使用者查看后决定是否进入洗板流程，在使用者做出选择或默认等待时间后，推动PCB板的舵机工作，将PCB板传送到冲印区，进行自动洗板。冲印区设置了摄像头实时监控PCB板冲洗进度，系统也可设置在固定时间内拍摄图像，使用者通过小程序查看，确认是否完成洗板。

1 系统整体构造

智能PCB洗板机整体结构如图1所示，它由紫外线曝光系统、履带传送系统、循环冲刷系统、溶液回收系统构成。设备整体构造采用亚克力板加PVC塑料材质构成，板与板之间采用螺丝绞合、合页等方式进行连接。由于采用平行紫外线进行曝光，为了满足曝光条件，整体采用白色亚克力板，顶部用白色亚克力板作为合盖，隔绝外部紫外线污染。显影液、蚀刻液均具有腐蚀性，因此本设备需要采取以下防腐蚀措施：1）循环冲刷系统所使用的的水箱均采用PVC材料;2）水泵采用陶瓷水泵。

2 系统的硬件结构

本系统硬件结构如图2所示，它以STC12C5A60S2微型处理器配合基于ARM芯片的树莓派为核心，辅以Video-Streamer摄像头、SG90舵机、防腐蚀水泵、紫外线模块等。

2.1 硬件功能模块

1）基于ARM芯片的树莓派

基于ARM芯片的树莓派是一款专门为计算机编辑语言教育而设计的[1]，其体积小功能强大，能够搭载Linux等操作系统，既可直接运行Python等脚本语言，也能运行Python程序来控制外围器件，如摄像头、外围引脚等，内部搭载了Wi-FI模块，可直接实现互联网的功能。

2）STC12C5A60S2单片机

宏晶公司生产的STC12C5A60S2單片机是新一代采用8051内核的高速单片机[2]。相较于传统8051单片机而言，其运行速度、用户应用程序空间及RAM均较传统8051单片机拥有较大提升，同时内部拥有4个16位定时器、3个时钟输出口、外部中断I/O口七路并且支持上升沿中断、拥有2路PWM以及8路十位精度ADC、转换精度达250K/S即每秒钟25万次。选择STC12C5A60A2单片机完全满足本设计的参数要求。

3）定时曝光

采用STC12C5A60S2中4路定时器的TO定时器，曝光机在PCB制作过程中是进行图像转移[3]，通过UV灯发出的紫外线对有机聚合物（通常称为电子抗蚀剂或光刻胶）进行曝光，受电子束辐照后的光刻胶，其物理化学性质发生变化，在一定的溶剂中形成良溶或非良溶区域，从而在抗蚀剂上形成精细图形。本系统采用默认设置紫外线曝光时长为1分钟，同时可通过按键进行调整定时时长。当系统达到定时时长时，将自动关闭紫外线灯光，并通过基于ARM芯片的树莓派操控Video-Streamer摄像头进行图像抓拍，WIFI传输图像至Web服务器，同时在小程序端从Web服务器中抓取照片，在用户界面显示查看[4]。

4）摄像头（Video-Streamer）

Video-Streamer是一款CSI接口、像素为800W的摄像头，能直接与树莓派对应的接口连接，通过命令行Python程序直接调用，可实现拍摄图片、视频直播等功能。

5）紫外线灯组

紫外线灯组采用三组紫外线灯平行放置于一透明亚克力板下[5]，透明亚克力板采用卡扣固定在箱体中。曝光操作时，PCB板放置于透明亚克力板上，通过合页实现亚克力板之间的链接，实现隔绝紫外线灯光污染。

2.2 电路板传输

本系统采用STC12C5A60S2单片机对370电机进行控制，通过设置好转动距离并辅以履带达到将电路板从曝光区传输至冲刷区操作。其效果图如图3所示。

2.3循环冲刷系统

该循环冲刷系统采用12V防腐蚀水泵进行循环冲刷作业。水泵从蓄水箱中抽取相应溶液，然后通过开启相应的电磁阀使溶液循环流入蓄水箱中，达到循环利用节约资源的目的。一般使用的蚀刻剂为三氯化铁、过氧化氢、盐酸或过硫酸铵等液体对铜箔进行腐蚀[6]，需要使用者自行完成相关溶液配制，效率低且存在一定的安全隐患。所以本系统采用新型绿色环保蚀刻液，其具有可循环利用，自动吸氧再生功能，同时蚀刻过程中产生的有毒气体微乎其微，并不会像传统的蚀刻液发出难闻的有毒气体味道。

1）防腐蚀水泵

PCB印刷电路板洗板过程中，去铜操作使用的溶液具有腐蚀铜的特性，因此采用了无刷直流超静音耐腐蚀陶瓷水泵。

2）电磁阀

电磁阀采用金胜DN15电磁阀，其内部管道采用PVC材料，具有防腐蚀性能。

3 软件设计与实现

当单片机上电复位后，对系统内的各个模块进行初始化操作。系统初始化完成后，通过按键设置定时时长并显示在LCD1602液晶屏上进行实时倒数，倒数一定的秒数自动开始开启紫外线灯进行曝光，同时开启定时器0对紫外线灯曝光时间进行计时。开启紫外线灯后，开始进入空循环体内等待定时器0，若定时器0到来后，立刻关闭定时器0。开启履带所对应的继电器，启动履带推动电路板进入水槽中。待电路板进入水槽之后则开启对应溶液的电阀门，冲刷电路板实现显影及去铜[7]。

3.1 摄像头拍照

1）基于ARM芯片的树莓派Python程序设计

基于ARM芯片的树莓派运行Python程序[8]，程序主要用于控制摄像头拍摄，采集到的图片上传至服务器，供给用户调用。当树莓派识别出数据库中需要上传图片的字段修改时，则调用摄像头拍取一张图片存储，通过文件二进制的方式打开，逐步将文件内容读取出来，并且发送至服务器的文件接收端。当识别到用户对洗板机流程控制字段修改时，则通过串口通信的方式[9]，将数据发送给洗板机的主控芯片，通知其可进入下一个流程或结束。其流程图如图4所示。

2）服务器Python程序设计

服务器通过运行图片接收程序，当接收到基于ARM芯片的树莓派端发送图片的报头信号后，即进入文件接收程序，接收到的数据通过二进制的方式写入文件，将文件保存。其流程图如图5所示。

3）服务器Web程序设计

Web采用的是Django框架进行设计[10]，通过事先编写好的HTML文件，供小程序端口访问。Web服务器当识别到小程序端对服务器对应字段有修改访问，则立即执行修改对应字段方便通知客户端。

4 实验结果

实物图片如图6所示，经试验证明，该系统可正常运行，实现定时曝光，自动传送PCB板，自动显影，自动去铜等操作功能。在完成每一步操作后可实时的传送PCB板的状态至小程序端进行查看。经过大量的对比试验，基于ARM系列芯片的智能PCB洗板机的洗板成功率为90%。在试验中小概率地出现了小区域显影失败的情况，后期将针对问题加以改进。

5 结束语

试验表明基于ARM系列芯片的智能PCB洗板机满足设计要求，达到了设计参数，实现了设计目标。它既缩短了洗板的全程时间，同时也缩短了紫外线曝光时间。与人工洗板相比，所产生的有毒气体微乎其微，环境污染小，极大地改善了使用者的洗板体验。

参考文献：

[1] 卢建华，龙超平.基于树莓派的嵌入式课程教学探索[J].教育教学论坛，2019（15）：76-78.

[2] 周佐，张兆基.基于STC12C5A60S2单片机的水位测控系统[J].工业仪表与自动化装置，2018（02）：90-93+96.

[3] 杨志锋，李寅，陈永明.PCB曝光机自动控制系统设计[J].机电工程技术，2009，38（11）：43-45+104.

[4] 贾强.曝光箱定时系统设计[J].电子制作，2015（04）：5.

[5] 赵新才，吴云峰，谢煜，等.PCB曝光机照明系统的均匀性仿真与研究[J].光学仪器，2010，32（04）：52-57.

[6] 杨永华.基于ADuC812的电路板腐蚀机研制[J].孝感学院学报，2010，30（03）：44-48.

[7] 赵永.专用自动PCB显影机[J].科技视界，2015（18）：92+127.

[8] 郝光兆，杨静，吴迪，等.“Python程序设计”课程智能答疑系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2019（7）：86-88.

[9] 周政伟.PC机与PLC串口通信设计与应用[J].技术与市场，2019，26（04）：133+135.