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智慧型快速自动化显影蚀刻机使用HT48E50
MCU创意设计与应用系列(5)

【作者: 余國威】2007年04月13日 星期五

浏览人次:【15397】

本作品是一台自动化显影蚀刻机,它由显影槽、蚀刻槽、加热器、打气机、温度感测器、光遮断器和Holtek MCU等组成。在自动模式下,首先对PCB作显影的程序,在此同时预热蚀刻槽中的氯化铁溶液。经过大约2分钟的显影后,夹具自动地将PCB放入已经预先加热到40℃的蚀刻槽去完成蚀刻。进行蚀刻的同时,本作品可对氯化铁溶液做循环及加热并保持在40℃。经过大约10 ~ 15分钟,PCB上的电路即可成形,如果再经钻孔,一片PCB就可制作完成。


除了自动模式外,本作品尚提供手动模式。在手动模式下,将不具备计时功能,但加热器仍然会把氯化铁溶液加热至40℃,打气机也会开启以加速溶液与PCB板的蚀刻速度。若需要控制PCB的移动,则需要靠使用者压下上、下、左、右四颗按钮来控制PCB的移动。


由于有加热器与打气机的辅助,本作品可以缩短PCB之显影与蚀刻时间,并且具有计时功能,蚀刻完毕后会自动提醒使用者时间,不必再像没有机器的辅助下,费时费力地用手动的方式摇晃蚀刻中的PCB。


这台「快速自动化显影蚀刻机」能使PCB在15分钟内完成显影与蚀刻这两个不可或缺的步骤,在显影到蚀刻的过程中也不许人为做搬动的动作,只要把PCB用作品上的夹具固定,并按下几个设备上面的特定按键,就可以开始自动化制作PCB的过程,且在两个步骤结束之后,将会有提示音提示使用者时间。


使用这台「快速自动化显影蚀刻机」除了可以在短时间内完成PCB的制作,也可以增加制作的成功率,多次循环使用显影剂与氯化铁溶液也可达到节省成本与降低污染,并能改善卫生的情况。


作品功能、特色

  • ●15分钟内完成显影与蚀刻。


  • ●多次重复利用溶液


  • ●加热器快速加热


  • ●定时功能


  • ●LED显示机器状态。


  • ●操作简单


  • ●体积小


  • ●降低污染


  • ●自动更换显影与蚀刻步骤


  • ●自动化搬动PCB


  • ●提高制作PCB板之良率



工作原理

本作品的系统架构由几个部份组成,包括28SKDIP封装的Holtek MCU HT48E50、按钮开关、位置感测器、电源供应器、ADC0831、直流减速马达、步进马达、加热器、打气机、LED、 Buzzer,整体架构图如图1所示。



《图一 快速自动化显影蚀刻机之系统架构图》 - BigPic:650x306
《图一 快速自动化显影蚀刻机之系统架构图》 - BigPic:650x306

图1中的ADC0831搭配三端子温度感测器(​​LM335)作为氯化铁溶液温度感测。


图1中的位置感测器系采用光遮断器的方式,利用光遮断的方式得知物体的位置。作品中含有4个位置感测器,「左感测器」(Sensor_L)、「右感测器」(Sensor_R)及两个「上感测器」(Sensor_U)。左感测器感知来感知平台是否移动到左侧;右感测器感知来感知平台是否移动到右侧;两个上感测器组成OR闸形式,用以感知PCB是否已拉上来。


图1中的步进马达控制PCB浸入溶液槽中或是从溶液槽中拉出。步进马达的激磁方式选用转矩较大的二相激磁法,表1为四相步进马达之二相激磁顺序。


图1中的直流减速马达提供平台左、右移动的动力,利用内附的齿轮箱,可提供较大的转矩来移动平台。


图1中的加热器用以加热氯化铁溶液,使得PCB蚀刻的速度提高。 PCB在显影及蚀刻的过程中为了加快化学反应,溶剂需要做对流,使得PCB各部份能够得到均匀的化学反应。此外,可以使氯化铁溶液的温度均匀。利用一台打气机加速氯化铁溶液的对流。


(表一) 四相步进马达二相激磁顺序

 

A

B

A

B

STEP1

1

1

0

0

2

0

1

1

0

3

0

0

1

1

4

1

0

0

1

5

1

1

0

0

6

0

1

1

0

7

0

0

1

1

8

1

0

0

1


硬体结构

图2所示为机器纵剖面图,图中包括了显影槽、蚀刻槽、机箱、ㄇ型架、移动平台。机箱内含有主电路板,并透过排线连接到移动平台上的光遮断器、步进马达和减速马达。



《图二 机器纵剖面图》
《图二 机器纵剖面图》

图3所示为面板上LED灯、按钮、开关等的配置,兹将各装置的说明如下:


「Temp. OK」为氯化铁溶液温度超过35℃之指示灯;


「DONE」LED点亮,表示在自动模式下,PCB蚀刻完毕;


「UP/START」按键,为自动模式下之启动钮,手动模式下之上拉按键;


「DOWN」为手动模式下之下放按键;


「LEFT」为手动模式下之移动平台左移按键;


「RIGHT」为手动模式下之移动平台游戏按键;


单投双抛开关切换到「AUTO」位址为自动模式;


单投双抛开关切换到「MANUAL」位置为手动模式;


「POWER」为电源开关。


机器实体如图4所示,图5和图6分别是移动平台和夹子夹取PCB的照片。


《图三 面板LED灯、按钮、开关等的配置》 - BigPic:565x169
《图三 面板LED灯、按钮、开关等的配置》 - BigPic:565x169
《图四 机器实体照片》
《图四 机器实体照片》

《图五 移动平台照片》
《图五 移动平台照片》
《图六 夹子夹取PCB的照片》
《图六 夹子夹取PCB的照片》

软体

(1)主程式流程图

如图7所示为主程式流程图,其作用为:控制所有程序的进行,并通过呼叫副程式达到完整的功能。



《图七 主程序流程图》 - BigPic:740x1014
《图七 主程序流程图》 - BigPic:740x1014

(2)平台右移副程式

如图8所示为平台右移副程式流程图,其作用为:输出控制讯号给减速马达驱动电路,包含侦测光遮断器之讯号。



《图八 平台右移子程序流程图》
《图八 平台右移子程序流程图》

(3)平台左移赋程式

如图9所示为平台左移副程式流程图,其作用为:输出控制讯号给减速马达驱动电路,包含侦测光遮断器之讯号。


《图九 平台左移子程序流程图》
《图九 平台左移子程序流程图》

(4)PCB上拉副程式

如图10所示为PCB上拉副程式流程图,其作用为:控制步进马达转动,判断AUTO_MODE之值,等于1则自动上拉;等于0则按照”UP”钮做上拉,包含侦测光遮断器之讯号。



《图十 PCB上拉子程序流程图》
《图十 PCB上拉子程序流程图》

(5)PCB下放副程式

如图11所示为PCB下放副程式流程图,其作用为:控制步进马达转动,判断AUTO_MODE之值,等于1则自动下放,并计数马达转动步数;等于0则按照”DOWN”钮做下放,包含侦测光遮断器之讯号。



《图十一 PCB下放子程序流程图》
《图十一 PCB下放子程序流程图》

(6)温度量测副程式

如图12所示为温度量测副程式流程图,其作用为:送出控制讯号给ADC0831,并将A/D转换之结果串列的方式读入到D0暂存器,判断D0之值而作相应的动作。



《图十二 温度量测子程序流程图》 - BigPic:815x948
《图十二 温度量测子程序流程图》 - BigPic:815x948

(7)取MOTORBUFFER之BIT3~0输出到PB.3~0,但(PortB)PB其他BIT不变

如图13所示为控制步进马达转动流程图,其作用为:控制步进马达转动,只针对将MOTORBUFFER之BIT3~0输出到PB.3~0,但PB其他BIT不变的演算。如此一来可以利用剩余的PB.7~4作其他用途。


《图十三 控制步进马达转动流程图》
《图十三 控制步进马达转动流程图》

操作方式、使用手册

(1)打开电源开关,此时电源指示灯会点亮,程式会自动侦测平台是否位在左侧,夹子是否拉上来了。


(2)设备自动开始加热氯化铁,并且开启打气机以利热对流。


(3)当氯化铁溶液温度超过35℃,「Temp. OK」LED点亮,表示温度已经足够。


(4)操作者需视「Temp. OK」LED点亮,才把曝光好的PCB用夹子夹好。


(5)若模式选择开关切换至自动模式,且「Temp. OK」LED点亮,按下「START」钮即可开始自动完成所有程序,首先是PCB下放至显影槽,等待2分钟,PCB上拉,等待10秒的(7)时间把显影溶液滴入显影槽,右移平台至右侧(蚀刻槽上方),等待10秒钟,待PCB不会晃动,下放PCB至蚀刻槽中,等待10分钟,上拉PCB。


(6)在自动模式下,当蚀刻完毕,PCB上拉以后,「DONE」LED点亮,蜂鸣器鸣叫,表示程序完成,操作者可以把蚀刻好的PCB取下。


(7)若要切换到手动模式,则所有的LED关闭,计时功能也关闭,加热器会自动根据量测的温度低于35℃时自动开启加热器。操作者需手动按「UP」、「DOWN」、「LEFT」、「RIGHT」控制PCB之移动。


(作者为第二届盛群杯仪器仪表组得主,目前就读成功大学电机系四年级学生)


参考文献

(1)李齐雄,郑颜雄,蔡孟昌编著,『微控制器原理与实作(HOLTEK HT48系列)』,儒林图书公司,民国92年。


(2)钟启仁编著,『HT46xx微​​控制器理论与实务宝典』,全华科技图书,民国93年。


(3)吴一农编著,『HT48单晶片微电脑实务应用』,全华科技图书,民国94年。


(4)盛群公司之技术文件。


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