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PLC传感器和可控硅在腐蚀机中综合应用
PLC传感器和可控硅在腐蚀机中的综合应用

摘要
针对传统电路板腐蚀机缺乏自动控制的问题，结合当前工业控制快速的发展，研制了一种采用PLC和可控硅综合应用的腐蚀机系统，对传统电路板腐蚀机进行了改造。文章描述了该腐蚀机系统的总体结构、硬件电路组成以及软件设计。经应用测试，该腐蚀机具有腐蚀精度高、安全快捷、运行稳定的优点，有效解决了电路板手工制作的麻烦，具有实际应用价值。
关键词:电路板腐蚀机;PLC；可控硅；

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Abstract
Automatic control for the lack of traditional circuit board etching machine, combined with the fast development of current industrial control, developed a kind of using PLC and controllable silicon integrated application system, the transformation of traditional circuit board etching machine. This paper describes the overall structure of the system, hardware circuit and software design. The test application, the etching machine with corrosion of high precision, fast, safe, the advantages of stable operation, an effective solution to the trouble of hand-made circuit board, has a high value of practical application.
Key words: circuit board etching machine; PLC; scr;

目录
摘要 1
Abstract 1
1.绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 1
1.3 PLC及可控硅的特点 2
1.4 电路板腐蚀机结构 2
2.硬件电路设计 3
2.1主控芯片介绍 4
2.2电路实现 4
2.2.1信号采集及元器件选择 4
2.2.2电机驱动和加热模块 5
2.2.3其他硬件电路 6
3.系统软件设计 6
4.实验结果与分析 7
5.结论 8
参考文献 9
致谢 11

1.绪论
1.1 研究背景
电子产品的设计大多都离不开电路板的制作，因此，电路板腐蚀机已经在电子科研、教学、工厂技术部门等场所普遍使用。目前国内制造的腐蚀机一般都缺乏自动控制，制作过程主要采用三氯化铁、双氧水、盐酸或过硫酸钱等液体对铜箔的腐蚀，加工方法是纯手工制作，效率低且有安全隐患，而研制一台带有自动控制、快速高效且安全实用的电路板腐蚀机就显得尤为必要。本文介绍一种防腐蚀流量传感器与可控硅相结合的方式进行检测并自动控制温度和流量的方法，实现了系统电路的微型化、自动化且安全高效，同时利用AduC812具有在线可编程技术，还实现了可以不定时更新系统的功能。
1.2 研究目的
温度控制的应用领域是很广泛的，大到工业生产、航空航天，小到我们的日常生活,目前温度控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术。既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。
PLC的快速发展发生在上世纪80年代至90年代中期。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力等得到了很大的提高和发展。PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所以能被广泛应用于过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。PID控制的效果完全取决于其四个参数，即采样周期、比例系数、积分系数、微分系数。因而，PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。PID在工业中的应用已有近百午的历史。在此期间虽然有许多控制算法问世，但由于PID算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。在PID算法中，针对P、I、D三个参数的整定和优化的问题成为关问题。

1.3 PLC及可控硅的特点
PIC可编程控制器主要由PIE的输入输出、CPC、PIE的电源和程序存储器RAM组成，按照其输出形式的不同可分为:继电器,晶管型肠、三端双向可控硅开关元件输出型负载可分为交直流负载;输入输出采用八进制编号，X表示输入端，Y表示输出端;其内部有辅助继电器、定时器肠、计数器、状态继电器接点可以无数次地使用，不受限制。梯形图类似于继电器控制回路，不同的PIC有不同的编程语言。
可控硅是一种双向三端器件，外部引出三个极，内部是一种N-P-N-P-N型五层结构，其能够实现弱电到强电、小功率到大功率的转换，具有无火花、动作决、寿命长、可靠性高田以及简化电路等优点，被广泛应用于各种控制领域。
1.4 电路板腐蚀机结构
电路板制作工艺主要是实现对多余覆铜的去除，利用化学腐蚀法可以较快地完成这一过程。但是，腐蚀采用的腐蚀液都具有腐蚀性，直接接触对人体有一定的伤害，为了加快腐蚀进程，就必须对腐蚀液进行加热和搅拌，以提高化学反应速度，这两项动作势必增加腐蚀液对人体的危害，而电路板基受热温度高容易弯曲，搅拌力度过大容易造成较小铜线蚀断，这两种情况又都会严重影响电路板的制作精度。因此，采用自动控制加温和对腐蚀液回流流量控制过程将能很好地解决这些问题。电路板腐蚀机的结构如图1-1所示，主要工作过程是:腐蚀液首先倒入腐蚀液收集箱，经水泵抽取后到回流腐蚀箱，其流速和温度均可由用户根据制作的板材自行设定，然后再经腐蚀槽对电路板腐蚀后流回腐蚀液收集箱完成一个流程。

图1-1 电路板腐蚀机结构图

2.硬件电路设计
电路板腐蚀机原理框图如图2-1所示，系统主要由温度信号采集单元、流量信号采集单元、ADuC812单片机控系统单元、LCD显示模块、按键设置模块、程序下载调试单元、电机驱动和加热单元构成。
电路的工作原理是:单片机通过控制腐蚀液的加热功率和流量大小的方式持续对覆铜板腐蚀，系统的初始温度设置为50C,流量为最大。用户可根据需要通过按键来修改腐蚀液的温度和流量参数，单片机系统自动对腐蚀液温度和流量数据进行采样，然后根据设置值调整算法参数，计算后调整两个输出的PWM信号分别控制水泵流速和加热管加热功率，从而保证用户需要的腐蚀进度和精度。其中，温度和流量的设置值和实际值都实时显示在LCD屏幕上，以方便用户实时了解腐蚀机的工作状态。

图2-1 电路板腐蚀机原理框图
2.1主控芯片介绍
电路板腐蚀机主控芯片采用ADuC812单片机，该芯片内部集成了完整的8052内核，一个8通道12位单电源ADC，保证了数据采集精度。另外，ADuC812的应用开发比传统的8051加外围芯片的结构更简洁，采用52个引脚塑料四方形扁平封装形式PQFP，容易实现电路小型化，它还可以通过PC机的串行口直接加载程序对芯片编程，这使得开发调试和系统的再更新变得很方便，因此，它是一个完整的数据采集微系统。
ADuC812与8052单片机外围电路类似，但ADuC812芯片对复位电路的要求比较严格，不能采用普通的电阻-电容式复位电路，否则上电后，单片机不工作，程序无法下载。因此本系统采用了MAX813复位芯片，同时外接MAX813还可起到看门狗的保护作用，确保系统工作的稳定性。
2.2电路实现
2.2.1信号采集及元器件选择
电路板腐蚀机温度信号的检测及调理电路如图2-2所示，本文设计的温度显示范围为50-150检测精度为士10C。电路采用线性度较好的PT100WZP型铂热电阻作为温度传感器，采用AD620和OP07进行信号放大和调整，最后输出为0 ~2. 5V的标准电压经单片机进行数据采集后通过查表法算出对应温度值，并显示在液晶屏上。
(1)采用恒流源电路来获取温度信号。运放OP07、精密电阻R2、精密电压源LM336-2.5V组成恒流源，对温度传感器PT100供应恒定的电流，从而连接PT100两端的电压差正好反映温度变化的信号并送入后级的放大器。
(2)信号调理电路。由于本文设计的温度显示范围为50~150电阻对应分度表为80-158.21几为符合ADuC812的A/D接口ADO端要求的最大输入为2.5V，电路将50℃以下的电阻值通过+SV,RP3,R7组成偏置电路的方法减掉，然后通过OP07放大提高分辨率。AD620外接RP2电位器，增益即可确定。
(3)流量信号采集电路。本文设计的流量变化分为10个等级，以第10级表示为最大流量。流量的检测采用耐腐蚀电脉冲输出叶轮式流量传感器，该传感器可以直接输出反映流量大小的电脉冲信号，经跟随器输出后，由单片机TO口输入计数并转换为流量参数显示。

图2-2 温度信号的检测及调理电路
2.2.2电机驱动和加热模块
腐蚀机的电机驱动由单片机输出脉宽调制信号控制L298电机驱动芯片，从而调整水泵直流电机转速来完成。电路如图2-3所示，L298是一个内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机负载，驱动持续工作电流可达2A，足以驱动小型直流电机。因此，通过单片机调节PWM输出脉冲宽度可以控制电机抽水速度。
腐蚀机的加热模块主要由双向可控硅BTA06和带零点检测的光电藕合器MOC3401等组成。单片机从P2.7口发出PWM控制信号，通过MOC3401藕合隔离，并调整BTA06的导通角来控制加热功率。

图2-3 L298电机驱动电路
2.2.3其他硬件电路
(1)按键和显示电路。腐蚀机温度和流量控制参数设置的按键电路采用单片机中断接口电路。设置5个按键分别为温度和流量的转换、流量增加和温度的个、十、百位数增加设置键。液晶显示模块采用LCD 1602芯片与单片机接口电路，LCD显示第1行为温度设定值和实际值显示，第2行为流量设定值和实际值显示。
(2)串口通信电路。ADuC812单片机开发只需要从AD公司下载WSD程序烧录器既可方便把程序写入单片机。在ADuC812的上电复位时，控制PSEN引脚接+V CC，芯片上电后就处在正常工作状态。反之，如果PSEN引脚通过1k的电阻接地，则芯片上电后，就处于闪速/电擦除程序串行下载模式，这时，运行WSD软件，选择下载代码写入到ADuC812的闪速/电擦除程序存储器中。因此，在本系统中使用了MAX232A串行接口芯片、9针D型头等组成了单片机与计算机的串行通信电平转换电路。
3.系统软件设计
本系统软件由主程序、A/D采样程序、TO口中断计数程序、按键及LCD显示程序、数字滤波程序、PID控制程序、PWM输出程序等组成。
主要程序流程如图3-1所示。系统上电后，单片机复位，进行程序初始化，然后进行温度参数的A/D采样并使用数字滤波方法去除干扰，滤波后数据输出LCD显示并与温度设定值比较，结果再采用积分分离PID控制算法进行运算和调用PWM程序控制腐蚀液的温度。在程序的执行过程中，流量信号的采集采用TO口中断计数程序，中断后计算出流量大小并显示，然后根据设定流量和实时流量比较，改变调节水泵的PWM参数，最终控制腐蚀液的流量大小。

图3-1 主要程序流程图

4.实验结果与分析
为了验证系统的实用性与可靠性，把系统安装在电路板腐蚀机中实验，根据电路板腐蚀指标，覆铜板必须在腐蚀后仍然平直，腐蚀剩下的所有铜线不间断，而这些要求关键是要控制好腐蚀液的温度值以保证覆铜板受热不变形，且腐蚀速度快，但铜线通路保护材料不被同时腐蚀。根据腐蚀经验，实验中调节出6个腐蚀液温度值对碳粉转印法后的薄覆铜板腐蚀，结果如表4-1所示。从实验结果可以看出，对普通碳粉转印法的覆铜板腐蚀后，在50℃以上会出现变形，在60℃以上会出现断线，而腐蚀时间随着温度的增加而减少。因此，为了较高效率地腐蚀出好的电路板，可以选择在40左右的温度值进行，而腐蚀液温度控制系统可以较精确地控制温度达到快速腐蚀电路板的目的。

表4-1 腐蚀液温度变化对应的覆铜板腐蚀效果

5.结论
本文设计了一种以ADuC812单片机为核心的电路板腐蚀机控制系统，通过在硬件上采用线性度较好的PT100温度传感器及耐腐蚀叶轮式流量传感器、带12位A/D输入单片机和执行机构，软件上采用了数字滤波、积分分离PID算法和PWM输出，实现了温度和流量的自动控制，确保了电路板腐蚀的精度。另外，在人机交互上通过按键和LCD显示结合，使电路板腐蚀机的操作更安全和方便。该系统精度高，抗干扰能力强，解决了现今市场上电路板腐蚀机缺乏自动控制的问题，可以广泛应用于各种电子产品进行电路板设计制作的场合。

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致谢
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入选题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！
我要衷心地感谢我的导师在论文选题及研究过程中给予我的悉心指导。导师多次询问研究进程，及时为我进行论文的审阅和批改，细心地纠正论文中的不当之处，并指点我迷津，帮助我开拓研究思路。导师严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，给我以终生受益无穷之道。正是导师的严格要求和细心指导才有这篇论文的成功。感谢学校期间所有的老师，为我打下专业知识的基础，让我在四年中学到不少知识和技能。
我还要感谢在一起度过愉快的大学生活的各位同窗好友，正是由于你们在生活和学习上的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。
最后感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿！