學(xué)習(xí)使用Arduino Uno和OpenPLC構(gòu)建光電傳感器系統(tǒng)

由于光電感測可以通過電氣、機(jī)電和電子組件實現(xiàn)，所以學(xué)習(xí)使用Arduino OpenPLC的現(xiàn)成組件來構(gòu)建、測試和實施原型光電開關(guān)。

控制工業(yè)（當(dāng)然還有其他工業(yè)）中使用的一個重要部件是電子傳感器。電子傳感器在制造中的重要性在于能夠從各種基于機(jī)電一體化的自動化系統(tǒng)中獲得性能數(shù)據(jù)。機(jī)電一體化是一個多學(xué)科的領(lǐng)域，它將機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)相結(jié)合，包括數(shù)字控制、電子傳感器和控制軟件。

管理機(jī)電一體化的典型方法是使用能夠監(jiān)測工業(yè)過程和控制機(jī)電致動器的基于計算機(jī)的控制器。PLC（可編程邏輯控制器）是能夠執(zhí)行這種工業(yè)相關(guān)任務(wù)的計算機(jī)化工業(yè)控制器。通過電子傳感器，PLC可以監(jiān)控各種制造過程，并有助于改善機(jī)電致動器的性能。

考慮到這些背景信息，本項目將探索創(chuàng)建一個特定的電子傳感器，光電開關(guān)（也稱為光電傳感器），并將其與Arduino OpenPLC平臺一起使用。

設(shè)置場景：什么是光電晶體管？

光電晶體管是檢測光并將光轉(zhuǎn)換為電信號的半導(dǎo)體組件，并且被設(shè)計為響應(yīng)光而不是輸入電壓。像典型的晶體管一樣，光電晶體管由基極、集電極和發(fā)射極層組成。光敏層為基極-集電極結(jié)。當(dāng)光入射到基極-集電極結(jié)上時，產(chǎn)生電子流，從而允許晶體管內(nèi)的電流放大。光電晶體管封裝為兩個引線或螺紋引線組件，如圖1所示。

光電晶體管封裝。

?圖1。光電晶體管封裝。圖片【修改】由Digi-Key的文章和產(chǎn)品頁面提供

另外，光電晶體管的電子符號如圖2所示。

?圖2。光電晶體管的電子符號

在基極-集電極結(jié)為敏感層的情況下，由集電極和發(fā)射極引線組成的兩針組件是通過電子零件經(jīng)銷商銷售的常見制造半導(dǎo)體零件。光電晶體管通常被配置為使用基極-集電極結(jié)作為內(nèi)部感光元件的NPN器件。當(dāng)存在光時，基極-集電極結(jié)允許基極-發(fā)射極結(jié)導(dǎo)通，從而將設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆婇_關(guān)。用于描述光的存在的另一個術(shù)語是光發(fā)射率，即當(dāng)光電晶體管的基極集電體存在光時，并且電子的發(fā)射開啟這個輻射固態(tài)組件。

像限位開關(guān)一樣，光電晶體管的光電開關(guān)功能可以檢測物體，而不需要物理接觸。與限位開關(guān)不同，光電晶體管的光電開關(guān)沒有運動部件。因此，光電晶體管具有比限位開關(guān)更長的開關(guān)操作壽命。總的來說，光電晶體管較長的工作壽命是基于沒有典型限位開關(guān)那樣的機(jī)械接觸磨損。

圖3展示了典型光電晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

?圖3。圖片【修改】由工程知識部提供

隨著對光電晶體管的了解，我們將使用OpenPLC梯形圖（LD）構(gòu)建光電開關(guān)，以與我們概念性的Arduino PLC進(jìn)行交互。

光電傳感器基片——反射式、穿透式和回射式

光電開關(guān)（或傳感器）是一種能夠利用光檢測物體是否存在的電子設(shè)備，并且使用光電二極管或光電晶體管等光電發(fā)射設(shè)備來檢測光。光電開關(guān)具有多種光檢測方法來檢測光的不存在或存在，包括：

-反射式

貫穿式橫梁

反向反射的

反射法，如圖4所示，使用一個外殼封裝光發(fā)射器和光接收器。利用這種方法，光接收器具有光電二極管或光電晶體管以檢測從激光器或LED（發(fā)光二極管）發(fā)射的光。LED或激光發(fā)出的光被物體（目標(biāo)）反射，并被光電晶體管或光電二極管檢測。

?反射式模型。

?圖4。?反射式模型。圖片由Keyence提供

通波束方法（圖5）將發(fā)射器和接收器組件分開，在發(fā)射器和接收器之間放置目標(biāo)會中斷光。

?圖5。圖片由Keyence提供

使用光電開關(guān)進(jìn)行物體檢測的最后方法是反向反射。像反射型一樣，光發(fā)射器和接收器封裝在一個單元中。從發(fā)射器發(fā)射的光入射到反射器并返回到集成光接收器。目標(biāo)的存在會阻斷發(fā)出的光。圖6展示了使用光電開關(guān)進(jìn)行目標(biāo)探測的后向反射模型。

目標(biāo)探測。

?圖6。目標(biāo)探測。圖片由Keyence提供

在本項目中，我們將建造一個基于穿透光束檢測的光電開關(guān)原型。

光電傳感器接線圖和材料清單

最后，讓我們來了解這個項目的實際操作信息！光電開關(guān)結(jié)構(gòu)包括使用現(xiàn)成組件。以下是用于構(gòu)建光電開關(guān)的電氣、機(jī)電和電子組件。

零件清單：

FPT1硅NPN晶體管–NTE30051（數(shù)字鍵部件號：2368-NTE30051-ND）

第一代氮氧化物晶體管

K1 5 VDC機(jī)電繼電器歐姆龍G5Q-14-DC5（Mouser Electronics零件號：653-G5Q-14-DC5）

R1，R3 10 K?, 1/8 W電阻

第220頁?, 1/8 W電阻

D1 1N4001通用硅二極管

此外，還需要以下組件來連接復(fù)位開關(guān)和閃爍LED電路。

PB1觸覺按鈕開關(guān)

10千盧比?, 1/8 W電阻

LED1閃爍的紅色LED：EDGLEC，5毫米（亞馬遜購買鏈接）

第二十號國道?, 1/8 W電阻

有了可用的組件，您將把它們放在無焊面包板上。您可以使用圖7來指導(dǎo)您。

將電子組件放置在無焊面包板上

?圖7。將電子組件放置在無焊面包板上[單擊圖像放大]。

因此，在無焊面包板上正確定向是很重要的。對極性敏感的電子部件是FPT1、D1、Q1和LED1。

光電晶體管（FPT1）集電極針腳較長；因此，它需要連接到無焊面包板的+5V軌道。將光電晶體管集電極插針連接到+5V軌將確保組件的正確切換操作。作為另外的參考，圖8顯示了無焊面包板上裝配和接線的光電開關(guān)。

光電開關(guān)電路完成

?圖8。光電開關(guān)電路完成【點擊圖像放大】。

光電傳感器測試

您可以使用數(shù)字萬用表（DMM）測試光電開關(guān)的開關(guān)操作。數(shù)字萬用表將測量光電晶體管的控制開關(guān)電壓，光電晶體管輕輕地放置在設(shè)備上。以下是測試光電開關(guān)操作的測量設(shè)置步驟：

在光傳感裝置上放置一根小的黑管，以確保光電晶體管的開關(guān)正確進(jìn)行。

用跨接線將一端插入無焊面包板接地軌。黑色或綠色電線將是識別接地的合適顏色。

取一根紅色跳線，將一端插入將電阻R1和R2電氣連接在一起的無焊面包板腔中。

取另一端的黑色或綠色跨接線并將其連接到萬用表黑色測試導(dǎo)線上。

取紅色跨接線的另一端并將其連接到數(shù)字萬用表紅色測試引線上。

將Arduino Uno板連接到桌面?zhèn)€人計算機(jī)（PC）或筆記本電腦上的可用USB端口。

將手電筒放在小黑管上；數(shù)字萬用表的電壓讀數(shù)應(yīng)大于等于1.20伏直流電。

如果電壓讀數(shù)不是1.20 VDC或更高，則檢查接線并執(zhí)行步驟8。

圖9顯示了TinkerCAD電路模型測試設(shè)置。

TinkerCAD電路模型測量測試設(shè)置

?圖9。TinkerCAD電路模型測量測試設(shè)置【點擊圖像放大】。

圖10顯示了利用光電晶體管的電壓讀數(shù)設(shè)置的實際測量測試。

 實際測量測試設(shè)置。

?圖10。實際測量測試設(shè)置。

恭喜，您已經(jīng)使用現(xiàn)成的組件制造了光電開關(guān)原型！該項目的最后一步是使用Arduino Uno的OpenPLC平臺對光電開關(guān)進(jìn)行布線和測試。

Arduino OpenPLC與光電傳感器控制器

在光電開關(guān)正常工作的情況下，本項目的最后一步是將光檢測電路連接到基于Arduino的OpenPLC平臺。光電開關(guān)控制器的概念包括將光電開關(guān)和復(fù)位按鈕連接至Arduino Uno。這些電路的集成形成了光電開關(guān)控制器的概念。閃爍的LED將提供光電開關(guān)控制器的輸出響應(yīng)狀態(tài)，正確地檢測到光源。圖11為光電開關(guān)控制器的系統(tǒng)框圖。

光電開關(guān)控制器系統(tǒng)）。

?圖11。光電開關(guān)控制器系統(tǒng)）。

光電開關(guān)、復(fù)位按鈕開關(guān)和閃爍LED的電氣接線如圖12所示的電子電路原理圖所示。

光電開關(guān)控制器電子線路

?圖12。光電控制器電子原理圖【點擊圖片放大】。

電子電路原理圖包括這些電路設(shè)備的輸入/輸出（I/O）接線。光電開關(guān)控制器原型的最終構(gòu)建可參考圖8。

輸入/輸出電路名稱（如圖13所示）用于創(chuàng)建OpenPLC標(biāo)簽和梯形圖。

啟動復(fù)位LD和輸入/輸出標(biāo)簽列表

?圖·圖13。啟復(fù)位梯形圖和I/O標(biāo)簽列表【點擊圖像放大】。

圖13還顯示了用于OpenPLC啟動復(fù)位LD的I/O標(biāo)記。LD表示光電開關(guān)將執(zhí)行復(fù)位功能。在工業(yè)控制環(huán)境中，將接線手動復(fù)位按鈕開關(guān)，作為系統(tǒng)中光電開關(guān)故障的應(yīng)急措施。這個概念控制器的教育目的在于展示光電開關(guān)在控制器應(yīng)用中的有效性。按下“啟動”按鈕開關(guān)，閃爍的LED將被鎖定。將手電筒置于光電晶體管上，將解鎖控制電路，從而關(guān)閉閃爍的LED。  

互動測驗：

在檢查啟動復(fù)位LD時，如果光電開關(guān)XIO（檢查是否打開）位指令更改為XIC（檢查是否關(guān)閉），將觀察Arduino-OpenPLC控制器的輸出響應(yīng)？