學習使用Arduino Uno和OpenPLC構建光電傳感器系統(tǒng)

由于光電感測可以通過電氣、機電和電子組件實現(xiàn)，所以學習使用Arduino OpenPLC的現(xiàn)成組件來構建、測試和實施原型光電開關。

控制工業(yè)（當然還有其他工業(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電一體化的自動化系統(tǒng)中獲得性能數(shù)據(jù)。機電一體化是一個多學科的領域，它將機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)相結合，包括數(shù)字控制、電子傳感器和控制軟件。

管理機電一體化的典型方法是使用能夠監(jiān)測工業(yè)過程和控制機電致動器的基于計算機的控制器。PLC（可編程邏輯控制器）是能夠執(zhí)行這種工業(yè)相關任務的計算機化工業(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（也稱為光電傳感器），并將其與Arduino OpenPLC平臺一起使用。

設置場景：什么是光電晶體管？

光電晶體管是檢測光并將光轉換為電信號的半導體組件，并且被設計為響應光而不是輸入電壓。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。當光入射到基極-集電極結上時，產生電子流，從而允許晶體管內的電流放大。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銷商銷售的常見制造半導體零件。光電晶體管通常被配置為使用基極-集電極結作為內部感光元件的NPN器件。當存在光時，基極-集電極結允許基極-發(fā)射極結導通，從而將設備轉變?yōu)楣怆婇_關。用于描述光的存在的另一個術語是光發(fā)射率，即當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。

像限位開關一樣，光電晶體管的光電開關功能可以檢測物體，而不需要物理接觸。與限位開關不同，光電晶體管的光電開關沒有運動部件。因此，光電晶體管具有比限位開關更長的開關操作壽命?？偟膩碚f，光電晶體管較長的工作壽命是基于沒有典型限位開關那樣的機械接觸磨損。

圖3展示了典型光電晶體管的內部結構。

?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）構建光電開關，以與我們概念性的Arduino PLC進行交互。

光電傳感器基片——反射式、穿透式和回射式

光電開關（或傳感器）是一種能夠利用光檢測物體是否存在的電子設備，并且使用光電二極管或光電晶體管等光電發(fā)射設備來檢測光。光電開關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）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會中斷光。

?圖5。圖片由Keyence提供

使用光電開關進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。目標的存在會阻斷發(fā)出的光。圖6展示了使用光電開關進行目標探測的后向反射模型。

目標探測。

?圖6。目標探測。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！光電開關結構包括使用現(xiàn)成組件。以下是用于構建光電開關的電氣、機電和電子組件。

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位開關和閃爍LED電路。

PB1觸覺按鈕開關

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。

光電開關電路完成

?圖8。光電開關電路完成【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）測試光電開關的開關操作。數(shù)字萬用表將測量光電晶體管的控制開關電壓，光電晶體管輕輕地放置在設備上。以下是測試光電開關操作的測量設置步驟：

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正確進行。

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（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電路模型測試設置。

TinkerCAD電路模型測量測試設置

?圖9。TinkerCAD電路模型測量測試設置【點擊圖像放大】。

圖10顯示了利用光電晶體管的電壓讀數(shù)設置的實際測量測試。

 實際測量測試設置。

?圖10。實際測量測試設置。

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

Arduino OpenPLC與光電傳感器控制器

在光電開關正常工作的情況下，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。光電開關控制器的概念包括將光電開關和復位按鈕連接至Arduino Uno。這些電路的集成形成了光電開關控制器的概念。閃爍的LED將提供光電開關控制器的輸出響應狀態(tài)，正確地檢測到光源。圖11為光電開關控制器的系統(tǒng)框圖。

光電開關控制器系統(tǒng)）。

?圖11。光電開關控制器系統(tǒng)）。

光電開關、復位按鈕開關和閃爍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備的輸入/輸出（I/O）接線。光電開關控制器原型的最終構建可參考圖8。

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

啟動復位LD和輸入/輸出標簽列表

?圖·圖13。啟復位梯形圖和I/O標簽列表【點擊圖像放大】。

圖13還顯示了用于OpenPLC啟動復位LD的I/O標記。LD表示光電開關將執(zhí)行復位功能。在工業(yè)控制環(huán)境中，將接線手動復位按鈕開關，作為系統(tǒng)中光電開關故障的應急措施。這個概念控制器的教育目的在于展示光電開關在控制器應用中的有效性。按下“啟動”按鈕開關，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，從而關閉閃爍的LED。  

互動測驗：

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