由于光電感測(cè)可以通過(guò)電氣、機(jī)電和電子組件實(shí)現(xiàn)，所以學(xué)習(xí)使用ArduinoOpenPLC的現(xiàn)成組件來(lái)構(gòu)建、測(cè)試和實(shí)施原型光電開(kāi)關(guān)。

控制工業(yè)（當(dāng)然還有其他工業(yè)）中使用的一個(gè)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(dòng)化系統(tǒng)中獲得性能數(shù)據(jù)。機(jī)電一體化是一個(gè)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(cè)工業(yè)過(guò)程和控制機(jī)電致動(dòng)器的基于計(jì)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(jì)算機(jī)化工業(yè)控制器。通過(guò)電子傳感器，PLC可以監(jiān)控各種制造過(guò)程，并有助于改善機(jī)電致動(dòng)器的性能。

考慮到這些背景信息，本項(xiàng)目將探索創(chuàng)建一個(gè)特定的電子傳感器，光電開(kāi)關(guān)（也稱為光電傳感器），并將其與ArduinoOpenPLC平臺(tái)一起使用。

設(shè)置場(chǎng)景：什么是光電晶體管？

光電晶體管是檢測(cè)光并將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的半導(dǎo)體組件，并且被設(shè)計(jì)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(shí)，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(gè)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

另外，光電晶體管的電子符號(hào)如圖2所示。

圖2 光電晶體管的電子符號(hào)

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(guò)電子零件經(jīng)銷商銷售的常見(jiàn)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(shí)，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_(kāi)關(guān)。用于描述光的存在的另一個(gè)術(shù)語(yǔ)是光發(fā)射率，即當(dāng)光電晶體管的基極集電體存在光時(shí)，并且電子的發(fā)射開(kāi)啟這個(gè)輻射固態(tài)組件。

像限位開(kāi)關(guān)一樣，光電晶體管的光電開(kāi)關(guān)功能可以檢測(cè)物體，而不需要物理接觸。與限位開(kāi)關(guān)不同，光電晶體管的光電開(kāi)關(guān)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件。因此，光電晶體管具有比限位開(kāi)關(guān)更長(zhǎng)的開(kāi)關(guān)操作壽命?？偟膩?lái)說(shuō)，光電晶體管較長(zhǎng)的工作壽命是基于沒(méi)有典型限位開(kāi)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

隨著對(duì)光電晶體管的了解，我們將使用OpenPLC梯形圖（LD）構(gòu)建光電開(kāi)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(kāi)關(guān)（或傳感器）是一種能夠利用光檢測(cè)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(lái)檢測(cè)光。光電開(kāi)關(guān)具有多種光檢測(cè)方法來(lái)檢測(cè)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(gè)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(cè)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(cè)。

反射式模型

圖4 反射式模型

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

圖5

使用光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行物體檢測(cè)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(gè)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(huì)阻斷發(fā)出的光。圖6展示了使用光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)的后向反射模型。

目標(biāo)探測(cè)

圖6 目標(biāo)探測(cè)

在本項(xiàng)目中，我們將建造一個(gè)基于穿透光束檢測(cè)的光電開(kāi)關(guān)原型。

光電傳感器接線圖和材料清單

最后，讓我們來(lái)了解這個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際操作信息！光電開(kāi)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(kāi)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(hào)：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(hào)：653-G5Q-14-DC5）

R1，R3 10 K?, 1/8 W電阻

第220頁(yè)?, 1/8 W電阻

D1 1N4001通用硅二極管

此外，還需要以下組件來(lái)連接復(fù)位開(kāi)關(guān)和閃爍LED電路。

PB1觸覺(jué)按鈕開(kāi)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(gòu)買鏈接）

第二十號(hào)國(guó)道?, 1/8 W電阻

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

將電子組件放置在無(wú)焊面包板上

圖7 將電子組件放置在無(wú)焊面包板上

因此，在無(wú)焊面包板上正確定向是很重要的。對(duì)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(zhǎng)；因此，它需要連接到無(wú)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(wú)焊面包板上裝配和接線的光電開(kāi)關(guān)。

光電開(kāi)關(guān)電路完成

圖8 光電開(kāi)關(guān)電路完成

光電傳感器測(cè)試

您可以使用數(shù)字萬(wàn)用表（DMM）測(cè)試光電開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)操作。數(shù)字萬(wàn)用表將測(cè)量光電晶體管的控制開(kāi)關(guān)電壓，光電晶體管輕輕地放置在設(shè)備上。以下是測(cè)試光電開(kāi)關(guān)操作的測(cè)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(kāi)關(guān)正確進(jìn)行。

用跨接線將一端插入無(wú)焊面包板接地軌。黑色或綠色電線將是識(shí)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(wú)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(wàn)用表黑色測(cè)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(wàn)用表紅色測(cè)試引線上。

將Arduino Uno板連接到桌面?zhèn)€人計(jì)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(wàn)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(cè)試設(shè)置。

TinkerCAD電路模型測(cè)量測(cè)試設(shè)置

圖9 TinkerCAD電路模型測(cè)量測(cè)試設(shè)置

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

實(shí)際測(cè)量測(cè)試設(shè)置。

圖10 實(shí)際測(cè)量測(cè)試設(shè)置

恭喜，您已經(jīng)使用現(xiàn)成的組件制造了光電開(kāi)關(guān)原型！該項(xiàng)目的最后一步是使用Arduino Uno的OpenPLC平臺(tái)對(duì)光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行布線和測(cè)試。

Arduino OpenPLC與光電傳感器控制器

在光電開(kāi)關(guān)正常工作的情況下，本項(xiàng)目的最后一步是將光檢測(cè)電路連接到基于Arduino的OpenPLC平臺(tái)。光電開(kāi)關(guān)控制器的概念包括將光電開(kāi)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(kāi)關(guān)控制器的概念。閃爍的LED將提供光電開(kāi)關(guān)控制器的輸出響應(yīng)狀態(tài)，正確地檢測(cè)到光源。圖11為光電開(kāi)關(guān)控制器的系統(tǒng)框圖。

光電開(kāi)關(guān)控制器系統(tǒng)。

圖11 光電開(kāi)關(guān)控制器系統(tǒng)

光電開(kāi)關(guān)、復(fù)位按鈕開(kāi)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(kāi)關(guān)控制器電子線路

圖12 光電控制器電子原理圖

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(kāi)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(dòng)復(fù)位LD和輸入/輸出標(biāo)簽列表

圖13 啟復(fù)位梯形圖和I/O標(biāo)簽列表

圖13還顯示了用于OpenPLC啟動(dòng)復(fù)位LD的I/O標(biāo)記。LD表示光電開(kāi)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(dòng)復(fù)位按鈕開(kāi)關(guān)，作為系統(tǒng)中光電開(kāi)關(guān)故障的應(yīng)急措施。這個(gè)概念控制器的教育目的在于展示光電開(kāi)關(guān)在控制器應(yīng)用中的有效性。按下“啟動(dòng)”按鈕開(kāi)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(dòng)測(cè)驗(yàn)：

在檢查啟動(dòng)復(fù)位LD時(shí)，如果光電開(kāi)關(guān)XIO（檢查是否打開(kāi)）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)。