学习使用Arduino Uno和OpenPLC构建光电传感器系统

由于光电感测可以通过电气、机电和电子组件实现，所以学习使用Arduino OpenPLC的现成组件来构建、测试和实施原型光电开关。

控制工业（当然还有其他工业）中使用的一个重要部件是电子传感器。电子传感器在制造中的重要性在于能够从各种基于机电一体化的自动化系统中获得性能数据。机电一体化是一个多学科的领域，它将机械系统和电气系统相结合，包括数字控制、电子传感器和控制软件。

管理机电一体化的典型方法是使用能够监测工业过程和控制机电致动器的基于计算机的控制器。PLC（可编程逻辑控制器）是能够执行这种工业相关任务的计算机化工业控制器。通过电子传感器，PLC可以监控各种制造过程，并有助于改善机电致动器的性能。

考虑到这些背景信息，本项目将探索创建一个特定的电子传感器，光电开关（也称为光电传感器），并将其与Arduino OpenPLC平台一起使用。

设置场景：什么是光电晶体管？

光电晶体管是检测光并将光转换为电信号的半导体组件，并且被设计为响应光而不是输入电压。像典型的晶体管一样，光电晶体管由基极、集电极和发射极层组成。光敏层为基极-集电极结。当光入射到基极-集电极结上时，产生电子流，从而允许晶体管内的电流放大。光电晶体管封装为两个引线或螺纹引线组件，如图1所示。

光电晶体管封装。

•图1。光电晶体管封装。图片【修改】由Digi-Key的文章和产品页面提供

另外，光电晶体管的电子符号如图2所示。

•图2。光电晶体管的电子符号

在基极-集电极结为敏感层的情况下，由集电极和发射极引线组成的两针组件是通过电子零件经销商销售的常见制造半导体零件。光电晶体管通常被配置为使用基极-集电极结作为内部感光元件的NPN器件。当存在光时，基极-集电极结允许基极-发射极结导通，从而将设备转变为光电开关。用于描述光的存在的另一个术语是光发射率，即当光电晶体管的基极集电体存在光时，并且电子的发射开启这个辐射固态组件。

像限位开关一样，光电晶体管的光电开关功能可以检测物体，而不需要物理接触。与限位开关不同，光电晶体管的光电开关没有运动部件。因此，光电晶体管具有比限位开关更长的开关操作寿命。总的来说，光电晶体管较长的工作寿命是基于没有典型限位开关那样的机械接触磨损。

图3展示了典型光电晶体管的内部结构。

•图3。图片【修改】由工程知识部提供

随着对光电晶体管的了解，我们将使用OpenPLC梯形图（LD）构建光电开关，以与我们概念性的Arduino PLC进行交互。

光电传感器基片——反射式、穿透式和回射式

光电开关（或传感器）是一种能够利用光检测物体是否存在的电子设备，并且使用光电二极管或光电晶体管等光电发射设备来检测光。光电开关具有多种光检测方法来检测光的不存在或存在，包括：

-反射式

贯穿式横梁

反向反射的

反射法，如图4所示，使用一个外壳封装光发射器和光接收器。利用这种方法，光接收器具有光电二极管或光电晶体管以检测从激光器或LED（发光二极管）发射的光。LED或激光发出的光被物体（目标）反射，并被光电晶体管或光电二极管检测。

•反射式模型。

•图4。•反射式模型。图片由Keyence提供

通波束方法（图5）将发射器和接收器组件分开，在发射器和接收器之间放置目标会中断光。

•图5。图片由Keyence提供

使用光电开关进行物体检测的最后方法是反向反射。像反射型一样，光发射器和接收器封装在一个单元中。从发射器发射的光入射到反射器并返回到集成光接收器。目标的存在会阻断发出的光。图6展示了使用光电开关进行目标探测的后向反射模型。

目标探测。

•图6。目标探测。图片由Keyence提供

在本项目中，我们将建造一个基于穿透光束检测的光电开关原型。

光电传感器接线图和材料清单

最后，让我们来了解这个项目的实际操作信息！光电开关结构包括使用现成组件。以下是用于构建光电开关的电气、机电和电子组件。

零件清单：

FPT1硅NPN晶体管–NTE30051（数字键部件号：2368-NTE30051-ND）

第一代氮氧化物晶体管

K1 5 VDC机电继电器欧姆龙G5Q-14-DC5（Mouser Electronics零件号：653-G5Q-14-DC5）

R1，R3 10 KΩ, 1/8 W电阻

第220页Ω, 1/8 W电阻

D1 1N4001通用硅二极管

此外，还需要以下组件来连接复位开关和闪烁LED电路。

PB1触觉按钮开关

10千卢比Ω, 1/8 W电阻

LED1闪烁的红色LED：EDGLEC，5毫米（亚马逊购买链接）

第二十号国道Ω, 1/8 W电阻

有了可用的组件，您将把它们放在无焊面包板上。您可以使用图7来指导您。

将电子组件放置在无焊面包板上

•图7。将电子组件放置在无焊面包板上[单击图像放大]。

因此，在无焊面包板上正确定向是很重要的。对极性敏感的电子部件是FPT1、D1、Q1和LED1。

光电晶体管（FPT1）集电极针脚较长；因此，它需要连接到无焊面包板的+5V轨道。将光电晶体管集电极插针连接到+5V轨将确保组件的正确切换操作。作为另外的参考，图8显示了无焊面包板上装配和接线的光电开关。

光电开关电路完成

•图8。光电开关电路完成【点击图像放大】。

光电传感器测试

您可以使用数字万用表（DMM）测试光电开关的开关操作。数字万用表将测量光电晶体管的控制开关电压，光电晶体管轻轻地放置在设备上。以下是测试光电开关操作的测量设置步骤：

在光传感装置上放置一根小的黑管，以确保光电晶体管的开关正确进行。

用跨接线将一端插入无焊面包板接地轨。黑色或绿色电线将是识别接地的合适颜色。

取一根红色跳线，将一端插入将电阻R1和R2电气连接在一起的无焊面包板腔中。

取另一端的黑色或绿色跨接线并将其连接到万用表黑色测试导线上。

取红色跨接线的另一端并将其连接到数字万用表红色测试引线上。

将Arduino Uno板连接到桌面个人计算机（PC）或笔记本电脑上的可用USB端口。

将手电筒放在小黑管上；数字万用表的电压读数应大于等于1.20伏直流电。

如果电压读数不是1.20 VDC或更高，则检查接线并执行步骤8。

图9显示了TinkerCAD电路模型测试设置。

TinkerCAD电路模型测量测试设置

•图9。TinkerCAD电路模型测量测试设置【点击图像放大】。

图10显示了利用光电晶体管的电压读数设置的实际测量测试。

 实际测量测试设置。

•图10。实际测量测试设置。

恭喜，您已经使用现成的组件制造了光电开关原型！该项目的最后一步是使用Arduino Uno的OpenPLC平台对光电开关进行布线和测试。

Arduino OpenPLC与光电传感器控制器

在光电开关正常工作的情况下，本项目的最后一步是将光检测电路连接到基于Arduino的OpenPLC平台。光电开关控制器的概念包括将光电开关和复位按钮连接至Arduino Uno。这些电路的集成形成了光电开关控制器的概念。闪烁的LED将提供光电开关控制器的输出响应状态，正确地检测到光源。图11为光电开关控制器的系统框图。

光电开关控制器系统）。

•图11。光电开关控制器系统）。

光电开关、复位按钮开关和闪烁LED的电气接线如图12所示的电子电路原理图所示。

光电开关控制器电子线路

•图12。光电控制器电子原理图【点击图片放大】。

电子电路原理图包括这些电路设备的输入/输出（I/O）接线。光电开关控制器原型的最终构建可参考图8。

输入/输出电路名称（如图13所示）用于创建OpenPLC标签和梯形图。

启动复位LD和输入/输出标签列表

•图·图13。启复位梯形图和I/O标签列表【点击图像放大】。

图13还显示了用于OpenPLC启动复位LD的I/O标记。LD表示光电开关将执行复位功能。在工业控制环境中，将接线手动复位按钮开关，作为系统中光电开关故障的应急措施。这个概念控制器的教育目的在于展示光电开关在控制器应用中的有效性。按下“启动”按钮开关，闪烁的LED将被锁定。将手电筒置于光电晶体管上，将解锁控制电路，从而关闭闪烁的LED。  

互动测验：

在检查启动复位LD时，如果光电开关XIO（检查是否打开）位指令更改为XIC（检查是否关闭），将观察Arduino-OpenPLC控制器的输出响应？