Оглавление
В этом материале мы научимся создавать, тестировать и реализовывать прототип фотоэлектрического переключателя, используя готовые элементы Arduino OpenPLC.
Важным компонентом, используемым в индустрии управления и производства, является электронный датчик с возможностью получать данные о производительности от различных систем автоматизации на основе мехатроники. Мехатроника — междисциплинарная область, объединяющая механические системы с электрическими схемами, включающими цифровое управление, электронные датчики и управляющее программное обеспечение.
Типичным подходом к управлению мехатроникой является использование компьютеризированного контроллера, способного отслеживать производственные процессы и управлять электромеханическими исполнительными механизмами. ПЛК (программируемый логический контроллер) представляет собой компьютеризированный промышленный контроллер, способный выполнять такие задачи. С помощью электронного датчика ПЛК может контролировать различные производственные процессы и помогать улучшать характеристики электромеханического привода.
Итак, с общей теорией окончено, переходим к проекту по созданию специального электронного датчика — фотоэлектрического переключателя и его использование с платформой Arduino OpenPLC.
Фототранзистор — это полупроводниковый компонент, который улавливает и преобразует свет в электрический сигнал и предназначен для реагирования на свет, а не на входное напряжение. Как и обычный транзистор, фототранзистор состоит из базы, коллектора и эмиттера. Светочувствительный слой представляет собой переход база-коллектор. Когда свет падает на данный переход, создается поток электронов, позволяющий усилить ток внутри транзистора. Фототранзисторы делают в виде компонентов с двумя выводами. А электронный символ фототранзистора показан на рисунке.
Поскольку переход база-коллектор является чувствительным слоем, двухконтактный компонент, состоящий из выводов коллектора и эмиттера, представляет собой обычно производимую полупроводниковую деталь. Фототранзистор обычно конфигурируется как устройство NPN с использованием перехода база-коллектор в качестве внутреннего светочувствительного элемента. Когда свет присутствует, переход база-коллектор позволяет переходу база-эмиттер проводить, таким образом превращая устройство в оптоэлектрический переключатель. Другим термином, используемым для описания присутствия света, является фотоэмиссия, когда базовый коллектор фототранзистора находится в присутствии света, и эмиссия электронов включает этот компонент.
Подобно обычному выключателю, функция оптоэлектрического переключения фототранзистора может обнаруживать объекты без физического контакта. Но отличие от кнопки, он не содержит движущихся частей. Поэтому фототранзистор имеет более длительный срок службы при переключении, чем выключатель, что основано на отсутствии механического износа контактов.
На рисунке показана внутренняя структура типового фототранзистора.
Имея представление о фототранзисторе, создадим фотоэлектрический переключатель для взаимодействия с ПЛК Arduino, используя лестничную диаграмму OpenPLC (LD).
Фотоэлектрические датчики — отражающие, сквозные и рефлекторные
Фотоэлектрический переключатель (или датчик) — это электронное устройство, которое может обнаруживать отсутствие или присутствие объекта с помощью света и использует фотоэмиссионные устройства, такие как фотодиоды или фототранзисторы, для обнаружения света. Фотоэлектрический переключатель имеет различные методы обнаружения света для обнаружения отсутствия или присутствия света, в том числе:
- Светоотражающий
- Сквозной луч
- Световозвращающий
В отражательном методе используется один корпус для передатчика и приемника света. В этом включении приемник имеет фотодиод или фототранзистор для обнаружения света, излучаемого лазером или светодиодом. Свет отражается от объекта и регистрируется фототранзистором или фотодиодом.
Светоотражающая модель
Подход со сквозным лучом разделяет компоненты передатчика и приемника, при этом прохождение цели между передатчиком и приемником прерывает свет.
Сквозной лучевой метод обнаружения целей
Последний подход к использованию фотоэлектрического переключателя для обнаружения объектов — световозвращающий. Как и в модели с отражателем, излучатель и приемник света объединены в один блок. Свет излучаемый попадает на отражатель и возвращается во встроенный приемник света. Присутствие цели прерывает испускаемый свет.
Световозвращающий подход к обнаружению целей
В этом проекте создадим прототип фотоэлектрического переключателя на основе обнаружения сквозного луча.
Наконец перейдем к практической части этого проекта. Сборка состоит из соединения готовых компонентов.
Список деталей
- Кремниевый NPN-транзистор FPT1 — NTE30051
- Транзистор Q1 2N3904 NPN
- Электромеханическое реле K1 5 В – Omron G5Q-14-DC5
- R1, R3 10 кОм, 1/8 Вт, резисторы
- R2 220 Ом, 1/8 Вт, резистор
- R4 10 кОм, 1/8 Вт, резистор
- R5 220 Ом, 1/8 Вт, резистор
- Универсальный кремниевый диод D1 1N4001
- Тактильный кнопочный переключатель PB1
- Светодиод LED1 мигающий красным светодиодом: EDGELEC, 5 мм
Имея компоненты, можно разместить их на макетной плате без пайки.
Некоторые радиодетали чувствительны к полярности; поэтому важна правильная ориентация на макетной плате. К таким электронным компонентам относятся FPT1, D1, Q1 и LED1. Вывод коллектора фототранзистора (FPT1) длинный; поэтому его нужно будет подключить к шине +5 В макетной платы.
Готовая схема фотоэлектрического переключателя
Проверить работу фотоэлектрического переключателя можно с помощью цифрового мультиметра. Мультиметр будет измерять управляющее напряжение переключения фототранзистора. Вот шаги настройки измерения для проверки работы фото-переключателя:
- Поместите маленькую черную трубку над светочувствительным устройством, чтобы убедиться, что переключение фототранзистора происходит правильно.
- Вставьте один конец в непаянную шину заземления макетной платы с помощью перемычки.
Черный или зеленый провод будет подходящим цветом для определения заземления. - Возьмите красную перемычку и вставьте один конец в полость макетной платы без пайки, которая электрически соединяет резисторы R1 и R2 вместе.
- Возьмите другой конец черной или зеленой перемычки и подсоедините ее к ЧЕРНОМУ измерительному проводу цифрового мультиметра.
- Возьмите другой конец красной проволочной перемычки и подсоедините его к КРАСНОМУ щупу цифрового мультиметра.
- Подключите плату Arduino Uno к свободному порту USB на компьютере или ноутбуке.
- Посветите фонариком на маленькую черную трубку; цифровой мультиметр должен показывать напряжение 1,2 В или выше.
Тестовая сборка для измерения модели схемы TinkerCAD:
На рисунке показана фактическая тестовая установка с показаниями напряжения фототранзистора.
Последним этапом проекта является подключение и тестирование фотоэлектрического переключателя с помощью платформы OpenPLC на базе Arduino Uno.
Arduino OpenPLC и контроллер фотодатчика
Если фото-переключатель работает правильно, последним шагом будет подключение схемы обнаружения света к платформе OpenPLC на Arduino. Концепция контроллера состоит из подключения фотоэлектрического переключателя и кнопки сброса к Arduino Uno. Мигающий светодиод будет отображать состояние выходного ответа контроллера фотоэлектрического переключателя, правильно определяющего источник света.
Схема контроллера фотоэпереключателя
Электрическая схема фотоэлектрического переключателя, кнопки сброса и мигающего светодиода показана далее.
Принципиальная схема включает проводку ввода/вывода (I/O) этих схемных устройств. Имена цепей ввода-вывода, показанные на рисунке ниже, используются для создания тегов OpenPLC и лестничной диаграммы.
LD показывает, что фотоэлектрический переключатель выполнит функцию сброса. В среде промышленного управления кнопочный переключатель с ручным сбросом будет подключен на случай непредвиденных обстоятельств при отказе фотоэлектрического переключателя в схеме. Нажатие кнопки «Пуск» зафиксирует мигающий светодиод. Если посветить фонариком на фототранзистор — цепь управления разомкнется и мигающий светодиод погаснет.
