초음파센서 제어(아두이노)

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• 온라인 가상시뮬레이터 : AUTODESK CIRCUITS
• 3핀 초음파센서를 사용

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오늘은 재밌는 소재로 거리를 측정할 수 있는 초음파센서를 사용하여 실험하는 내용을 다뤄 보겠습니다. 실제 초음파센서를 구매하시면 4핀으로 구성되어 있는데 가상시뮬레이터에서는 초음파센서가 3핀으로 되어서 어떻게 코딩해야하나 혼동 되실 수 있지만 원리는 동일하니깐 어렵게 생각하실 필요는 없습니다.

1. 초음파센서

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초음파센서를 부품을 실제 구입하면 1200원정도 하는 초급 초음파센서를 구매하실수 있을꺼에요. 핀은 총 4핀으로 전원(+,-) 2핀, 입력핀, 출력핀으로 구성되어 있습니다. 하지만 가상시뮬레이터에서는 3핀으로 구성되어 있으면 입력/출력을 한핀에서 다 제어해야 합니다.

가상 시뮬레이터 코딩은 이 한핀을 어떻게 제어할지만 생각하시고 표현하시면 됩니다.

2. 초음파센서 계산 공식

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• 공식 : 기본 340 (위 1200원짜리 4핀 초음파센서 초음파속도입니다.)
  거리 = ((초음파속도 * 센서시간값) / 10000) / 2

          ((float)(340 * duration) / 10000) / 2;  
  

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초음파속도 : 실제 사용하는 초음파센서 부품의 초음파속도입니다. 즉 초음파센서마다 초음파속도는 다르고 부품을 구매하실때 제공되는 정보를 잘 확인하시면 정교한 계산을 하실 수 있을꺼에요.

센서시간값 : 초음파센서에서 초음파가 나가고 앞에 장애물에 부딪치고 되돌아오는데 까지 걸리는 시간값입니다. 왕복시간값이라고 생각하시면 됩니다. 그래서 마지막에 나누기 2를 함으로써 초음파센서의 위치에서 장애물까지의 거리가 나오게 되는 것이죠.

3. 초음파센서 코딩

  digitalWrite(7, LOW); 
  delayMicroseconds(2); 
  digitalWrite(7,HIGH); 
  delayMicroseconds(10); 
  digitalWrite(7,LOW); 
   
  float duration = pulseIn(6, HIGH);
    
  float distance = ((float)(340 * duration) / 10000) / 2;  
    

7번핀이 출력모드이고 6번핀은 입력모드입니다. 7번핀으로 초음파를 쏘고 되돌아오는 초음파를 6번핀에서 읽게 됩니다. 그 값은 시간값이고 초음파공식에 대입하여 계산하게 됩니다.

1. 초음파를 쏘기 전 초음파출력핀을 LOW(0)으로 한다. => 초기단계
2. 딜레이 delayMicroseconds()함수는 시간을 마이크로초로 딜레이 시킬 때 사용. => 대기시간단계
3. 초음파출력핀을 HIGH(5V)으로 한다. => 초음파를 출력 시작
4. 딜레이 delayMicroseconds()함수로 대기한다. => 초음파를 쏘는 시간이다.
5. 초음파출력핀을 LOW(5V)으로 한다. => 초음파 출력 중지

쉽게 말해서 초기상태는 초음파 출력핀 0V 상태로 2마이크로초로 초기상태로 뒀다가 7번핀을 통해 10마이크로초동안 초음파를 쏘고 난뒤에 초음파 출력핀 0V으로 10마이크로초동안만 초음파를 쏜 신호값을 거리계산에 사용한다는 점만 이해하시면 된다.

pulseIn(입력핀, HIGH)함수 : 펄스 신호의 길이를 잴 때 사용합니다. 초음파 되돌아 왔을때 HIGH->LOW가 되는 시점까지의 시간값을 반환하는 함수입니다. 좀 어려울 수 있습니다.
그냥 저 함수로 초음파 거리 시간값을 읽어오는 구나 정도만 처음에 이해하시면 됩니다.

정 모르겠다면 통으로 저 코딩을 외우시면 됩니다. 초음파센서를 사용할때 저 코딩으로 제어하는 구나 정도만 이해하시면 됩니다.

4. 회로도 구성

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• 준비물 : 초음파센서3핀 1개, 아두이노우노

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5. 코딩

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void setup() {
  Serial.begin(9600);
}
void loop() {   
  pinMode(7,OUTPUT); //출력모드  초음파 출력
  digitalWrite(7, LOW); 
  delayMicroseconds(2); 
  digitalWrite(7,HIGH); 
  delayMicroseconds(10); 
  digitalWrite(7,LOW); 
  
  pinMode(7,INPUT);    //입력모드로 초음파 입력
  float duration = pulseIn(7, HIGH); //초음파 거리 시간값 읽기
  float distance = duration / 57.5;  // ((float)(340 * duration) / 10000) / 2;   

  Serial.println(distance);   
} 

핀의 입력/출력모드 setup()함수에 선언된다고 했는데 여기서는 loop()함수에서 선언하였습니다. 왜 그렇게 했을까요. 그것은 바로 7번핀을 입력모드와 출력모드를 둘 다 사용해야 하기 때문에 계속 핀모드를 변경해야 합니다. 그래서 loop()함수에 선언된거죠.

초음파를 출력하기전에 7번핀을 출력모드로 선언했다가 다시 7번핀을 pulseIn()함수로 입력을 받을때에는 그 앞에 7번핀을 입력모드로 선언해야겠죠. 이런식으로 해서 7번핀으로 입력/출력모드 제어가 가능해 지는 것이죠.

 float distance = duration / 57.5;  // ((float)(340 * duration) / 10000) / 2;   

이식은 공식에서 최대한 줄이고 가상시뮬레이터에서 좀 더 거리가 비슷하게 나타내기 위해서 근사값 57.5로 표현했습니다. 실제로 하실때는 정식 공식을 사용하세요. 가상시뮬레이터에서는 정식 공식으로 대입하면 오차 거리가 좀 크게 나서 일부러 공식을 줄이고 줄인 공식에서 숫자를 앞뒤로 근사값들을 임의로 정해서 여러차례 실험한 뒤에 가장 오차가 적게 나오는 값이 57.5여서 이렇게 식을 만들었습니다.

실제로 하실때에는 정식 공식을 사용하시고 정식 공식을 써도 오차 거리가 발생할때에 그 부품에 맞게 근사값들을 잡아서 오차 거리를 줄이시면 아마 될꺼에요.

시리얼모니터 출력

지난시간에 사용했지만 복습차원으로 다시 설명하자면

아두이노 IDE 시리얼모니터를 사용하기 위해서

void setup()
{
 Serial.begin(9600);
}
void loop(){
Serial.println(distance);   
}

setup()함수에서 시리얼 통신을 시작한다고 선언(Serial.begin) 하고 loop()함수에서 시리얼모니터로 출력(Serial.println) 합니다.

Serial.println(출력값);   

이정도만 우선 알아두세요.

6. 결과

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마무리

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실제로 한다면 4핀 코딩을 해야하는데 아래와 같이 실험하시면 됩니다.

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(7,OUTPUT); //출력모드
  pinMode(6,INPUT);    //입력모드
}
void loop() {    
  digitalWrite(7, LOW); 
  delayMicroseconds(2); 
  digitalWrite(7,HIGH); 
  delayMicroseconds(10); 
  digitalWrite(7,LOW); 
   
  float duration = pulseIn(6, HIGH);
  float distance = duration / 57.5;  // ((float)(340 * duration) / 10000) / 2;  

  Serial.println(distance);   
}  

이 초음파센서 하나로 어떤곳에 사용하면 좋을까요 한번 상상의 나래를 펼쳐보세요. 초음파센서가 거리를 측정할 수 있는 재밌는 부품이여서 거리를 측정할 수 있으면 할 수 있는 것들이 참 많습니다. 한번 생각해 보세요.