남보공방

인체감지센서( PIR센서 :  Pyroelectric Infra Red Sensor) 란 사람이나 동물이 움직일 때 발샌되는 적외선변화를 감지해 내는 센서로서 모션센서라고도 한다. 일상 생활에 흔하게 사용되는 사례는 현관이나 엘리베이터 입구에서 사람이 접근하면 자동으로 불이 켜지는 전등이다.

다음은 많이 사용하는 HC-SR501이라는 센서인데 저렴한 가격에도 다양한 기능들이 내장되어 있다.

주요사양

조절방법

감도조절(Distance Adjust) : 시계방향으로 돌리면 민감도가 낮춰져서 감지거리가 줄어든다.

지연시간(Delay Time Adjust) : 인체 감지후 감지된 상태를 얼마간 유지할 것인가 하는 시간을 조절한다. 시계방향으로 돌릴수록 지연시간이 짧아진다.  

트리거모드 : 좌측의 점퍼스위치를 L로 연결하면 감지신호를 한번만 보내주는 모드이고, H는 감지신호를 계속해서 보내 주는 모드이다.  

PIR 인체감지센서의  취약점  

PIR 인체감지센서의  취약점은 실내에서는 잘 동작되나 실외에서는 오동작이 매우 심하다는 것이다. 실제 앞에 사람이 없는데도 약간의 바람만 불어도 인체로 감지해 버리거나 더운날에는 감지 감도가 떨어지고 추운날 외투를 두텁게 입고 있으면 감지가 않되는 경우도 있다. 바람에 의한 오동작은 초음파 거리센서를 같이 사용하여 전방에 물체가 있는 경우에만 작동되도록 할 수 있을 것이다.     

아두이노와의 연결

다음과 같이 전원을 연결하고 신호선을 아두이노 디지털입력핀에 연결하면 된다.

샘플프로그램

int inputPIN = 2; int statusPIR = 0; int valueRead = 0; void setup() { pinMode(inputPIN, INPUT); Serial.begin(9600); } void loop(){ valueRead = digitalRead(inputPIN); if ((valueRead == HIGH) && (statusPIR == LOW)) { Serial.println("Motion detected!"); statusPIR = HIGH; } else{ if((valueRead == LOW) && (statusPIR == HIGH)){ Serial.println("Motion ended!"); statusPIR = LOW; } } delay(1000); }

아두이노 회로를 구성할 때 PULL-UP저항이나 PULL-DOWN저항을 설치하는 이유는 플로팅상태를 방지하고 HIGH 또는 LOW값을 명확히 하기 위한 것이다. 

플로팅현상

스위치를 눌렀을 때 아두이노 D2 핀에 LOW신호를 입력하기 위해 위와 같은 회로를 구성했다고 가정해 본다.

스위치를 눌렀을 때 GND와 연결되므로 LOW신호가 D2핀에 입력되는 것은 맞다. 그런데 스위치를 누르지 않았을 때에는 D2핀은 아무 것과도 연결되어 있지 않아 있기 때문에 LOW가 아닌 HIGH라고 장담할 수 없는 상태이다.

실제로 테스트해 보면 스위치를 누르지 않은 상태에서는 불규칙적으로 HIGH 또는 LOW상태를 오가게 되는 데 이를 플로팅현상이라고 한다. 즉, 회로를 구성한 목적은 스위치를 눌렀을 때만 LOW이길 원하는데 스위치를 누르지 않은 상태에서도 불규칙적으로 LOW값이 입력되게 되므로 회로가 정상적으로 작동되지 않는다.    

PULL-UP저항

위와 같은 문제를 해결하기 위해 다음과 같이 5V와 D2단자를 연결하여 스위치를 누르지 않았을 때 HIGH신호를 입력되게 하면 되겠지만 이렇게 하면 5V와 D2 또는 5V와 GND가 직접 연결되어 너무 많은 전류가 흐르게 되므로 아두이노가 망가져 버린다.  

그래서 흐르는 전류량을 제한하기 위해 다음과 같이 10K옴 정도의 큰 저항을 통해 5V신호를 D2단자에 연결해서 스위치를 누르지 않을 때에 D2핀에 HIGH신호가 전달되도록 회로를 구성하는 방식을 사용하는데, 이를 PULL-UP 저항을 설치한다고 하는 것이다. 즉,스위치를 누르지 않은 평상시에 단자를 HIGH로 올려놓기 위한 회로에 들어가는 저항이라는 의미이다. 

PULL-DOWN저항 

위와는 반대로 스위치를 눌렀을 때 HIGH신호가 전달되기 원하는 회로에서는 스위치가 눌러지지 않은 상태에서 LOW신호가 전달되도록 하는 방식의 회로를 사용하는데 이를 PULL-DOWN저항 방식이라고 한다.

INPUT_PULLUP 모드 

그런데 이와 같이 회로를 구성할 때 마다 PULL-DOWN, PULL-UP 회로를 구성하는 것이 번거롭기 때문에 아두이노에서는 내부적으로 이를 지원하기 위한 기능이 있다.  

아두이노 pinMode에는 INPUT과 OUTPUT이외에 INPUT_PULLUP이라는 모드가 있어 INPUT_PULLUP을 지정하면 입력이 없을 때 내부 회로로 PULL-UP상태가 유지되도록 해주는 기능이 있으므로 외부 PULL-UP 저항을 생략하고 회로를 구성할 수도 있다.

아두이노에서 전원 연결을 ON/OFF 제어하기 위해 기본으로 사용되는 것이 릴레이이고 이 릴레이의 단점을 보완한 것이 무접점릴레이(SSR) 인데, 이 SSR은 AC(교류)전원의 ON/OFF에만 주로 사용되고  DC(직류) 전원 제어용으로는 별로 사용되지 않는다. DC전원 ON/OFF제어는 굳이 SSR을 사용하지 않아도 MOSFET이라는 반도체 하나만으로도 제어할 수 있는 방법이 있다.

모스펫(MOSFET) 소개 

모스펫(MOSFET)는 금속-산화물-반도체 전계효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)라는 반도체소자로서 전기로 작동하는 스위치라고 할 수 있다.

MOSFET는 n-채널형과  p-채널형이 있는데 n-채널형은 Gate에 전압이 가해지지 않으면 Drain과 Source 가 연결되어 있지 않다가 Gate에 전압이 가해지면 Drain과 Source 가 연결되는 형태이고,  p채널형은 Gate에 전압이 가해지지 않으면 Drain과 Source 가 연결되어 있다가 Gate에 전압이 가해지면 Drain과 Source의 연결이 끊어지는 타입이다. 결국 둘다 릴레이처럼 두전극 사이를 신호를 주어 연결을 ON/OFF시켜 주는 작동을 할 수 있는 것이다.    

아두이노에서의 활용 

아두이노 환경에서 DC 전원제어 릴레이 대용으로 흔하게 사용하기 MOSFET은 2N7000( 소용량용)과 IRLZ44N(대용량용) 이 있다.

-2N7000은 최대 60V, 200mA 까지 제어 가능한 n-채널 MOSFET로서 국내 쇼핑몰에서도 100원 미만으로 흔하게 구입할 수 있다.

-IRLZ44N은 최대 60V, 40A까지 제어 가능한 n-채널 로직레벨 MOSFET ( Gate에 아두이노 신호와 같은 로직레밸의 신호만 주어도 작동하는 MOSFET ) 이다. 비슷한 이름의  IRFZ44N라는 MOSFET도 있는데 이것은 로직레벨용이 아니기 때문에 아두이노에서 직접 구동시킬 수 없으니 구매시 주의해야 한다.

DC전원 ON/OFF하기 샘플

- 10K 저항은 Gate단자 PULL-DOWN, 즉 아두이노에서 HIGH신호가 나오지 않을 경우 Gate단자를 LOW로 유지하기 위한 것이고, 다이오드는 모터에서 발생되는 역기전력을 Bypass시키기 위한 것인데 모터처럼 코일형 장치를 사용할 때에는 필요하지만 LED전구 같은 장치를 구동시킬 때에는 필요 없다.

-다음 프로그램은 연결된 모터를 5초 간격으로 켰다가 끄기를 반복하는 프로그램이다.

#define swPin 3  
  
void setup(){  
  pinMode(swPin, OUTPUT);  
}  
void loop(){  
   digitalWrite(swPin,HIGH);   
   delay(5000);  
   digitalWrite(swPin,LOW);   
   delay(5000);  
}  

DC전원 세기 조절하기 샘플

-다음 프로그램과 같이 Gete에 주는 신호를 PWM방식으로 강약을 조절함으로서 출력의 세기를 조절할 수 도 있다. 즉 모터의 속도를 조절하거나 LED전구 빛의 세기를 조정할 수도 있다.

#define fadePin 3  
  
void setup(){  
  pinMode(fadePin, OUTPUT);  
}  
void loop(){  
  for(int i = 0; i<255; i++){  
       analogWrite(fadePin, i);   
       delay(15);   
  }  
  for(int i = 255; i>0; i--){  
       analogWrite(fadePin, i);   
       delay(15);   
  }  
  delay(1000);  
}   

이렇게 소형 소자만으로 회로를 구성해서 릴레이를 사용하는 것 보다 비용도 저렴하고 보다 작은 크기로 원하는 기능을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 DC장치의 세기까지 조절할 수 있다.

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