남보공방

토양수분센서도 CDS센서나 NTS온도센서와 마찬가지로 상황에 따라 변하는 저항값을 읽어 계산하는 방식으로 구현할 수 있다. 즉, 물은 전기가 잘 통하는 전도체이므로 토양속에 수분이 많이 포함되어 있으면 저항치가 낮을 것이고 수분이 없으면 저항값이 높게 측정될 것이라는 것을 이용해서 수분의 양을 추정해 보는 방식으로 센서를 만들 수 있다.

위는 흔하게 판매되는 토양수분센서의 모양이다. 우측 전극부를 토양에 꽂아두고 좌측의 모듈을 이용해서 토양중 수분의 양을 측정하는 것인데 좌측의 모듈부분을 확대해서 보면 다음과 같다. 

좌측의 커넥터는 전극에 연결되게 되고, 우측의 단자 중 VCC와 GND는 전원공급용 단자이다. A0로 표시된 단자는 측정된 Analog값( 0~1024)를 출려하는 단자이고, D0로 표시된 부분은 디지털 출력단자인데 토양수분값이 기준치 이상이 되면 High가 기준치 이하이면 Low값이 출력된다. 그리고 이 기준치값을 올리거나 내려 조절하기 위한 부분이 십자나사모양의 Potentiometer(가변저항) 이다. 즉 사용자가 설정하는 어떤 값이상의 토양수분이 측정되면 신호를 발생시키고 이 신호를 아두이노나 릴레이에서 사용하기 위한 기능이 포함되어 있는 것이다.

디지털 판정 및 출력이 필요 없이 단순히 상대적인 토양수분값만을 알아 내고 싶은 경우에는 위와 같은 모듈 없이도 다음과 같이 전극과 저항 만으로도 기능을 구현할 수 있다. 즉, 5V전압을 가해 주고 토양수분의 변화에 따라 변하는 전극과 저항과의 분배되는 전압을 A에서 읽으면 토양수분의 정도를 측정할 수 있는 것이다.     

아두이노와의 연결

위와 같이 토양수분센서의 VCC,GND단자에 5V전원을 공급하고,센서의 아날로그 출력단자(A0)를 아두이노의 아날로그 입력핀 (여기에서는 A0)에 연결한다.

샘플프로그램

int sensor_pin = A0; int output_value ; void setup() { Serial.begin(9600); delay(1000); } void loop() { output_value= analogRead(sensor_pin); output_value = map(output_value,550,0,0,100); Serial.print("Mositure : "); Serial.print(output_value); Serial.println("%"); delay(1000); } }

1 line : 토양수분센서 아날로그단자가 연결된 아누이노 아날로그 입력핀을 지정한다.

10 line : 센서에서 읽어들인 값(최대치가 550이고 최소치가 0일 경우, 이 값은 센서마다 달라질 수 있음)을 존더 알아보기 쉬운 퍼센트값(0~100) 으로 매핑한다.

토양수분센서의 부식문제

그런데 이러한 저항치 측정 방식은 전극의 부식 문제가 있다.  저항치를 측정하기 위해서는 구리와 같은 전도체 전극을 통해 전기를 통해 주어야 하는데 수분이 많은 곳에서 이 전극이 쉽게 부식되어 망가지곤 한다. 이에 대한 대책들로서는 다음과 같은 방법들이 있다.

1) 측정할 때에만 전원 공급하기

별 생각없이 VCC에 아두이노 5V 출력핀을 연결하면 항시 전류가 공급되고 이에 따라 전극이 전기분해되어 금새 부식되어 버린다. 따라서 센서 VCC단자에 아두이노 5V출력핀 대신에 다른 디지털 출력신호선을 연결해 놓고 측정하는 시간 동안에만 HIGH로 전원을 공급하고 평시에는 LOW신호로 전원을 공급하지 않아야 전극이 덜 부식된다. 

2) 전극을 부식되지 않는 재질로 교체하기 

센서에서 전극의 역활은 단지 전극사이의 저항를 측정하기 위한 용도이므로 센서의 얇고 부실한 전극을 녹슬지 않는 스텐레스 봉( 스텐젓가락? ) 또는 흑연막대 등으로 교체하여 사용하면 좀 더 오랫동안 사용할 수 있다.

3) 저항측정방식이 아닌 정전용량방식의 센서사용

전류를 흘려 보내고 다른 전극과의 저항값을 측정하는 방법이 아닌 다음과 같은 수분변화에 따른 정전용량이 변화되는 것을 가지고 측정하는 방식의 센서를 사용하면 좀 더 오랫동안 사용할 수 있다.        

아두이노 출력포트를 통해서 출력하는 신호전력은 작은 용량이기 때문에 LED전구정도는 직접 ON/OFF구동시킬수 있으나, 모터나 가전제품처럼 대용량 전력을 필요로 하는 기기를 직접 구동시킬 수 없다. 따라서 아두이노 소용량 출력신호를 이용하여 모터나 가전제품처럼 대용량 전기기기들의 전원을 ON/OFF 제어 하기 위해서 릴레이라는 장치를 사용한다.

릴레이 작동구조

COIL측에 전류를 ON<->OFF시켜 전자석 자성을 활성화<->비활성화함으로써 금속판으로된 대용량 스위치를 ON<->OFF시켜 준다.    

공통단자 (COM 또는 POLE) 에 제어하려는 대용량 전력선을 연결하면 NC단자는 기본적으로 이와 연결되어 있고 NO단자는 연결되어 있지 않은데, 우측 제어측에서 아두이노를 이용해서 신호를 입력하면 NO측으로 연결이 변경되어 NO측으로 전류가 흐르게 된다.

릴레이 종류

 -채널별 :다음과 같이 1채널 부터 16채널까지 여러개의 릴레이들이 하나의 보드에 연결되어 있는 상태로 판매되므로 원하는 사이즈를 선택할 수 있다.

-제어신호 전압별 : 제어측에서 사용하는 전압의 종류별로 3V용,5V용,12V용이 있는데 아두이노 환경에서는 5V를 사용하므로 5V용을 사용하면 된다.

-트리거유형별 : 제어신호를 HIGH를 줄 때 작동시킬 것인지, 제어신호를 LOW를 줄 때 작동시킬 것인지에 따라 다른 모델이 있고 어떤 모델에서는 임의 설정할 수 있는 모델도 있다. 이는 프로세서 출력선의 초기값이 HIGH인지 LOW인지에 따라 선택할 수 있도록 한 것이나, 아두이노 환경에서는 제어신호를 HIGH를 줄 때 작동시키는 모델을 사용하면 된다.

-제어할 수 있는 전력별 : 통상 아두이노용 소형 릴레이도 AC 250V 10A, DC 30V 10A까지 사용 가능하다고 되어 있으나 이의 절반 정도의 전력을 사용하는 것이 좋고, 큰 전력을 사용할 때에는 릴레이의 용량에도 주의해서 선정해야 한다.

릴레이의 장단점

- 릴레이는 단순 구조로 가격도 저렴하고  교류,직류 구분없이 사용할 수 있어 간편하게 사용할 수 있지만,

- 매번 기계적으로 스위치를 작동 시키는 방식이기 때문에 작동될 때 철컥하는 잡음이 발생되고 오래 사용하게 되면 접점부위가 마모되어 고장날 수도 있다.

아두이노와의 연결

위와 같이 제어부분 VCC,GND 전원과, S 신호선을 아두이노 디지털 출력핀에 연결하고

전력부분은 NO 과 Common을 통해 전력이 연결되도록 연결한다.

샘플프로그램

int relay = 2; void setup () { pinMode (relay, OUTPUT); } void loop () { digitalWrite (relay, HIGH); // relay conduction; delay (5000); digitalWrite (relay, LOW); // relay switch is turned off; delay (5000); }

1 line : 릴레이에 신호를 보낼 디지털 출력핀

8~11 line : 5초간 가동시키고 5초간 정지시키는 것을 반복한다.

브레드보드에 점퍼선으로 임시회로를 구성하는 것은 실습에는 간편하지만 조금만 잘못 움직여도 선이 뽑히거나 접촉불량이 발생하는 등 내구성이 없다. 그래서 실제 사용하는 기기 회로로 제작하려면 튼튼하게 납땜작업을 해야 한다.

동일한 회로를 대량으로 제작할 때에는 배선까지 미리 연결된 형태의 전용PCB를 설계해서 제작해야 하지만, 한두개 시험적으로 제작할 때에는 만능기판을 활용해서 수작업으로 전선 납땜하는 방식이 사용된다.     

만능기판의 종류 :

- 크기는 2x8cm 작은 사이즈에서 15x20cm 까지 다양한 크기들이 있으므로 회로 규모에 따라 선택할 수 있다.

- 기판 소재에 따라 페놀 수지형과 에폭시 형이 있고, 한 쪽면에서만 납땜 가능한 단면형과 양쪽 아무곳에서나 납땜가능한 양면형이 있는데 페놀수지 단면형이 저렴하고 에폭시 양면형이 조금 더 비싸다.

다음과 같이 부드러운 소재로 되어 있어 가위로 임의대로 잘라서 사용할 수 있는 만능기판도 있다.

그리고 다음과 같이 브레드보드와 똑같이 생긴 만능기판도 있는데, 브레드보드에서 구성했던 임시회로 모양 그대로 납땜을 할 수 있고 전원용 라인이 길게 연결되어 있어 브레드보드의 장점을 살릴 수도 있다.

 사용방법

1) 부품의 배치 : 양면기판 위에 연결하고자 하는 부품들을 배치해서 꽂아 본다. 부픔의 배치 모양에 따라 배선 연결작업이 복잡해 질 수도 있고 단순해질 수도 있으므로 부품 배치 모양을 잘 구성해야 한다. 

2) 부품이 배치된 면의 반대쪽 뒷면에 전선이나 납을 이용해서 납땜해서 회로를 구성한다. 배선이 겹치지 않을 경우 기판 에 바로 납땜할 수 있지만 배선이 겹치게 되면 별도 전선을 이용해서 연결해야 한다.

3) 한번 남땜하면 다시 해체하기 힘들기 때문에 아두이노 보드와 같은 경우 아래와 같이 핀소켓을 납땜하고 아두이노 보드를 착탈식으로 하는 것이 좋다. 아두이노 보드가 고장이 나서 교체할 경우도 있고 나중에 비싼 아두이노 보드만을 빼서 다른 용도로 활용할 수도 있다.      

주의사항 : 가혹 만능기판 중에는 홀과 홀사이의 간격이 2.54mm가 아닌 경우도 있다. 아두이노 실습용으로는 홀간 간격이 2.54mm인 것을 구매해야 사용하기 편하므로 구매시 이를 확인해 보아야 한다.