개요

1)초음파 센서란 무엇인가?

 

인간의 들을 수 있는 소리의 영역(가청영역)은 약 20~20000Hz 사이 이며, 이 가청영역의 주파수보다 더 높은 음을 초음파(Ultrasonic)라고 합니다.
강아지의 가청영역은 15~50000Hz이며, 돌고래의 경우 150~150,000Hz이니 인간이 듣지 못하는 소리를 동물들은 들을 수 있습니다.
 

초음파의 속도는 일반 공기중에서 약 340m/s이며, 파동의 성질인 확산, 흡수, 산란 등에 의해 감쇠하는 성질을 가지고 있습니다. 

초음파 센서는 이미 로봇 청소기 같은 가전제품에서부터 자동차의 감지 센서, 초음파 탐지기 등 의료용, 산업용에 이르기까지 매우 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
 

 

이 예제에서 사용된 초음파 센서는 약 40KHz 정도의 주파수를 생성하며, 최대 4~5m정도까지의 거리를 측정할 수 있습니다.
 

거리측정을 위한 초음파 센서는 송신부와 수신부로 나뉘어져 있으며, 송신부에서 일정한 시간의 간격을 둔 짧은, 초음파 펄스를 방사하고, 대상물에 부딪혀 돌아온 에코 신호를 수신부에서 받아, 이에 대한 시간차를 기반으로 거리를 산출합니다.
이를 통해 장애물의 유무, 물체의 거리 또는 속도 등을 측정할 수 있습니다.
 

초음파를 발생시키는 원리는 피에조 부저가 소리나는 원리인 피에조효과(압전효과)와 같습니다. 

 

 

 

 

2)초음파 센서 사용 방법

초음파 센서의 송신부(Trig)에서 일정한 시간의 간격을 둔 짧은, 초음파 펄스를 방사하고, 대상물에 부딪혀 돌아온 에코 신호를 수신부(Echo)에서 받아, 이에 대한 시간차를 기반으로 거리를 산출합니다.

1cm를 이동하는데 걸리는 시간은 다음과 같이 구할 수 있습니다.



따라서, t = 2 * 0.01 / 340 = 58.824µs 로, 초음파가 1cm를 이동하는데 걸리는 시간은 약 29µs가 걸리며, 초음파가 반사된 물체와의 거리는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

거리(cm) = duration (왕복에 걸린시간) / 29 / 2 (왕복)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

부품 목록

NO	부품명	수량	상세설명
1	오렌지 보드	1
2	초음파 센서	1	HC-SR04
3	LED	1	LED(RED)
4	330Ω 저항	1
5	브레드 보드	1
6	점퍼 케이블	8

 

부품명	오렌지 보드	초음파 센서	LED
파트

 

 

부품명	330Ω 저항	브레드 보드	점퍼 케이블
파트

 

 

 

 

 

 

 

 

하드웨어 연결

브레드 보드

1. 초음파센서를 그림과 같이 세로로 꽂습니다.
2. 초음파센서의 맨 위 쪽 핀을(VCC) 오렌지보드 5V핀에 연결합니다.

3. 초음파센서의 맨 아래쪽 핀을(GND) 오렌지보드 GND핀에 연결합니다.

4. 초음파센서의 두번째 핀을(Echo) 오렌지보드 D9번핀에 연결합니다.

5. 초음파센서의 세번째 핀을(Trig) 오렌지보드 D8번핀에 연결합니다.

6. LED의 긴 다리가(+극) 아래쪽을 향하도록 꽂습니다.

7, LED의 긴 다리에 330Ω 저항을 연결합니다.

8. 저항의 반대쪽을 오렌지보드 D3번핀에 연결합니다.

9. LED의 짧은 다리를(-극) 오렌지보드 GND핀에 연결합니다.

 

 

 

 

 

 

 

소프트웨어 코딩

아래 코드는 초음파센서에서 거리가 10cm이하로 감지가 되면 LED가 켜지는 코드 입니다.

8번, 9번 핀에 연결된 초음파 센서 값을 측정 후 10cm보다 가까워지면 디지털 3번 핀에 연결된 LED의 불을 키고, 10cm 보다 멀어지면 LED의 불을 끕니다.

이를 계속 반복해줌으로써 초음파센서를 이용하여 LED의 On/Off 제어를 하게 됩니다.

 

 

 

<오렌지보드 초음파센서로 LED On/Off 제어하기 코드>

 

 

 

 

 

상세설명

trig핀과 echo핀

 

초음파센서에서는 2가지의 신호 제어핀이 있습니다. 바로 trig핀과 echo핀인데요.

두 역할을 확실히 이해한다면 코드를 읽기 좀 더 수월합니다.

 

trig핀은 초음파를 쏘는 역할을 하기 때문에 아두이노 입장에서는 출력의 역할을 하는 핀이고 그렇기 때문에 pinMode(trig,OUTPUT);을 선언합니다.

반대로 echo핀은 초음파를 받아들이는 역할이므로 pinMode(echo,INPUT);이 됩니다.

 

 

loop()에서는 처음에 trig, echo핀 모두 LOW신호를 줌으로써 아무 동작도 하지않는 초기화상태를 만듭니다.

 

1.   digitalWrite(trig, LOW);
2.   digitalWrite(echo, LOW);
3.   delayMicroseconds(2);

 

 

 

 

그 후에 trig핀에 신호를 10us만큼 주게 되는데 이 신호는 초음파를 발사하는 신호가 아닙니다.

 

1.   digitalWrite(trig, HIGH);
2.   delayMicroseconds(10);
3.   digitalWrite(trig, LOW);

 

 

 

데이터시트를 확인하게 되면 trig핀에 10us만큼 신호가 들어가게 되면 그 다음에 8번의 초음파가 발사됩니다.

초음파를 쏘기 위한 사전 신호로 보시면 됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

그 후에는 pulseIn()함수를 통해 초음파가 장애물에 부딪혀서 돌아온 왕복 시간을 측정하게 됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

pulseIn()함수

 

pulseIn()함수는 특정 시간을 측정하기 위해 사용하는 함수 입니다.

 

pulseIn(3,HIGH)라면 3번핀이 HIGH신호를 유지하고 있는 동안의 시간을 측정하게됩니다.

LOW->HIGH로 바뀔때 시간측정을 시작하고 HIGH->LOW로 바뀌는 순간 시간 측정을 중지합니다.

 

위 코드에서는  unsigned long duration = pulseIn(echo, HIGH); 이기 때문에

 

echo핀이 HIGH신호를 유지하고 있는 동안의 시간을 측정하게 됩니다.

 

 

 

코드 실행

 

위 코드를 실행시키면 초음파로 거리를 측정하고 측정된 거리에 따라 10cm를 기준으로 10cm보다 적을 경우 LED를 켜고

10cm보다 멀면 LED를 끕니다.

 

 

 

 

 

초음파센서를 활용한 프로젝트

자동으로 열리는 스마트 휴지통 만들기

 

초음파센서는 전방에 있는 장애물을 감지하여 거리값을 반환하는데 이 특성을 이용하여

손을 인식하면 자동으로 열리는 스마트 휴지통을 만들었습니다.

 

휴지통에 만지면서 열고 닫고가 찜찜할 때 초음파센서를 부착하면 자동으로 열리게 됩니다.