초음파센서란 무엇인가?

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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. 

 

 

 

 

초음파센서 사용방법

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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 making

브레드 보드

1. 오렌지보드의  5V핀을 브레드보드의 +버스에 연결합니다.

2. 오렌지보드의 GND핀을 브레드보드의 -버스에 연결합니다.

3. 초음파센서를 그림과 같이 세로로 꽂습니다.

4. LED를 애노드(긴 단자)가 아래쪽으로 향하게하여 꽂습니다.

5. LED의 애노드에 330Ω 저항을 연결합니다.

6. 초음파센서의 Vcc단자를 +버스에 연결합니다.

7. 초음파센서의 Trig단자를 오렌지보드 8번핀에 연결합니다.

8. 초음파센서의 Echo단자를 오렌지보드 9번핀에 연결합니다. 

9. 초음파센서의 Gnd단자를 -버스에 연결합니다.

10. LED 애노드와 연결된 저항을 오렌지보드 A0번핀에 연결합니다.

11. LED 캐소드(짧은)를 -버스에 연결합니다.

 

 

소프트웨어 coding

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1. /*
2.  제목    : 초음파센서로 거리 측정하기
3.  내용   : 초음파센서로부터 10cm 이내로 물체가 감지되었을때 LED가 켜지도록 만들어 봅시다.
4.  */
5.  
6. // 초음파센서의 송신부를 8번핀으로 선언하고 수신부는 9번핀으로 선언합니다.
7. int trig = 8;
8. int echo = 9;
9.  
10. // LED를 A0핀으로 설정합니다.
11. int led = 3;
12.  
13. // 실행시 가장 먼저 호출되는 함수이며, 최초 1회만 실행됩니다.
14. // 변수를 선언하거나 초기화를 위한 코드를 포함합니다.
15. void setup() {
16.   // 초음파센서의 동작 상태를 확인하기 위하여 시리얼 통신을 설정합니다. (전송속도 9600bps)
17.   Serial.begin(9600);
18.   //초음파 송신부-> OUTPUT, 초음파 수신부 -> INPUT,  LED핀 -> OUTPUT
19.   pinMode(trig, OUTPUT);
20.   pinMode(echo, INPUT);
21.   pinMode(led, OUTPUT);
22. }
23.  
24. // setup() 함수가 호출된 이후, loop() 함수가 호출되며,
25. // 블록 안의 코드를 무한히 반복 실행됩니다.
26. void loop() {
27.   digitalWrite(trig, LOW);
28.   digitalWrite(echo, LOW);
29.   delayMicroseconds(2);
30.   digitalWrite(trig, HIGH);
31.   delayMicroseconds(10);
32.   digitalWrite(trig, LOW);
33.  
34.   unsigned long duration = pulseIn(echo, HIGH);
35.  
36.   // 초음파의 속도는 초당 340미터를 이동하거나, 29마이크로초 당 1센치를 이동합니다.
37.   // 따라서, 초음파의 이동 거리 = duration(왕복에 걸린시간) / 29 / 2 입니다.
38.   float distance = duration / 29.0 / 2.0;
39.  
40.   // 측정된 거리 값를 시리얼 모니터에 출력합니다.
41.   Serial.print(distance);
42.   Serial.println("cm");
43.  
44.   // 측정된 거리가 10cm 이하라면, 아래의 블록을 실행합니다.
45.   if (distance < 10) {
46.     // LED가 연결된 핀의 로직레벨을 HIGH (5V)로 설정하여, LED가 켜지도록 합니다.
47.     digitalWrite(led, HIGH);
48.   }
49.   // 측정된 거리가 10cm 이상이라면, 아래의 블록을 실행합니다.
50.   else {
51.     // LED가 연결된 핀의 로직레벨을 LOW (0V)로 설정하여, LED가 꺼지도록 합니다.
52.     digitalWrite(led, LOW);
53.   }
54.   // 0.2초 동안 대기합니다.
55.   delay(200);
56. }

 

TIP pulseIn에서 In은 LN이 아닌 IN입니다.

 

 

 

 

 

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

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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.