남보공방

본 프로젝트는 아두이노 피지컬코딩(Physical Coding)의 사례로써,아두이노 전반에 대해 실습해 보고 실생활에서 활용할 수 있는 작품 하나를 완성해 보는 과정이다.

즉, 단편적으로 몇가지 기능들을 실습해 보거나 몇몇기능을 연결해서 RC자동차같은 장난감을 제작해 보는 것이 아니라

-LED불켜기 부터 시작해서  LCD화면에 정보 표시하기,사용자로부터 입력받기,릴레이로 모터 제어하기 등 아두이노로 할 수 있는 기능들을 폭넓게 전반적으로 경험해 보고
-생활에서 실제 사용할 수 있는 수준의 스마트자동급수시스템을 제작하기 위해 필요한 기능들을 하나씩 하나씩 구현하여 완성해 가는 과정을 직접 경험해 볼 수 있도록 구성되어 있다.

1. 소요되는 사전지식 : 기본적인 C 언어 사용방법은 이미 알고 있다고 가정한다. 즉, 스크래치 등으로 코딩의 기본구조를 이해하고, 각각의 요소들이 C언어로는 어떻게 표현되는지 기본지식이 있는 사람이 다음 단계로서 프로그램이 어떻게 사물을 제어하는지 즉, 피지컬컴퓨팅 배우고자 하는 경우에 적합하다.

2. 소요되는 시간 : 총 14개 과정으로 구성되어 있고, 각각은 30분~1시간정도의 시간이 소요되므로 1주일에 1시간씩 한학기 과정으로 적당하고,  개인이 연속해서 제작한다면 2~3일정도 소요된다.

저항(Registor)는 아두이노 회로를 구성할 때 가장 흔하게 사용하는 부품으로서 전기의 흐름을 방해하여 전류량을 제한하기 위해 사용한다. 어떤 물질의 전기저항값은 물질의 종류,단면적,길이,온도에 따라 차이가 발생하므로 원하는 저항 값을 구현하기 위해 여러 방법이 있고 방법마다 고유 특성이 있기 저항기의 종류는 매우 다양하다. 아두이노 메이킹활동에서 일반적으로 많이 사용하는 저항기의 유형은 다음과 같다.  

고정저항기

1)탄소피막 저항기

가장 흔하게 사용되는 저가형 저항으로서 세라믹막대에 탄소분말을 피막형태로 입힌 형태이다. 가격은 가장 저렴하지만 보통 오차율이 5%정도로서 높은 편이고 전류의 잡음도 큰 편이다. 보통 노란색 바탕에 색띠가 4개 인데 저항의 값을 표시하는 방법은 다음과 같다.

즉, 다음과 같은 색깔의 저항일 경우 차례대로 녹색(5),검정(0) 빨강(100) 이므로 50 x 100 즉 5000옴( 5k옴 )이고 오차는 5% 이다.

2)금속피막 저항기

세라믹막대에 탄소피막 대신 니켈,니크롬 등의 합금금속을 사용한 저항기로서 오차율은 1% 정도로 정밀한 편이고 고주파 특성이 좋아 디지털회로 구성에 많이 사용한다. 보통 하늘색 바탕에 색띠가 5개인데 저항의 값을 표시하는 방법은 다음과 같다.

즉 다음과 같은 경우 빨강(2), 주황(3), 보라(7), 검정(1) 이므로 237 X 1 즉 237옴이고 오차율은 갈색이므로 1%이다.  

 3)시멘트저항

저항체를 시멘트에 몰딩시켜 제작한 고정저항기로서 습도 및 고온에 강하므로 큰 전력 환경에서 사용하기 위한 것이다. 즉 피막저항기의 경우 허용 전력이 1/4Watt ~ 1/8Watt인데 반해 시멘트저항은 허용전력이 5~20 Watt에 이른다. 시멘트 저항기의 경우 허용전력과 저항값이 표면에 직접 인쇄되어 있다.

4) 칩저항

칩자힝은 칩 모양으로 작게 제작한 고정저항기로서 기판 표면에 자동으로 납떔하여 소형의 회로를 대량생산 제작할 떄 사용된다.  크기가 아주 작기 때문에 수작업으로 회로를 자작할 때에는 숙련된 납땜기술이 없으면 사용하기 힘들다.

칩저항의 값 표시는 컬러띠가 아닌 문자로 표기하는데 자릿수나 소숮점 위치 표시방법에 따라 조금씩 다른데 몇가지 예는 다음과 같다.

가변 저항기

가변 저항기는 저항의 값을 바꿀수 있는 형태의 저항기로서 대표적인 것이 스피커의 음량을 조절하는 볼륨다이얼이다. 

반고정 저항기

반고정 저항기는 수시로 저항값을 바꾸는 용도가 아닌 회로기판에 장착해서 회로의 동작점을 한번 조정하고 그후에는 변경할 필요가 없는 경우에 사용된다. 따라서 저항값을 조정하는 손잡이가 없이 소형 드라이버 등으로 조절하는 방식으로 되어 있고 소형화되어 있다.

공기정화시 본체

공기정화기의 본체는 제작이라고 할 것도 없이 강력 에어서귤레이터와 헤파필터를 구매해서 부착시키기만 하면 된다.

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마침 위 두가지를 한꺼번에 판매하는 사이트가 있어 일괄로 구매했는데 비용은 12만원 정도 소요된다. 구매할 때 당시 에는 헤파 필터가 사각형 밖에 없었는데 최근에는 원형으로 된 헤파필터도 있어 좀 더 깔끔하게 에어 서큘레이터에 부착할 수 있게  되었다.   

구매한 사이트 :  https://smartstore.naver.com/mdhong/products/2649155354

시스템 제작

공기정화기 자체는 위와 같이 간단히 구성되었지만 원하는 기능을 구현하기 위해 다음과 같은 제어 판을 구성하였다.

1. ON-OFF 자동제어용 기능  

  -공기정화기를 가동시킬 FAN의 POWER를 ON시키는 기준이 될 미세먼지 농도 수치 그리고 이 수치를 조정할 수 있는 UP/DOWN용 스위치 

 -공기정화기를 가동시킬 FAN의 POWER를 OFF시키는 기준이 될 미세먼지 농도 수치 그리고 이 수치를 조정할 수 있는 UP/DOWN용 스위치 

 -즉, ON 기준 수치가 50이고 OFF 기준 수치가 20이라면 실내공기 미세먼지 농도가 50 uG이상이 되면 FAN이 자동으로 켜져 공기 정화가 시작되고 공기가 정화되어 20uG미만이 되면 자동으로 꺼진다. 

2. 공기정화 효과 확인용 기능

-FAN으로 유입되기 공기 즉 헤파필터를 거치기 전 미세먼지 농도를 측정하여 입력으로 표시하고 헤파필터로 부터 나오는 공기의 미세먼지 농도를 출력으로 표시한다. 

-그리고 입력되는 미세먼지 농도와 출력되는 미세먼지 농도를 비교하여 제거 효율을 퍼센트 단위로 표시한다.

3. 시스템 회로 구성

-제어용 MCU는 아두이노 메가 2560기종을 사용했다.

-미세먼지 센서는 PMS 7003 두개을 공기 입력측과 출력측에 각각 부착했다.

-각종 수치 디스플레이용으로는 7-segment Display (TM1637)을 5개 사용했다.

-ON/OFF 제어 수치 조정용으로는 4개의 택트 스위치를 사용했다.

-두개의 RGB LED (WS2812)를 이용하여 입력되는 공기의 미세먼지 농도와 출력되는 미세먼지 농도를 컬러로 표시하였다. 

-에어 서큘에이터 전원은 릴레이를 통해 연결하여 FAN 파워를 ON/OFF 하였다.  

 #include <SevenSegmentTM1637.h> #include <EEPROM.h> #include <Adafruit_NeoPixel.h> //Adafruit_NeoPixel RGB = Adafruit_NeoPixel(LEDNUM, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800); Adafruit_NeoPixel RGBi = Adafruit_NeoPixel(1, 48, NEO_GRB + NEO_KHZ800); Adafruit_NeoPixel RGBo = Adafruit_NeoPixel(1, 42, NEO_GRB + NEO_KHZ800); #define START_1 0x42 #define START_2 0x4d #define DATA_LENGTH_H 0 #define DATA_LENGTH_L 1 #define PM1_0_ATMOSPHERE_H 8 #define PM1_0_ATMOSPHERE_L 9 #define PM2_5_ATMOSPHERE_H 10 #define PM2_5_ATMOSPHERE_L 11 #define PM10_ATMOSPHERE_H 12 #define PM10_ATMOSPHERE_L 13 #define PM2_5_PARTICLE_H 16 #define PM2_5_PARTICLE_L 17 #define VERSION 26 #define ERROR_CODE 27 #define CHECKSUM 29 byte bytCount1 = 0; byte bytCount2 = 0; int PM01; int PM25; int PM10; int PT25; unsigned int pt_in; unsigned int pt_out; unsigned char chrRecv; unsigned char chrData[30]; // TM1637 tm1637(CLK,DIO); SevenSegmentTM1637 disp_in(45,47); SevenSegmentTM1637 disp_fil(39,41); SevenSegmentTM1637 disp_out(33,35); SevenSegmentTM1637 disp_on(27,29); SevenSegmentTM1637 disp_off(51,53); char strTmp[5]; int BtnOnUp = A2; int BtnOnDown = A3; int BtnOffUp = A6; int BtnOffDown = A7; int8_t dgt[] = {0x00,0x00,0x00,0x00}; int val_in = 0; int val_out = 0; int val_fil; int val_on = 50; int val_off = 20; int stateRun = 0; int ifact = 0; unsigned long lVal; const int pinRelay = 52; const int pinLED = 23; unsigned long tmPressed2 =0; unsigned long tmPressed3 =0; unsigned long tmPressed4 =0; unsigned long tmPressed5 =0; int intSEG = 10; int intLED = 30; unsigned int GetPM_Data(unsigned char chrSrc[], byte bytHigh, byte bytLow) { return (chrSrc[bytHigh] << 8) + chrSrc[bytLow]; } void EEPROMWrite() { EEPROM.write(1, val_on); EEPROM.write(3, val_off); // EEPROM.commit(); } void procIntOff (){ detachInterrupt(2); detachInterrupt(3); detachInterrupt(4); detachInterrupt(5); EIFR |= ( 1 << INTF2 ); EIFR |= ( 1 << INTF3 ); EIFR |= ( 1 << INTF4 ); EIFR |= ( 1 << INTF5 ); } void procIntOn (){ attachInterrupt(2, procBtnOnUp, FALLING); attachInterrupt(3, procBtnOnDown, FALLING); attachInterrupt(4, procBtnOffUp, FALLING); attachInterrupt(5, procBtnOffDown, FALLING); } void procBtnOnUp(){ while (digitalRead(21 ) == LOW) { _delay_ms(200); if ( digitalRead(21 ) == LOW ) { if ( val_on < 249 ) { digitalWrite(pinLED, HIGH); val_on = val_on + 1; sprintf(strTmp,"%4d",val_on); disp_on.print(strTmp); EEPROMWrite(); digitalWrite(pinLED, LOW); } } } } void procBtnOnDown(){ while (digitalRead(20 ) == LOW) { _delay_ms(200); if ( digitalRead(20 ) == LOW ) { if ( val_on > 10 ) { digitalWrite(pinLED, HIGH); val_on = val_on - 1; sprintf(strTmp,"%4d",val_on); disp_on.print(strTmp); EEPROMWrite(); digitalWrite(pinLED, LOW); } } } } void procBtnOffUp(){ while (digitalRead(19 ) == LOW) { _delay_ms(200); if ( digitalRead(19 ) == LOW ) { if ( val_off < 249 ) { digitalWrite(pinLED, HIGH); val_off = val_off + 1; sprintf(strTmp,"%4d",val_off); disp_off.print(strTmp); EEPROMWrite(); digitalWrite(pinLED, LOW); } } } } void procBtnOffDown(){ while (digitalRead(18 ) == LOW) { _delay_ms(200); if ( digitalRead(18 ) == LOW ) { if ( val_off > 1 ) { digitalWrite(pinLED, HIGH); val_off = val_off - 1; sprintf(strTmp,"%4d",val_off); disp_off.print(strTmp); EEPROMWrite(); digitalWrite(pinLED, LOW); } } } } void setup(){ Serial.begin(115200); Serial.println("PMS sensor Ready to go"); Serial2.begin(9600); Serial3.begin(9600); disp_in.begin(); disp_fil.begin(); disp_out.begin(); disp_on.begin(); disp_off.begin(); disp_in.setBacklight(intSEG); disp_fil.setBacklight(intSEG); disp_out.setBacklight(intSEG); disp_on.setBacklight(intSEG); disp_off.setBacklight(intSEG); // disp_fil.point(POINT_ON); RGBi.begin(); RGBo.begin(); pinMode(pinRelay, OUTPUT); digitalWrite(pinRelay, LOW); pinMode(pinLED, OUTPUT); digitalWrite(pinLED, LOW); RGBi.setPixelColor(0, intLED, 0, 0); RGBi.show(); delay(1000); RGBi.setPixelColor(0, 0, 0, 0); RGBi.show(); RGBo.setPixelColor(0,0, 0, intLED); RGBo.show(); RGBo.setPixelColor(0, 0, 0, 0); RGBo.show(); sprintf(strTmp,"%4d",val_on); disp_on.print(strTmp); sprintf(strTmp,"%4d",val_off); disp_off.print(strTmp); disp_in.print("...1"); disp_fil.print("...2"); disp_out.print("...3"); pinMode(18,INPUT_PULLUP); pinMode(19,INPUT_PULLUP); pinMode(20,INPUT_PULLUP); pinMode(21,INPUT_PULLUP); procIntOn(); EEPROM.begin(5); int val1 = EEPROM.read(1); if ( val1 > 0 && val1 < 250 ) val_on = val1; int val2 = EEPROM.read(3); if ( val2 > 0 && val2 < 250 ) val_off = val2; } void disp_per ( int ival ) { int val = ival; dgt[0] = val / 1000; dgt[0] = disp_fil.encode(dgt[0]); val = val % 1000; dgt[1] = val / 100; dgt[1] = disp_fil.encode(dgt[1]) | B10000000; val = val % 100; dgt[2] = val / 10; dgt[2] = disp_fil.encode(dgt[2]); dgt[3] = val % 10; dgt[3] = disp_fil.encode(dgt[3]); disp_fil.printRaw(dgt); } void loop() { Serial.println("LOOP start"); pt_in = 0; pt_out= 0; if (Serial2.available()) { for(int i = 0; i < 32; i++) { chrRecv = Serial2.read(); // Serial.print("=rd"); if (chrRecv == START_2 ) { // Serial.println("bt1"); bytCount1 = 2; break; } } if (bytCount1 == 2) { bytCount1 = 0; for(int i = 0; i < 30; i++) { chrData[i] = Serial2.read(); } if ( (unsigned int) chrData[ERROR_CODE] == 0 ) { // PM01 = GetPM_Data(chrData, PM1_0_ATMOSPHERE_H, PM1_0_ATMOSPHERE_L); val_in = GetPM_Data(chrData, PM2_5_ATMOSPHERE_H, PM2_5_ATMOSPHERE_L); // PM10 = GetPM_Data(chrData, PM10_ATMOSPHERE_H, PM10_ATMOSPHERE_L); pt_in = GetPM_Data(chrData, PM2_5_PARTICLE_H, PM2_5_PARTICLE_L); ifact = pt_in / ( val_in + 1) ; Serial.print("ifact="); Serial.print(ifact); Serial.print(",val_in="); Serial.print(val_in); Serial.print(",pt="); Serial.println(pt_in); if ( ifact < 10 || ifact > 80 ) { pt_in = 0; disp_in.print(" ERR"); } else { sprintf(strTmp,"%4d",val_in); disp_in.print(strTmp); } } else{ disp_in.print("FAIL"); Serial.println("myPMS_1 ERROR"); pt_in = 0; } } } else{ disp_in.print(" NO "); Serial.println("myPMS_1 NOT available"); } if (Serial3.available()) { for(int i = 0; i < 32; i++) { chrRecv = Serial3.read(); if (chrRecv == START_2 ) { bytCount2 = 2; break; } } if (bytCount2 == 2) { bytCount2 = 0; for(int i = 0; i < 30; i++) { chrData[i] = Serial3.read(); } if ( (unsigned int) chrData[ERROR_CODE] == 0 ) { // PM01 = GetPM_Data(chrData, PM1_0_ATMOSPHERE_H, PM1_0_ATMOSPHERE_L); val_out = GetPM_Data(chrData, PM2_5_ATMOSPHERE_H, PM2_5_ATMOSPHERE_L); // PM10 = GetPM_Data(chrData, PM10_ATMOSPHERE_H, PM10_ATMOSPHERE_L); pt_out = GetPM_Data(chrData, PM2_5_PARTICLE_H, PM2_5_PARTICLE_L); // val_out = PM25; ifact = pt_out / ( val_out + 1) ; if ( ifact < 10 || ifact > 80 ) { pt_out = 0; disp_out.print(" ERR"); } else { sprintf(strTmp,"%4d",val_out); disp_out.print(strTmp); } } else{ disp_out.print("FAIL"); Serial.println("myPMS_2 ERROR"); pt_out = 0; } } } else{ disp_out.print(" NO "); Serial.println("myPMS_2 NOT available"); } if ( pt_in > 0 && pt_out > 0) { // Serial.print("val_in=");Serial.print(val_in);Serial.print(",val_out=");Serial.println(val_out); if ( pt_in > pt_out ) { float lVal = (float) (pt_in - pt_out) / (float) pt_in; val_fil = (int) (lVal * 10000); } else { val_fil = 0; } sprintf(strTmp,"%4d",val_on); disp_on.print(strTmp); sprintf(strTmp,"%4d",val_off); disp_off.print(strTmp); Serial.print("val_fil="); Serial.println(val_fil); if ( val_in > 100 ) { RGBi.setPixelColor(0, intLED, 0, 0); } else if (val_in > 50 ) { RGBi.setPixelColor(0, intLED, intLED, 0); } else if (val_in > 20 ) { RGBi.setPixelColor(0, 0, intLED, 0); } else { RGBi.setPixelColor(0, 0, 0, intLED); } RGBi.show(); if ( val_in > val_on && stateRun == 0 ) { stateRun = 1; digitalWrite(pinRelay, HIGH); } if ( val_in < val_off && stateRun == 1 ) { stateRun = 0; digitalWrite(pinRelay, LOW); } if ( stateRun == 1 ) { RGBo.setPixelColor(0, 0, 0, 0); RGBo.show(); disp_out.print(" "); disp_per(val_fil); disp_fil.blink(); } else{ // digitalWrite(pinLED, LOW); disp_fil.print(" OFF"); } if ( val_out > 100 ) { RGBo.setPixelColor(0, intLED, 0, 0); } else if (val_out > 50 ) { RGBo.setPixelColor(0, intLED, intLED, 0); } else if (val_out > 20 ) { RGBo.setPixelColor(0, 0, intLED, 0); } else { RGBo.setPixelColor(0, 0, 0, intLED); } RGBo.show(); sprintf(strTmp,"%4d",val_out); disp_out.print(strTmp); } else { Serial.println("Error Date skipped"); } Serial.println("===================================="); delay(1000); }

시스템 제작 및 사용 후기  

-실제 운영해 보면 헤파필터로 출력되는 공기의 미세먼지 농도는 가동 초기에는 입력 공기의 농도와 비슷하다가 곧 바로 떨어져 0로 표시된다. 따라서 처리효율이 100%가 되어 버리기 때문에 이를 정확히 계산하기 위해서 PMS7003 센서 정보 중에서 마이크로그램 단위가 아닌 파티클 갯수 정보를 사용했다.  즉, PMS 7003 미세먼지 센서에서는 미세먼지 파티클의 갯수를 기준으로 농도를 계산하여 출력해 주지만 동시에 계산에 사용된 파티클의 갯수도 제공되는데 미세먼지 농도가 0uG이라고 해도 파티클의 갯수는 0~200의 수치로 구분되므로 이를 이용하면 정교한 계산을 할 수 있다   

-헤파필터에서 출력되는 공기의 미세먼지 수치는 0로 곧바로 낮아 지지만 입력측 공기의 농도는 생각보다 쉽게 낮아 지지 않고 서서히 낮아진다. 즉 실내 공기 전체를 정화하는데에는 상당한 시간이 필요하다.  

-시스템을 만들어 놓고 보니 99%의 미세먼지를 정화시키는 효과를 직접 수치로 확인할 수 있어 속이 시원하고 실제로 공기중 미세먼지가 99% 제거되고 있다는 믿음이 간다.