회로설계
기초 전자회로
직류(DC)와 교류(AC)
직류는 DC(Direct current)이며 이름에서 알 수 있는 것처럼 바로 흘러들어오는 다이렉트 전류입니다. 시간에 따라 극성의 크기와 방향이 일정한 전류를 말합니다.
반대로 교류는 AC(Alternating Current)로시간에 따라 극성의 크기와 방향이 주기적으로 변하는 전류입니다. 때문에 교류에서 전압과 전류파형은 일정주기가 되면 반복적인 파형을 그리게 되는데, 이 때 1초마다 반복되는 횟수를 주파수라고 합니다.
교류(AC)
교류는 변압기를 활용하여 전압을 변화시키는 것이 용이하고 발전기나 전동기를 구동하는 데에 있어 직류에 비해 편리하게 활용할 수 있습니다.
송전을 이용해 멀리보낼 수 있고, 흘러들어온 교류는 변압기를 사용해 변환하여 사용할 수 있습니다.
우리는 가정에서 220V의 콘센트를 통해 전기를 사용하고 있는데, 직류는 콘센트를 통해 송전하는 것이 어렵다보니 교류 형태로 우리에게 오게 됩니다.
전자제품을 손상없이 사용하기 위해서는 직류를 사용해야하지만 콘센트에서는 교류가 나오니 이 교류를 직류로 바꿔서 사용해야합니다. 이 떄 사용하는 것이 컨버터이며, 전자제품 사용 시에 함께 활용되는 어댑터가 컨버터의 예시입니다.
전류의 저장이 불가하기 때문에 배터리, ESS 등에서는 사용할 수 없어요. 일반 가정에서 쓰시는 220V의 콘센트가 이 교류 전압입니다. 기본적으로 일반 가정에는 교류 전류가 들어오기 때문에 DC를 사용해야하는 제품에는 컨버터가 들어갑니다. 컨버터가 교류를 직류로 변환시켜 전자제품을 사용할 수 있도록 도와주는 것이죠
직류(DC)
직류는 건전지나 태양광같은 전기에서 오는데, 다이오드나 트랜지스터와 같은 정류부품이 파형을 없애주기 때문에 파형이 일정하게 지속됩니다. 전자의 방향이 일정하기 때문에 전압의 크기도 일정하게 유지됩니다.
운리가 단순하기 때문에 설계하고 해석하는 입장에서도 단순하게 만들 수 있다는 장점이 있고 사용자 입장에서는 전자제품을 손상없이 사용할 수 있다는 장점이 있습니다.
또한 전류의 방향이 일정하기 때문에 배터리나 휴대나 저장이 편리합니다. 안정도가 높고 무효전력이 없다는 장점도 있어요.
하지만 많은 용량의 전기를 사용할 수 없다는 단점이 있으며 전압의 변경도 비교적 어려운 편입니다. 발전소에서 생산한 전기의 전압을 높여 장거리 송전을 하기에 변압이 어렵고, 교류로 변환하는 것 또한 쉽지 않아 송전 방면에서는 효율이 낮은 편입니다. 위에서 컨버터 이야기를 잠시했는데, 반대로 직류를 교류로 바꿔주는 장치를 인버터라고 합니다.
RFID 기술
#RFID (Radio Frequency Identification) 이란 전파를 이용해 먼 거리에서 정보를 인식하는 기술을 말합니다.단어는 생소할지언정 일상생활 속에 자주 사용되는 기술로 교통카드 태그나 도서관에서의 태그, 출입증, 호텔 키 등에 사용되고 있습니다. 월마트에서도 EPC RFID 태그를 사용하고 있지요.
RFID는 수신기인 리더와 물체에 부착하여 사용하는 태그로 구성되어있는데요, 태그는 식별해야할 대상에 부착되며 전파를 이용해 리더에 정보를 보내주는 역할을 합니다.
출입에 필요한 사원증을 예로 들자면, 사원증에는 태그가 부착이 되어 출근을 한 사원을 식별하고, 이 태그를 리더에 접촉하면 리더는 태그가 보낸 정보를 수신하는 것입니다.
(주)한국전자기술에서도 RFID를 이용하여 출퇴근 기록기를 자체적으로 제작한 적이 있습니다. 카드형태의 태그를 배분하고, 출퇴근 시 태그를 리더에 접촉시켜 출퇴근 시간과 대상을 기록하여 출퇴근관리에 활용했답니다.
RFID는 전파를 이용해 ID를 식별하고 정보를 처리하는 기술을 말하는데요, 우리가 잘 알고 있는 전자기 유도 방식을 활용해 통신합니다. 정보를 입력한 태그를 상품에 부착하여 리더에 접촉하면 태그는 데이터를 안테나로 전송하고, 안테나는 전송받은 데이터를 디지털 신호로 변환하여 리더에 전달합니다. 리더는 전달받은 정보를 해독하여 처리합니다.
RFID는 동력을 기준으로 수동형태그 / 반수동형 태그 / 능동형 태그로 구분됩니다.
수동형 태그는 전원공급이 없어 반영구적 수명을 가지고 있습니다. 하지만 가독 거리가 굉장히 짧아 거의 접촉해야 인식이 가능해요. 우리가 쓰는 교통카드나 출입카드가 이에 속합니다.
반수동형 태그는 짧은 인식거리를 개선하기 위해 자체적인 전원을 보유하고 있습니다.
능동형 태그는 최대 100m까지도 인식이 가능합니다. 반수동형 태그에 대비하여 인식거리를 훨씬 많이 늘렸으나 수명에 대한 제한은 좀 더 커졌어요. 하이패스가 이에 속합니다.
RFID는 종류에 따라 반영구적으로도 사용 가능하고 원거리 전달방식이기 때문에 비접촉으로도 인식이 가능합니다. 데이터의 신뢰도도 높고 공간 제약이 없어요. 데이터 변환 및 저장이 용이하고 보수비도 타 자동화 인식 장치대비 매우 저렴한 편입니다.
그러나 가격이 비싸고 정보 유출 가능성, 국가별 주파수 차이 문제와 프라이버시 침해 문제가 있습니다.
SPI 통신
제어기 안에는 IC(Integrated Chip)라는 칩들이 있습니다. 그 칩끼리 정보를 전달받기 위한 통신방식으로는 크게 SPI와 I2C 방식으로 나누어지는데 이 중 SPI 통신이란 양방향성을 가지는 통신방법입니다.
SPI 통신이란?
SPI(Serial Peripheral Interface)
SPI통신 이란 1:N로 통신할 수 있는 동기식 통신 프로토콜입니다.
통신방식은 크게 SPI와 I2C가 있다고 말씀드렸는데, 이 두가지 방법의 가장 큰 차이점은 I2C의 경우 한쪽에서 정보를 보내고 있을 때 다른 쪽에서는 수신만 가능하고 SPI 통신은 한쪽에서 정보를 전송중이더라도 다른쪽에서도 정보를 보낼 수 있다는 점이 가장 큰 차이점이 아닐까 싶습니다.
단, 양방향에서 동시에 정보를 보내려면 별도의 통신선을 통해 동작해야하기 때문에 SPI 통신에서는 총 4개의 선을 사용하게 됩니다. SCK / MOSI / MISO / SS 최소 본 네 개의 선이 필요한데, 하나씩 살펴보면 아래와 같습니다.
SCK : Clock 신호 선
MOSI : Master Out Slave In으로 마스터에서 출력, 슬레이브에서 송신받는 신호 선
MISO : Master In Slave Out으로 마스터로 들어오고 슬레이브에서 데이터가 나가는 신호 선
SS : Slave select로, 슬레이브를 선택하는 선
SS 선은 간혹 CS(Chip Select)로 표시된 것이 있으니 주의하시고 MOSI와 MISO는 반대방향으로 전송된다는 것을 확인해주세요.
선을 살펴보면 Master와 Slave가 반복적으로 보입니다. 마스터란, 송수신을 결정짓는 장치로 MCU 등이 해당됩니다. 반대로 슬레이브는 EEPROM이나 SD 카드 등이 해당될 수 있습니다. 마스터는 여러 슬레이브와 SS를 통해 연결해 각각의 통신이 가능합니다.
그림을 보시면 SCK 선은 SCK끼리, MOSI는 MOSI끼리, MISO는 MISO끼리 연결되어있는 것을 볼 수 있습니다. 단 SS는 슬레이브를 선택할 수 있는 스위치역할을 하기 때문에 마스터의 SS를 각 슬레이브와 연결하여 위쪽 슬레이브와의 통신 여부, 아래쪽 슬레이브와의 통신여부를 결정할 수 있습니다.
SPI 통신은 최대 Clock에 대한 제한이 없어 속도가 빠르고 양방향 통신이 가능하다는 장점이 있습니다. I2C 대비 소비 전력도 낮고 인터페이스 처리 과정이 간단하여 손쉽게 사용할 수 있습니다.
페라이트코어
페라이트 코어(EMC 코어라고도 합니다)란 페라이트라는 신소재를 활용해 제작한 부품으로, 케이블에 장착하여 사용할 수 있어요. 대표적으로 노트북 충전기에 달려있는 동그란 부품이 있습니다. 사이즈도 다양하고 형태도 다양합니다. 예시로 말씀드렸던 노트북 충전기의 페라이트 코어가 일반적인 형태이고 산업용으로는 사진에서 보시는 똑딱이 형태를 많이 쓰고 있어요. 전원 공급선에는 링코어라고 불리는 반지형태의 코어를 사용하고 링코어와 같은 형태이지만 고압케이블에 사용하는 나노코어도 있습니다. 사용하고자 하는 케이블의 두께에 따라 페라이트 코어의 스펙을 결정하여 구입하시면 됩니다.
페라이트 코어는 노이즈 제거를 목적으로 사용합니다. 노이즈를 걸러주게 되면 전달되는 신호 품질을 향상시킬 수 있어요. 전원 케이블, 오디오 케이블, 데이터 케이블 등에 부착하여 영상이나 데이터전송의 품질을 높일 수 있습니다. 스피커, 영상송출 모니터, 오디오, 라디오 등 음향이나 영상기기에 잡음이 발생했다면 간편하게 페라이트 코어를 달아보시는 것도 방법 중 하나입니다.
발전기를 통해 만들어진 전압은 우리에게 보급되기 위해 전압을 낮추거나 교류-직류 변환을 하는 등 여러 가지 과정을 거쳐 가정이나 산업현장으로 도달하는데 이 과정에서 노이즈가 발생하게 됩니다. 노이즈는 전자기기의 작동을 방해하기 때문에 제거해주는 게 맞습니다.
노이즈는 특정 주파수를 가지고 있어요. 이러한 특성을 이용해서 노이즈를 제거해줄 수 있습니다. 예를 들어 저주파 노이즈를 차단하고 싶을 땐 캐패시터 값을 높이는 페라이트 코어를 장착해 저주파 신호를 차단하여 노이즈를 제거할 수 있고 고주파 노이즈를 차단하고 싶을 때는 반대로 인덕턴스 값을 높이는 페라이트 코어를 장착하여 노이즈를 제거할 수 있어요.
PCB/아트웍
PCB란 인쇄회로기판으로, Printed circuit Board의 약자입니다.
회로설계 후 브레드보드와 점퍼선을 활용하여 동작을 확인하는 작업을 거쳤다면, 이러한 배선을 동판에 프린트한 것이 PCB 입니다. PCB를 사용하면 사이즈가 줄어들어 디자인 설계에 용이하고 제품을 경량화할 수 있으며 오류도 줄이고 양산성이 보장되기 때문에 실제 제품에는 꼭 필요한 작업입니다.
부품이 실장되지 않은 PCB를 베어보드(bare board) 또는 PCB라고 하며 부품이 모두 배치되어 있는즉, 동작을 하도록 제작된 PCB를 #PCBA 로 구분하기도 합니다.
이 때 PCB 위에 특정 부품을 솔더링(납땜)하는 기술을 #SMT 라고 해요. Surface Mounted Technology 표면 실장 기술의 약자입니다. 정리하면 PCB(혹은 베어보드) 에 SMT 작업을 하면 PCBA가 되어 비로소 기능 구현을 할 수 있게 되는 것이죠.
아트웍이란 PCB 회로기판에 부품을 배치하고 연결하는 배선 작업입니다. 아트웍 프로그램으로는 #PADS 가 통상적으로 많이 쓰이고 있는데요, OrCAD가 회로 설계에 특화되어 있듯이 PADS는 #Artwork 에 특화되어있는 프로그램입니다.
PCB 제작 프로세스를 보시면
[창업자/기업의 설계 의뢰] – 확정 기능 이해 – 회로설계 – 부품 선정 – Artwork – PCB 제작 및 수정
의 단계를 거치게 됩니다. 조금이라도 이해에 오차가 있다면 회로설계를 다시해야하는 경우가 발생할 수 있어 시간적/비용적으로 낭비가 많이 되기 때문에 회로설계 전 확정 기능에 대해서 커뮤니케이션을 나누고 문서화하는 것이 중요해요.
아두이노
아두이노란 코딩 을 통해 다양한 센서와 기기가 동작을 하도록 제어하는 작은 기판이에요. 코딩이라고 하니 어려운 것 같지만 초등학생부터 비전공자, 일반인까지 모두 어렵지 않게 할 수 있습니다. 아두이노 보드에 센서를 연결하여 센서들이 내가 원하는 동작을 할 수 있도록 해주는 착한 보드라고 생각하시면 됩니다.
아두이노는 C언어 를 기반으로 제작되는 프로그래밍 보드입니다. C언어란 컴퓨터에서 사용하는 언어를 말하는데, 미국에서 영어를 쓰고 한국에선 한국어를 쓰듯 컴퓨터에게 명령을 내릴 때 사용하는 언어에요.아두이노 통합개발환경 IDE를 설치해준 다음 필요한 센서들과 연결한 아두이노 보드를 컴퓨터와 연결해 코딩을 업로드해주면 센서가 동작하는 것을 보실 수 있습니다. 오픈소스로 이미 공개된 코드도 많이 있으니, 초보자분도 쉽게 하실 수 있어요.
아두이노에는 ATMEGA328이라는 마이크로컨트롤러가 내장되어 있습니다. 이 마이크로컨트롤러는 센서들이 알맞게 동작할 수 있도록 명령을 전달하고 제어하는 사람의 ‘뇌’같은 역할을 하고 있습니다. 하지만, 뇌만 있다고 모든 동작이 가능하진 않습니다. 우리 몸에서도 팔과 다리, 눈 등이 필요하듯 마이크로컨트롤러 외에도 필요한 부품들이 정말 많은데요, 이 부품들을 사용자가 직접 붙이지 않고 사용할 수 있도록 개발된 보드가 아두이노 보드입니다.
아두이노(Arduino)는 가격도 저렴하고 윈도우, 맥, 리눅스 .. 어떤 환경체제에도 설치가 가능하다는 장점이 있어요. 많이 대중화되어 있고 종류 또한 다양하기 때문에 개발 프로그램에 대한 오픈소스와 자료도 방대한 편입니다. 오픈소스 그대로 코딩한 것 같은데 동작하지 않더라도 *컴파일러를 통해 손쉽게 에러 부분을 캐치하여 수정할 수 있어요.
(*컴파일러는 문법이나 기능에 이상이 있는지 확인해주는 기능이에요. 컴파일 작업을 통해 오류를 발견하면 디버깅, 즉 수정작업을 거쳐주면 됩니다.)
이미 제작된 라이브러리를 통해 다양한 기능을 수행할 수 있으며 지원하는 센서의 범위도 굉장히 넓습니다. 뭐니뭐니해도 쉽고, 편리하다는 점이 가장 큰 장점이 아닐까 싶습니다. 기획한 제품을 간단히 만들어 기능을 테스트해보고 싶은 분들이나 코딩 초보자들에게는 제격인 셈이지요.
양산성을 고려하지 않기 때문에 PCB 설계가 완료되기 이전에 시제품제작을 할 경우 사용됩니다.
아두이노 종류
1. 아두이노 우노(Aruduino Uno)
6개의 아날로그 입력, 14개의 디지털 입출력과 USB, 파워잭, 리셋 버튼을 포함하고 있는 아두이노우노 입니다. 사용할 수 있는 입력 핀 개수가 많아 사용하고자하는 센서가 많을 경우 적합한 보드입니다. USB port를 이용해 컴퓨터와 연결하면 전원을 공급하면서 코딩도 할 수 있어요. 컴퓨터와 연결하지 않고 별도로 사용할 경우에는 AC-DC 어댑터 또는 배터리를 이용해 전원을 공급해주면 됩니다.
2. 아두이노 나노(Arduino Nano)
우노와 거의 같은 기능을 하지만 우노나 메가 보드에 비해 작은 크기를 가지고 있습니다. 때문에 제품의 소형화를 위해서 아두이노나노 를 사용하는 경우도 많이 있어요. 후속모델인 Nano 33 IoT는 와이파이 기능을 지원하고 Nano 33 BLE는 블루투스 기능을 지원하기도 합니다.
3. 아두이노 메가 2560(Arduino Mega 2560)
우노보다도 크기가 큰 아두이노메가 입니다. 다른 모델보다 메모리 용량이 크고, 크기가 큰 만큼 입출력 핀의 개수도 많습니다. 확장성이 높고 사용 센서 수가 많거나 다소 복잡한 프로젝트에서 활용하기 좋습니다.
4. 아두이노 마이크로(Arduino Micro)
아두이노마이크로 는 이름에서 알 수 있다시피, 작은 사이즈의 아두이노 보드입니다. 우노나 메가 보드에서 표준 USB 케이블을 사용하는 것과 달리 Micro-USB 케이블이 필요하다는 것에 주의해주시면 됩니다.
센서 종류
RGB LED
RGBLED는 빛의 3원색인 Red / Green / Blue 세가지 색을 이용해모든 색의 빛을 표현할 수 있는 광원입니다. Anode 타입과 Cathod 타입으로 구분되기 때문에 구입하실 때 타입과 핀 배열은 한 번 더 확인하셔야 합니다. 다리가 4개인 RGB LED와 달리 다리가 2개인 단색 LED도 있습니다.
PIR 센서
PIR센서 (Passive Infrated Sensor)는 적외선을 사용해 인체의 움직임을 감지하는 센서입니다. 적외선의 변화가 생기면 High 신호를, 변화가 없을 땐 Low 신호를 출력하여 움직임을 감지합니다. 대표적인 활용처로 현관에 부착하는 센서등과 자동문이 있는데 High 신호가 들어오면 불을 켜주거나 문이 열리는 방식으로 아주 간단하게 동작합니다.
온습도 센서온습도센서 는 대기온도와 습도를 측정하는 센서입니다. 온도에 따라 저항값이 변하는 소재의 특성을 이용해 온도를 감지하고 전극 사이의 저항 변화를 통해 습도 변화를 캐치합니다. 디지털 온도계나 에어컨 등에 사용됩니다.
조도 센서
조도센서 란 주위의 밝기, 즉 조도를 측정하는 센서입니다. 조도센서는 빛의 양에 따라 달라지는 저항값을 토대로 밝기의 정도를 출력합니다.
정전식 터치센서
정전식터치센서 는 전자의 이동을 이용해 터치의 유무를 확인하여 터치를 통해 화면을 조작할 수 있도록 도와주는 센서입니다. 우리가 일상에서 자주 사용하는 핸드폰, 닌텐도, 태블릿PC가 모두 정전식 터치 센서를 활용한 예입니다.
미세먼지 측정센서
미세먼지측정센서 는 이름에서 모든 설명이 가능하네요 🙂
46㎜ * 17.6㎜ * 30㎜ 크기로 미세먼지 정도를 측정하는 센서입니다.
무게센서(로드셀)
일명 로드셀 이라 불리는 무게센서 입니다. 1㎏/2㎏/5㎏/20㎏/100㎏ 측정용으로 구분되며 내부에 있는 스트레인 게이지를 통하여 무게를 측정하는 센서입니다. 스트레인 게이지란 로드셀 표면에 부착된 가변 저항으로, 형태가 변화하는만큼 저항이 변화하게 됩니다. 즉, 물체의 무게만큼 저항이 변하여 무게를 측정할 수 있게 하는 것이죠.
적외선 거리측정센서
적외선을 활용하여 사물과의 거리를 측정하는 거리센서 입니다. 적외선 센서에는 발광부와 수광부가 있습니다. 발광부에서 적외선을 내보내면 앞에 있는 물체에 반사되어 수광부로 들어오게됩니다. 물체가 가까이 있다면 더 가까운 곳에서 적외선이 반사될 것이고, 물체가 먼 곳에 있다면 먼 곳에서 적외선이 반사되기 때문에 이를 활용해 거리를 환산하는 거리측정 센서입니다. 적외선 센서는 색상의 변화에 따라 민감하게 반응하기 때문에 검은 도로에서 흰색 실선을 구분하는 로봇차에 활용하기 적합하다는 특징이 있습니다.
초음파 센서
초음파센서 는 초음파를 이용해 물체와의 거리를 측정하는 센서입니다. 적외선 센서와 비슷하게 초음파를 발생시키고, 반사되어 돌아오는 초음파를 받아 돌아오는 시간차를 이용해 거리를 측정합니다.
두 센서 모두 거리를 측정할 수 있다는 공통점이 있습니다. 다만 적외선센서처럼 색상의 변화에 민감하지 않고 그 외 재질 등 주변환경의 변화에도 거의 반응하지 않습니다.
연기/가스감지센서
연기/가스를 감지할 수 있는 센서입니다. 일산화탄소를 감지하는 센서, LPG/부탄/프로판가스를 감지하는 센서, 메탄(천연)가스를 감지하는 센서 등 종류도 다양하게 있어요. 센서로부터 아날로그 데이터를 받아와 모니터로 확인할 수 있으며 경보기 등에 활용할 수 있습니다.
RTC 시계 모듈
RTC (Real Time Clock) 시계 모듈은 시간을 알려주는 모듈입니다. 보드 구성도 단순하고 활용 예제도 많아 쉽게 사용할 수 있으나 메인 전원이 차단되었을 때 타임키핑이 불가하기 때문에 시간 데이터 유지를 위해서는 코인배터리를 부착해주셔야 해요.
LCD 디스플레이 모듈
모니터, 디스플레이 등에 활용되는 LCD 파란색으로 보이는 백라이트는 가변 저항을 연결해 밝기 조절도 가능합니다. 한글은 출력 불가하니 참고해주세요.
피에조 부저
피에조 스피커 부저입니다. 피에조 는 특정 방향으로 압력을 가하면 결정체 표면에서 전기가 발생하는 성질을 이용하여 소리를 내줍니다. +, – 극성만 연결하면되기 때문에 매우 간단하게 연결할 수 있으며 소리는 크기 않지만 세밀하게 조작하면 음계조절도 가능하여 크리스마스 카드 등에 사용할 수도 있어요.
BLDC 모터
BLDC모터 는 소음이 비교적 적고 속도조절이 자유로우며 크기에 비하여 기동 토크가 좋습니다. 모터 자체로 활용처가 굉장히 다양하기 때문에 아두이노를 접하시는 분들은 한 번씩 써보시게 될 것 같습니다
RFID
RFID 는 무선 주파수를 이용한 자동인식 기술 중 하나로 태그를 통해 동작시키는 모듈입니다. 비접촉 카드 리더이며 도서관리, 교통카드, 출입카드, 호텔 키 등에 활용됩니다.
심장박동 센서
심장박동센서 는 광심박센서로 접촉 시 심박수를 모니터에 출력할 수 있습니다.
금속근접센서
금속근접센서 는 금속을 감지하는 센서입니다. 금속이 일정거리 이상 근접한 것을 감지할 수 있습니다.
디지털 터치센서
디지털터치센서 는 터치 스위치 모듈을 기반으로 터치를 감지하는 센서입니다. 손가락이 해당 위치에 닿으면 출력값을 내보내며 일정 시간 이상 접촉하지 않을 경우 자동으로 저전력 모드로 전환됩니다.
조이스틱 모듈
어릴 때 한번씩 잡아보셨을 조이스틱 모듈입니다. 연결이나 활용이 어렵지 않아 키덜트용품DIY로도 추천드리는 모듈입니다.
광지문센서
아두이노뿐만 아니라 실제품에도 많이 활용되는 광지문센서 입니다. 은행이나 동사무소에서 심심치않게 볼 수 있는 생활속 센서랍니다.
