아두이노 레시피 : 초음파센서 - 기본편

# Recipe 10. 초음파 거리센서(HC-SR04)

초음파센서 및 적외선 거리센서로 만든 라이다 모듈 by arduinochef

(ps. 여러분은 이런 짓 하지 마요..ㅎ)

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안녕하세요~ 아두이노 셰프입니다. 아두이노로 자동차를 만들면 대부분 두 가지였던 것 같아요. 블루투스 자동차. 아님 장애물회피 자동차.(얘들은 이걸 자율주행이라고 불렀지만요ㅋㅋㅋ) 위의 사진은 제가 고등학교 때 만들었던 자율주행자동차의 눈이 되어준 모듈이에요. 라이다센서가 너무 비싸서 말이죠.. 아무튼 프로젝트를 하다 보면, 실시간으로 물체와의 거리를 측정해야 하는 경우가 있어요. 물이 차오르는 수면의 높이라던지, 장애물과 자동차와의 거리 등 말이죠. 오늘은 거리센서 중 제일 유명한 초음파센서를 사용해 볼게요. 생각보다 정확하고 구현하기 꽤 쉬워요. 한번 따라와 보실까요?

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오늘의 재료 Ingredient

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<메인 재료>

초음파 거리센서(모델명 : HC-SR04)

<그 외 재료>

아두이노 우노

암-수 점퍼케이블(4개)

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메이킹 방법 Steps

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Step 1. 선 연결하기 Wiring

a. 센서의 VCC는 아두이노의 5V에,

b. 센서의 GND는 아두이노의 GND에,

c. 센서의 Trig는 아두이노의 D9번에,

d. 센서의 Echo는 아두이노의 D10번에 연결해 주세요.

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Step 2. 라이브러리 포함하기 pre setting

코드를 동작시키려면 라이브러리를 설치해줘야 해요.

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Sketch -> Include Library -> Manage Libraries에 들어가서 라이브러리 매니저를 실행해 줍니다.

검색창에 newping을 검색해 주시고 설치해 주세요.

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이제 모든 준비가 끝났으니 코드를 실행시켜 볼까요?

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Step 3. 아두이노 코드 Code review

여러분의 요리가 훨씬 간편해질 수 있도록, 숙성이 필요한 코드는 언제나 제가 준비할게요ㅎㅎ

#include <NewPing.h> //센서를 사용하기 위해서 라이브러리를 가져올게요. 

#define TRIGGER_PIN 9 //9를 TRIGGER_PIN 이라고 정의할게요. 
#define ECHO_PIN 10 //10을 ECHO_PIN이라고 정의할게요.
#define MAX_DISTANCE 400 //400을 MAX_DISTANCE라고 정의합니다.

NewPing sonar(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE); //SimpleDHT11 라이브러리에서 제공하는 클래스로 dht11이라는 객체를 생성하는거에요.
//역시 아직은 몰라도 좋아요. 뜻만 설명하자면 센서를 동작할 수 있는 라이브러리의 코드를 여기 이 소스코드와 연결하는 코드랄까요;;
//아주 쉽게, "내가 사용할 센서의 핀은 9,10번이고 400cm가 최대범위야" 끝!ㅎㅎ
float duration, distance;
//duration, distance 라는 이름으로 실수 형식의 두 변수를 만들어줄게요.

void setup() 
{
  Serial.begin(9600); //시리얼모니터를 써야되니까, 시리얼통신을 9600의 통신속도로 시작합니다.
}

void loop() 
{
  
  duration = sonar.ping(); // 초음파를 한번 보내고 받을때까지의 시간을 측정합니다.
  distance = (duration / 2) * 0.0343; //측정된 시간에 소리속력을 곱하고 2로 나눠줍니다. = 물체까지의 거리
  
  Serial.print("Distance = "); //시리얼모니터에 값을 출력해볼까요?
  
  if (distance >= 400 || distance <= 2) 
  //이 센서는 2~400cm의 범위를 가집니다. 그러니 만약 이 범위를 벗어난다면, 모니터로 알려줄게요.
  {
    Serial.println("Out of range");
  }
  else //값이 범위안에 있다면
  {
    Serial.print(distance); //시리얼모니터에 출력해줄게요.
    Serial.println(" cm");
  }
  delay(500); //0.5초간 기다립니다.
}

 

Step 4. 동작시키기 Working

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● 코드를 아두이노 우노에 업로드해 주세요.(업로드 완료 후에도 USB선은 뽑지 않고 유지합니다.)

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● 시리얼 모니터를 열어주세요.(값이 표시될 거예요.)

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● 센서를 잘 고정하고 손이나, 물체를 가까이 가져가보세요. 거리가 잘 측정되나요?

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오늘의 레시피는 여기까지입니다~ 더 깊은 맛을 원하시는 분은 아래 과학시즈닝을 참고해 주세요!

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“과학으로 양념하기” Seasoning

센서에 대한 과학적 원리와 세부내용으로 레시피에 더 깊은 맛을 넣어봅시다.

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센서에 대하여

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과학원리

소리 즉, 음파가 1초 동안 진동하는 횟수를 주파수라고 하는데요.

주파수에 따라 음파를 아래와 같이 나눌 수 있어요.

오늘은 그중 초음파에 대해서 간략하게 소개해볼게요.

1초에 20,000번 이상 진동하는 이 초음파는

다른 음파들과 다른 특성을 가지고 있어요.

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초음파의 강한 에너지 덕에

일정한 방향으로 신호를 보낼 수 있고

(어려운 말로 지향성이 강하다고 해요)

매질이 다르면 빛처럼 반사, 굴절하는 성질이 있습니다.

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이런 다양한 특성 덕분에

초음파영상, 리모컨, 배의 소나장비, 세척기 등

다양하게 사용된답니다~

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(자, 과학시간 끝!ㅎ)

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동작원리

이 초음파거리센서는

지향성이 강한 초음파의, 반사하는 성질을 이용합니다.

(뭔가 말이 어렵나요?ㅎㅎ)

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측정원리를 알려드릴게요.

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센서를 보면 ‘두 개의 스피커’(transducer)가 튀어나와 있죠?

그중 하나가 초음파를 보내면

나머지 하나가 반사되는 초음파를 받아요.

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그리고 아두이노가 보내고 받기까지

얼마나 시간이 걸렸는지 계산해서

거리를 알아낸답니다.

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어떻게 시간을 가지고 거리를 아냐고요?

간단한 물리공식을 알려드릴게요.

우리는 거리를 알고 싶죠?

소리의 이동시간은 센서 덕분에 알고 있고

속력만 알면 되는데...

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소리의 속력은 이미 잘 알려져 있죠ㅋ

340m/s

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센서는 마이크로초 단위로 처리하니까

우리도 그에 맞춰 값을 대입하자고요.

340m/s = 0.034 cm/µs

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자, 그럼 정리하면

센서와 물체사이의 거리는

(0.034 x 시간[µs])/2이 되겠네요.

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왜 2로 나누냐고요?

실제 센서가 읽은 시간은 ‘오고’, ‘간’ 시간이니까요.

구한 거리를 반으로 나눠줘야

물체까지의 거리가 되겠죠?

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만약 초음파의 이동시간이 총 500 µs 라면

(0.034 cm/µs x 500 µs) / 2 = 8.5cm

물체까지의 거리는 8.5cm가 되겠네요.

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이해 안 되면 원리는 몰라도 돼요~

어차피는 우리는 센서만 잘 사용하면 되니깧ㅎ

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코드의 동작 알고리즘

(주석을 참고해 주세요.)

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알고리즘은 쉬운 말로 ‘진행절차’라고 할 수 있습니다.

코드가 어떻게 동작되는지 알아볼까요?

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오늘도 간단하게

“읽고” “출력한다.” 에요.

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위의 원리에서 나온

복잡한 처리과정들은 모두

라이브러리가 해주니까,

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우리의 알고리즘은 어려울 게 없답니다~ㅋ

sonar.ping() 함수로

초음파가 오고 간 시간을 구하고

이를 공식에 대입해서 거리를 구해봤어요~

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끝!

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센서요약 카드

이름 : 초음파 거리센서

설명 : 초음파를 이용해 거리를 측정하는 센서이다. 최소 2cm 최대 4m의 감지거리를 가졌으며, 오차범위는 3mm이다. 40KHz의 초음파를 사용한다.

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센서의 구성 : VCC, GND, (초음파를 보내는) Trig, (초음파를 받는) Echo핀으로 구성되어 있다.