아두이노:전압계 만들기

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1. 아두이노:개요
2. 아두이노:하드웨어
   1. 아두이노:우노보드
   2. 아두이노:ESP32
3. 아두이노:코드
   1. 아두이노:컴퓨터에서 보드로
   2. 아두이노:안드로이드에서 보드로
   3. 아두이노:기초 문법
   4. 아두이노:라이브러리
4. 아두이노:핀 사용
   1. 아두이노:전원공급
5. 아두이노:시리얼 통신
   1. 아두이노:엑셀기록
   2. 아두이노:파이썬과 통신
6. 아두이노:편의함수
7. 센서 사용
   1. 아두이노:모션센서
   2. 아두이노:온습도센서
   3. 아두이노:조도센서
   4. 아두이노:인체감지센서
   5. 아두이노:pH미터 만들기(Gravity 아날로그 pH센서)
8. 아두이노:LCD 사용
9. 아두이노:스위치 사용
10. 아두이노:릴레이
11. 통신 관련, 정보 교환
    1. 아두이노:WIFI
    2. 아두이노:블루투스(외장모듈)
    3. 아두이노:IR 송수신
    4. 아두이노:RFID
12. 아두이노:해결되지 않은 다양한 의문들
13. 수업용 간단 실습
    1. 아두이노:LED
    2. 아두이노:초음파센서
    3. 아두이노:전압계 만들기
    4. 아두이노:저항계 만들기
14. 아두이노 모터 출력
    1. 아두이노:서보 모터
    2. 아두이노:DC 모터
    3. 아두이노:BLDC 모터
15. 미완문서
    1. 아두이노:스테핑 모터
16. 분류:아두이노 프로젝트

개요

전압계 만들기. 볼트미터! voltmeter.

원리

아두이노 특성	확인	비고
아두이노의 아날로그 핀은 전압에 따라 0~1023의 총 1024개 값을 반환한다.(전압은 0부터 5V까지. 역전압은 인식 불가.)	연결 예시 가변저항의 양 끝을 5V입력과 GND에 입력한다. 가운데 단자를 A0에 입력한다. 다음의 코드를 사용한다. const int analogPin = A0; void setup() { Serial.begin(9600); // 시리얼 통신 시작 } void loop() { int adcValue = analogRead(analogPin); // 0~1023 Analog-to-Digital Converter의 약자. float voltage = adcValue * (5.0 / 1023.0); // 실제 전압으로 변환 Serial.print("ADC Value: "); Serial.print(adcValue); Serial.print(" → Voltage: "); Serial.print(voltage, 2); // 소수 둘째 자리까지 출력 Serial.println(" V"); delay(1000); // 1초마다 갱신 }	가변저항(potentiometer)의 원리 저항물질의 길이를 조절하여 저항의 크기를 바꾼다. 아두이노에선 어떤 저항이든 전압값을 읽기 때문에 기왕이면 큰 저항값을 사용해서 전류가 많이 흐르지 않게 하는 게 유리함.
아두이노가 읽을 수 있는 전압은 5V까지이기에, 저항들을 직렬연결하여 전압 분배법칙을 통해 정리한다.	보통 다음과 같이 연결. (Vin) ----[ R1 ]----+----[ R2 ]---- GND      (병렬연결) |                   A0 (아날로그 입력) 만약 10kΩ 2개를 사용하여 전압을 건다면 전체 걸린 전압의 절반이 A0로 입력될 것이다.(이 경우 총 10V까지 측정 가능) 결국 입력되는 전압을 일반화해 보자. 알고자 하는 전압이 $V_{total}$이라면 각 저항의 걸리는 전압의 비는 각 저항의 크기와 같을 것이다. $R_1:R_2=V_{total}\left(\frac{R_1}{R_1+R_2}\right):V_{total}\left(\frac{R_2}{R_1+R_2}\right)$ 이므로 입력되는 전압 $V_{A0}=V_{total}\left(\frac{R_2}{R_1+R_2}\right)$이다. 큰 저항을 사용하면 오차가 커질 수 있기에, 총 저항 합은 10kΩ ~ 100kΩ 사이로 잡는 게 적당.

간이 전압계 만들기

영상메뉴얼

5V 이내일 경우, 연결은 이렇게!

회로구성

• 측정하고자 하는 전압공급원의 -극은 GND와 연결시키고, +극을 통해 제공되는 전압을 측정하자.
• 측정하고자 하는 전압이 5V보다 낮다면 곧바로 아날로그핀으로 넣어주면 된다.
• 측정하고자 하는 전압이 5V보다 크다면 전압 강하와 저항비를 이용하여 저항의 중간에서 나오는 전압을 아날로그핀으로 측정한다.

  

  5V 이상인 경우, 연결은 이렇게!

코드

const int analogPin = A0;
const float R1 = 20000;
const float R2 = 20000;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int raw = analogRead(analogPin);
  float va0 = raw * (5.0 / 1023.0);  // 아날로그 핀 전압. .0을 넣어준 것은 정수가 아니라, 실수로 만들기 위해.
  float vtotal = va0 * (R1 + R2) / R2;  // 원래 입력 전압 계산
  Serial.print("Raw: ");
  Serial.print(raw);
  Serial.print("  V_a0: ");
  Serial.print(va0);
  Serial.print("   Measured Voltage: ");
  Serial.print(vtotal, 2);  // 소수점 2자리
  Serial.println(" V");

  delay(1000);
}

유의사항

• A0 단자와 연결한 선을 배터리의 +극과 -극에 연결해도 정확한 전압이 측정되지 않는다. 떠 있는 상태(floating)로, 외부 교란이 섞인다. ==>> 전지의 -단자가 아두이노의 GND에 연결되게끔 구성.
• 절대로 A0 단자에 5V 이상의 입력이 들어가게 하면 안된다. 파손...

오차

오차 원인	상세 내용	해결법 및 완화책
ADC 해상도 제한	10bit로 미세 변화 감지 한계	고해상도 ADC 모듈 사용
기준 전압 불안정	5V가 정확하지 않음(구동전압 자체가 5V가 아닌 경우)	외부 정밀 기준 전압 사용
저항 오차	저항 공차에 따른 측정 오차	정밀 저항(±1% 이하) 사용
전기 잡음 및 간섭	주변 노이즈로 인한 신호 왜곡	차폐, 필터링, 풀다운 저항 사용
접촉 불량	배선 불량, 납땜 불량	배선 점검, 신뢰성 높은 연결
코드 및 연산 오차	반올림, 샘플링 간격 문제	코드 최적화 및 평균값 처리
환경 온도 영향	온도 변화에 따른 부품 특성 변화	온도 보상 회로 또는 보정

생각해볼 만한 것

• 최대로 측정할 수 있는 전압은 어느 정도일까?
• $V_{A0}=5=V_{total}\left(\frac{R_2}{R_1+R_2}\right)$일 때가 최대이므로, $V_{max}=5\left(\frac{R_1+R_2}{R_2}\right)$인데, 10kΩ과 100kΩ 을 쓴다면 55V도 가능하지만, 20V 정도가 어느 정도 정밀도가 확보된 측정에 적절하지 않을지.

해 볼 만한 활동

• 오차의 원인 살펴보기.(생각보다 꽤 많음)
• 같은 저항이라도 R_1, R_2에 몇 개를 연결하느냐에 따라 저항비가 달라진다. 조합을 통해 측정 가능 전압의 범위를 넓혀보자.(누가 가장 큰 전압을 측정하는 전압계를 만들었을까?)
• 전지의 병렬, 직렬연결 후 뿜어내는 전압을 측정.
• 시판되는 멀티미터에서 측정되는 값과 비교하는 것도 재미있다.

Idea

• 저항계 만들때 떠올린 건데, R_1를 가변저항으로 만들고 R_2를 작은 저항으로 두어 상황에 따라 바꾸어 사용하면 쓸만할듯?(혹은 둘 다 가변저항으로 두든가. 가변저항값을 측정해서 반영하게끔)
• 이걸 이용해서 LED에 최대 입력 가능 전압 띄워보고...
• 전지의 직렬, 병렬연결 등 확인해보면 재미있을듯.