아두이노:초음파센서 편집하기

{{아두이노}}

==개요==
초음파를 이용하여 일반적으로 거리를 측정한다. 보통 VCC로 5V, 15mA전원을 받고, GND를 접지시킨다.

=== 의미 ===
감각을 통한 어림짐작이 아닌, 디지털 장비를 통한 보다 정확하고 객관적인 측정을 위하여.

===원리===
{| class="wikitable"
!원리
!설명
|-
|과학적 원리
|초음파를 방출한 후, 수신되기까지의 시간을 계산하여 측정한다.

소리의 속도는 <math>v=\sqrt{\tfrac{B}{\rho}}</math> (B는 부피탄성, rho는 밀도)이다. 대충 <math>v=331.5 + 0.61T</math>(T는 섭씨온도)가 된다. ∴상온에선 대강 340m/s 이라고 보면 된다.

거리는 <math>d= (v * time) / 2</math> 이므로 이를 계산해내면 거리를 알 수 있다.
|-
|공학적 원리
|Trig핀에 5V를 입력해주면 초음파를 낸다. 여기서 나온 초음파는 수신부로 돌아와 Echo핀으로 그 값이 입력된다.(디지털 5V) 이를 이용해 거리를 측정한다.
|}
<br />
=사용법=

==연결방법 및 하드웨어 스펙==
https://www.mfgrobots.com/article/uploadfiles/202204/2022042215404956.png
{| class="wikitable"
!종류
!설명
!연결예시
|-
|HC-SR04
|5V를 받아 2cm~450cm까지 측정한다.
|[https://postfiles.pstatic.net/MjAxNzAxMDlfMjAw/MDAxNDgzOTQwOTUxNjU3.bH4kF3l7KcGev6_sGRBirdeOFPsHvci5kuYtTXY-y2sg.XOKICjFdglemqkMMdOjJ3rIh0t16ALj3PWGm9za0K90g.JPEG.roboholic84/HC-SR04-Example_bb.jpg?type=w2 링크]
|-
|HC-SR04+
|HC-SR04과 사용법은 동일.
2~450cm (5V 기준), 2~400cm (3.3V 기준)

조금 더 안정적으로 멀리
|
|-
|US-015
|HC-SR04보다 정밀함. 사용법은 위와 동일.

측정 범위 : 2~400cm, 정밀도 : 약 0.1mm
|
|-
|방수 초음파 거리센서
|작동 온도: -10~70℃, 최대 측정거리: 약 5m
|[https://mechasolution.com/shop/goods/goods_view.php?goodsno=583208&category= 링크]
|}

= 활동 예시 =

=== 준비물 ===

* 아두이노(보통 우노) + 아두이노 우노용 케이스([https://www.thingiverse.com/thing:3366898 링크], 1개 출력에 대략 1시간 생각하면 됨)
* 노트북(아두이노 IDE 설치해 코드 전달용) + USB 연결(R3는 USB B타입, R4는 USB C타입)
* 초음파 센서
* 점퍼선 암-수 4개
<youtube>https://www.youtube.com/watch?v=d3_SChekcEI</youtube>

==코드==

===해설 없는 원본===
<syntaxhighlight lang="c++">int trigPin = 13;
int echoPin = 12;

void setup()
{
    Serial.begin(9600);
    pinMode(trigPin, OUTPUT);
    pinMode(echoPin, INPUT);
}

void loop()
{
    long duration, distance;
    digitalWrite(trigPin, LOW);
    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(trigPin, HIGH);
    delayMicroseconds(10);
    digitalWrite(trigPin, LOW);
    duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
    distance = duration * 17 / 1000;
    Serial.println(distance);
    delay(100);
}</syntaxhighlight>

===해설본===
<syntaxhighlight lang="c++">
int trigPin = 13;  // trig와 연결되는 핀 번호.
int echoPin = 12;  // echo와 연결되는 핀 번호.

void setup()
{
    Serial.begin(9600);
    pinMode(trigPin, OUTPUT);
    pinMode(echoPin, INPUT);
}

void loop()
{
    // 변수 정의
    long duration, distance;
    // trig에서 초음파 발사~
    digitalWrite(trigPin, LOW);
    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(trigPin, HIGH);
    delayMicroseconds(10);
    digitalWrite(trigPin, LOW);  // 발사 멈추기.
    // 거리 계산.
    duration = pulseIn(echoPin, HIGH);  // 되돌아온 시간을 저장. 단위는 μs.
    distance = duration * 17 / 1000;
    /* 코드에 17이라는 수가 붙는데, 이는 소리의 속도를 340으로 가정한 후 계산한 값이다.
    초음파센서에서 측정된 시간은 음파가 갔다 오기까지의 거리.
    - cm단위로 나타내면 34,000cm/s 이다. 거리*2 만큼 측정되고, 거리를 구하기 위해 2로 나누어 17이 나왔다. 
    - 그런데, duration은 마이크로초 단위이다. 때문에 초단위로 변화시키기 위해 10^-6을 곱한다.
    -> 최종적으로 17/1000
    */
    Serial.println(distance);
    delay(100);
}
</syntaxhighlight>

== 해볼 만한 과제 ==
*과학적 원리에 대해 조사 발표.
*오차의 원인에 대해 살피기.
*위 코드를 해석, 발표.
*온도센서를 통해 온도값 T를 얻는다면 코드를 어떻게 고치면 좋을까?
*시리얼모니터에 단위가 뜨지 않아 헷갈린다. 단위까지 띄우려면 어떻게 해야 할까?
*이것으로 할 수 있는 활동은 어떤 것들이 있을까?(진자 주기운동이라든가 충돌이라든가 등등등)