아두이노:전압계 만들기 편집하기

{{아두이노}}

== 개요 ==
전압계 만들기. 볼트미터! voltmeter.

=== 원리 ===
<youtube>https://www.youtube.com/watch?v=ZVXi-MPeyWw</youtube>
{| class="wikitable"
!아두이노 특성
!확인
!비고
|-
|아두이노의 아날로그 핀은 전압에 따라 0~1023의 총 1024개 값을 반환한다.(전압은 0부터 5V까지. 역전압은 인식 불가.)
|[https://smwiki.info/images/b/b2/%EA%B0%80%EB%B3%80%EC%A0%80%ED%95%AD%EC%9D%84_%ED%86%B5%ED%95%9C_%EC%A0%84%EC%95%95_%ED%99%95%EC%9D%B8.png 연결 예시]
# 가변저항의 양 끝을 5V입력과 GND에 입력한다.
# 가운데 단자를 A0에 입력한다.
# 다음의 코드를 사용한다.
<syntaxhighlight lang="c++">
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
}
</syntaxhighlight>
|가변저항(potentiometer)의 원리
https://www.basic4mcu.com/data/file/k2/3660040649_DTf2sLSi_variable_resistor.gif

* 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 <math>V_{total}</math>이라면 각 저항의 걸리는 전압의 비는 각 저항의 크기와 같을 것이다. <math>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 )</math> 이므로 입력되는 전압 <math>V_{A0} = V_{total}\left ( \frac{R_2}{R_1+R_2} \right ) </math>이다.
* 큰 저항을 사용하면 오차가 커질 수 있기에, 총 저항 합은 10kΩ ~ 100kΩ 사이로 잡는 게 적당.

|
|}

= 간이 전압계 만들기 =

=== 영상메뉴얼 ===
<youtube>https://www.youtube.com/watch?v=Aw41YnWr9Tc</youtube>
[[파일:간이 전압계 연결법.png|섬네일|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.[[파일:간이 전압계 회로도.png|섬네일|5V 이상인 경우, 연결은 이렇게!]]

=== 코드 ===
<syntaxhighlight lang="c++">
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);
}
</syntaxhighlight>

== 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 ===
{| class="wikitable"
!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?
* <math>V_{A0} =5= V_{total}\left ( \frac{R_2}{R_1+R_2} \right ) </math>일 때가 최대이므로, <math>V_{max}=5 \left ( \frac{R_1+R_2}{R_2} \right ) </math>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.