온도 측정하기
온도를 측정하는 방법은 온도 센서를 이용하는 것입니다.
3D 펜에 사용되는 온도 센서는 저항입니다. 정확히는 온도가 변하면 저항값이 변하는 저항 입니다.
센서의 변하는 저항값을 측정하고, 이를 통해 온도를 추측 되도록 구현하는 것이 목표입니다.
아두이노는 아날로그 핀을 입력핀으로 설정하면, 현재 핀의 전압을 측정할 수 있습니다.
구조가 상당히 복잡합니다. 노즐 온도센서는 노즐의 가운데 2개 핀입니다. 하나는 GND에 연결되어 있습니다. 다른 하나는 5V에 연결된 저항과 함께 A0에 연결되어 있습니다.
열선은 모스펫이라는 부품에 의해 연결되어 있습니다. 이 모스펫 부품의 역할이 있습니다. 트랜지스터와 비슷하지만 다른 부품이라 한번 살펴봅니다.
아두이노 디지털핀에는 기본적으로 출력할 수 있는 전압이 5V이며, 전류는 0.5A 입니다.
그리고 노즐 열선의 저항은 약 2.3 ~ 4.0 Ω 범위에 있고, 계산상 대략 3 Ω 이라고 가정합니다.
그렇다면, 노즐에 5V 전압이 연결될 때 필요한 전류를 계산할 수 있습니다.
\[I = V/R, 5/3 = 1.66A\]
단순 계산만으로도 노즐을 예열하려면, 1.66A가 필요합니다. 디지털 핀의 전류로는 부족합니다. 따라서 외부 전원을 빌려오게 됩니다. 이 외부전원은 디지털핀 처럼 껏다 켰다 신호를 주는 것처럼 작동하지 않기 때문에, 신호는 디지털 핀이 전달하고, 외부 전원으로 노즐에게 충분한 전류를 공급해주는 역할을 해주는 것이 모스펫입니다.
※ 크리메이커 3D 펜은 7V의 외부전원을 사용합니다.
이제 온도센서에 연결된 아날로그 A0 핀의 신호 값이 어느 정도인지 확인해보겠습니다.
현재 아날로그 핀의 전압 값을 읽어 올 수 있는 함수가 analogRead 입니다. 함수의 자료형이 int임으로 반환값이 정수입니다. 0V는 0을 반환하고, 5V는 1023을 반환합니다. 2.5V 라면 511을 반환합니다.
※함수의 자료형이 뭔지 기억이 안난다면, 여기 로 이동하세요.
온도센서가 A0에 연결되어 있음으로, 아날로그 A0 핀의 전압값을 읽어오고, 시리얼 모니터에 표시되도록 다음과 같은 코드를 작성할 수 있습니다.
1void setup() {
2 // put your setup code here, to run once:
3 Serial.begin(9600);
4}
5
6void loop() {
7 // put your main code here, to run repeatedly:
8 Serial.println(analogRead(A0));
9}
보통 1023이나 1022가 많이 나타날 것입니다. 지금은 거의 5V 가까이 값을 나타내고 있습니다.
예열을 시작하면, 아날로그 신호 값은 아래의 온도표처럼 실제 온도에 따라 변경됩니다. (아직 예열 부분은 구현하지 않았습니다.)
먼저 온도표를 먼저 보도록 하겠습니다.
실제 온도 |
아날로그 값 |
|---|---|
0 |
1023 |
10 |
1022 |
20 |
1020 |
30 |
1016 |
40 |
1011 |
50 |
1009 |
60 |
1006 |
70 |
1004 |
80 |
1000 |
90 |
990 |
100 |
983 |
110 |
976 |
120 |
972 |
130 |
964 |
140 |
955 |
150 |
942 |
160 |
929 |
170 |
910 |
180 |
895 |
190 |
864 |
200 |
839 |
210 |
800 |
220 |
744 |
위의 표처럼 아날로그 핀의 신호 값이 981 이라면 실제 온도는 60도에 가깝다고 판단할 수 있습니다. 온도가 높아 질수록 아날로그 신호 값은 계속해서 낮아집니다.
※ 이런 온도표의 작성은 보통 온도센서 제조사에서 하거나, 실제 측정을 하여 작성합니다.
온도를 올려보면서 아날로그 값들을 확인해봅니다. 이전 그림에서 노즐의 열선은 디지털 9번핀에 연결되어 있음을 알 수 있습니다.
따라서 디지털 9번핀을 출력 설정을하고, 실제 HIGH 값을 출력하는 코드를 작성해봅니다.
1void setup() {
2 // put your setup code here, to run once:
3 Serial.begin(9600);
4
5 pinMode(9,OUTPUT);
6}
7
8void loop() {
9 // put your main code here, to run repeatedly:
10 digitalWrite(9, HIGH); // 예열 시작
11 delay(5); // 약간의 대기시간 추가
12
13 Serial.println(analogRead(A0));
14}
위의 코드처럼 작성되지만, 위의 코드는 문제가 있습니다. 온도가 계속 상승하는 것만 있기 때문에 적절한 온도일때, 예열을 중단해주어야 합니다.
본격적으로 예열에 대해서 알아보기전에, 예열을 함에 있어서 외부전원(전원 플러그)을 사용하는 이유에 대해서 알아보겠습니다.
내부전원만 사용할 경우에는 예열할 때와 하지 않을 때 온도센서의 값이 달라집니다. 예열 On 일때와 Off 일때의 차이는 전원의 저항 때문입니다. 먼저 디지털 9번핀(D9)가 LOW 상태인 경우를 살펴 보겠습니다.
위는 온도 센서와 노즐 열선을 개략도로 나타낸 것입니다. 위 온도 센서는 저항으로 온도에 따라 저항값이 바뀌기 때문에 모양이 살짝 다릅니다. 이 저항에 걸리는 전압이 아날로그 신호 값으로 인식됩니다.
아래쪽 D,S,G 라고 표시된 것은 모스펫 입니다. 디지털 9번핀(D9)에서 G로 신호를 주게 되면, D에서 S로 전기가 흐르게 됩니다.
디지털 9번핀(D9)이 LOW이라면, 회로는 직렬연결이 되게 됩니다. 전원 저항, 100옴 저항, 온도센서 저항으로 총 3개의 저항이 직렬 연결되어 있습니다. 그리고 저항이 높다보니, 전류는 아주 약하게 흐릅니다.
전류가 약하기 때문에 전원의 저항에도 큰 전압이 걸리지 않습니다.
아래쪽 D9에서도 약간의 전류가 나옵니다. 이 전류는 모스펫의 G 로 가지 않도록 배치해둔 100k 저항쪽으로 흐릅니다.
반면 디지털 9번핀(D9)가 HIGH 라면, 아래쪽에는 저항이 작기 때문에 큰 전류가 흐르게 됩니다. 자연스럽게, 전원의 저항에도 큰 전류가 흐르게 되니다. 전원에 전압이 걸리면 그만큼 전압이 낮아지고, 이를 전압강하라고 부릅니다. 따라서 온도 센서에도 영향을 주게 됩니다. 대부분의 센서류는 안정적인 전압을 공급받아야 정확도가 높아집니다.
따라서 아날로그 A0번핀을 측정할 경우에는 아두이노에 안정적인 전압을 공급해야 정확도가 높아집니다.
아두이노는 외부전원으로 전원을 공급하면, 5V로 낮춰주는 부품이 내장되어 있습니다. 외부전원에 전압강하가 있어도 5V가 될 수 있도록 7V를 공급해주는 이유이기도 하며, 아두이노 나노의 공식적인 입력전압이 7-12V인 이유입니다.
다시 돌아와서 예열 관련 코드를 알아보겠습니다.
온도가 60도 이상올라갈 경우 예열을 중단하는 코드를 작성하면 다음과 같이 작성될 수 있습니다.
1int tempValueA0 = 0; // A0 신호 값 저장용
2
3void setup() {
4 // put your setup code here, to run once:
5 Serial.begin(9600);
6
7 pinMode(9,OUTPUT);
8}
9
10void loop() {
11 // put your main code here, to run repeatedly:
12 tempValueA0 = analogRead(A0); // 아날로그 신호 값을 tempValueA0 저장
13
14 Serial.println(tempValueA0);
15
16 if(tempValueA0 < 981)
17 {
18 digitalWrite(9, LOW); // 예열 종료
19 delay(5); // 약간의 대기시간 추가
20 }
21 else
22 {
23 digitalWrite(9, HIGH); // 예열 시작
24 delay(5); // 약간의 대기시간 추가
25 }
26}
읽어온 아날로그 신호값이 981일때 온도가 60도 임으로 981값보다 아래면, 예열을 중단하고, 981값보다 크면 예열을 시작하는 코드를 추가하였습니다.
업로드 를 하고, 신호 값을 확인 하기 위해, 시리얼 모니터를 켜줍니다.
온도가 60도를 유지하는 코드를 작성하였습니다. 이제는 온도표를 보고 현재온도를 정확하게 측정하는 방법에 대해서 알아보려 합니다.
만일 아날로그 신호 값이 962 로 읽힌다면, 온도는 어떻게 표시해야 할까요?
위 그림과 같이 2개의 포인트를 직선을 그리고, 이 직선을 기준으로 962 신호값의 온도를 추측하는 것이 선형보간법 이라고 합니다. 가장 간단한 방법으로는 직선의 방정식을 찾고, 해당 방정식을 기준으로 값을 도출해 낼 수도 있습니다.
간단하게 그림으로 설명드리면, 왼쪽의 값은 965, 962, 959로 모두 나와 있고, 각각의 값들의 차이는 3이며, 비율은 1:1이 됩니다. 이 비율을 적용하여, 값에도 90도와 100도를 1:1 비율로 나누는 지점은 어디일까요? 95도가 됩니다.
3D 펜이나 다른 온도가 관련된 제품들도 대부분 선형 보간법을 많이 사용합니다. 다만 10도 단위가 아니라 5도 단위일 수 도 있으며, 제품에 따라 차이가 있습니다.
코드로 사용하기 위해서, 수식으로 한번 나타내 보았습니다. 비율이 같다는 조건으로 계산을 하게되고, 이로 y값을 계산할 수 있습니다.
이제 온도는 60도를 유지하되, 선형보간법 방식을 이용하여 온도 값을 계산하는 코드를 작성해보겠습니다.
1int curTemp = 0; // 온도 값
2
3int temptable[23][2] =
4{
5 {1023,0},
6 {1022,10},
7 {1020,20},
8 {1016,30},
9 {1011,40},
10 {1009,50},
11 {1006,60},
12 {1004,70},
13 {1000,80},
14 {990,90},
15 {983,100},
16 {976,110},
17 {972,120},
18 {964,130},
19 {955,140},
20 {942,150},
21 {929,160},
22 {910,170},
23 {895,180},
24 {864,190},
25 {839,200},
26 {800,210},
27 {744,220}
28}; // 온도테이블
29
30void setup() {
31 // put your setup code here, to run once:
32 Serial.begin(9600);
33
34 pinMode(9,OUTPUT);
35}
36
37// 신호 값을 보정하여 온도 값을 추측해내는 계산 함수
38int tempCali(int valueA0)
39{
40 float ratioTemp;
41
42 for(int i = 0; i<23; i++)
43 {
44 if(temptable[i][0] < valueA0)
45 {
46 ratioTemp = (valueA0 - temptable[i][0])/(temptable[i-1][0] - temptable[i][0]);
47 }
48
49 return temptable[i][1] - ratioTemp*(temptable[i][1] - temptable[i-1][1]);
50 }
51}
52
53void loop() {
54 // put your main code here, to run repeatedly:
55 curTemp = tempCali(analogRead(A0)); // 온도 보상 함수 호출
56
57 Serial.println(curTemp);
58
59 if(curTemp > 60)
60 {
61 digitalWrite(9, LOW); // 예열 종료
62 delay(5); // 약간의 대기시간 추가
63 }
64 else
65 {
66 digitalWrite(9, HIGH); // 예열 시작
67 delay(5); // 약간의 대기시간 추가
68 }
69}
tempCali 함수는 아날로그 신호 값을 받고, 이를 좀 더 정확한 온도를 표시하게 합니다.
이후 시리얼 모니터를 열고, 출력되는 값을 확인하면, 좀 더 정확한 온드를 볼 수 있습니다.