초음파 센서에 대해서 알아보고 아두이노를 통해서 초음파로 거리를 측정하는 방법에 대해서 설명해볼께요.
사전 준비
- 아두이노 보드
- 아두이노와 연결 가능한 PC와 IDE
- 초음파 센서
배우게 될 것
- 초음파란 무엇인가
- 초음파를 이용한 거리 측정 방법
- 초음파 센서를 이용해서 거리 측정
초음파는 일반적으로 사람들이 들을 수 있는 소리보다 높은 주파수의 음파를 뜻합니다.
"초음파(超音波, 영어: ultrasound(s), ultrasonic wave)는 인간이 들을 수 있는 가청 최대 한계 범위를 넘어서는 주파수를 갖는 주기적인 ‘음압'(音壓, sound pressure)을 의미한다. 비록, 이러한 한계값이 사람마다 다르지만, 건강한 젊은 사람의 경우 이 값은 약 20kHz(20,000 Hz)이고 따라서 20kHz는 초음파를 설명하는 데 있어 유용한 하한(下限)이 된다. - 위키백과"
돌고래가 내는 소리를 사람이 못 듣고, 젊은 사람들이 듣는 소리를 노인들이 못 듣기도 합니다.
초음파를 이용해서 뱃속에 아기의 모습도 확인하고, 우리 몸이 건강한지 확인할 때 사용하기도 합니다.
초음파 센서는 초음파를 보낸 후 반사되어 돌아오는 시간차를 측정해서 거리를 알 수 있는 센서로 초음파를 이용한 일종의 거리 측정 센서 입니다.
전방으로 발사된 초음파는 금속, 목재, 유리, 종이 등 단단한 물체에는 거의 100% 반사되어 돌아오지만 옷감과 같은 일부물질은 초음파를 흡수하기 때문에 정확한 측정값이 어렵다는 단점이 있습니다.
왼쪽에 동그란 부분(TRIG)에서 초음파가 발생되고 , 오른쪽 부분(ECHO)에서 반사되어 돌아오는 초음파를 받습니다. 핀맵은 좌측부터 VCC,TRIG,ECHO,GND 입니다.
- 측정범위 : 2cm ~ 4M
- 측정각도 : 15도
- 사용전압 : 5V
- 사용전류 : 15mA
TRIG에 신호를 보내서 초음파를 출력하고, ECHO에 들어오는 신호를 입력으로 받아서 출력과 입력의 시간차이로 거리를 측정합니다.
초음파 센서로부터 앞에 장애물까지 거리를 계산하는 방법은 과학시간에 배운 속도와 거리 공식을 사용합니다. (초등 5학년 2학기 4단원 물체의 운동)
물체의 이동 거리 = 물체의 속도 x 시간
우리가 사용하는 초음파의 속도는 340(m/s)으로 음속이라고 합니다. 따라서 아래 공식으로 초음파가 이동한 거리를 계산할 수 있습니다.
초음파가 이동한 거리 = 음속 340(m/s) x 시간(s)
이제 초음파 신호를 발사하고 나서 돌아온 시간을 알면 초음파가 이동한 거리를 알 수 있습니다.
그리고, 초음파는 초음파 센서부터 장애물까지 갔다가 돌아오므로 이동한 거리를 2로 나누면 초음파 센서부터 장애물까지의 거리가 됩니다.
센서부터 장애물까지 거리 = 초음파가 이동한 거리 / 2
계산을 할 때는 시간과 거리의 단위를 정확하게 변환해서 계산해야 합니다.
이제 실제로 초음파 센서부터 장애물까지의 거리를 측정해 보겠습니다.
초음파 센서의 4개의 핀을 각각 다음과 같이 연결되도록 합니다.
- 초음파 센서 VCC -> 아두이노 5V
- 초음파 센서 GND -> 아두이노 GND
- 초음파 센서 TRIG -> 아두이노 PIN 9
- 초음파 센서 ECHO -> 아두이노 PIN 8
아래와 같이 회로를 구성해 주세요.
아두이노 IDE를 실행해서 아래 코드를 입력해 주세요.
코드의 설명을 함께 적어놨으니 나중에 천천히 이해해 보세요.
#define TRIG_PIN_NUM 9 //TRIG 핀과 연결된 아두이노 핀 번호 (초음파 보내는 핀)
#define ECHO_PIN_NUM 8 //ECHO 핀과 연결된 아두이노 핀 번호 (초음파 받는 핀)
void setup() { //setup은 처음 한 번 실행되는 함수 입니다.
Serial.begin(9600); //PC와 시리얼 통신을 설정
pinMode(TRIG_PIN_NUM, OUTPUT); //TRIG 핀과 연결된 아두이노 핀을 출력으로 설정
pinMode(ECHO_PIN_NUM, INPUT); //ECHO 핀과 연결된 아두이노 핀을 입력으로 설정
}
void loop() { //loop는 계속 반복 실행되는 함수 입니다.
long duration, distance;
digitalWrite(TRIG_PIN_NUM, LOW); //TRIG 핀의 신호를 LOW로 설정
delayMicroseconds(2); // 2마이크로세컨드(0.000002초) 대기, 센서의 동작을 기다림
digitalWrite(TRIG_PIN_NUM, HIGH); //TRIG 핀의 신호를 HIGH로 설정
delayMicroseconds(10); // 10마이크로세컨드(0.00001초) 대기, 센서의 동작을 기다림
digitalWrite(TRIG_PIN_NUM, LOW); //TRIG 핀의 신호를 LOW로 설정
duration = pulseIn(ECHO_PIN_NUM, HIGH); //물체에 반사되어돌아온 초음파의 시간을 변수에 저장합니다.
// "pulseIn" Returns the length of the pulse in microseconds or gives up and returns 0 if no complete pulse was received within the timeout.
// 거리를 구하는 공식의 단위를 맞춰서 계산해야 합니다.
// 34000 * 초음파가 물체로 부터 반사되어 돌아오는시간 / 1000000 / 2 (왕복거리이므로 나누기 2를 해줍니다.)
// 각각 m(미터) -> cm(센티미터), s(초) -> micro sec(마이크로 초)
// 식을 정리하면 아래와 같습니다.
distance = duration * 17 / 1000;
// PC모니터로 초음파 거리값을 확인 하는 코드 입니다.
Serial.println(duration ); // 초음파가 반사되어 돌아오는 시간을 보여줍니다.
Serial.print("\nDIstance : ");
Serial.print(distance); // 측정된 물체로부터 거리값(cm값)을 보여줍니다.
Serial.println(" cm");
delay(1000); // 1초 대기하고 다시 측정해서 값을 보여줍니다.
}
업로드를 진행합니다. PC모니터를 통해서 값을 확인할수 있도록 시리얼모니터 버튼을 눌러줍니다.
아래 사진처럼 손바닥과 초음파센서의 거리를 측정해보며, PC에 측정된 거리가 잘 나오는지 확인합니다.
초음파에 대해서 알아보고 초음파 센서를 이용해서 물체와의 거리를 측정하는 방법에 대해서 알아보았습니다.
조금 어려울 수도 있지만, 천천히 과학시간에 배운 것을 활용해서 실생활에 사용할 수 있을 만한 프로그램을 만들어 보세요!
- 초음파는 사람이 들을 수 없는 높은 대역의 음파다.
- 초음파가 물체에 반사되어 돌아오는 시간을 측정해 거리를 알 수 있다.
