회로 설계의 기본

  • 전기가 흐르기 위해서는 전위차가 있어야 함.
    • 전위차란, 전기 에너지가 가지는 위치 에너지의 차이로, 전기 에너지가 가지는 위치 에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전기가 흐르게 됨.
    • 아두이노의 5V(+)가 높은 위치 에너지 GND(-)가 낮은 위치 에너지를 가짐.

아두이노란?

  • 이탈리아어로 ‘강력한 친구’ 라는 의미
  • 전기·전자를 손쉽게 공부할 수 있도록 개발된 보드(일종의 컴퓨터)이며 비전공자들도 널리 사용함.
  • 프로그램을 작성해서 보드에 저장할 수 있으며 전원이 인가되는 동안 계속해서 반복 실행함.

브레드보드란?

  • 납땜 없이 동시에 여러 센서를 사용해야 할 때 사용함.
  • 아두이노는 5V를 한 곳에서만 출력하기에 브레드보드를 통해 여러 센서를 병렬로 연결할 수 있음. (모든 센서에 똑같이 5V를 공급)

옴의 법칙

V = I*R

  • 각각의 센서는 허용되는 전압/전류가 있는데 이를 초과하게 되면 센서가 망가지기 때문에 회로를 잘 설계해 주어야 함.
  • 아두이노의 전압은 일정하므로 (3.3V/5V) 저항(R)을 통해서 흐르는 전류를 조절해 주어야 함.

LED 센서 연결 실습

  • LED 센서의 허용 전류는 20mA(0.02A)이므로 3.3V 전압에 200옴의 저항을 사용하여 허용 전류보다 낮은 16.5mA의 전류를 흐르게 할 수 있음. ($I = 3.3/200$)
  • 5V의 전압을 주는 경우, 300옴의 저항을 사용하여 약 16mA의 전류를 흐르게 할 수 있음. ($I = 5/300$)
  • 저항은 일반적으로 생각하기에 5V → 저항 → LED → GND순으로 연결되어야 할 것 같지만 회로를 인식한 다음에 전기가 흐르기 때문에 5V → LED → 저항 → GND순으로 연결되어도 무방함.

스위치를 통한 회로 제어

  • 회로 사이에 스위치를 끼워주게 된다면 스위치가 눌리지 않은 상태에서는 전위차가 발생하지 않으므로, 스위치가 눌릴 때만 LED가 켜지게 됨.

아두이노를 통한 출력

아두이노 프로그래밍 기초 구조

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// 전역변수를 선언하고, 사용할 라이브러리를 추가할 수 있음.

void setup() {
// 한 번만 실행되는 함수임.
// 핀모드나 센서의 초기값 등을 설정할 수 있음.
}

void loop() {
// 이후 계속해서 반복 실행되는 한수
}

디지털 출력과 아날로그 출력

  • 두 가지 출력 모두 pinMode(핀 번호, OUTPUT)를 통해 출력을 시작함.
  • 디지털 출력
    • LOW(0V)와 HIGH(5V) 두 가지의 전압만 내보낼 수 있음.
    • digitalWrite(핀 번호, HIGH/LOW)를 통해서 출력이 이루어짐.
  • 아날로그 출력
    • 디지털 출력이 LOW(0V) 또는 HIGH(5V) 두 가지의 값만 출력할 수 있는 것에 비해 아날로그 출력은 연속적인 값을 출력해낼 수 있음.
    • analogWrite(핀 번호, HIGH/LOW)를 통해서 출력이 이루어짐.
  • 아날로그 출력에서는 analogWrite()를 통해서 0V 또는 5V 값을 내보낼 수 있지만 디지털 출력에서는 digitalWrite()를 통해 0~255의 값을 내보낼 수 없음을 유의하자!

1번 과제를 수행해보자! 1초 간격으로 켜졌다, 꺼졌다를 반복하도록 LED 회로와 아두이노 프로그램을 작성하시오.

digitalWrite()함수와 analogWrite()함수는 토글(한번만 작동시켜도 작동 상태가 지속되는 방식)로 작동한다는 점과 delay(시간, 단위는 ms)함수에 유의하자!

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// 1번 과제
void setup() {
	pinMode(11, OUTPUT); // 11번 핀을 출력으로 설정
}

void loop() {
	digitalWrite(11, HIGH); // 11번 핀에 5V 전압을 출력
	delay(1000); // 1초 대기
	digitalWrite(11, LOW); // 11번 핀에 0V 전압을 출력
	delay(1000); // 1초 대기
}

2번 과제를 수행해보자! 1번 문제에서 LED가 다시 켜질 때마다 밝기가 약 10%씩 감소하도록 프로그램을 작성하시오.

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void setup() {
	pinMode(11, OUTPUT); // 11번 핀을 출력으로 설정
}

int a = 250; // a라는 정수형 변수를 선언한 뒤, 250이라는 값을 대입함

void loop() {
	analogWrite(11, a); // 11번 핀에 a만큼의 전압을 출력
	delay(1000); // 1초 대기
	a = a-25; // a에서 25만큼을 뺌. 255(5V)의 약 10%는 250
}

3번 과제를 수행해보자! 1초 간격으로 LED 색이 변하도록 회로와 프로그램을 구현하시오. (RGB LED 모듈 사용)

11번 핀을 빨간색, 9번 핀을 파란색에 연결했다고 가정하자.

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void setup() {
	pinMode(9, OUTPUT); // 9번 핀을 출력으로 설정
	pinMode(11, OUTPUT); // 11번 핀을 출력으로 설정
}

void loop() {
	// 빨간색 출력
	digitalWrite(11, HIGH); // 11번 핀에 5V 전압을 출력
	delay(1000); // 1초 대기
	
	// 보라색 출력
	digitalWrite(11, LOW); // 11번 핀에 0V 전압을 출력
	digitalWrite(11, HIGH); // 11번 핀에 5V 전압을 출력
	digitalWrite(9, HIGH); // 9번 핀에 5V 전압을 출력
	delay(1000); // 1초 대기
	
	// 파란색 출력
	digitalWrite(11, LOW); // 11번 핀에 0V 전압을 출력
	digitalWrite(9, LOW); // 9번 핀에 0V 전압을 출력
	digitalWrite(9, HIGH); // 9번 핀에 5V 전압을 출력 
	delay(1000); // 1초 대기
	
	// 모든 LED 끄기
	digitalWrite(9, LOW); // 9번 핀에 0V 전압을 출력
}

아두이노와의 시리얼 통신

시리얼 통신이란?

  • 아두이노에서는 쉽게 단순히 아두이노와 컴퓨터 간의 통신으로 생각하여도 무방함.
  • 시리얼 입력은 버퍼의 데이터를 확인하여 문자를 하나씩 읽는 것임
  • 시리얼 모니터(Tool -> Serial Monitor)를 통해서 확인할 수 있음.
  • pySerial 라이브러리를 활용하면 파이썬과의 연계도 가능함.

시리얼 통신을 위한 함수들

  • Serial.begin(통신속도, 보통 9600을 많이 사용함): 시리얼 통신을 시작함.
  • Serial.print(내용), Serial.println(내용): 시리얼 통신을 통해 내용을 출력함.
  • Serial.available(): 버퍼에 있는 데이터의 길이를 바이트 단위로 확인함.
  • Serial.read(): 버퍼에서 문자를 하나 가져옴.
  • Serial.readString(): 버퍼에서 문자열을 가져옴.

1번 과제를 수행해보자! 구구단 중 하나를 시리얼로 출력하시오.

출력하는 구구단은 2단이다.

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void setup() {
	Serial.begin(9600); // 9600의 속도로 시리얼 통신을 시작
}

int a = 1; // a라는 정수형 변수를 선언한 뒤, 1이라는 값을 대입함

void loop() {
	while (a < 10) { // a가 10미만일 동안 (2*9 까지만 출력함)
		Serial.println(2*a); // 2*a의 값을 출력함
		a = a+1; // a에 1을 더해줌
	}
}

2번 과제를 수행해보자! ‘T’, ‘F’ 문자를 시리얼로 입력하면 LED가 켜지고 꺼지도록 회로와 프로그램을 작성하시오.

LED 모듈은 8번 핀에 연결했다고 가정하자.

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void setup() {
	pinMode(8, OUTPUT); // 8번 핀을 출력으로 설정
	Serial.begin(9600); // 9600의 속도로 시리얼 통신을 시작
}

void loop() {
  if(Serial.available() > 0) { // 버퍼의 데이터 길이 > 0 이면 (=읽을 데이터가 있으면)
	  char c = Serial.read(); // char 자료형의 변수 c를 선언하고 문자 하나를 읽음
	  if(c == 'T') { // c가 'T'와 같다면
		  digitalWrite(8, HIGH); // 8번 핀에 5V 전압을 출력
	  }
	  if(c == 'F') { // C가 'F'와 같다면
		  digitalWrite(8, LOW); // 8번 핀에 0V 전압을 출력
	  }
  }
}

아두이노를 통한 입력

디지털 입력과 아날로그 입력

  • 두 가지 입력 모두 pinMode(핀 번호, INPUT)를 통해 입입력을 시작함.
  • 디지털 입력
    • 0V를 LOW, 5V를 HIGH로 인식함.
    • digitalRead(핀 번호)함수를 사용했을 때 HIGH 또는 LOW 값을 읽어냄.
    • 전기가 들어오지 않을 때 digitalRead(핀 번호)함수를 사용하면 Floating 상태(떠있는 상태, 입력핀이 전기적으로 연결되지 않아 불안정한 상태)가 되므로 LOW값과 HIGH값이 임의로 읽어온다.
    • 이를 방지하기 위해 pinMode(핀 번호, INPUT_PULLUP)함수를 통해 풀업 저항을 사용할 수 있다.
      • 풀업 저항을 사용하면 기본적으로 핀이 HIGH 값을 읽어오도록 하고 전기적으로 연결될 때 LOW 값을 읽어오도록 한다.
  • 아날로그 입력
    • 디지털 출력이 LOW(0V) 또는 HIGH(5V) 두 가지의 값만 읽을 수 있는 것에 비해 아날로그 출력은 0부터 1023까지의 연속적인 값을 읽어낼 수 있음.
    • analogWrite(핀 번호)를 통해서 0에서 1023까지의 값을 읽어옴.

조도센서(CDS)란?

  • 밝기에 따라 저항값이 바뀌는 가변저항(반비례, 어두워지면 값이 커짐)임.
  • 밝기에 따라 저항값이 달라지므로 아날로그 신호를 만들 수도 있음.

1번 과제를 수행해보자! 어두워지면 LED가 켜지고, 밝아지면 LED가 꺼지도록 회로와 프로그램을 작성하시오.

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void setup() {
  Serial.begin(9600); // 9600의 속도로 시리얼 통신을 시작
  pinMode(A0, INPUT); // A0 핀을 입력으로 설정
  pinMode(7, OUTPUT); // 7번 핀을 입력으로 설정
}

void loop() {
  int a = analogRead(A0); // a라는 정수형 변수를 선언한 뒤 A0 핀을 통해 읽어온 값을 대입함
  if(a > 300) { // 읽어온 값 a가 300보다 크다면(=어두우면)
    digitalWrite(7, HIGH); // 7번 핀에 5V 전압을 출력
  }
  if(a < 300) { // 읽어온 값 a가 300보다 작다면(=밝으면)
    digitalWrite(7,LOW); // 7번 핀에 0V 전압을 출력
  }
}

아두이노 프로그래밍

일반적인 센서의 사용방법

  • 센서: 저항(220옴, 10K옴 등)을 연결해 주어야 함. (Ex. LED, 조도(빛) 센서 등)
  • 센서 모듈: 저항까지 센서에 포함되어 있어 별도로 저항을 연결하지 않아도 됨.

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#include "DHT.h"
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

#define DHTPIN 6
#define DHTTYPE DHT11

DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

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

  // LCD를 초기화 및 백라이트 ON
  lcd.init();
  lcd.backlight();
}

void loop() {
  // 온습도센서(DHT11)를 이용하여 온도와 습도값을 측정하고 LCD에 출력하시오.
  float humidity = dht.readHumidity(); // 습도 읽기
  float temperature = dht.readTemperature(); // 온도 읽기
  
  Serial.print((int)temperature); Serial.print(" *C, "); // 온도값 출력
  Serial.print((int)humidity); Serial.println(" %"); // 습도값 출력

  String humi = "Humi : ";
  humi += (String)humidity;
  humi += "%";
  
  String temp = "temp : ";
  temp += (String)temperature;
  temp += "C";

  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print(humi);

  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print(temp);

  delay(1500);
}

아두이노를 위한 C언어 기초

자료형과 자료구조

파이썬의 자료형C언어의 자료형
정수정수
실수실수
문자열문자(char)
  • 언뜻 보기에는 큰 차이가 없어보이나 C언어는 문자열이 아닌 문자(char, character의 약자)를 자료형으로 가짐
  • 즉 char에는 하나의 문자만 저장할 수 있음을 의미함. char c = a
  • 따라서 아두이노의 경우 라이브러리를 통해 String을 지원하고 있음.
파이썬의 자료구조C언어의 자료구조
리스트배열
딕셔너리
튜플
  • 배열과 리스트와 비슷하지만 자료형에 관계없이 모든 요소를 추가할 수 있는 것에 비해 배열은 동일한 자료형만 저장할 수 있음.

조건문

  • 파이썬의 조건문 문법
    • elif를 통해서 여러 개의 조건을 확인할 수 있음.
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if 질문 : 
	질문이 참일 때 실행할 코드
  • C언어의 조건문 문법
    • elif 대신 else if를 사용해야 함.
    • switch를 사용할 수도 있음.
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if (질문) {
	질문이 참일 때 실행할 코드
}
  • 파이썬의 반복문 문법
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# while문
while 질문 : 
	질문이 참인 동안 반복할 부분

# for문
for 변수 in 집합 : 
	변수가 집합의 원소를 순회하며 실행될 코드
  • C의 반복문 문법
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// while문
while (질문) {
	질문이 참인 동안 반복할 부분
}

// for문
for (초기값; 질문; 증감식) {
	질문이 참인 동안 반복할 부분
}

// 예시 | 0 1 2 3 4 출력
for (int i=0; i<5; i=i+1) {
	Serial.println(i);
}
  • 파이썬에서의 함수 생성
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def 함수이름(매개변수) : 
	실행할 내용
  • C언어에서의 함수 생성
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반환형 함수이름(매개변수) {
	실행할 내용
}
파이썬 주석C언어 주석
# 주석// 주석
''' 주석 '''/* 주석 */
  • 기타 C의 특징
    • 포인터: 변수를 통해서 메모리 공간에 직접 접근하고 조작할 수 있음.
    • 데이터의 표현이 파이썬에 비해 상대적으로 제한적임
    • 문자를 숫자로 변경하거나 숫자를 문자로 변경할 수 있음 (반대도 가능함, ASCII 코드)

1번 과제를 수행해보자! 시리얼로 문자열을 입력받아, 문자 a의 개수를 세는 프로그램을 작성하시오.

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void setup() {
	Serial.begin(9600); // 9600의 속도로 시리얼 통신을 시작
}

void loop() {
	int n = 0; // a라는 정수형 변수를 선언한 뒤, 0이라는 값을 대입함
	
	if (Serial.available() > 0) { // 버퍼의 데이터 길이 > 0 이면 (=읽을 데이터가 있으면)
		char a = Serial.read(); // char 자료형의 변수 c를 선언하고 문자 하나를 읽음
		if (a == 'a') { // a가 'a'와 같다면
			n = n + 1; // 변수 n에 1을 더함
		}   
	}
Serial.println(n); // n의 값을 출력함
}

2번 과제를 수행해보자! 문자 ‘A’와 ‘a’를 숫자로 변환하여 출력하시오.

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void setup() {
	Serial.begin(9600); // 9600의 속도로 시리얼 통신을 시작
}

void loop() {
	Serial.println('A'); // 'A'를 출력함
	Serial.println((int)'a'); // 97을 출력함, 정수 변환값
	Serial.println((int)'A'); // 65을 출력함, 정수 변환값
}

참고

직렬연결 vs 병렬연결 - 달빛과학 03-1 디지털과 아날로그 신호 - 위키독스 05-3 내부 풀업(Pull-up)저항 사용하기 온습도 센서(모듈)로 온/습도 확인하기