5 장 . 센서활용 전자회로 설계 및 제작

1. 5장. 센서활용 전자회로 설계 및 제작 1. Digital Clock Board 2. Auto Door Control Board 3. Voice Alarm Board

2. 1. Digital Clock Board • 시계의 기본 단위인 1초를 생성하기 위하여 1Hz 클록을 만드는 방법 학습 • 크리스털, 타이머 IC, 오실레이터 등을 이용하여 발진하고 이 발진 클럭으로부터 10Hz, 1Hz로 분주하는 방법 학습 • 6진, 10진, 12진 카운터를 이용 시, 분, 초를 표시하는 방법 학습 • 시, 분, 초를 FND로 표시하는 방법과 요일, 오전/오후, 초의 변화를 LED로 나타내는 방법 학습

3. 1.1 개요 • 기계시계 + 전기시계 + 전자시계에 대해서 알아보자 1.2 디지털 시계 • 어떤 수치코드를 다른 수치코드로 변환하는 조작을 엔코드 • BCD코드를 10진수로 되돌리는 조작을 디코드

4. 1.3 제작 1.3.1반조립부 제작 • PCB기판을 가지고 제작

5. 1.3.2 완전 조립부 제작 • 클록 발생부 + 시간 제어부 + 시간 FND 표시부 [1] 클록 발생부 • X-tal을 이용한 클록 발생부

6. NE 555를 이용한 클록 발생부

7. 오실레이터를 이용한 클록 발생부

8. [2] 시간 제어부

9. [3] 시간 FND 표시부

10. 1.4 동작 • 클록 발생부, 시간 제어부, 그리고 시간 표시부로 구성 되었다. 먼저 클록 발생부는 여러 발진회로(크리스털, NE555, 오실레이터 등)에 의하여 발진주파수를 만들어 내고, 이를 분주 회로를 통하여 1Hz 신호로 만들어내는 것이다. • 그리고 시간제어부는 초, 분, 그리고 시를 나타내기 위하여 두 자리 카운터 회로 및 초의 리셋회로와 분/시 조절회로로 구성하였다.그리고 시간 포시부는 시/분/초를 FND로 나타내기 위한 회로와 초의 변화, 오전/오후 표시, 그리고 요일을 나타내기 위한 LED 회로로 구성

11. 1.4.1 회로의 구성

12. 1.4.2 회로의 동작 • 클록 발생부 + 시간 제어부 + 시간 표시부 1) 클록 발생부 • X-tal을 이용한 클록 발생

13. NE 555를 이용한 클록 발생

14. 오실레이터를 이용한 클록 발생

15. 2) 시간 제어부 초 제어부 + 분 제어부 + 시 제어부 + 요일 및 오전/오후 표시 신호 생성 회로 • 초 제어부

16. 분 제어부

17. 시 제어부

18. 요일 및 오전/오후 표시 신호 생성 회로

19. 3) 시간 표시부 FND 표시부 + LED 표시부 • FND 표시부 74LS47을 이용하여 두 자리 시/분/초를 표시 • LED 표시부 초의변화,오전/오후/요일 등을 LED로 표시하기 위한 회로

20. 1.5 실험순서 및 결과 • 전원을 인가하여 PUSH버튼 스위치로 현재시간을 맞추고 프로브를 연결하고 주파수를 측정 기록 2. Auto Door Control Board • 광 센서의 일종인 투과형과 반사형 광 센서의 동작 원리를 이해하고 이를 응용 학습 • 논리 게이트를 이용 센서입력에 따라 모터의 구동과 회전방향을 결정하는 신호를 출력하기 위하여 조합논리회로를 구성 • 타이머 IC를 이용 발진하는 방법과 PWM 신호를 생성하는 방법을 이해 학습 • PWM 방식으로 모터의 속도를 제어하는 방법을 이해 학습 • 정역 H 브리지회로를 통하여 모터의 회전방향을 제어 학습 • 자동문을 자동모드에서 OPEN/CLOSE 여부를 모니터링을 하는 방법과 수동모드에서 제어 학습

21. 2.1 개요 • 사람의 직접 손을 대지 않고 자동으로 문이 동작하는 걸 알아보자 2.2 모터의 ON/OFF 제어법 2.2.1 모터제어의 기본회로 • 모터를 제어할때의기본은 ON/OFF 제어

22. (1) 트랜지스터 구동(이미터 부하)

23. (2) 트랜지스터 구동(컬렉터 부하)

24. (3) 역기전력 처리

25. 2.2.2 H 브리지 회로 • 단일전원으로 모터에 가해지는 전압의 방향을 바꿀 수 있는 회로로 고안된 것이 “H 브리지 회로”

26. 2.2.3 모터의 속도 제어 방식 (1) DC 모터의 가변속 제어 • DC 모터의 속도를 연속적으로 바꾸려는 경우에 기본적으로는 DC 모터에 가하는 전압을 바꾸면 속도 변화

27. (2) 아날로그 방식의 가변속 제어 • 트랜지스터로 전압 dropper를 구성,컬렉터 이미터간의 드롭 전압을 바꿈으로서 모터에 가해지는 구동 전압을 가변

28. (3) 펄스폭 변조(PWM) 방식 • PWM방식은 결과적으로 구동전압을 바꾸는 것과 같은 효과를 내고 있지만, 그 방법이 펄스 폭에 따르고 있으므로 펄스 폭 변조(PWM : Pulse Width Modulation)

29. 2.3 광센서의 동작원리 • 포토 인터럽터 + 직접 반사형 광센서 2.3.1 포토 인터럽터 • 투과형 포토 인터럽터 + 반사형 포토 인터럽터(반사센서)

30. 2.3.2 직접 반사형 광센서 • 수 ·발광소자 혹은 수 ·발광 칩을 하우징에 동일방향으로 배치한 구조로서 물체로부터의 반사광의 변화를 검출 • 반사형 포토 센서의 장점 • 센서 전면을 통과하는 물체를 비접촉식으로 검출 • 소형, 고 신뢰성, 장 수명 • 높은 검출 정밀도 • 전자회로와의 인터페이스 용이

31. 2.4 제작 • STU 720 제작 2.4.1 준비 사항 • 부품목록

32. 2.4.2 보드의 제작 반조립부 + 완전조립부를 PCB기판을 이용 제작

33. 1) 반조립부 제작 • PCB기판의 모터속도 제어부 + 모터 구동부를 제작

34. 2) 완전 조립부 제작 • PCB기판의 센서 입력부 + 논리 판별부를 제작

35. 3) 완성된 보드 조립이 완성된 STU 720 보드의 모양

36. 2.5 실험 및 동작 • 물체감지와 자동문의 개폐여부를 감지하는 센서 입력부, 센서의 동작에 따라 모터의 구동 여부와 회전방향을 결정하기 위한 논리 판별부, 펄스 폭 변조 방식으로 모터의 속도를 제어하기 위한 모터속도 제어부, 그리고 정역 H 브리지 회로로서 모터의 구동 On/Off와 정역방향 회전을 위한 모터 구동부 등으로 구성되어 동작 • 2.5.1 회로의 구성

37. 2.5.2 회로의 동작 • 센서 입력부 + 논리 판별부 + 모터 속도 제어부 + 모터 구동부 1) 센서 입력부 • 출입자 감지부 • 출입자의 감지 여부를 검출

38. 자동문 OPEN 감지부 • 투과형 광 센서의 일종인 포토 인터럽터를 사용하여 자동문이 열렸을 때 이를 감지

39. 자동문 CLOSE 감지 센선부 • 투과형 광 센서의 일종인 포토 인터럽터를 사용하여 자동문이 닫혔을 때 이를 감지

40. 2) 논리 판별부 • 각 센서의 입력부로 감지된 신호를 바탕으로 모터의 구동 여부와 회전 방향을 논리적으로 결정하는 부분

41. 3) 모터 속도 제어부 • PWM방식 이용, 펄스 폭을 조정 평균전압을 변화 속도를 제어 -모터 속도 제어부 회로-

42. 4) 모터 구동부 • 논리 판별부로 부터 출력되는 ON/OFF 신호는 모터의 구동 여부를 나타낸다 • High 상태 —모터 구동(ON) • LOW 상태 —모터 정지(OFF) • OPEN 신호 –모터 회전 방향 정방향(문이 OPEN되는 방향) • CLOSE 신호 –모터 회전 방향 역방향(문이 CLOSE되는 방향)

43. 2.6 실험순서 및 결과 • 보드의 핀들이 확장 보드의 핀과 잘 연결되었는지 확인 • 보드와 케이블 연결 • 실험보드와 확장 보드 사이를 케이블로 연결 • 전원을 켬 • HOME Automation 프로그램 클릭 • 현관 위에 광 센서 작동여부 확인, 모터가 정방향으로 동작하고 문이 열리는지 확인 • 수동문을 자동문을 열어 보기 • 자동문의 개폐여부 확인

44. 3. Voice Alarm Board • 음성을 녹음하고 재생하는 방법 학습 • 보이스 코덱 IC를 이용하여 여러 개의 음성 메시지를 메모리에 분할하여 저장하고 재생하는 방법 학습 • 논리 게이트를 이용하여 디코더를 구성, 구성된 디코더로부터 메모리 주소를 어드레싱 방법 학습 • 저전력 오디오전력 증폭기를 이용하여 음성 신호를 증폭 3.1 개요 • 음성을 저장하고 이를 재생하는 방법에 대하여 알아보자

45. 3.2 음성 부호화 • 음성파형을 샘플링 하여 양자화하는 파형 부호화(waveform coding)방식 • 음성의 주기와 성도의 계수 등 음성의 특징만 추출하여 전송해서 수신측에서 음성을 재생하는 보코딩(vocoding)방식 • 파형 부호화 방식과 보코딩 방식의 이점만 사용하는 혼합 부호화(hybrid coding)방식

46. 3.2.1 파형 부호화 방식 • 입력신호를 양자화하기 위한 출력레벨 간격을 양자화 폭 • 양자화 폭을 어떤 상수로 고정하여 선형으로 일정하게 양자화 하여 부호화하는 방식을 선형 PCM 방식 • 대수적으로 일정하게 양자화 하여 부호화하는 방식을 대수(log) PCM 방식 • 양자화 폭을 고정하지 않고 신호의 크기에 적응하여 폭이 변하는 적응 양자화기(Adaptive quantizer)가 제안 • 음성의 대역폭 축소를 위하여 음성신호의 여분(Redundancy)을 이용한 예측 부호화(Predictive coding)방식이 제안 • ADPCM(Adaptive Differential Pulse Code Modulation) 과 ADM(Adaptive Delta Modulation)

47. 3.2.2 보코딩 방식 • 음성파형을 직접 양자화하지 않고 음성파형을 분석하여 유성음과 무성음의 구별, 기본 주기, 성도의 계수 등 음성의 특징만을 추출 전송 • 전형적으로 전송속도가 2.4~4.8kbps로 아주 낮은 반면 시스템 구조는 상대적으로 복잡 • 대표적 보코딩 방식은 LPC 보코더가 있다

48. 3.2.3 혼합 부호화 방식 • 장점 • 저역의 파형은 양자화 오차의 범위 내에서 정확히 재생 • 선형예측분석보다 전대역의 스펙트럼 정보가 능률적 표현 • 피치추출, 유성음과 무성음의 판단이 불필요하기 때문에 주위 잡음의 추출, 오차에 의한 품질의 열화를 막을 수 있다 • 단점 • 시스템이 복잡 • 가격이 점차 저렴화 • 종류 • 시간영역의 부호기와 주파수영역의 부호기

49. 3.3 제작 • STU 401보드 제작 3.3.1 준비 사항 • 부품목록

50. 3.3.2 제작 • 반조립부 제작 + 완전조립부 제작 1) 반조립부 제작 • PCB구성 배치도에서 어드레스 디코더부와 오디오 신호 전력 증폭부를 제작