최근에 기계공학 교육에서 메카트로닉스 교육의 중요성은 많이 인식되고 있으나, 일반적으로 장비가 갖춰진 실험실에서만 실험실습교육이 이루어지고 있어, 학생들이 집에서 실습해 볼 수 없는 불편함이 있어왔다. 본 논문에서는 5V 소형전원, 브레드보드, 마이크로컨트롤러 및 각종 전자칩류, 스텝모터, 전기소자류, LED 등 소형 휴대용장비와 학생의 PC 를 활용하여, 디지틀논리회로, 7-LED 구동, 사각파신호생성, 마이크로컨트롤러 어셈블리 및 C 프로그래밍, 타이머인터럽트, 스텝모터 구동 등을 실험실습하는 교육에 대해 소개한다. 개발된 강좌에서는 내용강의와 더불어 실험실습을 병행하되, 학생들에게 편리하고 값싸게 실험실습을 수행할 수 있는 환경을 제공하여, 학생들이 집에서 실험실습을 예습 및 복습할 수 있게 하였다.
최근에 기계공학 교육에서 메카트로닉스 교육의 중요성은 많이 인식되고 있으나, 일반적으로 장비가 갖춰진 실험실에서만 실험실습교육이 이루어지고 있어, 학생들이 집에서 실습해 볼 수 없는 불편함이 있어왔다. 본 논문에서는 5V 소형전원, 브레드보드, 마이크로컨트롤러 및 각종 전자칩류, 스텝모터, 전기소자류, LED 등 소형 휴대용장비와 학생의 PC 를 활용하여, 디지틀논리회로, 7-LED 구동, 사각파신호생성, 마이크로컨트롤러 어셈블리 및 C 프로그래밍, 타이머 인터럽트, 스텝모터 구동 등을 실험실습하는 교육에 대해 소개한다. 개발된 강좌에서는 내용강의와 더불어 실험실습을 병행하되, 학생들에게 편리하고 값싸게 실험실습을 수행할 수 있는 환경을 제공하여, 학생들이 집에서 실험실습을 예습 및 복습할 수 있게 하였다.
Although mechatronics education in a mechanical engineering curriculum is recently recognized as important, its experimental education has been done generally in the laboratory equipped with all the apparatus and could not be done at home by students. This paper introduces experimental educations on...
Although mechatronics education in a mechanical engineering curriculum is recently recognized as important, its experimental education has been done generally in the laboratory equipped with all the apparatus and could not be done at home by students. This paper introduces experimental educations on mechatronics, e.g., digital logic circuits, 7-segment LED drive, square wave generation, microcontroller programming using assembly and C languages, timer interrupt, and step motor drive using a small 5 V power supply, a breadboard, various electronic and electric components, a microcontroller and its programmer, a step motor, and a student's PC. In the developed mechatronics course, experimental educations are scheduled in parallel with content's lectures together, and cheap and economic experimental environment is prepared for students in which students can easily practice experimental works in advance or later at home by themselves.
Although mechatronics education in a mechanical engineering curriculum is recently recognized as important, its experimental education has been done generally in the laboratory equipped with all the apparatus and could not be done at home by students. This paper introduces experimental educations on mechatronics, e.g., digital logic circuits, 7-segment LED drive, square wave generation, microcontroller programming using assembly and C languages, timer interrupt, and step motor drive using a small 5 V power supply, a breadboard, various electronic and electric components, a microcontroller and its programmer, a step motor, and a student's PC. In the developed mechatronics course, experimental educations are scheduled in parallel with content's lectures together, and cheap and economic experimental environment is prepared for students in which students can easily practice experimental works in advance or later at home by themselves.
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문제 정의
. 이러한 관점에서 지난 10 여년간 저자가 개발해온 메카트로닉스 강좌의 실험실습 교육에 대해 본 논문에서 논의하고자 한다. 개발된 메카트로닉스 강좌는 3 학년 1 학기 한학기 3 학점 과목으로 개설되며, 14 주의 강의와 실험실습, 그리고 중간고사와 기말고사로 구성되어 있다.
8 과 같은 기계어(편의상 이진수 대신 16 진수로 표현)로 번역되고 그 차이점을 분명하게 보게 한다. 즉, 어셈블리 프로그램이 짜기는 불편하지만 실행시간을 줄일 수 있는 이점이 있음을 이해하게 한다. 본 강좌에서는 Microchip 사의 PIC 마이크로컨트롤러를 사용하고, 마이크로컨트롤러용 크로스 어셈블러(cross assembler)는 Microchip 사의 MPASM, C 컴파일러는 Hi-Tech 사의 PICC Lite 를 사용한다.
제안 방법
Lab 과제 준비물을 소형 휴대용 기기와 부품으로 선정함으로써, 학생들이 가지고 다니며 언제 어디서나 220V 가정용 전원만 있으면 실습을 해볼 수 있는 환경을 만들어 주어 학습효과를 높이도록 하였다. 또한 저렴한 비용으로 메카트로닉스 실습교육을 수행할 수 있게 함으로써, 대학 운영자 측면에서 재정적 부담이 되지 않도록 하였다.
구동원리 이해를 위한 실습과 병행하여 강의에서 스텝모터 구동칩을 이용한 일반구동 및 마이크로스테핑(microstepping) 구동 방법을 이해하도록 한다.
본 개발 메카트로닉스 강좌에서는 기계공학 전공 학생들에게 전기전자 및 컴퓨터 관련 지식을 습득하게 하기 위하여, 강의와 더불어 실험실습을 병행하도록 하였다. 졸업 후 산업현장 및 연구현장에서 활용도를 생각하여, 다음과 같은 실험실습 토픽을 선정하였다.
Lab 3 에서 TTL 칩인 74221 을 이용해 하드웨어적으로 사각파신호를 구현한 데 비해, Lab 5 에서는 더 편리하게 소프트웨어적인 프로그램으로 구현한다. 사각파신호 생성을 위한 어셈블리 및 C 프로그램을 라인별로 이해하도록 여러 번에 걸쳐 설명한 후 이를 응용하여 프로그래밍을 실습하게 한다.
메카트로닉스의 마지막 실습과제는 스텝모터 구동이다. 스텝모터의 구조와 작동원리, 그리고 구동회로 기초에 대한 강의를 한 후, Lab 5 전반부에서 생성한 T1, T2, T3, T4 신호를 트랜지스터로 전류 증폭하여 스텝모터를 구동하게 한다. Unipolar drive 와 Bipolar drive, 1 상 여자와 1.
본 강좌에서 가장 중요하게 생각하는 수업목표는 마이크로컨트롤러의 활용능력이다. 이를 위해 강의에서 마이크로컨트롤러의 구조와 기능에 대해 공부하고, 이를 바탕으로 어셈블리 프로그래밍과 C 프로그래밍을 실습한다. 특히, C 프로그램에서는 타이머 인터럽트(timer interrupt)의 이해와 활용능력을 습득하도록 한다.
처음 4 주 동안 메카트로닉스 의미와 범위, 전기회로, 반도체소자, 연산증폭기회로(operational amplifier circuit)를 공부한 후, 5 주차 디지틀논리회로부터 강의와 실습을 병행하게 된다. 본 과목 수강생은 이미 기계공학실험 1 에서 전기회로 소자와 오피앰프(op amp; operational amplifier)를 실습한 학생들이다.
대상 데이터
처음 4 주 동안 메카트로닉스 의미와 범위, 전기회로, 반도체소자, 연산증폭기회로(operational amplifier circuit)를 공부한 후, 5 주차 디지틀논리회로부터 강의와 실습을 병행하게 된다. 본 과목 수강생은 이미 기계공학실험 1 에서 전기회로 소자와 오피앰프(op amp; operational amplifier)를 실습한 학생들이다. 본 강좌는 외국인학생들이 있어서 영어로 진행된다.
이론/모형
즉, 어셈블리 프로그램이 짜기는 불편하지만 실행시간을 줄일 수 있는 이점이 있음을 이해하게 한다. 본 강좌에서는 Microchip 사의 PIC 마이크로컨트롤러를 사용하고, 마이크로컨트롤러용 크로스 어셈블러(cross assembler)는 Microchip 사의 MPASM, C 컴파일러는 Hi-Tech 사의 PICC Lite 를 사용한다. 이 어셈블러와 컴파일러는 작은 무료 프로그램이므로, 쉽게 학생 각자의 노트북 PC 에 설치하여 사용할 수 있다.
성능/효과
부수적 효과로서, 외국인 학생들과의 팀웍을 통해, 유럽학생들의 문제해결을 위한 집요한 노력이 우리 학생들에게 많은 자극이 되는 것을 볼 수 있었다.
후속연구
하지만 기계공학에서 개설되는 메카트로닉스의 강좌내용은 일반적으로 위에서 언급한 전기전자요소의 기능과 사용법, 마이크로컨트롤러의 프로그래밍, 모터의 구동 등을 기본적으로 중요하게 다루고 있다. 메카트로닉스의 이해가 기계공학도에게 매우 중요함에도 불구하고 본 과에서는 커리큘럼 배분상 한 과목으로 밖에 넣을 수 없는 아쉬움이 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기계공학에서 개설되는 일반적인 메카트로닉스의 강좌 내용은 무엇인가?
(2) 메카트로닉스 강좌를 개설하는 학년이 대학 2 학년에서부터 4 학년 사이에 다양하게 분포되어 있으며, 강좌에서 다루거나 강조되는 토픽들도 매우 다르다. 하지만 기계공학에서 개설되는 메카트로닉스의 강좌내용은 일반적으로 위에서 언급한 전기전자요소의 기능과 사용법, 마이크로컨트롤러의 프로그래밍, 모터의 구동 등을 기본적으로 중요하게 다루고 있다. 메카트로닉스의 이해가 기계공학도에게 매우 중요함에도 불구하고 본 과에서는 커리큘럼 배분상 한 과목으로 밖에 넣을 수 없는 아쉬움이 있다.
본 강좌에서 마이크로컨트롤러의 활용능력을 향상시키기 위해 어떤 내용의 강의를 하는가?
본 강좌에서 가장 중요하게 생각하는 수업목표는 마이크로컨트롤러의 활용능력이다. 이를 위해 강의에서 마이크로컨트롤러의 구조와 기능에 대해 공부하고, 이를 바탕으로 어셈블리 프로그래밍과 C 프로그래밍을 실습한다. 특히, C 프로그램에서는 타이머 인터럽트(timer interrupt)의 이해와 활용능력을 습득하도록 한다.
메카트로닉스 교육에서 실험실습 토픽과 장비를 잘 선정하면 어떤 실험실습환경을 구축할 수 있는가?
기계공학에서 수행되는 메카트로닉스 교육은 주로 전기전자요소의 기능과 사용법, 마이크로컨트롤러(microcontroller)의 프로그래밍, 모터의 구동 등을 중요한 주제로 다루고 있다.(3~5) 따라서 실험실습 토픽과 장비를 잘 선정하면, 저렴하면서도 가지고 다니기에 가볍고 편리한 실험실습환경을 구축할 수 있다. 이러한 실험실습 환경이 구축되면, 학생들은 가방에 늘 장비를 가지고 다니면서, 언제 어디서든 강의내용을 실험실습해 볼 수 있는 이점을 갖게 된다.
참고문헌 (9)
International Engineering Alliance, Available at http://www.washingtonaccord.org, Accessed on May 1, 2013.
한국공학교육인증원, Available at http://www.abeek.or.kr, Accessed on May 1, 2013.
D. G. Alciatore, and M. B. Histand, Introduction to Mechatronics and Measurement Systems, 4th ed., McGraw Hill, 2012.
강철구외 공역, 메카트로닉스와 계측시스템, 4 판, 교보문고, 2012.
W. Bolton, Mechatronics, 6th ed., Pearson Education, 2015.
강철구, "외국인과의 팀웍을 통한 공학교육의 국제화," 대한기계학회 교육부문 춘계학술대회 논문집, pp. 221-225, 2013.
강철구, "MATLAB/Simulink 를 활용한 로봇기구학 교육," 한국공학교육학회 공학교육학술대회논문요약집, p. 94, 2012.
강철구, "이러닝을 통한 유공압시스템 교육," 유공압건설기계학회 추계학술대회논문집, pp. 93-97, 2012.
강철구, "기계공학에서 유공압교육의 현황과 효과적인 교육방법," 대한기계학회 교육부문 춘계학술대회논문집, pp. 153-159, 2012.
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