[논문]기초디지털논리회로 실습을 위한 스위치 기반 LED Art 논리 회로 구현

허경

doi:10.14702/jpee.2016.095

기초디지털논리회로 실습을 위한 스위치 기반 LED Art 논리 회로 구현
Implementation of a Switch-based LED Art Logic Circuit for Basic Digital Logic Circuit Practice 원문보기

JPEE : Journal of practical engineering education = 실천공학교육논문지, v.8 no.2, 2016년, pp.95 - 101

초록
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본 논문에서는 디지털 논리회로의 동작 원리에 대한 이해를 돕기 위해, 스위치 기반 LED (Light Emitting Diode) Art 논리 회로 구현 방법을 소개한다. 브레드 보드를 이용한 디지털 논리회로 실습은 국내 교육과정의 고등학교 및 대학교 수준의 해당 학과에서 필수 교육과정으로 지정하고 있다. 하지만 실제 실습에는 기초적인 구현 예제가 부족하고, 이에 따른 결과로 복잡한 디지털 논리회로 예제를 통한 학습으로 디지털 논리회로의 기초 동작 원리에 대한 이해를 방해하는 문제점을 갖고 있다. 따라서, 스위치를 이용한 기초적인 실습예제이며, 다수의 출력 장치 신호들을 동시에 제어하는 논리회로의 필요성을 이해할 수 있는 LED Art 회로 구현 방법을 제안하고 시험하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we introduce an implementation method of switch-based LED (Light Emitting Diode) Art logic circuits to help understanding the operation principle of digital logic circuits. Digital logic circuit practice using bread board is widely practiced in colleges or high schools in South Korea. However, actual digital logic circuit practice lacks examples of basic implementation, and as results of this problem, study with more complicated examples disturbs understanding the basic operation principle of digital logic circuits. Therefore, we proposed and tested an implementation method of switch-based LED Art logic circuits to help understanding the necessity of digital logic circuits which control signals of multiple output devices simultaneously.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기초 디지털 논리회로의 필요성과 동작 원리에 대한 이해를 돕기 위한 교육 방법을 제안하였다. 스위치 방식의 LED 논리 회로 실습은 기본적인 AND, OR 및 NOT 논리회로의 실제 회로 상 동작 결과를 확인해볼 수 있어, 디지털 논리회로 강좌 초반에 ‘0’과 ‘1’, ‘HIGH’와 ‘LOW’, ‘ON’과 ‘OFF’와 같이 실제가 아닌 이론적인 논리 개념만을 주입하는 강의로 진행되는 문제를 방지할 수 있다.
기존에는 기초 디지털 논리 회로 구현에 있어, 적절한 STEAM 적용 사례가 전무하였다. 본 논문에서는 학생들의 흥미와 이해를 높일 수 있는 STEAM 교육 방식을 적용하여, LED Art 논리 회로 구현 사례를 소개한다. 그림 6은 단일 색상으로 흰색 LED들을 브레드보드에 100개 연결한 것으로, 논리 회로의 출력 개수를 100개로 하면 각각의 LED들이 스위치로 입력되는 특정 입력 패턴에서 ON/OFF 동작하게 할 수 있다.
즉, ‘000’ 스위치 입력에서는 모든 LED들이 꺼지고, 특정 입력 조건에 서는 흰색과 녹색 LED 묶음이 함께 켜지고, 어떤 입력 조건에서는 노랑, 파랑과 녹색 LED 묶음이 함께 켜지고, ‘111’ 스위치 입력에서는 5 색 LED들이 모두 켜지는 것과 같은 진리 표를 설계한 것이다. 이 예제는 그림 5에 표시한 3개 입력 스위치를 이용하여 5 종류 LED 출력 장치들을 ART 건축물 표현이라는 특정 목표를 달성하기 위해 조합하고 제어한다는 것으로, 특정 장치 발명을 위한 논리회로 설계를 통해 소수의 스위치를 이용하여 더 많은 다수의 출력장치들을 조합 및 제어할 수 있다는 내용을 효과적으로 교육할 수 있는 근거이다.
그리고, 다수 출력장치 들을 조합하여 특정 장치를 발명, 설계 및 구현하는 적절한 STEAM 적용 사례가 전무하였다. 이에 LED Art를 브레드 보드에 실습할 수 있도록 LED 전구를 연결하는 방법과 기본적인 적용사례를 소개한다. 그리고 디지털 논리회로의 동작 원리에 대한 이해를 돕기 위해, 스위치 방식의 LED 논리 회로 구현 방법을 제안하고 시험하였다.
학생들의 흥미와 이해를 높일 수 있는 STEAM 교육 방식을 이용하여, 본 논문에서는 스위치 방식의 LED(Light Emitting Diode) Art 논리 회로 구현 방법을 소개한다. 기존에는 기초 디지털 논리 회로 구현에 있어, 스위치 입력 장치를 사용한 기초적인 실험 교육법 없이 오실로스코프에서 발생된 펄스 신호 입력를 사용하였다.

제안 방법

STEAM 교육 방식을 적용하여, 향상된 교육 효과를 도출하기 위해 Art 요소를 강화한 예제이다. 3변수 스위치 입력 패턴 즉, 000부터 111까지 8개 경우에 대해, 출력장치는 다섯 개로 정의하여 다섯 개 색상의 LED 묶음으로 설계되었다. 그리고 다섯 개 출력 장치는 서로 조합되어 000부터 111까지 8개 입력 조건에서 각각 ON/OFF 된다.
이에 LED Art를 브레드 보드에 실습할 수 있도록 LED 전구를 연결하는 방법과 기본적인 적용사례를 소개한다. 그리고 디지털 논리회로의 동작 원리에 대한 이해를 돕기 위해, 스위치 방식의 LED 논리 회로 구현 방법을 제안하고 시험하였다.
학생들의 흥미와 이해를 높일 수 있는 STEAM 교육 방식을 이용하여, 본 논문에서는 스위치 방식의 LED(Light Emitting Diode) Art 논리 회로 구현 방법을 소개한다. 기존에는 기초 디지털 논리 회로 구현에 있어, 스위치 입력 장치를 사용한 기초적인 실험 교육법 없이 오실로스코프에서 발생된 펄스 신호 입력를 사용하였다. 그리고, 다수 출력장치 들을 조합하여 특정 장치를 발명, 설계 및 구현하는 적절한 STEAM 적용 사례가 전무하였다.
그리고 A 스위치의 출력 자리에 Y 출력 장치인 녹색 LED의 + 극을 연결하였다. 또한, 이 회로에서 A 스위치와 B 스위치의 AND 연산 출력 (74HC08) 자리에 Z 출력 장치인 흰색 LED의 + 극을 연결하였다.
그림 1과 그림 2에서 설명한 스위치 연결 방법은 하나의 변수가 1과 0의 신호를 발생시키는 것과 동일하다. 이 방식을 이용하여, A와 B 두 개의 변수가 생성하는 입력 패턴에 따라, 표 1의 AND 연산 결과를 발생시키고자 한다. 이를 위해 74HC08 계열 칩을 사용하였다.
그림 5의 회로를 이용하여, 3변수 입력 논리회로 상에서 필요한 신호들을 2입력 OR 회로 칩인 74HC32 계열 칩과 연결하여 필요한 신호들을 모두 만들 수 있다. 이를 통해, 다수의 출력장치를 제어하는 논리회로를 만들 수 있고, 다수의 센서 출력장치를 조합한 발명품 및 다양한 캡스톤 디자인 결과물을 만들 수 있다. 또한, 아두이노 보드와 연결하여 다양한 목적의 실험 장치를 만들 수 있다.
입력 스위치의 개수가 세 개인 경우에 대해, 스위치 기반 논리회로를 구현하는 예제를 제안한다. 표 3은 세 개의 입력 변수에 대해 총 8가지 출력 신호가 발생할 수 있고, 이에 대한 논리회로 출력을 표현한 것이다[4].

대상 데이터

이 방식을 이용하여, A와 B 두 개의 변수가 생성하는 입력 패턴에 따라, 표 1의 AND 연산 결과를 발생시키고자 한다. 이를 위해 74HC08 계열 칩을 사용하였다. 74HC08 칩 데이터 시트의 연결방법에 따라, 그림 3(a)와 같이 브레드보드 상에 연결하였다.

성능/효과

스위치 방식의 LED 논리 회로 실습은 기본적인 AND, OR 및 NOT 논리회로의 실제 회로 상 동작 결과를 확인해볼 수 있어, 디지털 논리회로 강좌 초반에 ‘0’과 ‘1’, ‘HIGH’와 ‘LOW’, ‘ON’과 ‘OFF’와 같이 실제가 아닌 이론적인 논리 개념만을 주입하는 강의로 진행되는 문제를 방지할 수 있다. 또한, LED 재료들을 다수의 출력장치들로 정의하여 다섯 가지 색상의 LED들을 조합하여 특정 이미지와 건축물을 표현해보는 STEAM 기반 실습은, 논리회로가 소수의 입력 장치를 이용하여 다수의 출력장치들을 특정 목표를 달성하기 위해 제어한다는 내용을 효과적으로 전달할 수 있다. 아울러, 본 논문에서 소개한 실습 내용을 아두이노 보드와 연계한다면, 아두이노 보드 교육 시에도 효과를 나타낼 수 있다.
또한, LED 재료들을 다수의 출력장치들로 정의하여 다섯 가지 색상의 LED들을 조합하여 특정 이미지와 건축물을 표현해보는 STEAM 기반 실습은, 논리회로가 소수의 입력 장치를 이용하여 다수의 출력장치들을 특정 목표를 달성하기 위해 제어한다는 내용을 효과적으로 전달할 수 있다. 아울러, 본 논문에서 소개한 실습 내용을 아두이노 보드와 연계한다면, 아두이노 보드 교육 시에도 효과를 나타낼 수 있다.
OR 연산에 대해서도 동일하게 연결하여 2변수 스위치 회로를 만들 수 있다. 이와 같이 AND, OR 및 NOT 연산에 해당하는 칩을 2변수 스위치와 연결하여, AND (74HC08), OR (74HC32), NOT (74HC04) 칩들의 동작을 LED 출력을 통해 진리표와 대조하여 디지털 결과 값을 모두 확인할 수 있다. 이에 따라 AND, OR 및 NOT 연산에 대한 학생들의 이해도를 높일 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	STEAM의 여러 목표 중 과학기술에 대한 학생들의 흥미와 이해를 높이는 일이 가장 우선인 이유는 무엇인가?	STEAM의 여러 목표 중에는 과학기술에 대한 학생들의 흥미와 이해를 높이는 일이 가장 우선이다. 미래 국가경쟁력은 과학기술 인재의 역량과 직결되기 때문이다. 2013년 새로 들어선 정부도 이것을 인식하여 ICT융합을 내걸고 국가 미래를 계획한 것이다.
	스위치란?	일반적인 스위치는 어떤 기계 장치에 물리적 힘을 가하여 해당 기계의 기능을 개폐하는 장치를 말한다. 이에 반하여 전자 스위치는 물리적 힘이 아닌 순수한 전류를 사용해서 다른 전류의 흐름을 개폐할 수 있는 소자를 일컫는다.
	전자 스위치가 중요한 이유는 무엇인가?	이에 반하여 전자 스위치는 물리적 힘이 아닌 순수한 전류를 사용해서 다른 전류의 흐름을 개폐할 수 있는 소자를 일컫는다. 이러한 전자 스위치가 중요한 이유는 이들이 모든 전자 회로의 기본이 되는 AND, OR 등의 논리 게이트 제조의 핵심기술이 되기 때문이다[3]. 전자 논리 게이트는 전자 스위치 소자를 이용하여 두 개의 입력 전원에 대하여 AND, OR, XOR, NOT 등의 논리 연산 결과를 출력한다.

참고문헌 (7)

Y. J. Lee, J. W. Hwang, D. M. Hwang, K. M. Yun, B. G. Lee, S. T. Yu, and I. Y. Moon, "Design and implementation of software program based on web for basic electronic circuit practice," Journal of Practical Engineering Education, vol. 7, no. 2, pp. 113-117, 2015.

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H. J. Yoo, "Developing an IT course utilizing Raspberry Pi," Journal of Practical Engineering Education, vol. 7, no. 2, pp. 89-95, 2015.

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H. B. Lee and K. H. Kwon, "Development of a convergent teaching-learning materials based on logic gates using water-flow for the secondary informatics gifted students," Journal of The Korea Society of Computer and Information, vol. 19, no. 12, pp. 369-384, December 2014.

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H. B. Lee and K. H. Kwon, "A performance evaluation of circuit minimization algorithms for mentorship education of informatics gifted secondary students," Korea Information Processing Society Transactions on Computer and Communication Systems, vol. 4, no. 12, pp. 391-398, December 2015.
S. Wie and J. Jang, "Distributed mobility management strategy with pointer forwarding technique," Journal of Information and Communication Convergence Engineering, vol. 13, no. 4, pp. 248-256, December 2015.

원문보기 상세보기
J. H. Han, "Learning with a robot for STEAM in elementary school curriculum," Journal of Korean Association of Information Education, vol. 15, no. 3, pp. 483-491, September 2011.
K. C. Hong, "A study of STEAM education for elementary science subject with robots," Journal of Korean Association of Information Education, vol. 17, no. 1, pp. 83-91, March 2013.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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