[논문]아두이노와 초음파 센서를 이용한 실험용 수위 측정 장치 개발

유문성

doi:10.7236/jiibc.2018.18.4.143

아두이노와 초음파 센서를 이용한 실험용 수위 측정 장치 개발
Development of experimental water level measuring device using an Arduino and an ultrasonic sensor 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.18 no.4, 2018년, pp.143 - 147

초록
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수위는 하수장, 정수장, 하천, 댐, 공장의 저장탱크 등 다양한 분야에서 측정된다. 수위측정을 위한 초음파 기기가 판매중이나 산업용으로 실험에서 사용하기는 가격이 너무 비싸다. 전자 기술의 급속한 진보로 인해 다양한 종류의 측정, 모니터링 및 제어 기능이 저렴하게 구축하는 것이 가능해졌다. 저렴한 가격으로 초음파 수위 측정시스템을 만들기 위하여 본 연구가 시작되었다. 실험용으로 사용하기 위하여 아두이노, 초음파 센서 및 온도 센서로 시스템을 구성하였다. 초음파 센서는 센서에서 수위 표면까지의 시간을 측정한다. 온도 센서는 대기 온도를 측정하며 온도 변화로 인한 소리의 속도를 보정하여 초음파 거리 측정의 정확성을 높인다. 아두이노는 측정 전반을 관리하고 수위를 계산한다. 시스템의 모든 구성 요소는 장치거치대에 조립되었다. 제안된 시스템을 가지고 실험한 결과 수위가 실측치와 매우 가까웠다. 이 시스템은 또한 저렴하며 설치 및 유지하기가 쉬워 실험용으로 적절하다.

Abstract ▼ AI-Helper

Water levels are measured in various fields such as sewage treatment plants, water treatment plants, rivers, dams, factory storages' tanks. Ultrasonic instruments for water level measurement are expensive and are used for industrial field. Rapid advances in electronics have made it possible to build a wide variety of measurement, monitoring and control functions at low cost. This study was started to make ultrasonic level measurement system at low price. The system was constructed with an Arduino, an ultrasonic sensor and a temperature sensor for use in the experiment. The ultrasonic sensor measures the time from the sensor to the liquid surface. The temperature sensor measures the atmospheric temperature and improves the accuracy of the ultrasonic distance measurement by correcting the sound speed. Arduino controls measurements and calculates the water level. All components of the system are assembled into a device holder. Experiments with this system show that the water level measured by the system is very close to the actual value. This system is also inexpensive and easy to install and maintain, making it suitable for laboratory use.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 초음파 측정 시스템을 학교 등에서 실험하기 위한 저렴하고 실용적인 장치를 만드는 것이다. 그러기 위하여 아두이노, 초음파 센서 및 온도 센서로 시스템을 구성하였다.

제안 방법

구축된 시스템으로 여러 수위에 대해 측정하였다. 먼저 수위를 자를 이용하여 실측치로 맞춘 다음, 그 수위에 대한 초음파 센서의 측정을 50번씩 하였다, 시스템에서 수집 된 각 수위별 결과의 일부가 그림 3과 표 1에 나와 있다.
본 논문은 초음파 측정 시스템을 학교 등에서 실험하기 위한 저렴하고 실용적인 장치를 만드는 것이다. 그러기 위하여 아두이노, 초음파 센서 및 온도 센서로 시스템을 구성하였다. 이 장치를 사용하여 여러 레벨의 수위에 대한 검증을 실측값과 비교하여 실시하였다.
수위를 측정할 때 아두이노는 먼저 온도 센서를 이용하여 온도를 측정한다. 그리고 초음파 센서를 사용하여 초음파 송신과 수신 사이의 시간을 측정한다. 온도 값에 따라 소리의 속도를 계산한 다음 에코 리턴 시간 값으로 거리를 계산한다.
초음파 거리 측정 기술은 물체까지의 거리를 초음파로 측정한다. 대상물 쪽으로 초음파 펄스를 송신한 후에 에코가 되어 돌아오는 시간을 측정한 후 대상물까지의 거리는 그 시간에 기초하여 계산한다.
구축된 시스템으로 여러 수위에 대해 측정하였다. 먼저 수위를 자를 이용하여 실측치로 맞춘 다음, 그 수위에 대한 초음파 센서의 측정을 50번씩 하였다, 시스템에서 수집 된 각 수위별 결과의 일부가 그림 3과 표 1에 나와 있다.
그러기 위하여 아두이노, 초음파 센서 및 온도 센서로 시스템을 구성하였다. 이 장치를 사용하여 여러 레벨의 수위에 대한 검증을 실측값과 비교하여 실시하였다.
측정 시스템의 장치 거치대는 초음파 및 온도 센서들을 수면위에서 측정하기 위해 고안되었다, 장치거치대 하단에 물이 담긴 비커를 배치하고 상단 안쪽에 초음파 센서와 온도 센서를 부착하였으며 상단 바깥쪽에 아두이노를 배치하고 센서들과 아두이노는 와이어 케이블로 연결하였다. 초음파 센서는 수면에서 수직으로 향하게 설치하였다.

대상 데이터

실험용 초음파 수위 측정 시스템은 수위를 측정하기 위하여 초음파 센서, 온도 센서 및 아두이노로 구성되었다. 온도 센서는 초음파 측정치의 값을 보정하기 위하여 사용되었다.
아두이노(Arduino)는 오픈 소스를 기반으로 한 단일보드 마이크로컨트롤러로 완성된 보드와 관련 개발 도구 및 환경을 말한다. 아두이노 보드 중 가장 널리 사용되는 아두이노 우노(Arduino Uno)보드를 선택하였다. 이 보드는 아트멜(Atmel)사의 8비트 AVR 마이크로컨트롤러와 다른 전자회로기판들과의 결합을 용이하게 해 주는 부속품들로 구성되어 있다.
아두이노 보드 중 가장 널리 사용되는 아두이노 우노(Arduino Uno)보드를 선택하였다. 이 보드는 아트멜(Atmel)사의 8비트 AVR 마이크로컨트롤러와 다른 전자회로기판들과의 결합을 용이하게 해 주는 부속품들로 구성되어 있다. 보드에는 기본적으로 5V 리니어 레귤레이터와 16MHz 결정 진동자(크리스털)가 내장되어 있으며, 프로그램의 업로드를 용이하게 하기 위한 부트로더가 마이크로컨트롤러에 미리 내장되어 있다.
초음파 센서로는 HC-SR04를 사용하였다. HC-SR04는 약 2-400cm 가량의 측정거리를 제공하며 3mm의 정확도를 가진다.

이론/모형

프로그램은 아두이노 통합 개발 환경 (IDE)을 이용하였다. IDE는 C++와 유사한 언어로 된 스케치(Sketch)의 작성 및 디버깅, 그리고 아두이노에 프로그램을 다운로드 하기 위한 도구를 제공한다.

성능/효과

실험 결과 시스템이 수위를 상당히 정확하게 측정함을 알 수 있었다. 실측치와 제안한 시스템 측정치의 회귀 직선의 기울기는 1.000에 가깝고 결정 계수도 R²=0.9959나 나왔다. 이 시스템은 또한 저렴한 비용으로 간단히 설치할 수 있어 실험용으로 적합하다.
온도 센서는 초음파 측정치의 값을 보정하기 위하여 사용되었다. 실험 결과 시스템이 수위를 상당히 정확하게 측정함을 알 수 있었다. 실측치와 제안한 시스템 측정치의 회귀 직선의 기울기는 1.
실험 결과 실측치와 제안한 시스템 측정치의 회귀 직선의 기울기는 1.000에 가깝고 결정 계수도 R²=0.9959이 나와 매우 정확하게 측정됨이 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아두이노는 무엇을 제공하는가?	cc)가 출현하게 되었다. 아두이노는 쉴(Shield) 라고 불리는 애드온(add-on) 회로 보드를 통한 확장이 가능하며 소프트웨어를 작성하기 위한 프로그래밍 환경인 IDE를 제공한다. 아두이노는 오픈 소스 장치로서 회로 기판 및 전자 부품 사양과 프로그래밍 소프트웨어 모두를 누구나 자유롭게 사용하거나 수정할 수 있다.
	아두이노는 무엇인가?	아두이노는 쉴(Shield) 라고 불리는 애드온(add-on) 회로 보드를 통한 확장이 가능하며 소프트웨어를 작성하기 위한 프로그래밍 환경인 IDE를 제공한다. 아두이노는 오픈 소스 장치로서 회로 기판 및 전자 부품 사양과 프로그래밍 소프트웨어 모두를 누구나 자유롭게 사용하거나 수정할 수 있다. 저렴한 센서와 아두이노 개발 플랫폼이 여러 분야에서 사용되고 있다.
	수위는 어떠한 곳들에서 사용되는가?	수위는 다양한 분야에서 측정된다. 하수장, 정수장, 하천, 댐, 물탱크, 공장의 저장탱크 등 여러 곳에서 사용된다. 수위를 측정하는 방법 중 하나가 초음파 센서를 사용하는 것이다.

참고문헌 (10)

Arduino web site, https://www.arduino.cc/
Wikipedia-Arduino, https://en.org/wiki/Arduino
Massimo Banzi, and Michael Shiloh, "Getting Started with Arduino: The Open Source Electronics Prototyping Platform (Make)", 3rd Edition, Maker Media, Inc., pp. 15-24, December, 2014
HC-SR04User's_Manual, https://docs.google.com/document/d/1Y-yZnNhMYy7rwhAgyL_pfa39RsB-x2qR4vP8saG73rE/edit
Tero Karvinen, Kimmo Karvinen, and Ville Valtokari, "Make: Sensors: A Hands-On Primer for Monitoring the Real World with Arduino and Raspberry Pi", Maker Media, Inc, pp, 31-43, June, 2014
D. A. Bohn, "Environmental effects on the speed sound.", Journal of the Audio Engineering Society, 36(4): pp. 223-231, April 1988.
George S. K. Wong and Tony F. W. Embleton," Variation of the speed of sound in air with humidity and temperature",The Journal of the Acoustical Society of America 77, pp10-20, May 1985
DHT11 Overview, https://learn.adafruit.com/dht/overview
Arduino-IDE, https://www.arduino.cc/en/Main/Software
Hyoung-Ro Lee, Chi-Ho Lin, "Design and Implementation of Arduino-based Efficient Home Security Monitoring System, Internet Television and Telecommunication, VOL. 16 NO. 2, pp. 49-54, April 2016, DOI: http://dx.doi.org/10.7236/JIIBC.2016.16.2.49

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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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