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

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

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

1.3 제작 1.3.1반조립부 제작 PCB기판을 가지고 제작

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

NE 555를 이용한 클록 발생부

오실레이터를 이용한 클록 발생부

[2] 시간 제어부

[3] 시간 FND 표시부

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

1.4.1 회로의 구성

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

NE 555를 이용한 클록 발생

오실레이터를 이용한 클록 발생

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

분 제어부

시 제어부

요일 및 오전/오후 표시 신호 생성 회로

LED 표시부 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

1.5 실험순서 및 결과 2. Auto Door Control Board 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

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

(1) 트랜지스터 구동(이미터 부하)

(2) 트랜지스터 구동(컬렉터 부하)

(3) 역기전력 처리

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

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

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

(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)

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

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

2.4 제작 STU 720 제작 2.4.1 준비 사항 부품목록

2.4.2 보드의 제작 반조립부 + 완전조립부를 PCB기판을 이용 제작

1) 반조립부 제작 PCB기판의 모터속도 제어부 + 모터 구동부를 제작

2) 완전 조립부 제작 PCB기판의 센서 입력부 + 논리 판별부를 제작

3) 완성된 보드 조립이 완성된 STU 720 보드의 모양

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

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

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

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

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

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

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)

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

3. Voice Alarm Board 3.1 개요 음성을 녹음하고 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

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

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)

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

3.2.3 혼합 부호화 방식 장점 단점 종류 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

3.3 제작 STU 401보드 제작 3.3.1 준비 사항 부품목록

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

2) 완전 조립부 제작 STU 401의 완성된 보드 모양

3.4 동작 어드레스 디코더, 보이스 코덱 녹음/재생 회로, 오디오 신호 전력증폭기로 구성된다. 어드레스 디코더는 입력 PCO~PC3에 따라 A0~A7를 출력하고, 이 어드레스 설정에 따라 보이스 코덱은 메시지를 분할하여 녹음/재생할 수 있다. 그리고 보이스 코덱 녹음/재생회로가 재생모드이면 전력 증폭기를 통하여 오디오 신호를 증폭하고 스피커를 통하여 메시지를 출력하게 된다 3.4.1 회로의 구성

3.4.2 회로의 동작 어드레스 디코더부 + 보이스 코덱 녹음/재생 회로부 + 오디오 신호 전력 증폭부 1) 어드레스 디코더부 ISD1110 Chip은 10초 동안 음성을 녹음/재생 가능 어드레스 입력에 따라 다수의 메시지를 처리 가능

2) 보이스 코덱 녹음/재생 회로부 ISD1110은 플래시 메모리에 음성을 녹음한 후 즉시 재생되는 디지털 녹음기 IC 어드레스 부여방법에 따라 녹음/재생 구간을 나누어 사용 가능

ISD1110을 사용한 녹음/재생 회로도

3) 오디오 신호 전력 증폭부 소형스피커를 기기에 내장해서 경보 음이나 음성 메시지를 출력하는 음성합성장치 등의 용도에 쓸 수 있는 0.5W의 오디오앰프

3.5 실험순서 및 결과 보드에 전원을 인가하여 TP8과 TP9의 출력결과 기록 보드의 MIC에 마이크를 꼽는다 PUSH 버튼 ON하고 음성 입력, 녹음이 되는 동안 LED의 불이 켜지고 녹음이 끝나면 LED불이 꺼진다 스피커를 통하여 녹음된 음성이 출력 보드의 전원을 인가하여 PUSH 버튼을 누르고 2번 음성 입력 보드의 전원을 인가하여 PUSH 버튼을 누르고 3번 음성 입력 보드의 전원을 인가하여 PUSH 버튼을 누르고 4번 음성 입력

보드의 핀이 확장보드의 핀과 바로 연결 되었는지 확인 보드에 케이블로 연결 보드와 확장보드 사이를 케이블로 연결 전원을 켠다 HOME Automation 프로그램 클릭 제어버튼 중에서 모드를 수동모드에서 자동모드로 또는 자동모드에서 수동모드로 변경 변경 시 어떤 음성이 출력되는지 확인 보드의 실험을 반복 가스가 누출 시 음성 출력 확인