SRF04 기반 자동 수위 제어기: 가정용 및 상업용 구축 가이드

SRF04, L293D & PIC16F84A를 이용한 완전 자동 수위 제어기

자동 수위 제어기 소개

물탱크의 수위 모니터링 및 제어는 거의 모든 주거 및 상업 지역에서 가장 중요한 작업 중 하나입니다. 대부분의 경우, 특히 주거용 건물에서는 자동 수단이 없어 물탱크의 수위를 자주 확인하는 것이 번거롭고 불편합니다. 사실, 물 부족 지역에서는 물 넘침이 꽤 큰 비용을 초래할 수 있습니다.

위 문제의 유일한 해결책은 수위를 자동으로 모니터링하고 제어하는 방법을 갖는 것입니다. 거리 센서, 전류 프로브, 초음파 레인저 등 많은 기술이 있지만, 여기서는 초음파 레인저 사용에 초점을 맞춥니다.

 

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수위 제어기 시스템 개요

시스템은 물탱크 상단에 초음파 거리 센서를 배치하여, 트리거되면 초음파 신호를 보냅니다. 탱크 안의 물이 신호를 반사합니다. 센서는 이 반사 신호를 수신하고, 두 신호 사이의 시간 차이를 통해 신호가 이동한 거리를 추정하여 상단부터의 수위를 파악합니다.

여기서 마이크로컨트롤러는 초음파 레인저에 트리거 신호를 보냅니다. 에코가 수신되면 두 펄스 사이의 시간 지연을 계산하는데, 이는 수위에 정비례합니다. 시간 지연은 타이머를 통해 계산되며, 타이머의 계수 펄스 수가 신호가 이동한 거리, 즉 수위를 나타냅니다.

레인저가 탱크 상단에 배치되어 있으므로, 탱크 상단부터의 수위를 고려하여 물 흐름을 제어합니다. 예를 들어, 측정된 거리가 0~1cm이면 탱크가 넘치는 상태이므로 마이크로컨트롤러는 모터를 역방향으로 회전시켜 여분의 물을 배출하는 제어 신호를 보냅니다.

거리가 2~5cm이면 탱크가 가득 찬 상태이므로 마이크로컨트롤러는 모터를 끄는 제어 신호를 보냅니다. 거리가 5cm 이상이면 탱크가 거의 빈 상태이므로 마이크로컨트롤러는 모터를 정방향으로 회전시키는 제어 신호를 보냅니다.

자동 수위 제어기 회로도

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그림 1: 수위 제어기

부품 설명

회로 설계에 사용되는 구성 요소는 다음과 같습니다.

1. 초음파 거리 측정기 SRF04
2. PIC 마이크로컨트롤러 PIC16F84A
3. 모터 드라이버 L293D
4. DC 모터
5. 1K 저항 2개

각 구성 요소에 대해 간략히 알아보겠습니다

초음파 거리 측정기 SRF04:

SRF04는 로봇 애플리케이션에서 장애물 감지에 널리 사용되는 고품질 초음파 레인저입니다. 트리거를 위해 10마이크로초 신호가 필요합니다.

그림 2: SRF04 초음파 거리 측정기

트리거되면 40kHz 주파수로 8펄스의 초음파를 발사하고 동시에 에코 라인을 HIGH로 올립니다. 반사된 신호나 에코를 수신하면 에코 라인을 LOW로 내립니다.

따라서 에코 펄스의 폭은 신호가 이동한 거리, 즉 레인저부터 물체까지의 거리를 나타냅니다. 에코 라인은 따라서 물체까지 거리에 비례하는 펄스 폭을 가집니다. 1cm의 경우 에코 펄스 폭은 58마이크로초입니다.

그림 3: SRF04 타이밍 다이어그램

PIC 마이크로컨트롤러 PIC16F84A:

그림 4: PIC 마이크로컨트롤러 PIC16F84A

CMOS 호환, 8비트, 18핀 플래시 마이크로컨트롤러로 단일 8비트 타이머(8비트 프로그래머블 프리스케일러 포함)를 가집니다. 타이머 동작은 다음 레지스터로 제어됩니다 – OPTION_REG, TMR0, INTCON. OPTION_REG는 8비트 레지스터로 5번째 비트(T0CS)가 타이머 또는 카운터 동작을 선택합니다.

비트 설정 시 카운터 동작, 클리어 시 타이머 동작을 선택합니다. TMR0는 타이머 레지스터이고, INTCON은 인터럽트 레지스터로 5번째 비트(T0IE)가 타이머 플래그를 나타내며, 타이머 오버플로 시 설정됩니다.

모터 드라이버 L293D:

그림 5: 모터 드라이버 IC L293D

16핀, H-브리지 기반 DC 모터 드라이버 IC입니다. 두 개의 모터를 양방향으로 구동할 수 있습니다. 두 개의 인에이블 핀(핀 1과 9)을 가지고 있으며, HIGH로 설정하면 IC 동작이 활성화됩니다. 기본적으로 마이크로컨트롤러와 DC 모터 사이의 인터페이스 역할을 합니다. 각 H-브리지 회로당 두 개씩 총 네 개의 입력 핀으로 구성됩니다. 아래 표는 모터 제어를 나타냅니다.

IN1(핀 2)	IN2 (핀 7)	EN1 (핀 1)	모터 동작
HIGH	HIGH	HIGH	OFF
LOW	LOW	HIGH	OFF
HIGH	LOW	HIGH	ON (시계방향)
LOW	HIGH	HIGH	ON (반시계방향)
X	X	LOW	OFF

참고: SRF04는 TTL 호환 장치이고 PIC16F84A는 CMOS 호환이므로, 전압 레벨 변환을 보상하기 위해 1K 풀업 저항을 사용합니다.

자동 수위 제어기 작동 및 동작

프로그램은 마이크로컨트롤러에서 10마이크로초 펄스를 초음파 레인저로 보내 트리거하는 방식으로 작성됩니다. 이는 지연 함수를 사용하여 작성됩니다. 타이머 레지스터 TMR0에 10진수 200을 로드하여 55카운트를 만듭니다.

SRF04의 출력인 에코 신호는 핀 RA4(타이머 클록 핀, 따라서 타이머에 외부 클록 펄스 제공)에서 수신됩니다. 에코 신호가 HIGH에서 LOW로 천이하면 타이머가 활성화됩니다. 타이머가 카운트하면 인터럽트 플래그 비트 T0IE를 모니터링합니다. 설정되면 타이머를 비활성화합니다.

이 절차를 다른 에코 펄스에 대해 반복합니다. 타이머가 동작한 횟수를 계산하면 에코 펄스 수가 됩니다. 각 에코 펄스는 58마이크로초로 1cm를 나타냅니다. 따라서 5개 에코 펄스는 5cm를 의미합니다. 이 카운트 값은 정수에 저장되어 DC 모터를 제어하는 데 사용됩니다.

값이 2~5 사이이면 마이크로컨트롤러는 RB0과 RB1 핀(L293D의 IN1, IN2에 연결)에 HIGH 신호를 보내 모터를 끕니다. 값이 5~20 사이이면 IN1에 HIGH, IN2에 LOW 신호를 보내 모터를 켜고 시계 방향으로 회전시킵니다. 값이 0~1 사이이면 IN1에 LOW, IN2에 HIGH 신호를 보내 모터를 켜고 반시계 방향으로 회전시킵니다.

SRF04를 이용한 자동 수위 제어기의 장점

1. 단순하고 편리한 시스템입니다.
2. 저렴한 부품 사용으로 저비용 시스템입니다.
3. 자동 기술을 사용하여 수동 수위 제어의 어려움을 해소합니다.
4. 기계적 부품을 사용하지 않아 기계적 마모나 부식 위험을 제거합니다.

자동 수위 제어기의 단점

1. 초음파 거리 측정기 SRF04는 많은 전자 부품 사용으로 댐핑 현상이 발생할 수 있으므로 적절히 절연해야 합니다.
2. 이 시스템은 센서와 액추에이터가 서로 근접한 곳에 배치되도록 설계되었습니다. 쉽게 말해, 물탱크가 워터 펌프 근처에 있는 장소용 제어 시스템입니다. 따라서 수중 펌프를 사용하고 물탱크가 옥상에 있는 많은 건물에서는 이 자동 수위 제어기 시스템을 사용할 수 없습니다. 그러나 통신 회로를 사용하여 수정할 수 있습니다.