서미스터(NTC) 온도 센서 아두이노 활용 완전 정복 - 수식부터 구현까지

서미스터란?

서미스터(Thermistor)는 온도에 따라 저항값이 변하는 특수 저항소자입니다. 온도 계수 부호에 따라 두 종류로 나뉩니다:

• PTC (Positive Temperature Coefficient): 온도 상승 시 저항 증가
• NTC (Negative Temperature Coefficient): 온도 상승 시 저항 감소 → 본 가이드에서 다룸

NTC 서미스터는 저렴하고 감도가 좋아 취미/교육용 온도 측정에 가장 널리 쓰입니다.

온도 계산 원리: B-상수 방정식

NTC 서미스터의 저항-온도 관계는 B-상수 방정식(Steinhart-Hart 근사)으로 모델링됩니다:

R_T = R₀ × exp[B × (1/T - 1/T₀)]

• R_T: 온도 T(K)에서의 저항값
• R₀: 기준 온도 T₀에서의 저항값 (데이터시트 명시, 통상 25℃ = 298.15K에서 10kΩ)
• B: 재료 상수 (K 단위, 데이터시트 명시, 예: 3977K)
• T, T₀: 절대 온도 (켈빈, K) — ℃ 값에 273.15를 더해 변환 필수

실측 회로: 전압 분배기

아두이노 아날로그 핀으로 저항값을 직접 읽을 수 없으므로, 고정 저항(R, 10kΩ)과 서미스터(RT)로 전압 분배기를 구성하여 분배 전압(VRT)을 측정합니다.

회로: 5V(VCC) ──[고정저항 R]──●──[서미스터 RT]── GND
                              │
                           아날로그 핀 A0 (VRT 측정)

옴의 법칙으로 서미스터 저항 계산:

VRT = 아날로그 읽기값 × (5.0 / 1023.0)

VR = VCC - VRT

RT = VRT / (VR / R)

아두이노 구현 코드

// 서미스터 상수 (데이터시트 확인 필수)
#define RT0 10000   // 25℃에서 저항값 (Ω)
#define B   3977    // B 상수 (K)
#define VCC 5.0     // 공급 전압 (V)
#define R   10000   // 고정 저항 (Ω)

float RT, VR, ln, TX, T0, VRT;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  T0 = 25.0 + 273.15;  // 기준 온도 켈빈 변환
}

void loop() {
  VRT = analogRead(A0);              // 0~1023 읽기
  VRT = (VCC / 1023.0) * VRT;        // 전압 변환 (V)
  VR  = VCC - VRT;                   // 고정 저항 양단 전압
  RT  = VRT / (VR / R);              // 서미스터 저항 (Ω)
  
  ln = log(RT / RT0);                // 자연로그
  TX = 1.0 / ((ln / B) + (1.0 / T0)); // 켈빈 온도 계산
  TX = TX - 273.15;                  // 섭씨 변환
  
  Serial.print("Temperature: ");
  Serial.print(TX); Serial.print("°C\t");
  Serial.print(TX + 273.15); Serial.print("K\t");
  Serial.print((TX * 1.8) + 32); Serial.println("°F");
  
  delay(500);
}

정밀도 향상 팁

• 고정 저항값 정확히 측정: 멀티미터로 실측값 사용 (공칭 10kΩ → 실측 9.87kΩ 등)
• 전원 전압 보정: USB 전원 시 5V가 아닐 수 있음 → 3.3V 레퍼런스 또는 실측 VCC 사용
• 아날로그 레퍼런스 변경: analogReference(INTERNAL)로 1.1V 내부 레퍼런스 사용 시 분해능 향상 (단, 분배기 비율 재설계 필요)
• 평균 필터링: 연속 10~20회 읽기 평균으로 노이즈 제거
• Steinhart-Hart 3차 방정식: 넓은 온도 범위에서 더 높은 정밀도 필요 시 사용 (A, B, C 계수 필요)

일반적인 문제 해결

응용 예시

• 3D 프린터 핫엔드/히트베드 온도 제어 (마를린 펌웨어 등에서 표준 채택)
• 발효기/인큐베이터 온도 모니터링
• PC 수냉 쿨링 시스템 수온 표시
• 기상 관측소, 스마트 홈 온도 센서 노드

부품 구매 가이드

가장 흔한 NTC 10kΩ B=3950~3977 타입을 권장합니다. 데이터시트에 R₂₅=10kΩ ±1%, B₂₅/₈₅=3977K ±0.75% 등으로 표기된 제품 구매 시 코드 상수 그대로 사용 가능. 10kΩ 정밀 저항(1% 금속피막)과 세트로 구비하세요.