아두이노 나노 자기 부상 장치: 부품 및 배선 가이드

프로젝트 개요

아두이노 나노로 제어하는 전자석과 홀 효과 센서를 이용한 자기 부상(Magnetic Levitation) 장치입니다. 영구 자석(네오디뮴)을 공중에 띄우고, 홀 센서로 자기장 강도를 측정해 전자석 전류를 PID 또는 간단한 임계값 제어로 조절하여 안정적으로 부상시킵니다. 3D 프린팅 프레임 선택 가능, 펌웨어 업로드 후 PC 없이 12V 전원만으로 독립 동작합니다.

필요한 부품

회로도 및 배선

핵심 연결

• 전자석 한 쪽 → 12V 양극
• 전자석 다른 쪽 → TIP120 컬렉터 (C)
• TIP120 이미터 (E) → GND
• TIP120 베이스 (B) → 1kΩ 저항 → 아두이노 핀 5 (PWM 출력)
• 1N4007 다이오드: 전자석 양단에 병렬 연결 (음극 → 12V 쪽, 양극 → 컬렉터 쪽)
• 홀 센서 49E: VCC → 5V, GND → GND, OUT → 아두이노 A1 (아날로그 핀 1)
• 버튼 2개: 핀 7(감소), 핀 8(증가) → INPUT_PULLUP 모드, 다른 쪽 → GND

3D 프린팅 프레임 (선택 사항)

• 본체: Thingiverse #1392023 - 나사 없이 접착제로 간단 조립
• 전용 실드 PCB: Thingiverse #1392530 또는 OSH Park 공유 프로젝트에서 주문 가능

중요한 설치 팁

• 홀 센서 위치: 전자석 끝단(팁) 바로 아래 최소 5mm 거리에 배치 (top_sensor.stl 부품 참고)
• 센서 종류: 반드시 리니어(아날로그 출력) 홀 센서 사용. 디지털 스위치 타입(예: A3144) 사용 불가
• 영구 자석: 네오디뮴 자석 필수. 일반 페라이트 자석은 자속 밀도 부족으로 부상 안 됨
• 무게: 적당히 무거운 물체가 더 안정적으로 부상함

펌웨어: 두 가지 버전 제공

버전 1: 간단 임계값 제어 (Levitator.ino)

홀 센서 값이 설정값(levVal)보다 작으면 전자석 ON, 크면 OFF. 버튼으로 설정값 실시간 조정 가능. 시리얼 모니터(57600 baud)로 현재 센서값/출력/설정값 모니터링.

// 핵심 루프
anaVal = analogRead(A1);           // 홀 센서 읽기
if (digitalRead(addPin) == LOW) levVal++;  // 설정값 증가
if (digitalRead(subPin) == LOW) levVal--;  // 설정값 감소
digVal = (anaVal < levVal) ? LOW : HIGH;   // 임계값 비교
digitalWrite(digPin, digVal);              // 전자석 ON/OFF
delayMicroseconds(250);

버전 2: PID 제어 (Levitator_PID.ino)

비례-적분-미분(PID) 제어로 더 부드럽고 안정적인 부상 구현. analogWrite()로 PWM 듀티 사이클 조절 (0-255). PID 게인(Kp=1.0, Ki=0.1, Kd=0.01)은 실험적으로 조정 필요.

// PID 계산
error = setpoint - measured_value;
integral += error * dt;
derivative = (error - previous_error) / dt;
output = (-Kp * error) + (-Ki * integral) + (-Kd * derivative);
previous_error = error;
digVal += output;  // PWM 듀티에 반영
digVal = constrain(digVal, 0, 255);
analogWrite(digPin, digVal);

캘리브레이션 및 튜닝 방법

1. 펌웨어 업로드 후 시리얼 모니터 열기 (57600 baud)
2. 영구 자석을 전자석 아래에 두고 홀 센서 값(anaVal) 관찰
3. 자석이 붙으려 할 때(값 작음) / 떨어지려 할 때(값 큼) 경계값 확인
4. 버튼으로 levVal(간단 버전) 또는 setpoint(PID 버전)를 경계값 중간으로 설정
5. PID 버전인 경우 Kp, Ki, Kd 값을 조정하며 진동 없이 안정되는 지점 탐색
6. 최적값 찾으면 코드에 하드코딩하여 자율 동작 가능

트러블슈팅

참고 자료

• 제작 사례: Levitator 3D Printed, Shield for Arduino Nano
• 개발자: Ekobots Innovation / Juan Sirgado y Antico
• 프리츠 회로도 파일 제공됨