[아두이노] MPU-6050 센서 + processing 연결 제어

• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com
• 참고 출처 :
  오일러의 각 :https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%98%A4%EC%9D%BC%EB%9F%AC_%EA%B0%81
  상보필터 : http://mechasolutionwiki.com/index.php?title=%EC%83%81%EB%B3%B4%ED%95%84%ED%84%B0
  필만필터 :https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%B9%BC%EB%A7%8C_%ED%95%84%ED%84%B0
  MPU-6050 데이터시트 : https://www.invensense.com/wp-content/uploads/2015/02/MPU-6000-Datasheet1.pdf
• 포스트 과정 :
  [아두이노] MPU-6050 가속도/자이로 센서 제어 
  [아두이노] MPU-6050 센서 + processing 연결 제어 

어제 MPU-6050 가속도/자이로센서에 대해 간단히 테스트를 해 보았습니다. 어제는 MPU-6050 라이브러리 없이 I2C 통신으로 센서의 값을 가져왔는데 오늘은 MPU-6050 라이브러리를 가지고 쉽게 제어하는 방법을 살펴보도록 하겠습니다. 직접 식을 만들고 그 식을 통해서 제어하면 좋겠죠. 하지만 입문자나 초보분들은 수학적으로 알아야 할 것이 너무 많습니다. 입문자의 경우는 수학적으로 접근한다면 실제 MPU-6050를 다루기 전에 지쳐버리겠죠. 처음에는 흥미를 가지고 출발해야 좀 더 관심을 가지고 공부하게 됩니다. 수학적인 부분을 모르더라도 누군가 만들어 놓은 라이브러리를 활용하여 MPU-6050 모듈을 사용할 수 있으니 부담없이 처음에 접근하기 바랍니다. 가격이 저렴한 모듈이기에 정교한 제어용으로는 다소 무리가 있습니다. 단지 입문자용으로 부담없이 사용할 수 있는 모듈이라고 생각하시면 되겠습니다.

오늘은 실험에 사용할 라이브러는 인터넷에서 찾아보면 두개의 라이브러리가 있는데 아두이노 IDE 라이브러리관리 창에서 검색한 라이브러리를 설치하여 사용하겠습니다. 그리고, 이 라이브러리 예제를 통해 얻은 값을 테스트 한 후에 이 예제를 통해서 processing으로 만든 box 도형을 MPU-6050 모듈로 움직임을 제어하는 실험을 하겠습니다.

1. MPU-6050 가속도/자이로 센서

1) MPU-6050 가속도/자이로 센서 회로도

• 준비물 : MPU-6050 모듈, 아두이노우노
• 내용 : I2C 통신을 위해 A4(SDA), A5(SCL)핀에 연결하시오

지난 시간에 회로도와 동일합니다.

2) 라이브러리 설치

아두이노 IDE 라이브러리관리창에서 "MPU-6050"을 검색하면 아래 그림처럼 tockn님이 만든 라이브러리가 하나만 검색됩니다. 참고로 아래에 MPU6050으로 한개 더 있는데 이건 이미 설치된 라이브러인데 외부 구글검색으로 찾아서 다운받은 후 라이브러리를 추가했기 때문에 2개의 라이브러리가 표시 된 모습입니다.

직접 검색해서 다른 라이브러리를 다운 받으실려면 "mpu-6050 github"라고 구글검색하시면 해당 링크가 나옵니다.

https://github.com/jrowberg/i2cdevlib/tree/master/Arduino/MPU6050

3) 코딩

• 라이브러리 출처 :https://github.com/tockn/MPU6050_tockn/tree/master/src (tockn님의 라이브러리)

예제에 가시면 두개의 GetAllData, GetAngle 예제가 있습니다. 둘 다 한번씩 돌려보시기 바랍니다.

여기서, GetAllData 예제은 1초 단위로 전체 데이터를 출력하는 예제이고, GetAngle 예제는 회전각 X, Y, Z 값만 출력하는 예제입니다.

실험은 GetAngle 예제를 사용 하겠습니다. 이걸로 아래 Processing으로 표현한 box 회전에 사용하기 위해서 입니다.

[GetAngle 소스]-tockn님 소스

#include <MPU6050_tockn.h>
#include <Wire.h>

MPU6050 mpu6050(Wire);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
  mpu6050.begin();
  mpu6050.calcGyroOffsets(true);
}

void loop() {
  mpu6050.update();
  Serial.print("angleX : ");
  Serial.print(mpu6050.getAngleX());
  Serial.print("\tangleY : ");
  Serial.print(mpu6050.getAngleY());
  Serial.print("\tangleZ : ");
  Serial.println(mpu6050.getAngleZ());
}

소스를 살펴보면,

  Wire.begin();
  mpu6050.begin();
  mpu6050.calcGyroOffsets(true);

세가지 Wire, mpu6050 시작선언과 초기 작업으로 자이로 오프셋값을 계산합니다. 교정작업으로 자이로 오프셋 평균값을 계산하는데 한번 해당 함수들의 로직을 살펴봐 주세요. 이게 나중에 실험할 때 시간을 많이 잡아먹는 부분이더군요. 평균값을 구하기 위해서 자이로 x,y,z 값을 5000번 읽어고 그 값을 5000으로 나눠서 평균값을 계산하니깐 계산시간이 좀 걸려서 실험 시 대기시간이 길어지더군요.

참고로 값을 알고 있다면

mpu6050.setGyroOffsets(1.45, 1.23, -1.32);

이런식으로 값을 지정 할 수 있습니다.

• 소스 위치 출처 :https://github.com/tockn/MPU6050_tockn/blob/master/src/MPU6050_tockn.cpp

위, 3줄의 명령은 시작 초기화 함수입니다.

loop()에서는 mpu6050.update() 함수로 이전 라이브러리 없이 읽기 요청과 읽는 함수들의 로직이 이 함수안에 다 집어 넣었더군요. 그리고 그 안에서 상보필터로 회전각을 구하는 부분까지 다 포함되어 있는데 관심있는 분들은 링크 걸어놓은 곳에 "MPU6050_tockn.cpp" 가셔서 로직을 살펴보시면 됩니다.

• 상보 필터 : filtered_angle = (0.02 * accel) + (0.98 * gyro) (tockn님 계산식)

아무튼 총 4개의 함수를 사용하면 입문자분들은 따로 계산식을 걱정할 필요 없이 회전각 mpu6050.getAngleX(), mpu6050.getAngleY(), mpu6050.getAngleZ() 함수를 통해서 값을 얻을 수 있게 됩니다.

라이브러리를 이용하니깐 그렇게 까지 복잡하지 않죠.

[결과]
다음과 같은 결과가 출력됩니다.

2. MPU-6050 + processing 실험

1) MPU-6050 회전각을 시리얼통신을 통해 String으로 전송하기

[아두이노 실험 소스]

#include <MPU6050_tockn.h>
#include <Wire.h>

MPU6050 mpu6050(Wire);

void setup() {
  Serial.begin(19200);
  Wire.begin();
  mpu6050.begin();
  //mpu6050.calcGyroOffsets(true);
    mpu6050.setGyroOffsets(0.75, 0.05, 0.05);
}

void loop() {
  mpu6050.update();  
  Serial.print(mpu6050.getAngleX());
  Serial.print(',');
  Serial.print(mpu6050.getAngleY());
  Serial.print(',');
  Serial.println(mpu6050.getAngleZ());
  delay(50);
}

위 소스를 보시면 getAngle X,Y,Z 사이에 콤마(,)을 붙여서 한줄로 3개의 데이터가 시리얼 통신으로 전송됩니다. delay(50)을 정도를 설정했는데 안써도 상관 없습니다.

2) getAngle 수정(선택 사항)

이상태로 실험하셔도 되지만 좀 더 빠르게 실험하기 위해서 초기값을 주도록 하겠습니다. calcGyroOffsets(true)함수로 초기값을 계산하는게 아니라 직접 처음에 초기값을 주어서 빠르게 동작하도록 변경하겠습니다.

처음 한번은 getAnglem 예제를 실행하여 아래와 같은 X,Y,Z값을 얻게 되면 그 값을 메모장에 적어놓으세요

처음 getAngle 예제를 돌리면 (X,Y,Z) 가 (0.67, 0.10, 0.10)으로 계산 되었네요. 5천번의 MPU-6050 모듈에 측정된 값을 계산하기 때문에 시간이 걸립니다. 시작 위치의 초기값을 먼저 잡아놓으면 다음 계산이 필요 없기 때문에 빠르게 회전각을 얻을 수 있게 됩니다.

변경은 다음과 같은 calcGyroOffsets()을 주석처리하고 setGyroOffsets()함수로 선언해주면 됩니다. 아래의 X,Y,Z 값은 processing과 연결하여 실험 할 당시의 X, Y, Z의 값입니다. 즉, 여러분들이 실험하는 장소와 위치에서 처음 측정된 값으로 초기값으로 할 경우 이 수치는 달라 집니다. 귀찮은 분들은 시간이 걸리더라고 calcGyroOffsets()함수로 통일해도 되겠죠.

mpu6050.setGyroOffsets(0.75, 0.05, 0.05);

어려분들은 둘중 하나를 선택해서 실험 하시면 됩니다.

mpu6050.calcGyroOffsets(true); : 대기 시간이 길어지더라도 계산하겠면 선택
mpu6050.setGyroOffsets(0.75, 0.05, 0.05); : 처음 한번만 계산해 놓고 그 값을 초기값으로 고정하겠다면 선택

2) processing 코딩

참고 : [아두이노] 조이스틱+processing 3D 도형 회전(1)

[참고 소스]

import processing.serial.*;

Serial myPort;
int x=0;
int y=0;

void setup() {

    println(Serial.list());
    myPort = new Serial(this, Serial.list()[0], 9600);
    myPort.bufferUntil('\n');
    noStroke();
    size(600,600,P3D);    
} 

void draw() {  
    background(0); //배경색
    lights();  //조명

    pushMatrix();  //Start
    fill(0,255,0); //채우기
    translate(width/2,height/2,-100); //이동
    rotateX(radians(y)); //x축 회전
    rotateY(radians(x)); //y축 회전
    
    box(200,100,200); //상자
    popMatrix(); //End
}
 
void serialEvent(Serial p) { 
  String inString = myPort.readStringUntil('\n');
     
  ... 생략 ...
}

조이스틱으로 실험했던 일부 소스입니다. box를 x,y 회전을 시킨 소스의 일부분인데 오늘 사용할 부분만 제외하고 나머지 소스를 지웠습니다.

processing 문자열 읽기

• 참고 : [아두이노] Serial 통신 때 String 사용

void serialEvent(Serial p) { 
  String inString = myPort.readStringUntil('\n');
     
  ... 생략 ...
}

이렇게 코딩해서 시리얼통신에서 문자열일 들어오면 자동으로 이벤트 호출이 일어납니다. 그리고 해당 시리얼포트로 문자열을 읽게 됩니다. 여기까지는 아두이노에서 코딩하는 방식과 같습니다. 하지만 processing에서는 링크 걸어놓은 String 방식으로 코딩을 하지 않고 간단하게 processing 함수를 이용하여 수정하겠습니다. split()함수가 제공됨으로 쉽게 전체문자열에서 x,y,z 회전각을 분리해 낼 수 있습니다.

String[] inStrings = split(inString, ',');

inString으로 읽은 한줄의 문자열에서 콤마(,)가 기준으로 쪼개집니다. 그리고, 그 값은 문자열 배열 변수 inStrings에 저장되게 됩니다. 3개의 데이터를 전송하니깐

inStrings[0] => X축 회전
inStrings[1] => Y축 회전
inStrings[2] => Z축 회전

이 값들이 저장되어 있게 됩니다. 하지만 이 값은 문자열이기 때문에 숫자형으로 변환해야 하는데 실수형 float()로 변환을 하면 다음과 같습니다.

x=float(inStrings[0]);
y=float(inStrings[1]);
z=float(inStrings[2]);

아두이노에서 시리얼통신으로 보내 온 x,y,z값을 각각 실수형 x,y,z변수에 최종적으로 저장하게 됩니다.

void serialEvent(Serial p) { 
  String inString = myPort.readStringUntil('\n');    
  String[] inStrings = split(inString, ',');
  x=float(inStrings[0]);
  y=float(inStrings[1]);
  z=float(inStrings[2]);  
}

수신 String 중 회전각만 적용하기

문자열 읽기를 그냥 위와 같이 하면 에러가 발생합니다. 그 이유는 MPU6050_tockn 라이브러리는 초기 세팅함수 안에는 다음과 같이 여러 문자열이 출력됩니다.

회전 각이 나오기 전까지 여러문장의 문자열이 출력되는데 단순위 위와같이 코딩하면 문제가 발생하겠죠. MPU6050_tockn라이브러리에 가서 cpp 파일에 해당 함수의 들어있는 print문을 전부 주석처리하면 해결할 수 있지만 라이브러리 파일을 건들면 좀 그렇겠죠.

그래서 회전각 문자열인지 체크하는 제어문을 넣어서 해결하도록 하겠습니다.

String inString = myPort.readStringUntil('\n');   
int separator_ch = inString.indexOf(",");

if(separator_ch!=-1){
  회전각 구하기;
}else{
 print(inString);
}

이렇게 indexOf(',')로 회전각 분리기호의 위치값을 찾습니다. 회전각 문자열에는 분리기호가 있기 때문에 해당 0이상의 숫자값을 갖게 됩니다. 하지만 해당 문자열에 분리기호가 없다면 '-1'이 반환 됩니다. 이 원리를 이용해서 위와 같이 if문으로 분리기호가 있으면 방금 위에서 코딩한 문자열에서 회전각을 분리해내는 로직을 붙이면 됩니다. 분리기호가 없다면 그냥 시리얼모니터 창으로 해당 문자열을 출력하게 하면 간단히 이 문제를 해결하게 됩니다.

box 회전시키기

box 회전을 하려면 이 부분을 수정해야 합니다. rotateX(), rotateY(), rotateZ() box 회전을 시키고 해당 인자값을 아까 String으로 읽은 값을

rotateX(radians(y)); //x축 회전
rotateY(radians(x)); //y축 회전
rotateZ(radians(z)); //y축 회전
    
box(200,100,200); //상자

x,y,z 축으로 회전시켜서 box()을 배치하는 코딩입니다. box()함수 앞에다가 회전함수를 넣으면 최종적으로 회전시킨 곳에 box가 그려지기 때문에 box가 x,y,z 값에 의해서 이동하는 것처럼 보이게 됩니다.

그리기 함수부분은 아래과 같이 되겠죠.

void draw() {  
    background(0); //배경색
    lights();  //조명

    pushMatrix();  //Start
    fill(0,255,0); //채우기
    translate(width/2,height/2,-100); //이동
    rotateX(radians(y)); //x축 회전
    rotateY(radians(x)); //y축 회전
    rotateZ(radians(z)); //y축 회전
    
    box(200,100,200); //상자
    popMatrix(); //End
}

[processing 실험 소스]

import processing.serial.*;

Serial myPort;

float x=0;
float y=0;
float z=0;

void setup() {
    println(Serial.list());
    myPort = new Serial(this, Serial.list()[0], 19200);
    myPort.bufferUntil('\n');
    noStroke();
    size(600,600,P3D);    
} 

void draw() {  
    background(0); //배경색
    lights();  //조명

    pushMatrix();  //Start
    fill(0,255,0); //채우기
    translate(width/2,height/2,-100); //이동
    rotateX(radians(y)); //x축 회전
    rotateY(radians(x)); //y축 회전
    rotateZ(radians(z)); //y축 회전
    
    box(200,100,200); //상자
    popMatrix(); //End
}
 
void serialEvent(Serial p) { 
  String inString = myPort.readStringUntil('\n');   
  int separator_ch = inString.indexOf(",");
  if(separator_ch!=-1){
    String[] inStrings = split(inString, ',');
    x=float(inStrings[0]);
    y=float(inStrings[1]);
    z=float(inStrings[2]);
  
    print(x);
    print('/');
    print(y);
    print('/');
    println(z);
  }else{
    print(inString);
  }
}

추가로, print문으로 정확히 분리되어 x,y,z값이 나오는지 확인하기 위해서 processing 시리얼 모니터로 출력시키는 코딩을 넣었습니다.

5. 실험 결과

MPU-6050 모듈을 움직일 때 PC로 녹화한 영상입니다.

MPU-6050 모듈을 움직일 때 processing의 box가 어떻게 움직이는지 폰을 촬영한 영상합니다.

마무리

MPU-6050 라이브러리를 이용하면 해당 회전각을 가지고 여러분들이 원하는 표현을 쉽게 할 수 있습니다.

참고로, 주의할 점은 될 수 있으면 MPU-6050 모듈에 핀을 납땜해주시고 실험 해주세요. 그리고 핀을 연결한 선도 단단히 고정시켜주세요. 조금만 흔들려도 MPU-6050이 먹통이 됩니다. 그리고, 회전 각에 크게 변화할 때에도 한번 먹통이 발생하면 더이상 측정하기는 불가능합니다. 그리고 일정시간이 지나면 값의 변화가 생기기 때문에 정교한 제어용으로 쓰기에는 다소 부족합니다. 초보 입문용으로 싼 가격에 자이로센서를 사용하는데 가성비를 최고이지만 혹시 드론 같은 전문적으로 사용할시에는 비싼 자이로센서를 쓰기기 바랍니다.

그리고, 어느정도 재미를 붙이시면 제대로 회전각을 구하는 공식을 공부해주시기 바랍니다. 사실 기존 라이브러리로만 사용해서는 어떤 실험을 할지 모르지만 정교한 제어는 어렵습니다. 그냥 무조건 값을 읽고 계산해서는 정교한 제어가 되지 않습니다. 초기 보정작업과 기타 값의 변화율에 대한 처리부분을 고려해서 코딩해야 합니다. 수학적으로 접근해야 하는 부분들이 많기 때문에 전문서적이나 구글검색을 통해 관련 자료들을 많이 찾으셔서 공부하시기 바랍니다.

저는 기초적인 부분만 다루고 실험했기 때문에 좀 깊은 공부는 아직은 관심이 덜해서 해보지는 않아서 좀 더 자세한 내용을 전달해드리지 못하네요. 제 경우는 라이브러리 코딩쪽이 아니라 측정된 값을 기반으로 제어하는 코딩에 좀 더 관심이 많아서 그냥 라이브러리를 그대로 사용하고 있네요

자이로센서를 전문적으로 다루기 위해서는 배워야 할 부분이 많지만 간단히 실험하고 기초적인 기능만 활용하시더라도 라이브러리를 이용해 원하는 표현은 가능하니깐 MPU-6050 모듈을 배워 보세요.

[아두이노] 사운드센서로 그래픽 이퀄라이저 표현

• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com/
• 대체 실험 방법 : 가변저항기를 마이크사운드 감지센서라고 상상하고 출력신호를 기반으로 한번 테스트 해보세요.
• 공개회로도 : https://www.tinkercad.com/things/ahuzRDSVjOd (3색 LED)
  https://www.tinkercad.com/things/dWA3us8EeP5 (NeoPixel)

어제 마이크사운드 감지센서를 통해서 센서의 값의 초기값 조정하는 것과 읽는 법을 배웠습니다. 오늘은 마이크사운드 감시센서을 이용하여 소리를 NeoPixel로 출력하는 실험을 해보도록 하겠습니다. "아두이노 이퀄라이저" 키워드로 찾으시면 화려한 표현들을 많이 보실 수 있을거에요. 오늘 포스팅은 그런 화려한 표현이 아닌 간단히 어떻게 소리를 NeoPixel로 표현을 하는지에 대한 원리를 이해하는 시간으로 채우겠습니다. 화려한 그래픽 이퀄라이저를 상상했다면 아마 실망하실지 모르겠군요.

1. 마이크사운드 감지센서와 3색LED

3색 LED에 대한 설명은 아래 링크된 포스트로 가셔서 잠깐 살펴보세요.
[아두이노] 3색 LED 제어

마이크사운드 감지센서는 어제 포스트인 아래 링크로 다시 복습를 해주세요.
[아두이노] 마이크사운드 감지센서 제어(아두이노)

입력은 마이크르사운드 감지센서를 사용하고 출력은 NeoPixel이 없는 관계로 비슷한 3색 LED를 이용하여 실험이 이루어집니다.

2. 회로도 구성

• 준비물 : 마이크사운드 감지센서 1개, 3색 LED 1개, 저항 220옴 3개, 아두이노우노
• 내용 : 사운센서랑 3색 LED를 사용할 핀을 원하는 위치에 배치해 보자.

가상회로도 이미지에서 저항은 실수 1k옴으로 그려졌네요. 혼동하시면 안되고 정상적으로 220옴을 실제로 사용하셔야 합니다. 이미지의 저항색깔을 보시고 혼동하시면 안됩니다.

RGB 색상핀은 아날로그 출력을 해야하기 때문에 PWM핀들 중에 9,10,11번 핀을 선택했습니다. 그리고 마이크사운드 감지센서의 값을 읽는 아날로그 핀은 이전시간과 동일한 A0핀을 선택했습니다.

3. 코딩

• 사용함수 : analogRead(), PinMode(), analogWrite(), map(), randomSeed(), random()
• 내용 : 마이크사운드 감지센서의 소리의 값을 기준으로 RGB 색상을 만들어 그래픽 이퀄라이저 효과를 표현하자.

[ 기본 소스 ] : 마이크사운드 감지센서를 이용한 소리의 최소값과 최대값 출력

int m_min = 26;
int m_max = 0;

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
  int SoundSensor =analogRead(A0);
    if(SoundSensor<m_min) m_min=SoundSensor;
    if(SoundSensor>m_max) m_max=SoundSensor;
    
    Serial.print(m_min);    
    Serial.print("  :  ");
  Serial.println(m_max);    
  delay(50); 
}

이전 시간에 실험한 소스입니다. 이 소스를 기반으로 접근해 보겠습니다.

우선 RGB핀을 사용하기 때문에 RGB핀 변수를 만들어야 겠죠.

const int RedPin = 9;
const int GreenPin = 10;
const int BluePin = 11;

그 다음에는 RGB핀들은 출력모드입니다. 그러면 setup()함수에서 "출력모드로 사용할꺼야!" 하고 선언해야겠죠.

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
 
  pinMode(RedPin, OUTPUT); 
  pinMode(GreenPin, OUTPUT); 
  pinMode(BluePin, OUTPUT); 
}

이제 소리를 어떤 기준으로 해서 색을 만들면 좋을지 생각해보세요. 마이크사운드 감지센서의 아날로그 신호 0~1023 값을 아두이노가 읽는다고 했죠. 그러면 0~1023값을 쪼개서 색으로 나타내면 되겠다고 처음에 다들 여기서 부터 출발합니다. 여기서, RGB핀 출력은 PWM핀으로 아날로그 0~255 출력을 낼 수 있습니다. 0(0V)이고 255(5V)입니다. 그러면 마이크사운드 감지센서에서 읽은 0~1023 값을 아날로그 출력 0~255값에 매핑 시켜서 출력시키면 되겠다고 생각 하실꺼에요.

 int SoundSenser =analogRead(A0);
 int SoundColor = map(SoundSenser,0,1023,0,255);

map()함수는 다시 복습을 하면

• map(입력값,입력최소값,입력최대값,출력최소값,출력최대값) : 입력최소~최대범위에서 입력값이 출력 최소~최대범위에 어느정도 위치인지 그 출력위치값을 반환합니다.

예) map(입력값,0,100,0,10) 이면, 입력값이 10일때 출력값는 1이 됩니다. 입력값이 20일때 출력값은 2가 출력됩니다. 즉, 이말은 입력범위를 출력범위에 맞춰서 출력된다고 생각하시면 됩니다. 일정한 간격 비율에 맞춰서 출력값에 매칭 된다고 생각하면 될듯요. 0~10사이의 값은 1로 매칭되고 11~20사이의 값은 2로 매칭이 되고 이렇게 생각하시면 될 듯 하네요. 입력범위에 대한 입력값의 위치가 출력범위에서 어느정도의 위치가 출력위치인지 그 출력위치의 값을 반환해주는 함수라고 생각하시면 됩니다.

 Serial.println(SoundSenser);
 analogWrite(RedPin,random(SoundColor));
 analogWrite(GreenPin,random(SoundColor));
 analogWrite(BluePin,random(SoundColor));

우선 소리값을 그냥 color 값으로 출력한다면 소리값에 0~255사의 값이 RGB 색의 출력된 값이 되고 출력명령은 analogWrite()함수로 color를 출력하게 됩니다. 이렇게 하면 코딩이 끝났다고 생각하실꺼에요. 한번 돌려보세요 어떤 현상이 발생하는지요. 마이크사운드센서에 소리를 입력하기도 전에 3색 LED를 막 깜박일꺼에요.

그 이유가 뭘까요. 지난시간에 공부하셨으면 쉽게 찾을 수 있을꺼에요. 지난시간에 마이크사운드 감지센서는 초기값으로 일정한 전류가 발생한다고 했죠. 같은 종류라도 센서라도 초기의 센서에 흐르는 전류의 초기값은 제각각 입니다. 제가 사용하는 Sensor는 처음 46이 초기값이였고, 가변저항기를 돌려서 26정도로 맞췄습니다. 여기서 아무런 소리를 입력하기 전 초기 상태에서 이미 소리값이 일정 수치가 읽어지니깐 자연히 그 초기값의 색이 RGB LED에 출력이 되는 것이죠 제 경우 초기값이 26이라면 26에 대한 색이 출력되더군요.

처음 마이크 상태는 0에서 출발해야 하는데 그렇게 안되겠죠. 그럼 그렇게 0에서 출발하도록 만들어줘야 합니다. 바로 map()함수를 수정하시면 됩니다.

 int SoundColor = map(SoundSenser,26,1023,0,255);

입력 최소값을 26으로 잡아주면 간단히 해결됩니다. 그런데 두번째 문제가 발생합니다. 과연 뭘까요. 어제 포스트를 읽어봤다면 찾을 수 있을꺼에요. 소리가 입력되고 다시 입력이 안되면 전기신호를 감소합니다. 중요한 것은 소리가 입력될때는 전기신호가 커졌다가 입력이 안될때는 전기신호가 작아지는데 초기값보다 마이너스(-)로 빠져버리는 현상이 발생한다고 했죠. 그러면 어떻게 될까요. 그 이상한 값에 의해서 색이 출력되어버립니다. 최소값 문제가 발생합니다.

그걸 해결하기 위해서 어제 최소값 구하는 로직을 이용할꺼에요.

if(SoundSensor<26) SoundSensor=26;

만약에 26보다 작은 전기신호가 온다면 26에 수렴되게 만들면 됩니다. 그리고 또 어떤 문제가 발생할까요. 아두이노에서 사용되는 마이크사운드 감지센서를 아주 싸고 질이 떨어집니다. 결론은 소리감지에 좀 문제가 있습니다. 어느정도 큰소리라고 생각했지만 측정되는 수치는 그렇게 높지 않습니다. 거의 마이크를 두둘겨야 비로소 일정 수치까지 올라갑니다. 말하자면 대부분의 소리가 낮은 전기신호값을 가지고 있으면 일부 소리만 큰전기신호값으로 입력으로 들어옵니다. 결론은 거의 동작을 안하는 것처럼 보이고 색상도 아주 낮게 보입니다. 그래픽 이퀄라이저 효과를 뚜렷하게 표현하기 어렵다는 것이죠.

해결책으로는 낮은 값을 기준으로 색의 값을 재배열 하면 됩니다.

if(SoundSensor>300) SoundSensor=300;

이렇게 300이상의 소리는 그냥 300에 수렴하게 만들면 됩니다. 대충 아래 그래프처럼 입력값의 범위를 강제적으로 정하면 됩니다. 가로축는 마이크사운드 감지센서의 측정값이고 세로축은 소리입력허용 수치입니다. 26~300사이의 값으로 소리입력범위가 잡으시면 됩니다.

그러면, map()함수는 어떻게 될까요.

 int SoundColor = map(SoundSenser,26,300,0,255);

이렇게 해서 26~300사이의 값을 입력범위로 해서 0~255의 색상값으로 출력하겠다고 표현하시면 됩니다.
여기서, 어제 배웠던 최소값과 최대값 구한 로직을 기본소스로 우선 보여준 이유가 이 로직으로 이런 2가지의 문제를 해결하기 위해서 입니다.

이렇게하면 소리에 대한 밝기만 표현되기 때문에 그래픽 이퀄라이저라고 보기 어렵습니다. 그래서 밝기와 더불어 다양한 색을 만들어보는 시도를 해보겠습니다. 그 방법으로 random()함수를 사용하겠습니다.

void setup()
{
  randomSeed(analogRead(A1));
}
void loop(){
    random(SoundColor);
}

A0은 마이크사운드 감지센서로 사용되니깐 A1은 랜덤함수 초기값으로 세팅하겠습니다. 여기서 아날로그핀값을 읽어오기만 하는게 난수초기세팅인 이유는 뭘까요. 그 이유는 아두이노는 핀마다 미세한 전류가 자체적으로 흐르고 있습니다. 사용을 안하더라고 핀마다 작게 전류가 흘러서 그 전류는 미세하지만 랜덤한 전류의 양을 가지고 있어서 그 값을 기준으로 난수를 세팅하면 랜덤값을 추출할 수 있습니다.
그리고 random(255)함수면 255이 max값으로 임의의 난수를 만들어 냅니다. 이 값을 RGB 마다 random()함수로 색의 난수값을 만들어내면 소리에 대한 다양한 색을 만들 수 있겠죠.

종합해보면.

const int RedPin = 9;
const int GreenPin = 10;
const int BluePin = 11;

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
  randomSeed(analogRead(A1));
  pinMode(RedPin, OUTPUT); 
  pinMode(GreenPin, OUTPUT); 
  pinMode(BluePin, OUTPUT); 
}

void loop()
{
  int SoundSenser=0; 
  int SoundColor=0; 
    
  SoundSenser = analogRead(A0);
  if(SoundSenser<26) SoundSenser=26;
  if(SoundSenser>300) SoundSenser=300;
  
  SoundColor= map(SoundSenser,26,300,0,255);
  
  Serial.println(SoundColor);
  analogWrite(RedPin,random(SoundColor));
  analogWrite(GreenPin,random(SoundColor));
  analogWrite(BluePin,random(SoundColor));
    
  delay(50); 
}

4. 결과

음악으로 실험해야하는데 음악은 저작권 때문에 단지 손으로 마이크사운드 감지센서에 자극을 줘서 출력실험을 했네요. 보면은 터치센서인줄 착각할 수 있는 장면이네요.

참고로 위 소스대로 하시면 그렇게까지 그래픽 이퀄라이저 효과를 얻을 수 없습니다. 결함이 있는 소스입니다. 그 이유가 뭘까요. 바로 random()함수를 단순히 측정한 소리값을 max값으로 넣었기 때문입니다. 이렇게 표현하면은 소리에 따라 다양한 색을 만들어 내기는 합니다. 하지만 300의 소리가 입력되었어도 100이 나올수 있고 150의 소리가 입력되어도 100이 나올 수 있다는 것이죠. 이말은 색상을 일정한 패턴 범위에 맞추지 못했다는 결함적 소스입니다.

그런데 왜 수정을 안하고 여기서 멈추었냐면 이제부터서 여러분들이 수정해 나갈 차례입니다. 기본 베이스는 다 주어졌습니다. 소리의 초기상태를 읽을 수 있고 최소와 최대값을 정할 수 있게 되었고 map()으로 색의 값의 범위를 정할 수 있게 되었습니다. random()함수로 색을 랜덤하게 만들어 낼 수 있게 되었습니다. 여러분들은 이제 소리를 좀 더 디테일적으로 나누는 작업과 그 나누었을 때 색을 랜덤함수로 범위를 정할지 아니면 고정된 색값으로 하고 밝기만 변화를 줄지의 선택은 여러분의 몫입니다.

참고로, 이렇게 코딩을 해도 실제 돌려보면 색이 화려하지 않고 낮은 밝기와 색값으로 출력됩니다. 그것은 바로 마이크사운드 감지센서의 문제입니다. 좀 큰소리를 말해도 실질적으로 측정되는 수치는 그렇게 높지 않습니다. 그렇기 때문에 미세한 1의 변화에도 색의 밝기값을 좀 더 큰값 범위를 기준으로 해서 정해보시는 것을 추천드려요.

5. 가상시뮬레이터에서 느낌만 실험

그냥 실제로만 하면 뭔가 아쉬울 것 같아서 느낌만 살펴서 가상시뮬레이터로 실험해 해보세요. 위에 공개회로도에 링크 걸렸으니깐 돌려만 보세요.

1) 가변저항기와 3색 LED

const int RedPin = 9;
const int GreenPin = 10;
const int BluePin = 11;

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
  randomSeed(analogRead(A1));
  pinMode(RedPin, OUTPUT); 
  pinMode(GreenPin, OUTPUT); 
  pinMode(BluePin, OUTPUT); 
}

void loop()
{
  int SoundSenser=0; 
  int SoundColor=0; 
    
  SoundSenser = analogRead(A0);
  if(SoundSenser<26) SoundSenser=26;
  if(SoundSenser>300) SoundSenser=300;
  
  SoundColor= map(SoundSenser,26,300,0,255);
  
  Serial.println(SoundColor);
  analogWrite(RedPin,random(SoundColor));
  analogWrite(GreenPin,random(SoundColor));
  analogWrite(BluePin,random(SoundColor));
    
  delay(50); 
}

2) 가변저항기와 NeoPixel

#include <Adafruit_NeoPixel.h>

const byte neopixelPin = 3; 
Adafruit_NeoPixel neopixel = Adafruit_NeoPixel(1, neopixelPin, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
 
void setup()
{
  neopixel.begin();   
  randomSeed(analogRead(A1));
}

void loop()
{
  int SoundSenser=0; 
  int SoundColor=0; 
    
  SoundSenser = analogRead(A0);
  if(SoundSenser<26) SoundSenser=26;
  if(SoundSenser>300) SoundSenser=300;
  
  SoundColor= map(SoundSenser,26,300,0,255);
  neopixel.setPixelColor(0, random(SoundColor), random(SoundColor), random(SoundColor));    
  neopixel.show();
  delay(50);    
  neopixel.clear(); 
}

3) 두가지 실험 결과

위 3색 LED와 NeoPixel을 가변저항기가 마이크사운드 감지센서라고 상상하고 실험한 영상입니다.

마무리

하다보니깐 길어졌네요. 원래는 추가적으로 NeoPixl 바 모양 향태로 음악을 들을때 사운드 그래픽 바 모양을 아실꺼에요. 그것도 추가 설명할려고 했는데 그건 못하게 되었네요. 내일 또 이여서 하면 너무 길게 연장 될 것 같아서 여러분들의 상상력으로 표현을 해보세요.

혹시, 사운드 그래픽 바를로 출력하고자 하고자 한다면 참고해주세요. NeoPixel을 예전 포스팅에 어떻게 표현을 했었죠. 배열 행태로 표현했었습니다. 그 배열을 사운드 그래픽 바의 위치라고 상상하고 소리의 크기에 따라서 배열로 몇번째 배열까지 불이 들어오게 할건지 그 간격만 정하시면 됩니다. 그리고 해당 NeoPixel의 색 값은 random()함수로 표현하시거나 고정값을 하셔도 됩니다. 쉽게 말해서, 소리가 1~10까지 있으면 3이라는 신호값이 발생하면은 NeoPixel를 3번째까지 불이 들어오게 하면 됩니다. 이렇게 소리의 크기 값에 neoPixel의 위치를 정하면 됩니다. 한번 연구를 해보세요.

오늘도 어떻게 표현하면 더 자연스럽고 화려할지를 상상의 나래를 펼쳐 보세요.

[아두이노] 온도센서(TMP36) 제어

• 온라인 가상시뮬레이터 : https://www.tinkercad.com/
• 참고자료출처 : https://www.kocoafab.cc/tutorial/view/58 (온도계산만 참조)

오늘은 온도센서(TMP36)를 제어 해보는 시간을 가지도록 합시다. 원래 예전에 공부할때 온도계산에 대한 부분은 다른분의 블로그를 보고 했는데 기억이 안나네요. 암튼 온도 계산식을 제가 만든것도 아니고 기존에 공식이 있는 거라서 제가 참조한 출처는 못찾아서 해당 온도계산식이 나와 있는 블로그를 하나 링크를 걸어 놓았네요.

1. 온도센서(TMP36)

대부분의 측정센서는 Vcc, Gnd로 전원을 공급하고 센서에서 측정한 값은 Vout 출력됩니다. Vout은 온도에 따른 전류를 측정하는 것이죠. 그래서 전류를 계산하는 공식이 필요합니다.

 float V = analogRead(A0)*5.0/1023;
 float C = (V-0.5)*100;  //섭씨 C = (F-32)*1.8;
 float F = C*9.0/5.0+32; //화씨 F = C*1.8+32;

이게 기본베이스 입니다. 제가 만든건 아니고 기본적으로 이 공식으로 섭씨와 화씨를 측정하더군요.
제 블로그에서는 약간 수정하여 map()함수를 응용해서 함수를 따로 만들었습니다. 정수를 실수형으로 변수를 바꾼것 밖에 없지만요,

float fmap(long x, long in_min, long in_max, float out_min, float out_max)
{
  return (x - in_min) * (out_max - out_min) /(float) (in_max - in_min) + out_min;
}
<

V 계산을 map()함수 로직에다 삽입해서 바로 V값이 나오도록 했죠. 그냥 이렇다는 것이고 위의 공식으로 그냥 하셔도 됩니다.

2. 회로도 구성

• 준비물 : TMP36 센서, 아두이노우노
• 내용 : 온도센서에서 읽어들인 값을 아두이노 IDE 시리얼모니터로 출력시키기 위한 회로도 만들자.

선 연결 참 쉽죠. 원래는 LCD16x2로 온도값을 출력할려고 했는데 그러면 TMP36 제어를 어려워 할 것 같아서 최소한 코딩으로 원리만 전달하고자 간단히 표현했네요.

원리를 이해했으면 LCD16x2로 출력해 보세요. 아두이노는 하나의 부품을 배우면 지난 시간에 배운 부품들과 계속 결합해서 응용력을 키워야 실력이 늘어 납니다.

3. 코딩

• 사용함수 : analogRead(), map(), Serial.begin(9600), Serial.print(), Serial.println()
• 내용 : 온도계산공식을 이용하여 간단히 아두이노 IDE 시리얼모니터로 현재 온도를 출력하자.

복습

• analogRead(A0) : A0핀으로 아날로그 값을 읽음
• map(입력값,입력최소값,입력최대값,출력최소값,출력최대값) : 입력값이 입력범위에 기준에 맞게 출력범위의 해당값을 출력.
• Serial.begin(9600) : 시리얼 통신 시작
• Serial.print(출력값) : 출력값을 시리얼 모니터로 출력하는데 새로운 라인으로 안넘어가고 현재라인에 커서가 위치함.
• Serial.println(출력값) : 출력값을 시리얼 모니터로 출력한 다음 새로운 라인으로 커서가 이동하는데 Enter(\n) 의미로 이해

설계

1. 온도센서값을 읽어옴
2. 섭씨와 화씨를 구함
3. 시리얼모니터로 출력

온도센서는 analogRead(A0)로 읽어온다. 0~1023값을 읽어오는데 V를 구해야한다. 0~5V의 아두이노는 흐른다. 즉, 0~1023의 수치를 0~5V 값으로 출력을 맞춰야 합니다.

가령, map()함수라는 것은 0~100까지의 입력 범위가 있으면 출력을 0~10사이로 맞출때 사용합니다.

입력이 10이면 출력은 1
입력이 20이면 출력은 2

...

입력이 100이면 출력은 10

이렇게 되게죠. map()함수에 대해서 이해 하셨을거라 생각 합니다. 그런데 map()함수는 정수값으로 나오기 때문에 실수값으로 0~5V사이 값이 나오기 때문에 기존의 map()을 그대로 쓰면 안됩니다. 변수를 실수형태로 변경해 줘야 합니다. 실수형으로 변수를 선언해주면 간단히 해결 됩니다.

float V =fmap(analogRead(A0),0,1023,0,5); //map함수 원리를 이용한 다이렉트 Voltage계산

V값이 구해지면 섭씨(C)와 화씨(F)를 공식에 대입하면

float C = (V-0.5)*100;  //섭씨 C = (F-32)*1.8;
float F = C*9.0/5.0+32; //화씨 F = C*1.8+32;

이렇게 섭씨(C)와 화씨(F)가 구해지겠죠. Serial.print(), Serial.println()함수로 좀 이쁘게 그 값을 출력하면 됩니다.

코딩을 전체적으로 하면

void setup() {
  Serial.begin(9600); //시리얼통신 시작
}

void loop() {
 
  float V =fmap(analogRead(A0),0,1023,0,5); //map함수 원리를 이용한 다이렉트 Voltage계산
 
  //공식
  //float V = analogRead(A0)*5.0/1023;
  float C = (V-0.5)*100;  //섭씨 C = (F-32)*1.8;
  float F = C*9.0/5.0+32; //화씨 F = C*1.8+32;
  
  Serial.print("V : ");
  Serial.println(V);
  Serial.print("C : ");
  Serial.println(C);
  Serial.print("F : ");
  Serial.println(F);
  
  delay(1000);  
}

float fmap(long x, long in_min, long in_max, float out_min, float out_max)
{
  return (x - in_min) * (out_max - out_min) /(float) (in_max - in_min) + out_min;
}

4. 결과

가상시뮬레이터에서지만 약간은 오차가 발생 하네요. 실제로 하더라도 보정이 좀 필요할 듯 합니다.

마무리

오늘은 온도센서(TMP36)을 이용해서 아두이노에서 간단히 계산하니깐 온도계가 되었네요. 온도를 측정할 수 있다는 것은 많은 것들을 할 수 있게 됩니다.

가령 방마다 온도를 측정한다 그리고 무선통신을 이용해서 그 값을 따로 컴퓨터에 저장시켜서 4계절 집안 온도의 데이터를 수집할 수 있게 되고 그걸 통해서 집안 난방을 관리할 수 있게 되겠죠. 또 다른 예로 식물재배에서도 온도를 측정하면 온도에 맞게 자동으로 제어를 할 수 있겠죠.

온도를 측정한 다는 것은 그 데이터를 수집해서 다른 용도로 사용할 수 도 있고 아니면 현재의 온도에 맞게 특정한 동작을 수행하도록 하는 목적으로 사용할 수 도 있겠죠.

암튼 온도를 측정할 수 있으면 여러분들은 뭘 하고 싶을지 상상의 나래를 펼쳐보세요