아두이노의 디지털 핀 두 개와 저항 하나로 터치 센서 구현

 아두이노의 디지털핀 두 개와 저항 하나로 터치 센서를 구현할 수 있는데 관련 객체를 제공하는 것이 바로 Capacitance Sensing Library 이다.

기본 개념과 구성 회로

정전용량식 터치 센서의 개념도는 아래 그림과 같다.

[그림 1] 정전용량식 터치 센서의 개념도

이 개념도를 보면 두 개의 핀을 사용하는데 하나는 발신 핀(send pin) 이고 다른 하나는 수신 핀(receive pin)이다. 이 두 핀을 저항으로 연결하고 수신 핀에 터치할 도체(foil)를 연결한다. 만약 이 도체를 터치를 하면 수신 핀 단의 정전용량이 틀려지고 발신 핀에서 신호를 보낼 때(즉 발신 핀이 on되었을 때) 수신 핀이 기립 시간(rising time, 발신 핀이 on 된 후 수신핀이 on이 되는데 걸리는 시간 간격)이 변하게 된다. 이 변화를 감지하여 터지가 되었는지 안 되었는지를 판단하는 것이다.

해당 라이브리리 설치와 사용법

 이 기능을 아두이노에서 사용하려면 먼저 라이브러리를 다운로드 받아서 설치해야 한다. 아래와 같은 절차를 따른다.

1. 소스를 다운로드 받는다.( CapacitiveSensor04.zip )
2. 압축을 푼 후 그 안의 CapacitiveSensor 폴더를 복사해서 Arduino/libraries/ 폴더에 붙인다.
3. 아두이노 IDE에서 Sketch>Import Library>CapacitiveSensor 메뉴를 선택한다.

위와 같이 했다면 IDE에 다음과 같이 헤더파일이 인클루드 된다.

#include <CapacitiveSensor.h>

이 라이브러리에서는 CapacitiveSensor라는 클래스가 있는데 이것의 인스턴스는 다음과 같이 초기화 할 수 있다.

CapacitiveSensor CapacitiveSensor(byte sendPin, byte receivePin);

 

여기서 sendPin과 receivePin 은 저항이 연결된 두 개의 디지털 핀을 지정해주면 된다. 이제 이 인스턴스의 메소드(함수)로 다음과 같은 것들이 있다.

long capacitiveSensorRaw(byte samples)

이 함수는 감지된 정전용량 값을 반환이며 반환값은 무단위이다. 입력으로 주어지는 samples 는 (byte형이므로 0-255 사이의 값) 샘플링 횟수를 지정해 주는 것이다. 이 값이 커지면 리턴값의 분해능이 커지는 대신 속도가 느려지게 되므로 적당한 값을 선택해야 한다. 리턴값은 각각의 샘플링에서 얻어진 값을 모두 더한 값이며 평균값이 아니다.

long capacitiveSensor(byte samples)

이 함수 역시 감지된 정전용량 값을 반환이며 반환값은 무단위이다. 앞의 함수와 다른 점은 터치가 안 되었을 때의 값(기본값)을 추적하여 현재 감지된 값에서 그 값을 뺀 다음 반환한다. 따라서 터지가 안 된 상태라면 0에 가까운 작은 값을 반환하고 터치가 되었다면 그것 보다는 큰 숫자를 반환한다.

 기본값(터치가 안 되었을 때의 정전용량 값)은 CS_Autocal_Millis 라는 상수에 저장된 시간 마다 자동으로 조정된다. 초기값은 20000 밀리초 (20초)이다. 이 갱신 시간은 set_CS_Autocal_Millis() 함수를 이용해서 변경할 수 있다.

void set_CS_Autocal_Millis(unsigned long autoCal_millis);

자동 갱신 기능을 끄려면 매우 큰 값(0xFFFFFFFF)으로 지정하면 된다.

 만약 즉시 기본값을 조정하려면 다음 함수를 호출하면 된다.

void reset_CS_AutoCal()

그리고 사용 빈도는 낮지만 다음 함수는 capacitiveSensor()함수나 capacitiveSensorRaw()함수의 타임아웃 시간을 지정해주는 함수도 있다.

void set_CS_Timeout_Millis(unsigned long timeout_millis);

이 함수는 CS_Timeout_Millis 내부 변수를 변경하는 함수인데 초기값은 2000 밀리초(2초)이다. 타임아웃시간이란 발신핀이 on 되었는데도 수신핀이 on이 되지 않을 경우 언제까지 기다려야 하는가를 정하는 것이다. 타임아웃 시간이 지나도 수신핀이 on이 되지 않으면 -2를 반환한다.

저항값의 선택

저항값은 다음과 같은 기준으로 선택한다.

• 1 MΩ (혹은 이것보다 다소 작은 용량) : 완전히 터치되었을 때에만 반응시키고자 할 때
• 10 MΩ : 4~6인치 정도 떨어진 곳에서도 반응시킬 때
• 40 MΩ : 12~24인치 정도 떨어진 곳에서도 반응시킬 때 (도체의 크기에 따라 가변적임)

즉, 저항값이 커지면 감도도 높이지고 반응 속도는 느려진다. 또한 터치부가 노출된 금속판이라면 발신부에서서 on 신호를 발생시키지 못 할 가능성도 있다. 수신핀을 작은 용량의 커패시터 (100 pF ~ 0,01uF) 를 통해서 접지시키면 센서의 안정도를 개선시킬 수 있다.

실제 예제 프로그램

 회로도는 다음과 같다. 아두이노 우노와 1MΩ 저항 하나로 구성한다.

[그림 2] 실험 회로도

다음 프로그램을 실행하면 D3핀 쪽의 리드선을 터치할 때 LED가 켜진다.

#include <CapacitiveSensor.h> #define LED 13 CapacitiveSensor cs23 = CapacitiveSensor(2,3); void setup() {    pinMode(LED, OUTPUT);    cs23.set_CS_Autocal_Millis(0xFFFFFFFF);    Serial.begin(9600); } void loop() {    long start = millis();    long total1 = cs23.capacitiveSensor(30);    (total1>10) ? digitalWrite(LED, HIGH):digitalWrite(LED, LOW); }

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