로보밥

이번엔 거리센서 테스트를 해봤습니다.
본 센서의 사용예는 광범위한데요 여러분이 가장 손쉽게 접하는것은 아마도 최근 많은 화장실에 설치된 손 건조기 일겁니다.
손을 갖다대면 히터가 작동하는 기계말입니다. ( 제조하시는분 왈: 요녀석이 그 용도로는 짱이랍니다.)

또한가지 용도는 로봇에 장착하여 벽이나 주변 물체를 감지하는데 사용하곤 합니다.
제가 이번에 소개시켜드릴 거리센서는 로보티즈사의 바이올로이드 같은 로봇에서 절대거리 센서로 이용되고 있습니다. (동일모델)

본 센서의 장점은 부차적인 회로없이 거리값에 비례하는 전압을 출력해준다는점 입니다.
이 출력전압을 ADC입력핀에 넣어주면 MCU측에서 절대거리값을 구해낼수 있습니다.
온도를 전압으로 변화시켜주는 LM35 와 유사하게 사용할 수 있습니다.

내부를 들여다 보면, 자체적인 오실레이터와 측정 및 전압출력 회로가 내장 되어있음을 볼 수있는데요,
재밌는것은 내부를 분해해보시면, 그안에 카메라 화상 센서 (CCD) 같은 부분이 있는것을 볼 수 있습니다.
아마도 저해상도의 CCD 어레이를 직선방향으로 배열하여 거리를 삼각측량방식으로 구해내는듯 합니다.
(참고로 구형 메모리칩을 뚜껑을 분해해서 저해상도 카메라로 사용할 수도 있습니다. 요즘엔 그런 무시무시한 일은 하지 않아도 저렴한 카메라가 넘쳐나니 그렇다는것 정도만 알아둡시다. )

테스트결과:
공급전압이 5V일경우
정면 80Cm 거리 이내에 물체감지가 안되면 약 0.2V 출력이 나왔고요,
10Cm정도까지 근접할때 3.2V에 조금 못미치는 전압이 출력되었습니다.
단, 10Cm보다 더 근접하면 오히려 값이 떨어집니다.


테스트 방법:
회로도도 필요없는 간단한 구성입니다.
작동 테스트를 위해서 멀티테스터와 5V정도의 정전압만 있으면 됩니다. 사양서를 보니 공급전압은 7V까지 지원하는 듯 합니다.
하지만 얼렁뚱땅 표준전압인 5V가 좋습니다. 
조금 부유한 장비를 보유하신 분들이라면 오실로스코프를 이용하시면 시간에따른 변위를 한눈에 보실 수 있으니 더 좋겠죠. 멀티테스터와 동일한 위치에 Probe를 함께 연결해 주시면 끝입니다.  용도에 따라 전압이나 주변회로와 함께 사용하 실 때는 저항,콘덴서 1~2개로 노이즈 제거해주시면 되고요. 여기서는 생략했습니다.

어설픈 회로도와  동영상 감상하시는 것으로 마무리 하겠습니다.

[거리센서-정면]

[거리센서-측면]

[거리센서- 내부]

[절대거리감지기 테스트용 연결도]

[거리센서 - 변위에 따른 전압 변화 ]

관련링크

거리센서 + 아듀이노 =시리얼 통신=> 그래프 파형 관측 
우편함 뮤직로봇 응용예제


참고자료: DataSheet

한 외국 과학정보 사이트에서 정전기 감지기라는 것을 보고 감동?을 받은 뒤 직접 만들어 보려고 관련 부품을 수소문 하던게 벌써 몇년전 입니다.  하지만 이 부품을 국내 온라인, 오프라인 소매점에서 구할 수 없었습니다. 지금도 상황은 비슷합니다.

그 부품이 바로 JFET 이라는 전계효과트랜지스터(Junction Field Effect Transistor)의 일종인인데요, 트랜지스터의 형제뻘 되는 소자이고 생긴것도 트랜지스터와 다름이 없습니다.  전자공학 서적에서도 다이오드, 트랜지스터 다음으로 소개될 정도로 매우 기초적인 전자부품임에도 부품상에서 구하기 곤란한 제품인것이 이해가 가지 않았지만, 아마도 JFET 자체보다는 MOSFET, CMOS, VFET 같은 보다 특화된 부품으로써 인기가 많은 소자라서 궂이 JFET 범용 부품으로써의 활용도가 적기때문인듯 합니다.

하지만, 전자공학 초심자들에겐 기초소자의 특성을 직접 체험하는것이 매우중요하다는 생각이 들기에 매우 아쉬운 상황입니다.
현실탓을 그만하고, 어쨌든  요즘같은 글로벌 시대에 못 구하는 부품이 어디 있겠습니까?!!  생각을 고쳐먹고 외국 사이트에서 구입했습니다.

JFET을 받자마자 정전기 감지기를 만들어 테스트 해봤는데요,
조그만 머리빗으로 2미터 이상의 거리에서 LED를 켜고 끄는 정도의(8V) 전위 변화를 감지해 낼 수 있었습니다.

회로도 대신 제작도와 동영상을 올려봅니다.   매우 단순한 회로입니다.
상세한 작동원리는 전자공학 서적에서 JFET 부분을 읽어보시거나 온라인 정보를 활용하시면 이해하 실 수 있을듯 합니다.

[그림1. 전기장 감지기 제작도]

[동영상1. 전기장 감지기 테스트]


 
실험방법:

그림1.의 제작도와 같이 회로를 구성 후,
플라스틱 머리빗을 이용하여, 머리카락을 빠르게(중요) 비벼준 후,
감지기의 안테나 방향으로 향하게한다.
머리빗을 감지기의 안테나 방향으로 향하면 LED가 어두워 지거나 꺼지게된다.
거리를 멀리 떨어져 가면서 머리빗의 방향을 바꿔가면서 감지기의 상태를 관찰한다.


작동원리:

제가 알고있는 범위내에서 간단하게 작동 원리를 소개해 드리겠습니다.
서로 마찰했을때 (-)으로 대전되기 쉬운 물질이 있고 (+)으로 대전되기 쉬운 물질 있습니다.
가령 우리의 머리카락과 머리빗을 마찰시키면, 머리카락의 전자가 머리빗으로 이동하게되고 이에따라 머리빗은 (-)전하로 대전되게됩니다.  이순간 전하의 불균형에 대응되는 전기력(장)이 형성되고, 주변공간에 영향을 끼치게 됩니다. 이힘은 이론상 무한히 퍼져나가는데요,,, 본 실험과는 큰 상관이 없지만 만약 이 머리빗을 아주 빠르게 흔든다면(가속운동한다면) 가속하는 전하에 의해 전파가 발생하고 안드로메다에 있는 미녀 외계인에게 러브콜 신호를 전송할 수 도 있을지 모릅니다. (답신이 올까요? ^^;;)

머리빗에 대전된 전압은 생각보다 매우 높은 전압입니다. 정확한 값은 저도 측정해보지 못했지만, 수백V가 넘고 수천~수만Volt에 이르는 것으로 알고 있습니다. 그렇게 높기때문에 매우 건조한 겨울날 어두운곳에서 방전되면서 불꽃이 일어나기도 하고 전자제품을 돌아가시게 하기도 하는겁니다.

JFET관련 기술서적을 보면, G(게이트 단자)와 S(소스단자)사이에 (-)전압이 걸리게되면,  D(드레인단자)와 S사이의 전류의 흐름이 방해받게 됩니다. ( 제가사용한 JFET소자는 N채널이라 위와 같고, P채널의 경우는 전압이 반대일때 흐름이 방해 받습니다.)

JFET소자마다 다르지만, MPF102의 경우, G와 S사이의 전위차가 -8Volt 가 넘으면(이를 cutoff전압이라고 함),  D와S사이에 흐르는 전류가 (거의)완전 차단되게됩니다.  이소자는 주로 스위칭용으로 사용되며, G-S전압을 조절하여 D-S전류를 ON/OFF 하는 용도로 사용됩니다. 여기서는 G-S전압에 따라  LED가 켜지거나 꺼지게 되도록 회로가 구성되어있습니다.

하지만, 본 회로에서는 G단자에 아무것도 연결되지 않았기때문에 G-S전압은 공기중의 전위에 영향을 받게 되는 상태입니다.
사실 위와 같은 상황은 주변 전기장에 영향을 많이 받기때문에 일반적인 전자회로에서는 절대로 사용되지 않는 것이지만 본 회로에서는 거꾸로 전기장을 감지하는데 역이용하는 것입니다.

본래 본회로에서 LED를 완전히 끄기 위해서 필요한 G-S전압은 약 8Volt 입니다. 즉, 실험을 통해서  2미터 떨어진 곳에서 머리빗에 대전된 고전압에 의해  JFET소자의 G와 S 단자 사이에 8Volt 이상의 전압차를 발생시켰다는 얘기입니다.  전기력이 거리의 제곱에 반비례하여 감소되는것을 볼때 엄청난 전압으로 대전된것을 (정확한 값으로 계산해내지는 못하지만) 감으로나마 알수 있게 되었습니다.

참고로, JFET의 G(Gate) 다리에 안테나 전선을 메달아 뒀는데요, 사실 안테나 선이 없이 JFET 다리만 있어도 되지만 감도를 높이기 위해서 안테나(연장전선)를 부착하였습니다.  참고사이트 자료에 의하면, 안테나 선을 충분히 길게 설치하면, 매운 건조한 공간에서 5미터 이상의 거리에서도 감지를 할 수 있다고 합니다.  춥고 건조한 겨울을 기다려 봐야겠습니다 ^^

+추가사항:
보다 그럴듯한 정전기 감지기로 사용하는 방법:  시중에 1만원이 안되는 저렴한 디지탈 멀티테스터가 많습니다. 위 감지기 회로상의 LED 양다리에 디지탈 전압계를 연결하시면, 정전기력의 변화를 아날로그(LED)적으로 보는것과 동시에 디지털(전압계수치)적으로 보실수 있습니다. 이 방법을 이용하면 매우 미세한 정전기장의 변화까지도 수치로 확인하실 수 있습니다.


+추가사항 (2010.Dec.2)
본 감지기가 9V에서만 작동하는것으로 알고 있었는데요, 실험해보니 5V전원에서도 잘 작동하는 것을 확인했습니다.  요즘 9V 건전지 가격이 터무니없이 비싸고(3천원 이상) 게다가 어뎁터까지 구해야 하므로 감지기 제작가격이 상승하게 되었는데요, 이제는 5V정도의 건전지나 어뎁터로도 실험이 가능하다는것을 참고하시기 바랍니다.


참고 사이트

2. 각종 전자/과학 실험에 대한 소개글이 있는 재밌는 사이트: 

링크

SEA는 파일 암호화와 실시간 보안통신(스트리밍)을 지원하는 매우 단순한 보안 알고리즘입니다. 2002년 경 고안 되었지만, 마땅한 기회가 없어 개인적인 프로젝트에서만 간간히 사용했던 방법입니다. 너무 간단해서 보안 알고리즘이라기보다는 보안기법 정도로 봐도 무색합니다만, 성능은 끝내줍니다.  본문에서 우선 간단한 특징을 소개드리고, 2007년도에 TinyOS + nesC 기반 센서네트워크 모트(USN Sensor Network Mote)간의 보안통신을 위해 사용했던 예제를 소개 드릴까 합니다.

(sixgen@gmail.com) 

SEA(Simple Encryption Algorithm)의 특징

• 키 길이 및 보안 강도의 유연한 조정성
 :가변 키길이 및 가변 메시지 폭을 지원하여 키길이를 가변적으로 조절할 수 있으므로 암호화 강도 및 계산비용을 필요에따라 조정할 수 있다.

• 암호화 및 복호화 연산이 동일

• 하나의 메인키로부터 파생된 서브키를 이용하여 유사 OTP를 생성하여 암호화에 이용
  (암호방식은 OTP와 동일하다.)

• 알고리즘 선택형( 특정 알고리즘에 의존하지 않음)
 :유사 OTP생성을 위해 SHA1-160 같은  Secure Hash Algorithm이나 Cipher Algorithm을 선별적으로 사용할 수 있다.

• 다양한 확장성
  :기본 원리가 매우 단순하고 파일 암호화 및 스트림 통신 등의 모든 방식으로의 응용 및 확장 개발이 용이하다.

핵심 포인트:

• 가장 완벽한, 유일한 보안 알고리즘은 OTP(One Time Password; 일회용 패스워드) 이다.  
• 랜덤 정보로 구성된 충분한 길이의 OTP를  키로 사용하여 암호화(DATA와  XOR 연산) 한다면 해독이 불가능하다. (수학적으로 계산 자체가 불가능)
• 하지만, OTP는 암호화될 DATA와 동일한 크기의 키가 필요하므로 실용성이 없다.
• SEA는  시중의 여러가지 Secure Hash Algorith 이나 Encryption Algorith들의 조합으로 pseudo OTP(유사 일회용패스워드) 생성기를 만들어 Pesudo OTP를 생성해낸다.
• 유사 OTP는 공격 가능성이 있다.  하지만 실용적이다.
• 유사 OTP도 충분한 키길이의 무작위 seed값을 사용하면 보안 강도가 크다.
• SEA는 유사 OTP생성기를 정의하고 조율하여 용도에 따라 보안성과 실용성 사이의 절충점을 설정하여 이용하게된다.

실제 구현 예제는 첨부파일을 참고하세요.
응용예제는 별도의 글로 작성할 예정입니다.

첨부파일: SecureRemoBot.ppt ( 센서노드의 무선 보안통신 응용 예) 

2002 년에 열심히 정리해 놓은 문서들을  찾아 보다가 발견했습니다. 가끔 TV 프로그램 같은곳에서 몇년 몇월이 무슨 요일이냐? 라고 물으면 곧바로 대답을 하는 사람을 보고 엄청난 기억력이나 초능력을 가진것으로 취부하는것을 본적이 있는데요...  그게 그렇게 엄청난 것은 아닙니다.  암산만 조금 할 수 있다면 여러분도 가능합니다.

  가령 오늘이 2010년 7월23일 금요일입니다. 그러면 2011년 7월 23일은 무슨 요일일까요?

답은 오늘의 요일 + 1요일 입니다.  즉, 토요일 입니다.
왜일까요?  아래의 글을 읽어보시면 아시게 될겁니다.
로보밥 

0000년 00월 00일은 무슨 요일인가? 에 대한 해답

 @200205261900

궂이 컴퓨터가 없더라도, 모든 해의 요일을 맞출 수 있다. 그다지 어렵지 않은 산수만 할 줄안다면, 암산으로 말이다.

원리: 요일은 7 State만을 갖는 변수이다. 즉, 어느 순간 7개중 한 상태일 뿐이다. 단 7개. 때문에 쉬울 수밖에 없다.

찍어도 1/7 확률아닌가??? ^^;;

규칙1. 현재보다 x 일 이 더 지난 후의 요일은 x mod 7 의 값만큼 다음(현재요일기준)요일이다.

예1. 오늘은 일요일이다. 23일 후는 무슨 요일인가? 풀이: 23 Mod 7은 = 2 이다. 근데 오늘은 일요일이므로 2만큼 다음요일은 화요일이된다. (이후 +2요일이라고 약칭한다)

어떤날의요일 = 오늘의요일 + x Mod 7  (x는 차이 일수)

참고사항: MOD의 의미

x Mod 7이란 x를 7로 나눈 후 나머지 값을 말합니다.  나머지(Modulus) 연산자라고 불리며, 프로그래밍 언어에서는 보통 % 라고 표시됩니다.  윈도우 전자 계산기를 공학모드로 설정하면 Mod 버튼이 보입니다.   365 mod 7 이 몇인지 한번 계산해보시기바랍니다. 답은 1입니다.

규칙2. 1년 후 오늘의 요일은 오늘의 요일 +1요일이 된다. ( 단, 윤년인 경우,  +2 요일 )

우선 상식을 우선 배워보자.

상식1. 1년은 몇 일인가?

정답은 365.xxx일이다. 일년의 기준은 지구가 정확히 태양을 한바퀴 걸리는데 얼마나 걸리나를 정의하는데, 정확히는 365일이 넘는다. 그래서 문제는 해가 지날수록 시간이 조금씩 틀려진다는 것. 때문에 4년에 한번씩 (2월달에)하루를 추가하여 오류를 수정한다. 즉, 366일을 만드는 것이다(이게 윤년이다.) 평년엔 2월이 28일까지 있는데 윤년에는 29일까지 있다. 재밌는 것은 윤년의 2월29일이 생일인 사람은 4년에 한번 생일이 돌아온다 ^^; 주변에 2월29일생이 있다면 생일 잘 챙겨주시길~. (자세한 윤년의 정의는 아래의 참고자료를 보세용)

결론: 1년은 몇 일인가?

평년은 365일 (윤년이 아닌 모든해)

윤년은 366일 ( ,,, 1984,1988,1992,1996,2000,2004,2008 ,,, )

때문에 규칙2가 성립된다. 규칙1에 의해서 규칙2를 증명해보자.

평년인 365일의 Mod 7은 1이다. 그러므로 동일한 월/일의 다음해는 +1요일

윤년의 366일의 Mod 7운 2이다. 그러므로 동일한 월/일의 다음해는 +2요일이된다.

상식2. 몇월이 몇일까지 있는지 어떻게 정해지나?

결론을 말하자면, 1,3,5,7,8,10,12월은 무조건 31일까지있다.

그리고 2월은 평년에는 28일, 윤년엔 29일까지있다.

나머지 4,6,9,11월은 30일이다.

결국 2월을 제외하고는 매 해마다 동일하다.

규칙3. 다음월의 요일은 몇월인가에 따라 +요일치가 달라진다.  왜워두면 바로 적용가능.

오늘은 5월26일이다. 그러면 다음달의 26일 무슨요일인가?

규칙1에 의해서 계산을 해도도지만 더 단순한 규칙을 찾아보자.

월의 일은 31일 30일 29일 28일 네가지가 있다. 때문에 미리 계산해둔 값을 기억해서 쓰면 빠르다.

31 Mod 7 = 3 (그러므로 +3요일)

30 Mod 7 = 2 (+2요일)

29 Mod 7 = 1 (그러므로 윤년의 3월의 요일은 2월의 요일 +1 )

28 Mod 7 = 0 (그러므로 윤년의 2월의 요일은 3월의 요일과 동일)

결론: 1,3,5,7,8,10,12월은 다음달 같은일에 +3요일이 된다.

4,6,9,11월은 다음달 같은일에 +2요일이 된다.

2월은 윤년일 땐 다음달에 같은 요일이 되고, 평년에는 +1요일이 된다.

그러면 다음달이 아닌 한달 전은 어떨까?

이때는 저번 달을 기준으로 잡고 + 가 -로 변하게된다.

5월 26일(일)이라면 저번 달의 26일은 4월이 -2요일이 되므로 금요일이 된다.

참고사항: 윤년의 정의

[閏年, leap year]

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개요 : 태양력법에서 2월을 29일로 둔 해.

본문 출처 : 두산세계대백과 EnCyber

원래 2월은 평년이 28일까지 있는 것이지만, 만일 윤년이 없이 언제나 평년이라면 1년의 길이가 365일로 되어 실제보다 0.2422일 짧아지므로 점차 역일(曆日)과 계절이 달라진다. 그러므로 율리우스력에서는 4년마다 2월을 29일로 함으로써 4년간의 연평균 일수를 365.25일로 정하였다. 이 값은 실제보다 1년에 0.0078일이 길다.

그후의 그레고리력에서는 다음과 같은 치윤법(置閏法)을 정하고 시행하였다. 즉, ① 서력 기원 연수가 4로 나누어 떨어지는 해는 우선 윤년으로 하고, ② 그 중에서 100으로 나누어 떨어지는 해는 평년으로 하며, ③ 다만 400으로 나누어 떨어지는 해는 다시 윤년으로 정하였다. 이로써 1년의 평균길이를 365.2425일로 정하여 역에 썼으므로 실제의 1년보다 0.0003일이 길다.

이 그레고리오력에서는 400년간에 97년이 윤년이 된다. 한국에서는 1896년(건양 1)부터 태양력이 쓰였는데 이 역법은 그레고리오력이다. 그레고리오력이 현행의 태양력이다. 율리우스력은 한국에는 들어오지 않았다. 고레고리오력의 치윤법에 의하여 1900년은 평년이었고 2000년은 윤년이 된다.

자,  이제 훈련만 잘하면 주위 분들에게 엄청난 계산력? 암산력의 소유자로 칭송 받게 될 지도 모릅니다.

한번 머리 훈련좀 해보시겠습니까? !!!