아두이노의 구조와 작동 원리


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목표

아두이노 우노의 구조와 작동 원리 이해하기

아두이노 우노의 다양한 기능과 작동하는 원리를 파악해 볼까요?

1️⃣ 아두이노 우노 보드의 구조

2️⃣ 아두이노 우노의 마이크로 컨트롤러

3️⃣ 아두이노와 전기 에너지

4️⃣ 아두이노 극성

5️⃣ 아두이노 디지털과 아날로그

6️⃣ 브레드 보드

7️⃣ 점퍼 케이블



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영상 시청

아두이노 구조에 대해 영상으로 쉽게 알아보아요.




1️⃣
아두이노 우노 보드의 구조

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아두이노 구조

USB 포트 : 아두이노와 컴퓨터를 연결할 수 있는 포트입니다.

외부 전압 단자 : 9V ~ 12V의 외부 전압을 연결하여 추가로 전압을 공급할 수 있습니다.

전압 레귤레이터 : 5V이상의 전압이 공급될 경우 변압하여 회로를 보호합니다.

리셋 버튼 : 아두이노를 다시 시작하며, 누를 경우 저장된 코드의 처음으로 돌아갑니다.

GND 핀 : 아두이노의 - 극으로 센서의 전압을 공급합니다.

디지털 (2 ~ 13번)핀 : 디지털 입출력으로 1 또는 0으로 상태를 나타냅니다.

디지털 (2 ~ 13번) 물결 핀 : ~물결 무늬로 3, 5, 6, 9, 10, 11번 핀은 PWM 기능으로 아날로그 출력이 가능합니다.

디지털 (0 ~ 1번)핀 : 시리얼 통신과 업로드에 사용되며, 센서 연결 시 오류가 발생합니다.

마이크로 컨트롤러(ATmega328P) : 뇌에 해당하는 부분으로 CPU와 저장장치, 입출력 모듈이 모두 합쳐진 프로그램 장치입니다.

3.3V 핀 : 3.3V 전압을 공급하며, 낮은 전력을 소모하는 센서나 모듈에 사용됩니다.

5V 핀 : 5V 전압을 공급하며, 모터 등 전력을 많이 소모하는 센서나 모듈에 사용됩니다.

VIN 핀 : 외부 전압을 공급할 수 있도록 도와주는 핀입니다.

(상단의 외부 전압 단자와 함께 사용 시 아두이노 고장이 날 수 있습니다.)

아날로그 핀 (A0~A5) : 0 ~ 1023의 연속된 아날로그 값을 입력 받습니다.




2️⃣
아두이노의 마이크로 컨트롤러

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아두이노 마이크로컨트롤러 ATmega328P

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설명

아두이노 마이크로 컨트롤러는 스케치에서 작성한 코드 프로그램을 저장하는 메모리 기능이 내장되어 있습니다.

따라서 전원이 공급되면 마이크로 컨트롤러에 저장된 프로그램이 실행됩니다.


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마이크로 컨트롤러의 역할

입 / 출력 장치 : 다양한 센서와 연결되어 데이터 수집 및 LED나 모터와 같은 출력 장치를 제어합니다.

프로그램 실행 : 사용자가 아두이노 스케치에 작성한 코드는 마이크로컨트롤러에서 실행됩니다. 코드에 따라 센서의 데이터 처리, 로직 결정, 출력 장치 제어 등 작업을 수행합니다.

인터페이스 역할 : 사용자가 코드를 컴파일하고 업로드 하면, 이 정보는 마이크로 컨트롤러에 전달되며, 그 결과 또한 컴퓨터에 전송됩니다.




3️⃣
아두이노와 전기 에너지

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설명

온도나 빛 세기 같은 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것이 가능하며, 전기 에너지를 소리나 움직임 에너지로 변환하는 것도 가능합니다.

보통 우리는 그것들을 센서(Sensor)와 액추에이터(Actuator)라고 합니다.


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전자회로의 원리
  1. 아두이노(펌프)는 전압을 만들어 냅니다.
  1. 전위차를 통해 전압이 생기면 이 압력으로 전류가 움직이게 됩니다.
  1. 저항은 전류의 흐름을 방해하는 역할입니다.
  1. 센서나 액추에이터(물레방아) 마다 필요한 전압이 다르기 때문에 저항은 매우 중요한 역할을 합니다.



4️⃣
아두이노 극성

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설명
  • 아두이노에서 극성은 전력 공급, 센서 및 액추에이터 연결, 안전한 회로 설계를 위해 중요합니다.
  • 만약 +극과 -극이 잘못 연결된다면 아두이노 보드와 센서에 심각한 손상을 줄 수 있습니다.
  • 아두이노에는 "역극성 보호 회로"가 내장되어 있어 전원 입력의 극성이 반대로 연결되면 회로를 보호하기 위해 전원을 차단합니다.
  • 역극성 보호 회로는 GND와 VCC가 반대로 연결되면 회로의 전원을 차단하여 고장을 방지합니다.



5️⃣
아두이노 디지털과 아날로그

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디지털 신호
  • 디지털 신호는 두 가지 상태로 표현하는 신호입니다.
  • 주로 0V와 5V 사이의 전압을 가지며, “0”과 ”1” 또는 “LOW”와 “HIGH”로 표현할 수 있습니다.
  • 디지털 신호를 사용하는 대표적인 센서로는 터치 센서, 적외선 감지 센서 등 여부를 확인하는데 사용됩니다.

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아날로그 신호
  • 아날로그 신호는 연속적인 값을 가지며, 아두이노의 경우 “0”부터 “1023”까지의 범위로 표현합니다.
  • 아날로그 신호는 물리적 현상을 전기적 신호로 변환하는 센서에 주로 사용됩니다.
  • 아날로그 신호를 사용하는 대표적인 센서로는 조도 센서, 조이스틱 등 연속적인 변화를 감지하는데 사용됩니다.



6️⃣
브레드 보드

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설명
  • 아두이노 보드는 흔히 5V 전원 핀을 하나만 제공하므로, 여러 개의 5V 전원이 필요한 센서들을 동시에 연결하는 것이 어렵습니다.
  • 이 문제를 해결하기 위해 브레드 보드를 사용할 수 있습니다.
  • 브레드 보드 사용은 콘센트가 부족하여 멀티탭을 활용해 전력을 확장하는 것과 유사한 원리입니다.



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설명
  • 브레드 보드 내부의 구조는 세로 줄과 가로 줄로 구성되어 있습니다.
  • 세로 줄은 공통된 핀으로 연결되어 같은 전력을 공유하고, 반면에 가로 줄은 각각 다른 핀으로 구성되어 서로 독립적인 연결이 가능합니다.



7️⃣
점퍼 케이블

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설명

아두이노와 센서 / 엑추에이터는 전기 신호를 주고 받기 위해 점퍼 케이블을 사용합니다.

점퍼 케이블은 전기선 역할을 하며, 전류가 흐를 수 있도록 연결해줍니다.




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점퍼선 종류

수수 점퍼선 : 양 끝이 모두 메일 핀 (핀 모양이 돌출 부분)으로 되어 있습니다.

암수 점퍼선 : 한 쪽은 메일 핀 (핀 모양이 돌출 부분), 또 다른 한 쪽은 페메일 핀 (홈 모양의 구멍 부분)으로 되어 있습니다.

암암 점퍼선 : 양 끝이 페메일 핀 (홈 모양의 구멍 부분)으로 되어 있습니다.