[IoT] 쌩초보 ESP32 - FSR 센서 연결 이론

Environment:
|_ macOS Ventura 13.1
|_ Arduino IDE v.2.0.3
|_ ESP32 HiLetgo ESP-WROOM-32D Development Board
|_ Force Senstive Resgistor MD30-60

해당 포스트는 Adafruit의 Force Sensitive Resistor를 참고하였습니다.

센서 설명

사용하는 센서는 Force Sensitive Resistor(FSR)로 그 중에서도 얇고 flexible한 것이 특징이다. 계속해서 족저압을 확인하는 용도라 계속해서 압력 센서라고 불렀었는데 실제로 압력 센서(Pressure Sensor)는 이런 것이 주이고 아마존에 Force Sensitive Resistor라고 등록되어 있다.

논문을 쓰면서 느낀 것은 자료를 찾을 때 정확한 단어를 아는 것이 생각보다 중요하다는 점이다. Force Sensitive Resistor로 검색해야 올바른 참고 자료가 나온다.

FSR 센서는 종류가 여러가지 있어서 필요에 따라 선택하면 된다.
우리는 사람이 누르는 무게를 견뎌야 하기 때문에 0~30kg을 측정하는 해당 모델을 선택했다.
지름이 3cm라 우리가 사용할 샘플 신발 사이즈(250mm)에 몇 개나 들어갈 수 있을 지,어느 위치에 붙여야 할 지 고민이 남았다.

FSR 센서의 기본

FSR 센서는 대개 여러 개의 층으로 이루어져 있는데 중간에 있는 Spacer 층에 의해 각 면이 서로 분리 되어있다가 눌리는 힘에 의해서 맞닿는 방식이다. 측정 값이 아주 정확하진 않다. 센서 종류 별로 감지할 수 있는 힘의 크기가 다르고 정확도가 떨어지기 때문에 무게를 재는 데에는 권장되지 않지만 센서가 눌리는 지 파악하는 데에는 이것만큼 가성비 좋은 센서가 없다고 한다.
출처 : https://learn.adafruit.com/force-sensitive-resistor-fsr

파워의 경우 아무거나 사용해도 상관이 없고 핀이 약해서 직접 납땜하는 것은 자신이 없으면 피하라고 한다. 1~2초 정도만 땜질 할 수 있고 길게 하면 핀이 녹아버린단다.

FSR 센서 연결 방법

센서 연결 방법에는 여러가지가 있는데 자기 프로젝트에 가장 맞는 방법을 선택하면 될 것 같다.

Breadboard

가장 간단하고 가장 좋은 방법이다. 그냥 빵판에 센서의 핀 부분을 꽂으면 된다. 단점이 있다면 핀의 길이만큼 위로 튀어나온다는 것과 빵판이 있다는 것 그리고 길이의 제한이다.
하지만 Flexible이 특징인 만큼 구부려서 사용할 수 도 있다(하지만 내구성은 모르겠다)
가장 쉬운 만큼 센서 테스트를 할 때 사용하면 적절 할 것 같다.

Clamp 또는 female cable

Alligator clip과 같은 clamp 스타일의 커넥터를 꽂아서 활용하거나 female header를 가진 케이블을 연결해서 사용할 수 있다. 아마도 전선으로 길게 연결 연결하고자 할 때에는 다음과 같은 방식으로 진행하는 것 같다. 납땜이 권장되지 않기 때문에 이 방법이 제일 자주 사용되지 않을까?

Terminal Block

터미널 블럭은 한국어로 단자대 라고 불리는 것인데, 여러 단자를 연결해서 케이블을 한 곳에 모아서 고정할 때 사용한다. 아마도 이번 프로젝트에서는 사용할 일 없겠지만 이런 방법도 있다.

센서 사용해보기(이론)

아날로그 전압 판독 방식

한 쪽 끝에 전압을 연결하고 반대쪽 끝에 풀다운 저항을 접지 연결하는 방식이다. 전자회로에 대해 잘 모르는 상태라 풀다운 저항이 무엇인지 몰라서 이에 대해 정리해 보았다.

플로팅 현상

다음과 같은 회로가 있다고 가정했을 때,
스위치가 연결되지 않은 상태에서 전류가 흐르는 지, 흐르지 않는지 확인 할 수 없는 현상이다.
플로팅 현상은 잡음(noise)에 아주 취약하다. 입력 전압이 고정되지 않기 때문에 입력 핀의 전압을 고정하기 위해 저항이 사용 된다.

풀업 저항(Pullup Resistor)

풀업 저항은 부품 앞에 저항을 붙이는 방식이다.(입력 핀과 전원 사이에 저항이 있는 형태) 스위치가 열려있는 경우 전원과 Input Pin이 연결되어 있으므로 전압이 HIGH(5V)가 된다.

풀다운 저항(Pulldown Resistor)

풀다운 저항의 경우 입력 핀과 그라운드(접지) 사이에 저항을 연결한다. 스위치가 열려있으면 입력핀이 그라운드와 연결되므로 전압이 LOW(0V)가 된다. 이번 프로젝트에서 사용할 방식이다.

다시 FSR과 ESP32를 연결하는 방식으로 돌아와서, 가장 간단하게 ESP32와 FSR을 연결하는 방식은 다음과 같다.

작동 방식

Vo = Vcc ( R / (R + FSR) ) 식을 계산해서 알아낸다.

다음 글에서는 실제로 센서의 값을 이용해서 동작 시키는 과정과 센서의 압력 값을 읽어오는 과정을 해볼 예정이다.