055_압력센서FSR_누르는힘측정 🌡️🧪

도로시와 지니가 함께하는 압력 감응 저항(FSR)의 물리적 원리, 전압 분배 회로 및 가변 터치 감도 측정 실습

• 👧 도로시: “교수님! 지니야! 동그란 센서 패드를 손가락으로 살짝 건드렸을 때랑 온 힘을 다해 꾹 눌렀을 때를 아두이노가 어떻게 구별해?”
• 👨‍🏫 이호진 교수님: “누르는 물리적인 힘(Force)의 세기에 반비례하여 전기 저항이 뚝 떨어지는 FSR(Force Sensing Resistor) 압력 센서 덕분이란다!”

• 🐶 토토: “바우! 전자 드럼 패드를 세게 치면 큰 소리가 나는 원리와 똑같다 멍!”

• 🖥️ 강의 슬라이드: slides.md

1. FSR(Force Sensing Resistor) 센서의 외형과 구조

🐾 3층 샌드위치 필름 구조

• 상부 전도성 패턴 필름: 빗살 모양의 미세한 은(Silver) 전극 라인이 서로 닿지 않게 인쇄되어 있습니다.
• 하부 압력 감응 반도체 필름: 압력을 받으면 입자 사이의 저항이 변하는 특수 고분자 전도성 폴리머(Polymer) 시트입니다.
• 스페이서(Spacer): 외력이 가해지지 않을 때는 두 필름이 서로 닿지 않도록 미세한 공기 간극을 유지해 줍니다.
• 무극성(Non-polarized) 2단자: 극성이 없어 2개의 핀 중 어느 쪽을 5V나 신호선에 꽂아도 완벽히 동일하게 동작합니다.

2. 작동 메커니즘: 압력과 저항의 반비례 관계 (Logarithmic Curve)

🔬 힘을 가할수록 전도 경로가 폭발적으로 증가!

1. 외력이 없을 때 (No Pressure):
   • 스페이서에 의해 두 필름이 격리되어 있으므로 전기가 통하지 않습니다 (저항: 무한대 $\infty$, 수 MΩ 이상).
2. 가볍게 터치했을 때 (Light Touch, 약 20g ~ 100g):
   • 미세한 돌기들이 살짝 접촉하며 전도가 시작됩니다 (저항: 약 50kΩ ~ 100kΩ).
3. 강하게 꾹 눌렀을 때 (Heavy Press, 1kg ~ 10kg 이상):
   • 전도성 고분자 입자들이 강한 압력으로 압축 밀착되어 무수히 많은 미세 전도 통로가 열립니다 (저항: 수백 $\Omega$ 이하로 급감).

3. 전압 분배 회로(Voltage Divider)의 결선과 수학 공식

⚡ $R_{\text{FSR}}$ 저항 변화를 아날로그 전압 $V_{\text{out}}$으로 변환

아두이노 A0 핀은 저항을 직접 읽을 수 없으므로 10kΩ 기준 저항과 직렬로 연결합니다:

• 누르지 않았을 때: $R_{\text{FSR}} \approx \infty$ 이므로 $V_{\text{out}} \approx 0\text{V}$ (ADC 측정값 0 부근).
• 약하게 눌렀을 때: $R_{\text{FSR}} \approx 50\text{k}\Omega \rightarrow V_{\text{out}} \approx 0.83\text{V}$ (ADC 측정값 약 170).
• 강하게 눌렀을 때: $R_{\text{FSR}} \approx 200\Omega \rightarrow V_{\text{out}} \approx 4.9\text{V}$ (ADC 측정값 약 1000).

4. 팅커캐드 시뮬레이터 배선 연결

🔌 브레드보드 연결 체크리스트

1. FSR 단자 1: 아두이노 5V 레일에 연결.
2. FSR 단자 2: 브레드보드 동일 열에서 아두이노 A0 핀에 연결.
3. 10kΩ 고정 풀다운 저항: A0 노드와 GND 사이에 연결.
4. PWM 출력 LED: 아두이노 9번 핀 ➡️ 220Ω 저항 ➡️ LED 애노드(+) ➡️ 캐소드(-) ➡️ GND.

5. 실습 전체 코드: 압력 감응형 스마트 무드등 (Arduino C++)

💻 누르는 힘의 세기에 비례하여 LED 밝기를 정밀 조절하는 펌웨어

// 핀 번호 상수 정의
const int FSR_PIN = A0;  // FSR 전압 분배 회로가 연결된 아날로그 입력 핀
const int LED_PIN = 9;   // PWM 아날로그 출력이 가능한 디지털 핀

// 센서 측정 임계치 (환경에 따라 보정 가능)
const int FSR_MIN_THRESHOLD = 50;  // 가벼운 노이즈를 필터링하는 최솟값
const int FSR_MAX_THRESHOLD = 900; // 최대 압력 기준값

void setup() {
  // PC 시리얼 모니터 통신 시작 (9600 bps)
  Serial.begin(9600);
  
  // LED 핀을 출력 모드로 설정
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  
  Serial.println("=========================================");
  Serial.println("   FSR Pressure Sensor & PWM LED Ready!  ");
  Serial.println("=========================================");
}

void loop() {
  // 1. A0 핀에서 아날로그 전압 측정 (0 ~ 1023)
  int fsrRaw = analogRead(FSR_PIN);

  int brightness = 0;

  // 2. 최소 압력 이상일 때만 반응하도록 노이즈 컷오프 적용
  if (fsrRaw > FSR_MIN_THRESHOLD) {
    // 측정된 ADC 범위를 0 ~ 255 LED PWM 범위로 매핑
    brightness = map(fsrRaw, FSR_MIN_THRESHOLD, FSR_MAX_THRESHOLD, 0, 255);
    // 0 ~ 255 범위를 벗어나지 않도록 안전 제한
    brightness = constrain(brightness, 0, 255);
  }

  // 3. LED에 계산된 밝기 출력
  analogWrite(LED_PIN, brightness);

  // 4. 시리얼 모니터 디버깅 출력
  Serial.print("FSR Raw Value: ");
  Serial.print(fsrRaw);
  Serial.print(" -> LED Brightness: ");
  Serial.println(brightness);

  // 0.1초 지연 후 다음 루프 실행
  delay(100);
}

6. 코드 상세 해설 및 노이즈 필터링 원리

🔍 노이즈 컷오프(Deadband)와 비례 제어 분석

1. if (fsrRaw > FSR_MIN_THRESHOLD):
   • 센서 표면이 공기 중에 노출되어 있을 때 정전기나 미세한 기계적 접촉으로 인해 0~30 사이의 불필요한 노이즈가 발생할 수 있습니다.
   • FSR_MIN_THRESHOLD(50) 이상으로 확실하게 손가락이 닿았을 때만 LED를 켜도록 하여 불필요한 미세 깜빡임을 완벽히 차단합니다.
2. 선형 보간과 constrain():
   • FSR의 저항 변화는 실제로는 비선형(로그 곡선)이지만, map()과 constrain()을 통해 인간의 눈에 가장 자연스러운 선형 밝기 변화로 매끄럽게 매핑합니다.

7. 실생활 속 압력 센서의 다양한 응용 사례

• 전자 악기 (MIDI Touch Sensitive Keyboards & Drums):
  • 피아노 건반이나 전자 드럼 패드를 세게 치면 큰 소리(Velocity), 살살 치면 부드러운 소리를 내는 다이내믹 터치 감도 구현.
• 로봇 그리퍼 (Robotic Soft Gripper):
  • 로봇 팔이 두부나 달걀, 유리잔처럼 깨지기 쉬운 물체를 잡을 때 물체가 으스러지지 않도록 정밀한 파지력 제어.
• 스마트 헬스케어 방석 & 깔창:
  • 의자에 앉은 자세의 좌우 균형을 분석하여 거북목이나 척추 측만 교정 알림 제공.

🌟 도로시와 지니의 핵심 요약 노트!

• 👧 도로시: “누르는 힘에 따라 저항이 쑥 떨어져서 전압 분배로 손가락의 미세한 힘까지 측정할 수 있구나!”
• 👨‍🏫 이호진 교수님: “맞아! 이 압력 센서로 토토의 발바닥 도어 매트를 만들면 토토가 문 앞에 왔을 때 자동으로 차임벨을 울려줄 수 있단다.”
• 🐶 토토: “바우! 다음엔 빛을 감지하는 포토 인터럽터 센서를 만나러 가자 멍!”