[논문 리뷰] Design and Development of Low Cost PC Based Real Time Temperature and Humidity Monitoring System

Nungleppam Monoranjan Singh, Kanak Chandra Sarma|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 14.

Embedded Systems and FPGA Design참고 문헌 8인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 PIC12F675 마이크로컨트롤러, LM35 및 TPS-00715 센서, 그리고 시리얼/USB 통신을 사용하는 저비용 PC 기반 실시간 온도 및 습도 측정 시스템을 제시한다. 10비트 해상도(4.88mV 정밀도)를 달성하며, 습도는 5차 다항식 캘리브레이션을 통해 측정하고, 상업적 습도계와 비교해 ±2% 이내의 편차를 보이며, 최소 비용으로 실험실 및 산업 현장에 적합하다.

ABSTRACT

This paper presents the design and development of a low cost Data Acquisition System (DAS) using PIC12F675 microcontroller for real time temperature and humidity monitoring. The designed DAS has 4 analog input channels having 10-bit resolution and was interfaced through the serial port of the PC. A precision integrated temperature sensor and an instrumentation-quality RH (Relative Humidity) sensor were used for sensing the temperature and humidity respectively. The firmware was written in Basic and compiled using Oshonsoft PIC IDE and downloaded to the microcontroller by using PICkit2 programmer. An application program was also developed using Visual Basic 6, which allows displaying the waveform of the signal(s) in real time and the data can be saved into the hard disk of the computer for future use and analysis. It can also be interfaced to the USB port of the PC or laptop using USB to serial adapter BAFO BF-810. Thus, the designed low cost device works with the legacy hardware as well as the modern USB interface.

연구 동기 및 목표

• 실험실 및 산업 현장에서 지속적인 온도 및 상대 습도 모니터링을 위한 저비용 실시간 데이터 수집 시스템을 개발하기 위해.
• 수동 측정 방식과 높은 비용의 상업적 데이터 수집(DAQ) 카드의 한계를 극복하고, 자원이 제한된 기관에서도 활용 가능하도록 하기 위해.
• 기존 RS-232 포트와 현대적인 USB 인터페이스를 모두 지원하도록 설계하기 위해, USB-to-시리얼 어댑터를 활용한다.
• 신호 조절, 펌웨어 기반 ADC 샘플링, 비선형 센서 출력의 다항식 캘리브레이션을 통해 높은 정확도와 신뢰성을 확보하기 위해.
• 실시간 데이터 시각화, 로깅, 향후 분석을 위한 .csv 형식의 장기 저장을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 10비트 ADC 입력 채널 4개와 내장 4MHz 오실레이터를 갖춘 PIC12F675 마이크로컨트롤러를 사용하여 데이터 수집 시스템(DAS)을 구축하였다.
• 온도는 LM35(0–50 °C, 10mV/°C) 센서, 습도는 TPS-00715(10–90% RH에 대해 1–3V 출력) 센서를 각각 사용하여 측정하였다.
• OP07 운용 증폭기와 저항 다이오드를 사용한 신호 조절 회로로 입력을 보호하고, 출력을 마이크로컨트롤러 호환 가능한 0–5V 범위로 스케일링하였다.
• Oshonsoft PIC IDE를 사용한 Basic 언어로 펌웨어를 작성하고, PICkit2 프로그래머를 통해 PIC12F675에 프로그래밍하여 주기적인 ADC 샘플링 및 시리얼 전송을 수행하였다.
• Visual Basic 6 애플리케이션은 MSComm 컴пон넌트를 사용해 시리얼 포트를 풀링하고, 데이터를 수신하며 실시간 파형을 표시하고 .csv 형식으로 저장하였다.
• 전압 읽기 값을 백분율 상대 습도로 변환하기 위해 5차 다항식 방정식(y = 15.538x⁵ – 161.37x⁴ + 655.54x³ – 1289.1x² + 1259.3x – 472.15)을 구현하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반 소비자용 부품를 사용한 저비용 PC 기반 시스템이 실시간 정확한 온도 및 습도 모니터링을 달성할 수 있는가?
• RQ2 자체 제작된 DAS의 상대 습도 측정 정확도가 상업적 디지털 습도계와 비교해 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 10비트 해상도와 시리얼 통신을 갖춘 마이크로컨트롤러 기반 시스템이 실험실 및 산업 모니터링 요구사항을 얼마나 잘 충족하는가?
• RQ4 표준 어댑터를 사용해 기존 RS-232와 현대적인 USB 인터페이스 모두와 호환 가능하게 만들 수 있는가?
• RQ5 비선형 습도 센서 출력에 대한 다항식 캘리브레이션을 통해 어떤 정도의 정확도를 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 0–5V 범위에서 10비트 ADC를 사용해 4.88mV의 전압 해상도를 확보하여 정밀한 데이터 수집이 가능했다.
• 자체 제작 시스템(RH4)과 상업적 습도계(RH1, RH2) 간의 습도 측정 오차는 ±2% 이내였으며, 일반적으로 5%로 간주되는 기준을 훨씬 뛰어나게 성능을 발휘했다.
• TPS-00715 센서의 캘리브레이션 곡선은 실험 데이터와 강한 일치를 보였으며, 5차 다항식 피팅을 통해 검증되었다.
• 시스템은 12시간 동안 온도 및 습도의 실시간 파형을 성공적으로 재구성하였고, 후속 분석을 위해 .csv 형식으로 저장하였다.
• BAFO BF-810 USB-to-시리얼 어댑터를 사용해 RS-232 및 USB 인터페이스 모두와 호환성을 확보하여 이원성 및 향후 호환성을 확보하였다.
• 전체 시스템은 최소한의 비용로 개발되어 교육 및 연구 실험실에서 예산이 제한된 환경에서도 배치하기에 적합했다.