[논문 리뷰] Low Cost PC Based Real Time Data Logging System Using PCs Parallel Port For Slowly Varying Signals

Nungleppam Monoranjan Singh, Kamal Sarma|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 11.

Sensor Technology and Measurement Systems인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 온도 및 습도와 같은 천천히 변화하는 신호를 모니터링하기 위해 병렬 포트를 사용하는 저비용, PC 기반 실시간 데이터 로깅 시스템을 제시한다. LM35 센서, ADC0808를 이용한 아날로그-디지털 변환, C 프로그래밍된 인터페이스를 통해 2 samples/second 속도로 0.2°C 해상도로 데이터를 기록하며, 결과는 CSV 형식으로 저장되어 엑셀 분석에 적합하고 실시간 그래픽 표시 및 상대 습도와 mild point 자동 계산이 가능하다.

ABSTRACT

A low cost PC based real time data logging system can be used in the laboratories for the measurement, monitoring and storage of the data for slowly varying signals in science and engineering stream. This can be designed and interfaced to the PCs Parallel Port, which is common to all desktop computers or Personal Computers (PCs). By the use of this data logging system one can monitor, measure and store data for slowly varying signals, which is hard to visualise the signal waveforms by ordinary CRO (Cathode Ray Oscilloscope) and DSO (Digital Storage Oscilloscope). The data so stored can be used for further study and analysis. It can be used for a wide range of applications to monitor and store data of temperature, humidity, light intensity, ECG signals etc. with proper signal conditioning circuitry.

연구 동기 및 목표

• 온도 및 습도와 같은 천천히 변화하는 물리적 매개변수를 모니터링하기 위한 저비용 실시간 데이터 수집 시스템을 개발하기 위해.
• 비용이 많이 들지 않는 데이터 수집 하드웨어를 피하기 위해 PC의 병렬 포트를 비용 효율적인 인터페이스로 활용하기 위해.
• 표준 소프트웨어(예: 엑셀)를 사용하여 장기 저장 및 후속 분석을 위한 실시간 그래픽 표시 및 센서 데이터 저장을 가능하게 하기 위해.
• 건조구와 습윤구 온도 읽기 값을 이용하여 상대 습도와 mild point를 자동으로 계산하고 기록하기 위해.
• 광범위하게 사용 가능한 병렬 포트 인터페이스를 활용하여 신제품 및 구형 PC(데스크톱 및 노트북 포함)와의 호환성을 확보하기 위해.

제안 방법

• LM35 센서에서 나오는 아날로그 온도 신호는 저오프셋, 고이득 연산 증폭기를 사용하여 출력을 0–5 V 범위로 스케일링한다.
• 스펙트럼 왜곡을 방지하기 위해 애니어링 필터를 적용하여 ADC 변환 이전에 신호의 무결성을 확보한다.
• ADC0808은 아날로그 신호를 8비트 디지털 값(해상도 ≈19.6 mV 또는 0.2°C)으로 변환하며, 샘플링 속도는 2 samples per second이다.
• IC 7414, 저항, 세라믹 커패시터를 사용한 클럭 회로가 ADC 제어를 위한 안정된 클럭 신호를 생성하며, 주파수 f = 1/(1.1RC)로 계산된다.
• 저항 다이오드를 사용한 전압 제한 회로가 출력을 5 V로 클램프하여 ADC에 과전압으로부터 보호한다.
• C 프로그래밍된 애플리케이션은 병렬 포트를 제어하여 디지털 데이터를 읽고, 실시간 온도 그래프를 표시하며, 엑셀 호환성을 위한 .csv 형식으로 데이터를 저장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비용 시스템에서 병렬 포트를 실시간으로 천천히 변화하는 아날로그 신호를 수집하기 위해 효과적으로 재사용할 수 있는가?
• RQ2 PC 병렬 포트를 통해 ADC0808과 LM35 센서를 사용한 데이터 로거의 해상도와 정확도는 어느 정도인가?
• RQ3 이러한 시스템에서 건조구와 습윤구 온도 읽기 값을 이용해 상대 습도와 mild point를 얼마나 정확하게 계산할 수 있는가?
• RQ4 일반적인 환경 조건 하에서 시스템이 데이터 무결성과 실시간 성능을 어느 정도 유지하는가?
• RQ5 이 저비용 시스템은 교육 및 기본 산업 모니터링 분야에서 상용 데이터 로거의 실질적인 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• 8비트 ADC0808과 5 V 기준 전압을 사용함으로써 시스템은 약 0.2°C 해상도(1 LSB당 0.0196 V)를 달성한다.
• 데이터 로깅 시스템은 안정적인 2 samples per second의 샘플링 속도로 작동하며, 소프트웨어 수정을 통해 조정 가능하다.
• 건조구와 습윤구 온도 입력을 사용하여 실시간으로 상대 습도(85.18%)와 mild point(17.36°C)를 성공적으로 계산하고 기록한다.
• 측정된 데이터는 수은 온도계 읽기와 만족스러운 일치를 보이며, 노이즈와 차폐 제약에도 불구하고 적절한 정확도를 확인한다.
• 시스템은 실시간 온도 모니터링 그래프 표시 및 .csv 형식으로 데이터 저장을 가능하게 하여, 마이크로소프트 엑셀과 직접 호환된다.
• 저항 다이오드를 사용한 과전압 보호가 ADC 손상 방지에 효과적이며, 시스템 신뢰성을 향상시킨다.