로드셀(Load Cell)의 데이터 처리가 느리다면 (HX711 사용기)

 센서를 사용할 때 가장 중요한 것은 신뢰성일 것이다. 얼마나 믿을만한 정보를 주는지 알 수 있어야, 손톱만한 칩에서 퉤 하고 뱉어내는 값들을 어떻게 쓸 지 판단할 수 있다. 하지만, 신뢰성 못지 않게, 단위 시간 동안 얼마나 많은 양의 데이터를 줄 수 있는지도 중요하다. 이것을 Samples Per Second, SPS라고 부른다.

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 로봇을 제어하는데, 1000Hz로 명령어를 준다고 생각해보자. 실제 사람의 반응 속도는 0.1초 남짓이라고 하니 그보다 10배 빠른 반응속도는 그렇게 대단하다고 말할 것까지도 없다. 그런데 학교에서 일상적으로 사용하는 센서들은 그만한 SPS를 제공해주지 못한다. 요즘에 주로 사용했던 로드셀 Load Cell이 꼭 그러했다. 초당 12개, 11개의 데이터를 주는데 그친 것이다. 

Ktoyo Load Cell의 모습

 

 로드셀은 이름 그대로 무게를 재는 센서다. 말이 "무게" 지 부하(load)가 걸리는 모든 값들을 뱉어낸다. 압력도 잴 수 있다. wheatstone bridge라고 하는 전기 회로를 사용해서, 무게에 따라 저항값이 변하며 전압차이를 만들어내는 것을 감지하는 원리이다. 참 다양한 곳에 들어가 있을 텐데, 모르긴 몰라도 엘리베이터에도 여럿 들어가 있을 테다.

 

Wheatstone Bridge

 

 문제는 이 전압 차이가 마이크로 볼트 수준이라는 것이다. 이 차이를 감지하기 위해서는 앰프를 사용해야 한다. 앰프의 역할은 이름 그대로, 전압 차이를 극대화시켜주면서 우리가 알아볼 수 있도록 만들어주는 것이다. 이렇게 커진 신호는 우리가 쉽게 사용할 수 있는 아두이노 등으로 읽어주면 된다.

 

 문제는, 작은 신호를 크게 만들 때 당연하게도 노이즈가 섞인다는 것이다. 작은 사진을 크게 확대하는 것을 생각하면 된다. 그렇기 때문에, 가장 저렴한 가격으로 구할 수 있는 앰프 HX711 모듈은, 10SPS를 기본으로 설정했다. 초당 10개의 데이터를 준다는 뜻이다. 체중계처럼 가파른 힘 변화가 없는 곳에 사용되면 모를까, 좀 더 제대로 상황을 판별하기 위해서는 10 SPS로는 어림도 없는 일이다. 

 

HX711 모듈의 모습, 가운데 검은 칩이 본체

 

 그런데 HX711을 약간 변형시켜주면, 10 SPS를 80 SPS까지 상승시킬 수 있다. 위 사진의 검은 색 칩 부분이 HX711 의 본체라고 할 수 있다. 16개의 다리들로 구성이 되어 있는데, 이 중에서 오른쪽 위에서 두 번째 다리 (pin 15)에 5V의 전압을 가해주면 된다. 전자회로의 마법을 활용해서, 보통은 다리를 끊어주면 전압을 가해줄 수 있다. 단선시킴으로써 전기를 줄 수 있다니 세상이 이렇게 좋아졌어.

 

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 80 Hz 도 사실 부족한 수치이다. 최대 80 Hz라는 거지, 사실 아두이노로 다양한 센서값을 받다보면 이보다도 낮은 수치로 데이터를 읽는다. 단독으로 로드셀을 사용할 때만 80Hz 를 사용할 수 있다. 

 

 DAQ 라는 장비를 사용하면 1000Hz 까지 무리없이 로드셀 데이터를 받을 수 있다. 해당 내용에 대해서는 더 공부가 필요하다.