Arduino(아두이노)부품 정리 - 초음파 거리 센서 HC-SR04 3.3V-5V

1. HC-SR04 초음파 센서란?

HC-SR04는 초음파를 이용해 물체까지의 거리를 측정하는 센서

 

• 센서 앞쪽에는 보통 동그란 금속 캡 모양의 부품이 2개 있음 : 하나는 초음파 송신부, 다른 하나는 초음파 수신부
  1. 송신부는 약 40kHz의 초음파를 내보냄
  2. 초음파가 물체에 부딪히면 반사되어 돌아옴
  3. 수신부는 돌아온 초음파를 감지아두이노는 초음파가 왕복하는 데 걸린 시간을 이용해 거리를 계산표준 HC-SR04의 대표적인 사양은 5V 동작, 약 40kHz 초음파, 약 2cm~400cm 측정 범위

2. HC-SR04의 주요 기능

HC-SR04의 핵심 기능은 비접촉 거리 측정

 

• 주요 활용 예시
  
  • 장애물 회피 로봇 : 로봇 앞에 물체가 있는지 감지
  • 자동문 프로젝트 : 사람이 가까이 오면 문이 열리도록 만들 수 있음
  • 주차 거리 감지 : 벽이나 장애물과의 거리를 측정
  • 물체 접근 감지 : 일정 거리 안에 물체가 들어오면 LED나 부저를 켤 수 있음

3. HC-SR04 핀 구성

핀 이름	역할
VCC	센서 전원 입력
Trig	초음파 측정 시작 신호 입력
Echo	초음파가 돌아온 시간 출력
GND	접지핀의 기본 역할은 단순합니다

• 아두이노가 Trig 핀에 짧은 신호를 보내면 센서가 초음파를 발생
• Echo 핀은 초음파가 되돌아오는 동안 HIGH 상태를 유지
• 아두이노는 이 HIGH 시간이 얼마나 지속되었는지 측정

 

4. 동작 원리

1. 아두이노가 Trig 핀에 약 10마이크로초의 HIGH 신호를 보냄
2. 센서는 초음파를 송신
3. 초음파가 물체에 부딪혀 반사
4. 반사된 초음파가 센서로 돌아옴
5. Echo 핀의 HIGH 지속 시간을 아두이노가 측정
6. 측정한 시간을 이용해 거리를 계산

※ 거리 계산 공식
1) 거리(cm) = Echo 시간(µs) × 0.0343 ÷ 2
2) 거리(cm) ≈ Echo 시간(µs) ÷ 58
- 0.0343은 공기 중 소리의 속도 약 343m/s를 cm/µs 단위로 바꾼 값.
- 나누기 2를 하는 이유는 초음파가 물체까지 갔다가 다시 돌아오는 왕복 시간을 측정하기 때문

 

5. Arduino Uno와 연결하는 회로

HC-SR04 핀	Arduino Uno 핀
VCC	5V
Trig	D9
Echo	D10
GND	GND

6. ESP32, ESP8266 같은 3.3V 보드와 연결할 때

1) 3.3V~5V 지원 센서를 3.3V로 구동하는 경우

• HC-SR04 VCC  → 3.3V
• HC-SR04 Trig → MCU GPIO
• HC-SR04 Echo → MCU GPIO
• HC-SR04 GND  → GND
• 단, 이 경우에도 반드시 제품 설명서에서 3.3V 동작을 지원하는지 확인해야 함

2) 표준 HC-SR04를 5V로 구동하고 3.3V 보드에 연결하는 경우

• 이 경우 Echo 핀에 전압 분배 회로를 넣는 것이 안전
• 예를 들어 10kΩ과 20kΩ 저항을 사용하면 5V Echo 신호를 약 3.3V로 낮출 수 있음
• 3.3V 보드에서는 Echo 핀을 직접 연결하지 않는 것이 안전

HC-SR04 Echo --- 10kΩ ---+--- MCU Echo 입력 핀
                         |
                        20kΩ
                         |
                        GND
※ 전압 계산
Vout = 5V × 20kΩ ÷ (10kΩ + 20kΩ)
Vout ≈ 3.33V

7. 측정값이 이상할 때 확인할 점

1) VCC와 GND 확인

가장 기본적인 문제는 전원 연결 오류. VCC는 5V 또는 지원되는 전압에, GND는 반드시 보드의 GND에 연결해야 함

 

2) Trig와 Echo 핀 번호 확인

코드에서 지정한 핀 번호와 실제 연결한 핀 번호가 같아야 함

 

3) 3.3V 보드에서 Echo 전압 확인

ESP32나 라즈베리파이처럼 3.3V 입력만 허용하는 보드에 표준 HC-SR04의 Echo 핀을 직접 연결하면 보드가 손상될 수 있음. 반드시 전압 분배 회로나 레벨 시프터를 사용해야 함

 

4) 측정 대상의 표면 확인

부드러운 천, 스펀지, 비스듬한 판, 곡면은 초음파를 제대로 반사하지 못할 수 있음.

 

5) 너무 가까운 물체 확인

HC-SR04는 일반적으로 약 2cm 이하의 거리는 안정적으로 측정하기 어려움. 표준 사양에서도 최소 측정 거리는 약 2cm

 

6) 여러 센서를 동시에 사용하지 않기

초음파 센서를 여러 개 사용할 경우 서로의 초음파가 간섭할 수 있음. 여러 개를 사용할 때는 동시에 측정하지 말고 순서대로 하나씩 측정하는 것이 좋음.