A Study on the Design of a Liquid Droplet Discharge System Using a Water Level Sensor

수위센서를 이용한 액적 토출 시스템 설계에 관한 연구

Abstract

In this paper, This paper is a liquid droplet discharge system using a water level sensor that can linearly detect changes in water level through experiments with an infrared sensor, a laser sensor, an ultrasonic sensor, and a capacitance sensor. SMPS, regulator 5V, and LDO 3.3V were designed for power supply. A water level sensor input ADC circuit and microprocessor were used. Solenoid valve control, pump output control unit for positive/negative pressure generation, CAN, Ethernet, UART communication, and USB for industrial communication were used. The change in pressure was confirmed through the change in water level, the change in pressure was minimized, and a system for discharging liquid droplets was implemented.

본 논문에서는 적외선 센서, 레이저 센서, 초음파 센서, 정전용량 센서로 실험을 통해 수위의 변화를 선형적으로 감지할 수 있는 수위센서를 이용한 액적 토출 시스템을 연구하였다. 전원 공급으로 SMPS, 레귤레이터 5V, LDO 3.3V를 설계하였으며 수위 센서 입력부 ADC 회로와 마이크로프로세서를 이용하였다. 또한 솔레노이트 밸브 제어, 양압/음압 발생을 위한 펌프 출력 제어부와 산업용 통신을 위한 CAN 통신, 이터넷 통신, UART 통신, USB를 사용하였다. 수위의 변화를 통해 압력의 변화를 확인하였으며, 압력의 변화를 최소화하여 액적 토출을 위한 시스템을 구현하였다.

Ⅰ. 서론

최근 IoT를 비롯한 신기술분야에서 다양한 센서가 개발되고 있으며 이러한 센서는 여러 분야에 적용되고 있는 추세이다. 센서의 종류로는 적외선(Infrared Ray) 센서, 레이저(Laser) 센서, 초음파(Ultrasonic) 센서, 정전용량(Capacitance) 센서, 유량(Flow) 센서, 플로팅(Floating) 센서 등이 있으며, 이를 이용한 수위를 측정할 수 있는 센서는 다양한 산업 군에서 계측 시스템에 응용이 가능하다. 수위 센서는 산업계에서 필요한 액체의 정밀한 수량을 측정 할 수 있는 센서로 활용 가능하다. 수위 센서로써 선정하기 위해서는 적외선 센서, 레이저 센서, 초음파 센서, 정전용량 센서를 실험을 통해 확인한다. 레저보어(Reservoir) 탱크 내에는 측정이 가능한 적외선 센서, 레이저 센서, 초음파 센서가 있으며, 레저보어 탱크 외부에서는 측정이 가능한 정전용량 센서를 실험을 통해 선정한다.^[1][2][3][4]

본 논문에서는 실험을 통해 선정된 수위센서를 이용한 미세 액적 토출 시스템을 설계하였다. 또한 센서의 데이터를 처리하기 위해 ADC(Analog to Digital Converter) 데이터 입력 처리부와 산업용 통신을 위한 이더넷(Ethernet) 통신, CAN(Controller Area Network)통신, USB통신 처리부, MCU를 통해 솔레노이드 밸브 제어, 음압/양압 펌프제어 회로를 설계하여 시스템을 검증하였다.

그림 1과 같은 시스템 구조로 2장에서는 수위 센서 실험을 통해 센서를 선정하고, 3장에서는 회로설계 프로그램을 사용하여 시스템을 구성하고, 4장에서는 시스템을 제작하여 계측된 측정값을 고찰하여, 미세 액적 토출 시스템을 제안하고자 한다.^[5][6][7]

그림 1. 시스템 구조

Fig. 1. System structure

Ⅱ. 수위 센서 실험

그림 2는 적외선 센서 GP2Y0A51SK0F를 이용한 레저보어 탱크 내에 수위의 변화를 측정한 데이터이다. 측정된 데이터는 수위를 10mL씩 100mL까지 변화를 나타내었으며, 부표가 있을 때와 없을 때 측정하였다. 부표가 없는 경우 수위의 변화를 비선형적으로 감지하였으며, 부표가 있을 경우 수위의 변화를 비교적 선형적으로 감지하는 것을 확인 할 수 있었다.

그림 2. 적외선 센서의 수위변화

Fig. 2. Change in the water level of the infrared sensor

그림 3은 레이저 센서 VL53L0X를 이용한 레저보어 탱크 내에 수위의 변화를 측정한 데이터이다. 측정된 데이터는 수위를 10mL씩 100mL까지 변화를 나타냈으며, 측정결과 ToF(Time of Flight)의 신호 특성상 변화량을 측정 시간의 평균화하여 측정하였다. 비교적 부표가 있을 때 데이터가 선형적으로 변화하는 것을 확인 할 수 있었다.

그림 3. 레이저 센서의 수위변화

Fig. 3. Change in the water level of the laser sensor

그림 4는 초음파 센서 UNAM 12U9914/S14를 이용하여 탱크 내에 수위변화를 측정하였다. 초음파센서의 특성상 센싱 각도를 가지고 있으며, 작은 레저보어 보다는 큰 레저보어 탱크에 적합하다. 수위의 변화에 따라 선형적으로 변화하는 것을 확인 할 수 있었다.

그림 4. 초음파 센서의 수위변화

Fig. 4. Change in the water level of the ultrasonic sensor

그림 5는 정전용량 센서 BCW0004를 이용하여 레저보어 탱크 내에 수위변화를 측정하였다. 정전용량 센서의 특성상 레저보어 탱크 외부에 장착하여 측정하였으며, 10mL씩 100mL까지 수위의 변화에 따라 선형적으로 변화하는 것을 확인 할 수 있었다.

그림 5. 정전용량 센서의 수위변화

Fig. 5. Change in water level of capacitive sensor

Ⅲ. 액적 토출 시스템 설계

그림 6은 액적 토출 시스템 제어를 위한 MCU 설계 회로도이다. 32Bit STM32F407ZET6 MCU를 사용하였으며, 입력 전원부로 범용으로 사용되는 산업용 전원으로 24V를 5V, 3.3V DC-DC Converter를 사용하였다. 그림 7은 이더넷 통신을 위한 DP838448MPHPEP를 사용하였다. MCU 통신 포트수를 줄이기 위해 Reduce MII 모드를 사용하였으며 VCO를 50MHz로 설정하였다.

그림 6. MCU 설계 회로

Fig. 6. MCU Design Circuit

그림 7. 이더넷 통신을 위한 회로

Fig. 7. Circuit for Ethernet communication

그림 8은 센서들의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기위한 ADC를 설계하였다. 비교적 정확한 센서 데이터를 수신하기 위해 16Bit ADS8688를 사용하였다.

그림 8. 센서 데이터 입력을 위한 ADC 회로

Fig. 8. ADC circuit for sensor data input

그림 9는 센서 인터페이스 회로의 설계도를 나타내었다. 적외선 센서, 레이저 센서, 초음파 센서, 플로팅 센서, 정전용량 센서를 사용 할 수 있도록 설계하였다. 그림 10은 솔레노이트 밸브(Sloenoid Valve)를 구동 할 수 있도록 출력회로 인터페이스 회로를 설계하였다. PWM(Pulse Width Modulation)신호의 Duty Ratio에 따라 밸브의 열고 닫음을 선형적으로 사용하기 위해 TR회로와 FET회로를 이원화할 수 있도록 설계하였다. 그림 11은 TB6561를 이용한 진공 펌프 및 액적 공급 펌프의 동작을 위한 회로를 구현하였다.

그림 9. 센서 인터페이스 회로

Fig. 9. Sensor interface circuit

그림 10. 솔레노이트 밸브구동을 위한 출력 인터페이스 회로

Fig. 10. Output interface circuit for solenoid valve drive

그림 11. 펌프 동작을 위한 회로

Fig. 11. Circuit for pump operation

Ⅳ. 제작 및 측정

그림 12는 설계된 액적 토출 시스템 회로의 PCB(Printed Circuit Board) 설계도면이다. 센서의 입력부와 솔레노이트 밸브, 펌프의 동작을 위한 출력부를 나누어 설계하였다.

그림 12. 설계된 액적 토출 시스템의 PCB

Fig. 12. PCB of a designed droplet discharge system

그림 13은 실제로 제작된 액적 토출 시스템을 나타내었다. 아날로그 구역과 디지털 구역을 나누워 배선을 설계하였으며, 그라운드 패턴 면적을 가능한 넓게 하여 기생 노이즈를 최대한 제거 하도록 하였다. 또한 부품의 소비 적력을 고려하여 적절히 분산 배치하였다.

그림 13. 제작된 액적 토출 시스템 사진

Fig. 13. Photograph of manufactured droplet discharge system

그림 14은 제작된 액적 토출 시스템에서 측정된 수위 변화에 따라 압력 값을 측정하여 나타낸 그림이다. 압력과 수위의 변화에 따라 변화하는 액적 토출 시스템을 구현 할 수 있었다.

그림 14. 수위 변화에 따라 측정된 압력 변화

Fig. 14. Pressure change measured according to water level change

Ⅴ. 결론

본 논문에서는 적외선 센서, 초음파 센서, 레이저 센서, 정전용량 센서를 실험을 통하여 액적 토출 시스템에 적용 가능한 수위 센서를 확인하였다. 또한 액적 토출 시스템을 구성 할 수 있도록 센서 입력부와 솔레노이드 밸브와 펌프를 동작 할 수 있도록 하였으며 출력부로 다양한 산업 환경에서 통신 할 수 있도록 이더넷 통신, CAN 통신, USB 통신 인터페이스를 설계하였다. 따라서 제안된 수위센서를 이용한 액적 토출 시스템을 이용하여 다양한 산업분야에 적용이 가능할 것으로 기대된다.