KR102474199B1

KR102474199B1 - 시스템 프로그래밍 교육용 키트의 제어 방법

Info

Publication number: KR102474199B1
Application number: KR1020210015516A
Authority: KR
Inventors: 김헌희; 김진만; 남택근
Original assignee: 목포해양대학교 산학협력단
Priority date: 2021-02-03
Filing date: 2021-02-03
Publication date: 2022-12-02
Also published as: KR20220112027A

Abstract

본 발명은 프로그램 코드를 처리하는 제어기로부터 입력되는 제어 신호에 따라 레일을 따라 이동되는 모형의 동작을 제어하도록 구동되는 시스템 프로그래밍 교육용 키트의 제어 방법을 제공한다. 제어 방법은, 시스템 프로그래밍 교육용 키트의 레일에는 복수의 구슬이 줄로 연결된 구슬 고리가 삽입되고, 상기 키트는 사용자 입력에 따라 포텐쇼미터 신호를 출력하는 포텐쇼미터와, 포텐쇼미터 신호 및 입력되는 프로그램 코드를 처리하는 외부의 제어기로부터 입력되는 복수의 제어 신호를 처리하는 인터페이스 모듈과, 인터페이스 모듈의 제어에 따라 동작하는 복수의 센서 모듈 및 복수의 출력모듈과 연결되는 IO모듈과, 인터페이스 모듈의 제어에 따라 구슬 고리를 이동시키도록 구성된 기어를 포함하는 스텝 모터를 포함할 때, 인터페이스 모듈은 제어기의 제1 제어 신호에 따라 복수의 센서 모듈 중 하나 이상의 센서 모듈의 데이터를 외부의 제어기로 출력하는 단계와, 인터페이스 모듈은 제어기의 제2 제어 신호에 따라 복수의 출력 모듈 중 적어도 하나의 출력 모듈로 아날로그 신호 및 디지털 신호 중 적어도 하나의 신호를 출력하는 단계와, 인터페이스 모듈은 제어기의 제3 제어 신호에 포함된 펄스 신호에 따라서 스텝모터를 구동하여 구슬 고리가 이동되도록 제어하여 구슬 고리의 소정의 위치에 설치된 제1 자석 모듈에 의해 상기 모형이 이동되는 단계를 포함한다.

Description

시스템 프로그래밍 교육용 키트의 제어 방법{Controlling method of education kit for system programming}

본 발명은 프로그램 언어를 교육하기 위한 시스템 프로그래밍 교육용 키트의 제어 방법에 관한 것이다.

최근 소프트웨어 프로그램 교육에 대한 수요가 증가하고 있다. 소프트웨어 프로그램 교육을 위해서 소프트웨어 프로그램을 제작하고, 제작된 소프트웨어를 이동체 또는 로봇과 같은 하드웨어에 다운로드하여 구동하는 방식이 이용된다.

하드웨어 구동에 필요한 소프트웨어의 제작에 사용하는 C 언어와 같은 프로그램언어는 일반적으로 비전공자나 저 연령층에게는 진입장벽이 높다. 따라서 프로그램 언어 습득의 어려움을 해소하기 위하여 유아, 초등학생 및 비전공자의 로봇 프로그래밍에 대한 흥미 유발을 위해 보다 직관적인 방식의 프로그래밍 학습장치 및 방법의 제시가 필요한 상황이다.

등록번호 제10-1285222호, 2013년 7월 15일 공고, 교육용 과학키트장치 제어 시스템 및 제어 방법

본 발명은 로봇 및 전자 실습을 위하여 각 부품별로 모듈화된 구성품을 결속시키는 방법으로 누구나 손쉽게 조립 및 분해가 가능하며, 프로그램 가능한 아두이노, AVR, 라즈베리파이 등 다양한 컨트롤러 보드와 연결이 쉬운 시스템 프로그래밍 교육용 키트 및 그 제어 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 차량 혹은 선박 모형을 레일에 연결된 자석 모듈을 이용하여 제어함으로써 시각적으로 이동되는 모형의 조정이 손쉽고, 모형의 크기를 소형화 하기가 쉬운 시스템 프로그래밍 교육용 키트 및 그 제어 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 레일을 따라 움직이는 방법이 기존의 체인과 기어 방식이 아닌 구슬과 줄을 이용한 방식을 사용함으로써 내구성 및 경제성이 높은 시스템 프로그래밍 교육용 키트 및 그 제어 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 모든 부품 및 구성품이 결속되더라도 A4용지 크기를 가지며 테이블 위에서 모든 실습이 가능한 시스템 프로그래밍 교육용 키트 및 그 제어 방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따른 입력되는 프로그램 코드를 처리하는 제어기로부터 입력되는 제어 신호에 따라 레일을 따라 이동되는 모형의 동작을 제어하도록 구동되는 시스템 프로그래밍 교육용 키트의 제어 방법은, 시스템 프로그래밍 교육용 키트의 레일에는 복수의 구슬이 줄로 연결된 구슬 고리가 삽입되고, 상기 키트는 사용자 입력에 따라 포텐쇼미터 신호를 출력하는 포텐쇼미터와, 포텐쇼미터 신호 및 입력되는 프로그램 코드를 처리하는 외부의 제어기로부터 입력되는 복수의 제어 신호를 처리하는 인터페이스 모듈과, 인터페이스 모듈의 제어에 따라 동작하는 복수의 센서 모듈 및 복수의 출력모듈과 연결되는 IO모듈과, 인터페이스 모듈의 제어에 따라 구슬 고리를 이동시키도록 구성된 기어를 포함하는 스텝 모터를 포함할 때, 인터페이스 모듈은 제어기의 제1 제어 신호에 따라 복수의 센서 모듈 중 하나 이상의 센서 모듈의 데이터를 외부의 제어기로 출력하는 단계와, 인터페이스 모듈은 제어기의 제2 제어 신호에 따라 복수의 출력 모듈 중 적어도 하나의 출력 모듈로 아날로그 신호 및 디지털 신호 중 적어도 하나의 신호를 출력하는 단계와, 인터페이스 모듈은 제어기의 제3 제어 신호에 포함된 펄스 신호에 따라서 스텝모터를 구동하여 구슬 고리가 이동되도록 제어하여 구슬 고리의 소정의 위치에 설치된 제1 자석 모듈에 의해 상기 모형이 이동되는 단계를 포함한다.

스텝모터 축에 직결된 기어를 통해 구슬 고리가 이동되고, 1 펄스의 스텝에 대해 기어가 이동한 각도가 step각[deg/step]이라 할 때, 구슬 고리는 입력된 펄스수에 따라 기어의 원주를 따라 이동되며, 제어기에 의하여 구슬 고리의 이동거리는 다음의 수학식,

에 의하여 결정될 수 있다.

시스템 프로그래밍 교육용 키트의 제어 방법은 인터페이스 모듈이 복수의 센서 모듈에 포함된 홀 센서의 감지 값을 제어기로 전달하는 단계를 더 포함하고, 홀 센서의 감지 값이 홀 센서의 위치에 구슬 고리의 제1 자석 모듈이 인접한 것으로 결정되는 소정의 기준값인 경우, 제어기에 의하여 구슬고리의 이동거리가 리셋되고, 리셋 시점부터 발생한 펄스 수에 따라 구슬고리의 이동거리가 계산되어, 리셋 위치로부터의 상대 위치가 구슬고리의 이동거리로 계산될 수 있다.

본 발명에 따르면, 로봇 및 전자 실습을 위하여 각 부품별로 모듈화된 구성품을 결속시키는 방법으로 누구나 손쉽게 조립 및 분해가 가능하며, 프로그램 가능한 아두이노, AVR, 라즈베리파이 등 다양한 컨트롤러 보드와 연결이 가능한 시스템 프로그래밍 교육용 키트 및 제어 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 차량 혹은 선박 모형을 레일에 연결된 자석 모듈을 이용하여 제어함으로써 모형의 조정이 손쉽고, 모형의 크기를 소형화 하기가 쉬운 시스템 프로그래밍 교육용 키트 및 제어 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 레일을 따라 움직이는 방법이 기존의 체인과 기어 방식이 아닌 구슬과 줄을 이용한 방식을 사용함으로써 내구성 및 경제성이 높으며, 기어의 제작이 손쉬우며, 조립하는 실습생들이 간단하게 조립할 수 있는 시스템 프로그래밍 교육용 키트 및 제어 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 모든 부품 및 구성품이 결속되더라도 A4용지 크기를 가지며 테이블 위에서 모든 실습이 가능한 시스템 프로그래밍 교육용 키트 및 제어 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 프로그래밍 교육용 키트의 외관 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 프로그래밍 교육용 키트의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 1의 시스템 프로그래밍 교육용 키트의 하판 상면을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 시스템 프로그래밍 교육용 키트의 상판 하면을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3의 시스템 프로그래밍 교육용 키트의 하판 상면에 전자모듈 및 구슬 고리가 설치된 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 시스템 프로그래밍 교육용 키트의 하판 상면의 레일에 설치되는 구슬 고리를 상세하게 나타내는 도면이다.
도 7은 도 1의 자동차 모형이 구슬 고리에 설치된 제1 자석 모듈에 의해 이동되는 원리를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 2의 시스템 프로그래밍 교육용 키트의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 프로그래밍 교육용 키트의 외관 구성을 나타내는 도면이다.

도 1의 시스템 프로그래밍 교육용 키트(100)(이하에서, 키트(100)라 함)는 프로그래밍 실습 및 센서 모듈 간 조화를 위한 프로그램 코드가 입력되어 동작하도록 구성된다. 프로그램 코드는 실습키트와 연동되는 제어기(마이크로프로세서 유닛)(200)에 따라 종속된 언어로 작성될 수 있으나, 시스템 구성에 따라 스텐드얼론형(stand-alone), 네트워크형 등에 따라 C/C++, Java, Python 등 다양한 프로그램언어로 동작하도록 구현될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

키트(100) 외부의 제1 측면부(10)에 아두이노 우노(마이크로프로세서 유닛)(200)가 부착되고, 제2 측면부(20)에 포텐쇼미터(120)가 부착될 수 있다. 아두이노 우노(200)는 키트(100)와 연동되는 제어기의 일종으로 하나의 예시일 뿐, 이는 다른 마이크로프로세서로 대체될 수 있다. 제어기(200)는 키트(100)에 부착된 것으로 도시되어 있으나 키트(100)와 별도로 외부의 장치로 구성될 수 있으며, 유무선 통신을 통해 키트(100)를 제어할 수 있다.

키트(100)의 상면부에는 도로(60)에 자동차 모형(50)이 위치된다. 키트(100) 상면부의 도로(60) 형상을 따라 키트(100) 내부에 레일이 설치되고, 레일 내부에 구슬 고리(도 2의 170)가 스텝 모터(160)에 의해 이송된다. 자동차 모형(50)은 스텝 모터(160)에 의해 이송되는 구슬 고리(170)의 이동에 따라 움직이도록 구성된다. 도 1에는 자동차 모형(50)으로 도시되어 있으나, 키트(100)의 상면부의 배경에 따라서 자동차 모형(50)은 배 모형, 기차 모형 등으로 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 도로(60)의 형태도 모형(50)이 기차인 경우 기차 레일로 변경되는 등 다양하게 변형될 수 있다.

키트(100)의 상면부의 제1 위치(30)에는 가로등, 부저, 서보모터, 적외선거리센서, 조도센서 등이 설치될 수 있으며, 제2 위치(40)에는 3색 신호등, 2색 신호등, 적외선거리센서 및 홀센서 등이 설치될 수 있다.

도 2는 도 1의 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 프로그래밍 교육용 키트(100)의 구성을 나타내는 블록도이다.

키트(100)는, 인터페이스 모듈(110), 제1 IO(입출력) 모듈(130), 제2 IO 모듈(140)의 전자제어부를 포함하며 포텐쇼미터(120), 스텝모터(160), 구슬고리(170)서보모터(180), 포텐쇼미터(120)의 기구구동부(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.

인터페이스 모듈(110)에는 제1 IO 모듈(130)과 제2 IO 모듈(140)의 신호선들, 서보모터 신호선, 포텐쇼미터 신호선을 각각 외부와 연동시키기 위한 회로가 구현되어 있다. 인터페이스 모듈(110)에는 스텝모터 드라이버(150) 회로가 내장되어 외부에 노출된 신호선을 통해 스텝모터(160)의 구동이 가능하다.

인터페이스 모듈(110)은 포텐쇼미터(120)의 포텐쇼미터 신호(예를 들어, 아날로그 형태의 신호)를 제어기(200)로 전달한다. 제어기(200)가 입력되는 프로그램 코드를 처리하여 생성한 제어 신호를 인터페이스 모듈(110)로 전달하면, 인터페이스 모듈(110)은 제어 신호를 처리한다.

제1 IO 모듈(130)과 제2 IO 모듈(140)은 동일한 회로로 구성된 모듈로서 2종의 디지털 출력과 2종의 아날로그 입력이 가능하며, OP앰프(비교기 회로, 도시되지 않음)를 이용한 비교회로를 내장시킴으로써 2종의 디지털 출력 또한 가능하다. 예를 들어, 제1 IO 모듈(130)에 OP 앰프가 내장된 경우, 제1 IO 모듈(130)에는 OP 앰프의 입력핀 및 출력핀이 노출될 수 있으며, OP 앰프는 제1 센서(132) 및 제2 센서(134)의 센서 출력을 입력받고, OP 앰프는 입력받은 센서 출력을 디지털 신호로 변환하여 인터페이스 모듈(110)로 전달할 수 있다.

이와 같은 구성을 통해 제1 IO 모듈(130)에는 제1 센서(홀센서)(132), 제2 센서(적외선거리센서)(134), 제1 출력모듈(3색 신호등)(136), 제2 출력모듈(2색 신호등)(138)이 설치될 수 있다. 제2 IO 모듈(140)에는 제3 센서(조도센서)(142), 제4 센서(적외선거리센서)(144), 제3 출력모듈(가로등)(146), 제4 출력모듈(부저모듈)(148)이 설치될 수 있다.

제1 센서(홀 센서)(132)는 자력의 크기 및 방향을 검출할 수 있는 홀센서로서 구슬 고리(170)에 부착된 제1 자석 모듈(후술할 도 5의 510)을 검출하기 위한 센서이다. 홀 센서(132)로부터 측정된 신호를 이용하면 제1 자석 모듈(510)(즉, 제1 자석 모듈(510)의 위치에 대응하여 이동되는 자동차 모형(50)이 홀 센서(132) 근방에 근접했는지 검출할 수 있다. 또한, 스텝모터(160)의 입력 펄스 수로부터 산출되는 구슬 고리(170)의 이동거리를 홀 센서(132) 부착 위치에서 리셋시킴으로써 자동차의 위치 검출 목적으로도 응용될 수 있다.

제2 센서(적외선거리센서)(134) 및 제4 센서(적외선거리센서)(144)는 동일한 센서 모듈이며 키트(100) 상의 각각의 위치에서 장애물을 감지할 수 있다. 일 예로 제2 센서(134)는 횡단보도에 사람 모형이 있는지를 검출할 수 있으며, 제4 센서(144)는 도로에 자동차가 지나가는지를 검출하는 용도로 활용될 수 있다. 이들 센서(134, 144)의 구현 사례로, 횡단보도에 사람 모형(도시되지 않음)이 감지하여, 횡단보도에 사람 모형이 있으면 자동차 모형(50)를 멈추게 하는 것, 도로를 지나가는 자동차를 검출하면 차단기의 차단봉을 올리는 것 등을 들 수 있다.

제3 센서(조도센서)(142)는 주위의 빛의 밝기에 반응하므로 야간에 가로등 및 신호등의 점멸 제어를 위한 센서로 활용될 수 있다.

제1 출력모듈(136), 제2 출력 모듈(138) 및 제3 출력 모듈(146)은 도로 상황의 3색 신호등, 2색 신호등, 가로등 등의 제어를 나타내기 위하여 포함될 수 있다. 제1 출력 모듈(136), 제2 출력 모듈(138) 및 제3 출력 모듈(146)과 같이 3개의 LED 모듈이 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로 LED 모듈과 센서의 종류 및 개수에 제한되지 않는다.

제4 출력모듈(부저모듈)(148)은 소리를 발생시킬 수 있는 부저가 장착된 모듈로서 PWM입력신호를 통해 특정 주파수와 지속시간을 가지는 부저음을 구현한다. 부저모듈은 다양하게 응용될 수 있으며, 일 예로 횡단보도 신호등이 켜지면 멜로디가 재생되는 것으로 구현될 수 있다.

키트(100)는 인터페이스 모듈(110)의 IO(입출력) 핀을 통해 외부에 위치되는 제어기(200)와 연동될 수 있다. 제어기(200)는 도 1에 도시된 아두이노 외에도 다른 형태의 마이크로프로세서장치일 수 있다.

제어기(200)는 사용자 입력에 따른 프로그램 코드를 입력받아 인터페이스 모듈(120)을 통해 연결된 제1 IO모듈(130) 및 제2 IO모듈(140), 스텝모터(160) 및 서보모터(180)의 동작을 제어한다. 제어기(200)는 하나 이상의 함수를 포함하는 프로그램 코드를 이용하여 제1 IO모듈(130) 및 제2 IO모듈(140)에 연결된 복수의 센서모듈(132, 134, 142, 144) 중 하나 이상의 센서모듈의 감지 값을 읽거나, 복수의 출력모듈(136, 138, 146, 148)의 출력을 제어할 수 있다.

제어기(200)는 스텝모터(160)를 독립적으로 제어할 수 있도록 구성될 수 있다. 제어기(200)는 스텝모터(160)의 1 회전을 위한 펄스 신호를 발생시켜 인터페이스 모듈(110)을 통해 스텝모터 드라이버(150)의 동작을 제어할 수 있다. 제어기(200)에서 발생하는 펄스 신호에 따라서 스텝모터(160)의 회전 각도가 결정될 수 있으므로 구동되는 기어의 회전각도(또는 이로 인해 이동한 구슬 고리(170)의 변위)를 외부 센서의 도움 없이도 추정할 수 있다. 따라서, 이를 이용하여 구슬 고리(170)에 부착된 자석모듈(도 5의 510)의 위치 즉 도 1의 자동차 모형(50)의 위치를 검출할 목적으로 활용될 수 있다.

포텐쇼미터(120)는 사용자의 입력을 위한 인터페이스 수단으로, 본질적으로는 도 1의 자동차 모형(50)의 이동속도를 수동으로 제어하기 위하여 스텝모터 드라이버(150)에 의해 구동되는 스텝모터(160)를 제어할 수 있다. 포텐쇼미터(120)에는 노브(knob)가 체결되어 노브의 회전에 따라 입력되는 사용자 입력을 수신하도록 구성될 수 있다. 포텐쇼미터(120)는 사용자의 입력에 따라 스텝모터 드라이버(150)에 입력되는 펄스 신호의 주파수를 변동시킬 수 있도록 제어 프로그램이 구현될 수 있다. 포텐쇼미터(120)는 이 외에도 프로그래밍 구현에 따라 서보모터(180)의 각도, 제4 출력모듈(부저모듈)(148)의 주파수 등을 제어할 목적으로도 활용될 수 있다.

상세하게는, 인터페이스 모듈(110)은 포텐쇼미터(120)로부터 출력되는 포텐쇼미터 신호를 제어기(200)로 전달한다. 제어기(200)는 수신된 포텐쇼미터 신호 값에 상응하는 주파수를 가지는 스텝모터(160) 구동용 펄스 신호를 만들고, 이 펄스 신호를 인터페이스 모듈(110)에 포함된 스텝모터 드라이버(150)의 입력핀에 인가한다. 스텝모터 드라이버(150)는 입력된 펄스를 증폭하여 스텝모터(160)를 구동한다.

스텝모터(160)는 펄스 모양의 전압에 의해 일정 각도 회전하는 전동기로서 회전 각도는 입력 펄스 신호의 수에 비례하고, 회전 속도는 입력 펄스 신호의 주파수에 비례한다. 키트(100)에 장착되는 스텝모터(160)는 유니폴라 방식으로 동작될 수 있다. 스텝모터(160)는 인터페이스 모듈(110)의 제어에 따라 구슬 고리(170)를 이동시키도록 구성된 기어(도시되지 않음)을 포함한다.

키트(100)는 도 3의 하판(300)과 상판(400)의 결합에 의해 구성되고, 하판(300)은 제1 두께를 가지며, 상판(400)은 하판(300)을 덮도록 구성되며 제2 두께를 가질 수 있다. 하판(300)과 상판(400)에는 각각 여러 개의 홈이 형성되어, 하판(300)과 상판(400) 사이에 도 2에 도시된 키트(100)에 포함된 복수의 모듈들(110 내지 180)이 설치될 수 있으나 설치 위치 및 설치 방법은 이에 제한되지 않는다.

도 3은 도 1의 시스템 프로그래밍 교육용 키트(100)의 하판(300)의 상면을 나타내는 도면이다.

도 3은 키트(100)의 하판(300)의 상면으로, 후술할 도 4의 키트(100)의 상판(400)의 하면에 체결된다. 이를 위해 하판(300)에는 상판(400)과의 나사와 같은 체결수단(도시되지 않음)이 삽입되는 복수의 홀(301, 302, 303, 304)을 포함한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 키트(100)의 하판(300)의 상면에는 레일(310)이 파인 형태로 설치된다. 레일(310)은 하판(300)의 제1 두께보다 얕은 소정의 깊이로 파여 형성된다. 레일(310)상에 구슬 고리(170)가 설치된다. 홀(320)에는 스텝모터(160)가 설치되기 위한 홀이 위치된다.

일반적으로 스텝모터(160)에는 체인 또는 타이밍 벨트 형태의 고리가 기어에 물려 레일을 돌아가는 형태를 사용하는 경우도 있으나, 소형화된 실험키트에 적용하기 위해서는 기구적 구조를 단순화시키는 것이 유리하다. 이에 염주를 엄지손가락으로 돌리는 메커니즘에 착안하여, 구슬 고리(170)는 레일(310)을 돌아가는 체인 고리를 일정한 간격으로 연결된 복수의 구슬이 고리 형태의 줄에 연결된 고리로서 서로 인접하는 제1 구슬과 제2 구슬 사이에 스텝모터(160)의 기어(gear teeth)가 맞물리게 설계하여 레일을 타고 구슬 고리(170)가 돌 수 있도록 하였다. 이와 같이, 구슬이 일정한 간격으로 실에 꿰어져 고정된 고리 형태의 경우 제작 비용을 낮출 수 있으며, 장기간 사용에도 파손의 위험도가 현격하게 줄어들게 된다.

또한 구슬과 같은 구 형태는 레일 면과의 마찰력을 최소로 할 수 있으므로 구동 부위에 별도의 윤활유가 불필요한 장점이 있다. 또 스텝모터(160) 축에 직결된 기어를 통해 구슬 고리(170)를 구동시키는 구조를 채택함으로써 자석(도 5의 510)의 이동거리 또는 현재 위치를 파악하는 용도로 응용될 수 있다.

홀(330)에는 교육생들이 제1 센서(홀센서)(132), 제2 센서(적외선거리센서)(134), 제1 출력모듈(136) 및 제2 출력모듈(138) 등의 복수의 IO모듈을 쉽게 탈부착이 가능하도록 구성된 제1 IO모듈(230)이 부착된다. 홀(332)에는 제3 센서(조도센서)(142), 제4 센서(적외선거리센서)(144), 제3 출력모듈(146), 제4 출력모듈(148) 등의 복수의 입출력모듈이 탈부착되도록 구성된 제2 IO모듈(240)이 설치된다.

영역(340)에는 제1 IO모듈(130) 및 제2 IO모듈(140)의 신호선들과 소프트웨어 개발을 위한 메인보드(도 2의 제어기(200))를 연결할 수 있는 연결 단자가 부착된다.

영역(350)에는 브레드보드가 설치된다. 브레드보드는 키트(100)에 포함된 출력모듈 또는 센서모듈들을 오실로스코프 등의 기기에 연결하여 테스트하는 상황, 새로운 센서회로를 간단하게 구현해보고 테스트하는 상황 등을 고려하여 마련될 수 있다,

홀(360)에는 서보모터(180)의 제어 프로그램 실습을 위하여 구성한 것으로 도로를 지나는 자동차 모형(50)의 동작을 차단하는 서보모터(180)에 의해 동작하는 차단막이 설치된다.

도 4는 도 1의 시스템 프로그래밍 교육용 키트(100)의 상판(400)의 하면을 나타내는 도면이다.

상판(400)에는 하판(300)과의 나사와 같은 체결수단(도시되지 않음)이 삽입되는 복수의 홀(401, 402, 403, 404)을 포함한다. 도 3의 레일(310)을 따라 구슬이 움직이고, 그 상부를 도 4의 상판(400)이 덮어짐으로써 레일(310)이 상판(400)과 하판(300)사이에 위치하게 되고, 레일(310)에 삽입된 구슬 고리(170)가 스텝모터(160)에 의해 구동된다.

도면부호 410으로 표시된 복수의 홀(410)에는 상판(400)에 센서 모듈을 간단하게 연결할 수 있는 연결 단자가 설치된다.

상판(400)의 상면에는 도 1에 도시된 바와 같은 레일(310) 위를 구동하는 자동차 모형(50)이 주행하는 도로 환경을 나타내는 시트지가 설치될 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 인터페이스 모듈(110)은 2개의 IO모듈(130, 140)와 제어기(200)의 연결을 쉽게 하도록 설치된다. 또한, 인터페이스 모듈(120)에는 제어기(200) 이외의 컨트롤러가 추가 설치될 수 있고, 추가적인 IO모듈의 탈부착이 간소화되도록 구성될 수 있다.

도 2에는 2개의 IO모듈(130, 140)가 포함되어 있으나, 하나의 IO모듈로 대체되거나 2개 이상의 IO모듈이 설치될 수도 있으며, 각 IO모듈에 연결되는 모듈들의 개수 및 종류는 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 키트(100)는 센서 및 기타 장치가 모듈화되어 IO모듈(130, 140) 탈부착이 가능하도록 구성되므로, 실습생들이 편리하게 프로그램을 통한 동적 구현물의 동작을 빠르게 인식할 수 있도록 할 수 있다.

도 5는 도 3의 시스템 프로그래밍 교육용 키트(100)의 하판(300)의 상면에 전자모듈 및 구슬 고리(170)가 설치된 상태를 나타내는 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 구슬 고리(170)는 구슬(501, 502)을 포함하는 복수의 구슬이 고리 형상의 줄(172)에 연결되어 구성된다. 구슬 고리(170)는 레일(310)을 돌아가는 복수의 구슬을 일정한 간격으로 연결된 구슬 고리로서 서로 인접하는 제1 구슬(501)과 제2 구슬(502) 사이에 스텝모터(160)의 기어(gear teeth)(162)가 맞물리게 설계되어 레일(310)을 따라서 구슬 고리(170)가 돌 수 있도록 한다.

구슬 고리(170)에는 구슬들(501, 502)을 포함하는 복수의 구슬들이 줄(172)에 연결되며, 그 중 하나의 구슬 연결 위치에는 구슬 대신에 제1 자석 모듈(510)이 연결된다. 제1 자석 모듈(510)에는 네오디움 자석이 포함될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 스텝모터(160) 축에 직결된 기어(162)를 통해 구슬 고리(170)를 구동시키는 구조를 채택함으로써 제1 자석 모듈(510)의 이동거리 또는 현재 위치를 파악하는 용도로 응용될 수 있다.

예를 들어, 1 펄스의 스텝에 대해 기어(162)가 이동한 각도를 step각[deg/step]이라 할 때 입력된 펄스수에 따라 구슬 고리(170)은 기어(162)의 원주를 따라 이동한다고 볼 수 있다. 따라서 구슬 고리(170)의 이동거리는 다음의 수학식 1과 같이 산출될 수 있다.

[수학식 1]

본 키트(100)에 이용되는 스텝모터(160)는 감속기(도시되지 않음)가 내장될 수 있다. 따라서 이동거리 산출 시 스텝모터(160)의 감속비가 포함된다.

스텝모터(160)의 감속비가 고려되지 않는 경우 구슬고리의 이동거리는 수학식 2와 같이 산출될 수 있다.

[수학식 2]

또한 레일(310)의 특정 위치에서 이 이동 거리를 리셋시킬 수 있다면 이 이동거리는 리셋된 위치로부터의 상대 위치가 되므로 레일(310)에서의 위치를 파악하는데 활용될 수 있다.

도 6은 도 5의 시스템 프로그래밍 교육용 키트(100)의 하판(300)의 상면의 레일에 설치되는 구슬 고리(170)를 상세하게 나타내는 도면이다.

제1 자석 모듈(510)은 도 1의 자동차 모형(50)에 설치되는 금속 또는 자석과의 인력을 발생시켜 자동차 모형(50)이 레일(310)상에서 구슬 고리(170)의 이동, 즉, 제1 자석 모듈(510)의 이동에 따라 움직이도록 한다.

도 7은 도 1의 자동차 모형이 구슬 고리(170)에 설치된 제1 자석 모듈(510)에 의해 이동되는 원리를 나타내는 도면이다.

전술한 바와 같이, 상판(400)에서 자동차 모형(50)이 구슬 고리(170)의 움직임에 따라서 움직일 수 있도록 하기 위하여 구슬의 한 지점에 제1 자석 모듈(510)이 부착된다. 제1 자석 모듈(510)은 구슬 고리(170)에서 복수의 구슬 중 하나의 구슬 위치에 구슬 대신에 설치된 원통형 케이스(520) 내에 자석(512)이 삽입되는 방식으로 설치될 수 있다. 즉 구슬 고리(170)는 하나의 제1 자석 모듈(510) 및 복수의 구슬이 일정 간격으로 줄(172)에 연결된 형상을 가진다.

자동차 모형(50)에도 제2 자석 모듈(710)을 부착함으로써 제1 자석 모듈(510)과의 자력(701)을 이용하여 제1 자석 모듈(510)의 상단 위치에서 모형(50)이 움직이게 된다. 제2 자석 모듈(710)은 자력(701)을 형성하는 한 금속 및 자석 등으로 형성될 수 있다.

이를 통하여 프로그램 실습을 진행하는 교육생들이 스텝모터(160)의 제어를 동적으로 확인할 수 있고, 상판(400)의 상면 바닥에 다양한 표현을 함으로써 놀이적 요소를 가미할 수 있어 실습의 집중도를 높일 수 있다.

도 8은 도 2의 시스템 프로그래밍 교육용 키트의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 2, 도 3 및 도 8을 참조하면, 시스템 프로그래밍 교육용 키트(100)는 입력되는 프로그램 코드를 처리하는 제어기(200)로부터 입력되는 제어 신호에 따라 레일(310)을 따라 이동되는 모형(50)의 동작을 제어하도록 구동된다. 제어기(200)는 사용자 입력에 따른 프로그램 코드를 복수의 제어 신호로 변환하여 인터페이스 모듈(110)로 전달할 수 있다.

도 2 및 도 8을 참조하면, 키트(100)의 레일(310)에는 복수의 구슬이 줄로 연결된 구슬 고리(170)가 삽입되고, 키트(100)는 사용자의 입력을 수신하여 포텐쇼미터 신호를 출력하는 포텐쇼미터(120)와, 포텐쇼미터 신호를 외부의 제어기(200)로 전달하고, 포텐쇼미터 신호 및 입력되는 프로그램 코드를 처리하는 외부의 제어기(200)로부터 입력되는 복수의 제어 신호를 처리하는 인터페이스 모듈(110)과, 인터페이스 모듈(110)의 제어에 따라 동작하는 복수의 센서 모듈(132, 134, 142, 144) 및 복수의 출력모듈(136, 138, 146, 148)에 연결되는 하나 이상의 IO모듈(130, 140)과, 포텐쇼미터(120)의 포텐쇼미터 신호 및 인터페이스 모듈(110)의 제어에 따라 구슬 고리(170)를 이동시키도록 구성된 기어(162)를 포함하는 스텝 모터(160)를 포함한다.

인터페이스 모듈(110)은 제어기(200)의 제1 제어 신호에 따라 복수의 센서 모듈(132, 134, 142, 144) 중 하나 이상의 센서 모듈의 데이터를 외부의 제어기(200)로 출력한다(810).

인터페이스 모듈(110)은 제어기(200)의 제2 제어 신호에 따라 복수의 출력 모듈(136, 138, 146, 148) 중 적어도 하나의 출력 모듈로 아날로그 신호 및 디지털 신호 중 적어도 하나의 신호를 출력한다(820).

인터페이스 모듈(110)은 제어기(200)의 제3 제어 신호에 포함된 펄스 신호에 따라서 스텝모터(160)를 구동하여 구슬 고리(170)가 이동되도록 제어한다(830). 그에 따라 구슬 고리(170)의 소정의 위치에 설치된 제1 자석 모듈(510)에 의해 모형(50)이 이동된다.

스텝모터(160) 축에 직결된 기어(162)를 통해 구슬 고리(170)가 이동되고, 1 펄스의 스텝에 대해 기어가 이동한 각도가 step각[deg/step]이라 할 때, 구슬 고리(170)는 입력된 펄스수에 따라 기어(162)의 원주를 따라 이동된다. 제어기(200)에 의하여 구슬 고리(170)의 이동거리는 전술한 바와 같이 다음의 수학식,

에 의하여 결정될 수 있다.

또한, 인터페이스 모듈(110)은 복수의 센서 모듈(132, 134, 142, 144)에 포함된 홀 센서(132)의 감지 값을 제어기(200)로 전달한다.

홀 센서(132)의 감지 값이 홀 센서(132)의 위치에 구슬 고리(170)의 제1 자석 모듈(510)이 인접한 것으로 결정되는 소정의 기준값인 경우, 제어기(200)에 의하여 구슬 고리(170)의 이동거리가 0으로 리셋될 수 있다. 그런 다음, 제어기(200)에 의하여 리셋 시점부터 발생한 펄스 수에 따라 구슬고리(170)의 이동거리가 계산되어, 리셋 위치로부터의 상대 위치가 구슬 고리(170)의 이동거리로 계산될 수 있다. 즉, 홀 센서(132)가 도 1의 도로(60)상의 횡단보도 구조물 위치에 설치되는 경우, 리셋 위치부터 구술 고리(170)의 제1 자석 모듈(510)의 이동거리가 계산될 수 있으므로, 그에 따라 자동차 모형(50)의 위치를 감지하기 위한 별도의 센서모듈 없이도 자동차 모형(50)이 횡단보도 구조물 위치에 설치된 홀 센서(132) 위치로부터 이동된 거리가 계산될 수 있다.

본 발명의 일 양상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있다. 상기의 프로그램을 구현하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크 등을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 저장되고 실행될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

100: 시스템 프로그래밍 교육용 키트 200: 제어기
110: 인터페이스 모듈 120: 포텐쇼미터
130: 제1 IO모듈 140: 제2 IO모듈
150: 스텝모터 드라이버 160: 스텝모터
170: 구슬 고리 180: 서보모터

Claims

입력되는 프로그램 코드를 처리하는 제어기로부터 입력되는 제어 신호에 따라 레일을 따라 이동되는 모형의 동작을 제어하도록 구동되는 시스템 프로그래밍 교육용 키트의 제어 방법으로서,
시스템 프로그래밍 교육용 키트의 레일에는 복수의 구슬이 줄로 연결된 구슬 고리가 삽입되고, 상기 키트는 사용자 입력에 따라 포텐쇼미터 신호를 출력하는 포텐쇼미터와, 포텐쇼미터 신호 및 입력되는 프로그램 코드를 처리하는 외부의 제어기로부터 입력되는 복수의 제어 신호를 처리하는 인터페이스 모듈과, 인터페이스 모듈의 제어에 따라 동작하는 복수의 센서 모듈 및 복수의 출력모듈과 연결되는 IO모듈과, 인터페이스 모듈의 제어에 따라 구슬 고리를 이동시키도록 구성된 기어를 포함하는 스텝 모터를 포함할 때,
인터페이스 모듈은 제어기의 제1 제어 신호에 따라 복수의 센서 모듈 중 하나 이상의 센서 모듈의 데이터를 외부의 제어기로 출력하는 단계;
인터페이스 모듈은 상기 제어기의 제2 제어 신호에 따라 복수의 출력 모듈 중 적어도 하나의 출력 모듈로 아날로그 신호 및 디지털 신호 중 적어도 하나의 신호를 출력하는 단계; 및
인터페이스 모듈은 상기 제어기의 제3 제어 신호에 포함된 펄스 신호에 따라서 스텝모터를 구동하여 구슬 고리가 이동되도록 제어하여 구슬 고리의 소정의 위치에 설치된 제1 자석 모듈에 의해 상기 모형이 이동되는 단계; 를 포함하고,
스텝모터 축에 직결된 기어를 통해 구슬 고리가 이동되고, 1 펄스의 스텝에 대해 기어가 이동한 각도가 step각[deg/step]이라 할 때, 구슬 고리는 입력된 펄스수에 따라 기어의 원주를 따라 이동되며, 상기 제어기에 의하여 구슬 고리의 이동거리는 다음의 수학식,

에 의하여 결정되고,
인터페이스 모듈은 복수의 센서 모듈에 포함된 홀 센서의 감지 값을 제어기로 전달하는 단계;를 더 포함하고,
홀 센서의 감지 값이 홀 센서의 위치에 구슬 고리의 제1 자석 모듈이 인접한 것으로 결정되는 소정의 기준값인 경우, 상기 제어기에 의하여 구슬고리의 이동거리가 리셋되고, 리셋 시점부터 발생한 펄스 수에 따라 구슬고리의 이동거리가 계산되어, 리셋 위치로부터의 상대 위치가 구슬고리의 이동거리로 계산되는 것을 특징으로 하는 시스템 프로그래밍 교육용 키트의 제어 방법.
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