MCP3208 모듈을 이용한 아날로그 조도 센서 측정 > 스마트기기시스템

• 라즈베리파이에서 MCP3208 ADC 모듈을 통해 조도 센서(SSBH-011)의 아날로그 값을 측정하는 방법 이해한다.

• MCP3208
  • 12비트 해상도의 8채널 아날로그-디지털 변환기(ADC)
  • SPI 인터페이스로 라즈베리파이와 통신
  • 라즈베리파이는 아날로그 입력 기능이 없어 외부 ADC 필요
• 기본 사양
  • 입력 채널: CH0 ~ CH7
  • 해상도: 12비트 (0~4095)
  • 인터페이스: SPI
  • 동작 전압: 2.7V ~ 5.5V
  • 변환 속도: 최대 100ksps
  • 조도 센서 회로 구성
• SSBH-011 조도 센서, MCP3208, GPIO 연결

• SPI 기능 활성화

pi@pi20221234:~ $ sudo raspi-config

pi@pi20221234:~ $ sudo reboot

• 기본 구동 프로그램 : 라즈베리파이 가상환경에서 파이썬 코딩
  • 라즈베리파이에서 SPI 설정
  • VSCode에서 light_sensor_analog.py 파일 생성
  • SPI 통신을 통해 조도 센서 아날로그 값을 디지털로 변환 후 측정하는 코드 실습

pi@pi20221234:~ $ sudo apt update
pi@pi20221234:~ $ sudo apt install python3-spidev

pi@pi20221234:~ $ iot_
(iot) pi@pi20221234:~/iot $ pip install git+https://github.com/doceme/py-spidev

import spidev
import time
# ==============================
# 설정값
# ==============================
VREF = 3.3   # ← 하드웨어 기준 전압 (3.3 또는 5.0)
# ==============================
# SPI 초기화
# ==============================
spi = spidev.SpiDev() # 하드웨어 SPI 컨트롤러
spi.open(0, 0)  # bus=0, CE0
spi.max_speed_hz = 1000000 # ~125MHz, 전용 하드웨어가 처리
spi.mode = 0

def read_adc(channel):
    if not 0 <= channel <= 7:
        return -1
    # ==============================
    # [1] 채널 분해 (D2 D1 D0)
    # ==============================
    # CH5 = 5 = 0b00000101
    #                  ↑↑↑ 
    #                  D2 D1 D0
    # >> 비트 오른쪽 시프트, & 0b1 로 최하위 1비트만 추출
    d2 = (channel >> 2) & 0b1
    d1 = (channel >> 1) & 0b1
    d0 = (channel >> 0) & 0b1
    # ==============================
    # [2] cmd1 (Start + SGL + D2)
    # ==============================
    # 0b00000110
    #        ↑↑
    #        │└ SGL=1 (단일 모드)
    #        └─ Start=1 (통신 시작)
    # CH0 → 0b00000110  (D2=0)
    # CH5 → 0b00000111  (D2=1)
    cmd1 = 0b00000110 | d2
    # ==============================
    # [3] cmd2 (D1, D0)
    # ==============================
    # D1을 7번 비트로, D0을 6번 비트로 올림
    # 나머지 6비트(하위)는 don't care → 0으로 채움
    # CH0 → 0b00000000  (D1=0, D0=0)
    # CH5 → 0b01000000  (D1=1, D0=0)
    cmd2 = (d1 << 7) | (d0 << 6)
    # ==============================
    # [4] SPI 전송
    # ==============================
    # 보낸 바이트 수 = 받는 바이트 수 (SPI 규칙)
    # 3바이트 보내면 3바이트 돌아옴
    adc = spi.xfer2([cmd1, cmd2, 0])
    print(f"Raw SPI response: {adc}")
    # ==============================
    # [5] 12bit 데이터 복원
    # ==============================
    # adc[0] = 더미 (명령 전송 구간에서 수신된 무의미 데이터)
    # adc[1] = xxxx B11 B10 B9 B8
    # adc[2] = B7   B6  B5  B4  B3  B2  B1  B0

    # Step 1: 상위 4비트 추출 (앞쪽 xxxx null 4비트 마스킹)
    high = adc[1] & 0b00001111
    #   10101100
    # & 00001111
    # ----------
    #   00001100  ← B11~B8

    # Step 2: 자리 이동 (하위 8비트 자리를 비워둠)
    high = high << 8
    #   00001100
    # → 00001100 00000000

    # Step 3: 하위 결합
    data = high | adc[2]
    #   00001100 00000000
    # | 00000000 11110000
    # -------------------
    #   00001100 11110000
    # 최종 결과 : 0 ~ 4095 사이의 12비트 정수
    return data

def adc_to_voltage(value):
    # MCP3208은 12비트 ADC → 최댓값 2^12 - 1 = 4095
    # value=0    → 0V
    # value=4095 → VREF(3.3V)
    return value * VREF / 4095

try:
    print("조도센서 값 읽기 시작...")
    print(f"VREF = {VREF}V 기준")
    print("Ctrl+C로 종료")
    while True:
        val0 = read_adc(0)
        #val5 = read_adc(5)
        volt0 = adc_to_voltage(val0)
        #volt5 = adc_to_voltage(val5)
        print(f"[CH0] 값: {val0:4d} | 전압: {volt0:.3f}V")
        #print(f"[CH5] 값: {val5:4d} | 전압: {volt5:.3f}V")
        print("-" * 50)
        time.sleep(1)

except KeyboardInterrupt:
    print("\n프로그램 종료")
finally:
    spi.close()
    print("SPI 연결 종료")

• 아날로그 조도 센서 데이터 SPI전송과정(spidev 기준, 라즈베리파이)

• 1st : Master -> MCP3208
  • 0b00000110 = 00000(Dummy), 1(Start bit), 1(SGL), 0(D2)

• 2nd : Master -> MCP3208
  • 예: CH0 → D1=0, D0=0 → 0b00000000 (0x00)
  • 예: CH7 → D1=1, D0=1 → 0b11000000 (0xC0), 1st의 D2 1로 세팅

• 3rd : Master -> MCP3208

• MCP3208 -> Master(3byte cmd 기준)

• 센서 SSBH-011의 AO 출력 특성
  • 밝아지면 LDR(Light Dependent Resistor,광저항) 저항이 감소되면서 LDR 쪽으로 흐르는 전류가 많아짐
  • AO 측정되는 전압이 감소됨(즉, LDR이 소비한 전압을 측정)
    • 밝음 -> LDR 저항 작음 -> 전류 잘 흐름 -> LDR 소비 전압 작음 -> AO 낮음
    • 어둠 -> LDR 저항 큼 -> 전류 못 흐름 -> LDR 소비 전압 큼 -> AO 높음

• 단일/차동에 차동의 노이즈 보정
  • 단일, 노이즈 없음 : CH0 = 2.5V
  • 단일, 노이즈 있음 : CH0 = 2.5 + 0.3 = 2.8V, 측정값 = 2.8V (2.8V에 노이즈가 섞인지 구분 불가)
  • 차동, 노이즈 있음 : CH0 = 2.5 + 0.3 = 2.8V, CH1 = 0.0 + 0.3 = 0.3V, 측정값 = 2.8 - 0.3 = 2.5V (노이즈 제거)

• SPI 통신에서 CLK(Clock) 신호의 역할
  • CLK(Clock)는 SPI 통신에서 데이터 전송 타이밍을 맞추는 기준 신호
  • 클럭 한 주기마다 1비트씩 데이터가 이동함
  • 데이터는 상승 또는 하강 엣지 중 한 번만 읽음
  • 라즈베리파이(Master)가 CLK 신호를 생성하며, MCP3208은 이 신호에 맞춰 데이터를 송수신함

• CLK 동작 방식

• SPI 모드에 따른 데이터 읽기 타이밍

• 현재 실습 코드 설정
  • spi.mode = 0
  • Mode 0에서는 CLK 상승엣지(↑)에서만 데이터를 읽고, 하강엣지에서는 데이터를 준비

• SPI bus 모드