전자석에 전원을 계속 공급해야 잠기는 구조입니다
전자석 잠금장치(electromagnetic lock)는 코일에 전류가 흐를 때 생기는 자기력으로 금속판을 붙잡습니다. 여기서 다루는 전원 투입 잠금(energize-to-lock) 방식은 전자석에 12 V가 걸리면 잠기고, 전압을 끊으면 풀립니다. 정전 중에도 잠겨 있어야 하는 용도라면 이 방식을 그대로 택할 수 없습니다. 실제 출입문에는 피난과 출입 통제 조건도 따로 적용되므로, 아래의 교육용 보관함 구성을 검증된 출입문 설계로 간주하지 마십시오.
마이크로컨트롤러(MCU, microcontroller unit)는 입력을 읽고 제어 신호를 내는 작은 컴퓨터입니다. 출력 핀에 전자석을 직접 연결하지 않습니다. 이 회로에서는 MCU가 트랜지스터(transistor)를 통해 5 V 릴레이(relay)의 코일을 구동하고, 릴레이의 접점(contact)이 별도의 12 V 전자석 전원을 연결하거나 끊습니다. 릴레이는 작은 제어 신호로 다른 전원 회로의 접점을 움직이는 스위치입니다. 코일을 끌 때 생기는 순간 전압은 코일에 병렬로 둔 플라이백 다이오드(flyback diode)로 제한합니다. 다이오드의 방향과 정격은 실제 릴레이 코일에 맞춰 확인해야 합니다.
그림에서는 상시 개방 접점(normally open contact, NO)을 예로 들었습니다. 전자석 쪽 전원 경로가 닫히면 잠기고 열리면 풀립니다. 실제 릴레이에서 제어 핀의 HIGH·LOW와 접점의 열림·닫힘이 어떻게 이어지는지는 릴레이 형식과 배선에 따라 달라집니다. 프로그램의 출력값이나 릴레이 클릭 소리만 보고 판단하지 말고, 전자석 단자 양끝의 전압과 접점의 연결 상태를 함께 확인하십시오.
제스처 네 번을 모두 받은 뒤 순서를 비교합니다
3차원 제스처 센서(3D gesture sensor)는 손 때문에 변하는 전기적 근접장(electric near field)을 읽어 움직임을 판별합니다. 이 예시의 센서는 I²C(Inter-Integrated Circuit) 통신으로 MCU에 방향을 전달합니다. I²C는 클록선과 데이터선으로 주소가 있는 주변장치와 통신하는 방식입니다. 센서의 16진수 주소는 0x42이며, 제조사가 제시한 거리는 제스처 인식 최대 약 5 cm, 단순 근접 감지 최대 약 10 cm로 서로 다릅니다. 손이 10 cm 거리에 있다는 감지 결과만으로 네 방향을 안정적으로 읽을 수 있다고 가정하지 마십시오.
방향마다 번호를 붙여 오른쪽=1, 왼쪽=2, 아래=3, 위=4로 저장합니다. 네 칸의 예시 패턴 2, 3, 2, 4는 왼쪽→아래→왼쪽→위입니다. 네 번째 숫자 4를 오른쪽으로 읽으면 방향 분기와 어긋납니다. 방향 하나를 받았다는 표시로 부저(buzzer)를 10 ms(밀리초, 0.01초) 울립니다. 부저는 전기 신호를 짧은 소리로 바꾸는 부품이며, 소리가 났다고 해서 잠금이 풀린 것은 아닙니다.
네 칸을 채운 뒤 각 칸을 미리 정한 패턴과 비교합니다. 이 예시 프로그램은 두 번째나 세 번째 입력에서 틀렸더라도 즉시 거절하지 않고 네 번째 입력 뒤 한꺼번에 판정합니다. 성공과 실패 어느 쪽이든 입력 개수와 저장한 값을 지워야 이전 시도의 일부가 다음 시도에 섞이지 않습니다. 센서가 방향 이외의 회전 동작을 보고할 수 있지만, 이 네 칸짜리 비교에는 회전을 넣지 않습니다.
잠금과 해제의 시간 순서를 따로 확인합니다
| 상황 | 예시 제어 순서 | 전자석 단자에서 확인할 결과 |
|---|---|---|
| 전원을 켜거나 MCU를 재설정합니다 | 잠금 명령을 내리기 전의 핀 상태부터 확인합니다. 예시 프로그램은 초기화할 때 릴레이 출력에 HIGH를 씁니다. | 실제 접점이 닫히고 12 V가 공급되는 시점, 초기화 중 뜻밖의 해제 구간을 측정합니다. |
| 방향을 하나 인식합니다 | 부저를 10 ms 켜고 끕니다. 네 칸을 채울 때까지 순서를 기록합니다. | 소리만 나고 전자석 전압은 변하지 않아야 합니다. |
| 네 방향이 틀립니다 | 부저를 500 ms 켜기 → 100 ms 끄기로 세 번 반복한 뒤 입력을 지우고 1 s 기다립니다. | 전자석 전원이 유지되는지 확인합니다. |
| 네 방향이 맞습니다 | 부저를 1.5 s 울리고 0.5 s 기다립니다. 릴레이 출력을 해제 명령으로 바꾸어 5 s 유지한 뒤 잠금 명령으로 돌립니다. | 해제 구간에는 전자석 양단이 0 V에 가까워지고, 끝나면 다시 정격 전압이 걸리는지 측정합니다. |
| 12 V 입력이 사라집니다 | 제어기의 명령과 관계없이 전자석 전류가 사라집니다. | 금속판을 붙잡는 힘이 사라집니다. 실제 설치 상태에서도 확인합니다. |
이 시간들은 한 예시 프로그램의 설정값이지, 선택한 릴레이나 전자석의 동작 시간이 검증됐다는 뜻은 아닙니다. 표의 HIGH는 출력 핀의 높은 논리 전압을 뜻합니다. 낮은 논리 전압인 LOW와 어느 쪽이 실제 접점을 닫는지는 릴레이 구동 회로를 확인해야 합니다. delay()처럼 정해진 시간 동안 프로그램을 멈추는 명령을 쓰면 그동안 주 반복문은 새 제스처를 처리하지 못합니다. 해제 중에도 다른 입력이나 긴급 상태를 감시해야 한다면, 마지막 상태 전환부터 지난 시간인 경과 시간(elapsed time)을 검사하는 방식으로 제어를 다시 설계해야 합니다.
전원과 구동 여유는 부품의 실제 값으로 계산합니다
12 V·1 A 어댑터 표기만으로 전자석과 5 V 제어 회로를 동시에 공급할 여유가 증명되지는 않습니다. 전자석의 소비 전류와 부팅·재잠금 때의 전류를 측정하고, 릴레이 접점의 직류(DC, direct current) 정격 및 전원 용량에 대조하십시오. 릴레이 코일 전류가 트랜지스터의 허용 전류를 넘지 않는지도 확인해야 합니다.
12 V를 5 V로 낮추는 선형 레귤레이터(linear regulator)는 전압 차이에 해당하는 에너지를 열로 버립니다. 5 V 가지의 전류를 I₅라고 하면 레귤레이터의 손실은 대략 (12 V − 5 V) × I₅입니다. 계산 예시로 I₅ = 0.1 A라면 약 0.7 W입니다. 이는 이 장치에서 측정한 전류나 온도가 아닙니다. 실제 전류, 주변 온도, 패키지와 방열 조건으로 온도 상승을 따져야 합니다. 레귤레이터의 입력·출력 커패시터도 선택한 부품의 권장 연결을 확인하십시오.
릴레이 코일에 둔 다이오드는 코일의 차단 과도를 다루지만, 접점을 통해 공급되는 전자석 부하의 과도 조건까지 자동으로 검증하지는 않습니다. 전자석 전류와 접점의 개폐 조건, 전원 차단 순간의 파형을 각각 확인하십시오. 부품을 그린 간단한 연결도만으로 실제 PCB 배선·정격 검사를 생략할 수는 없습니다.
탁상 시험과 설치 시험을 분리합니다
- 전자석을 떼어 놓고 센서의 오른쪽·왼쪽·아래·위가 각각 어떤 숫자로 읽히는지 기록합니다. 손의 거리와 방향을 바꿔 재현성을 살펴봅니다.
- 부저와 릴레이 제어부만 연결해 네 칸짜리 정상 패턴과 한 칸을 바꾼 오입력 패턴을 차례로 넣습니다. 입력을 네 번 채우기 전에는 릴레이 상태가 바뀌지 않는지도 확인합니다.
- 전자석을 연결하고 전자석 단자 양끝에서 잠금·해제·재잠금 전압을 측정합니다. 제어기 출력 HIGH/LOW, 릴레이 접점과 단자 전압을 한 표에 함께 적으면 배선이 뒤집힌 경우를 찾기 쉽습니다.
- 전원을 켜는 순간과 MCU만 재설정할 때를 별도로 확인합니다. 12 V 전원을 의도적으로 끊어 정전 상태에서 금속판이 실제로 놓이는지도 살펴봅니다.
- 반복 동작 뒤 레귤레이터·트랜지스터·접점의 온도와 재시작 여부를 확인합니다. 금속판을 설치 위치에 고정한 뒤에는 정렬과 실제로 여닫을 때 필요한 힘을 다시 시험합니다.
방향이 네 가지이고 네 번 입력한다면 단순 조합 수는 4⁴ = 256개입니다. 이것만으로 접근 보안이 확보되지는 않습니다. 이 예시 프로그램에는 입력 사이 시간 제한이나 반복 실패 뒤의 잠금도 없습니다. 교육용 시제품의 동작을 확인하는 절차와 실제 출입 통제 장치를 설계·인증하는 절차를 혼동하지 마십시오.