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작품번호

126

제34회 전국학생과학발명품경진대회

노크하는 출입문

출품분야 학생작품 출품부문 생활과학Ⅰ

2012. 6. .

출품학생 한재규

지도교사 서호찬

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< 차 례 >

Ⅰ. 작품제작 동기 및 목적 3

1. 제작 동기 3

2. 제작 목적 3

Ⅱ. 선행 기술 조사 4

1. 선행 발명품 및 자료조사 4

가. 특허청 DB검색(http://www.kipris.or.kr) 4

나. 국립중앙과학관 DB검색(http://www.science.go.kr) 4

2. 본 발명품과 과학 교과 내용에 관련된 이론 탐구 5

가. 터치센서 5

나. 음성인식 6

Ⅲ. 작품 설명 6

1. 전체 동작 요약 6

2. 아이디어 도면 7

3. 아이디어 구성 및 작용 7

4. 동작 블럭도 8

Ⅳ. 작품제작 과정 9

1. 작품 연구 및 제작 계획 9

2. 제작 과정 9

가. 터치센서부 제작 10

나. 제어부 제작 10

다. 사운드출력부 제작 11

라. 음성인식장치 제작 11

마. 출입문 열림 구동부 12

바. 출입문 개폐 확인장치 12

3. 제작 작품 사진자료 13

Ⅴ. 기대효과 및 전망 15

1. 기대효과 15

2. 전망 15

Ⅵ. 참고사이트 15

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Ⅰ. 작품제작 동기 및 목적

1. 제작 동기

가정이나 사무실에서 조용하게 사무를 보고 있을 때 누군가 노크를 하

지 않고 불쑥 문을 열고 방으로 들어올 경우 무척 놀라고 당황하여 생각

하게 되었다.

“노크 좀 하고 다니세요!”

“알았어요. 다음부터 노크하지요”

사무실에 있는 사람과 방문한 사람 서로가 기분이 상하였다.

문을 열고 사무실이나 방으로 들어가기 전에 노크해 주는 장치는 없을

까? 이러한 요구를 만족시키기 위하여 “노크하는 출입문”이 필요하게 되

었다.

<문손잡이>

2. 제작 목적

노크를 하지 않고 방으로 들어서는 불청객으로부터 놀라는 문제를 해

결하기 위하여

가. 문손잡이를 만졌을 때 센서 입력의 변화를

나. 마이크로컨터롤러 제어부에서 입력받아서 사운드를 출력하여 노크 기

능을 수행한 후에

다. 노크가 발생한 후 내부에서의 반응에 따라서 출입을 허락하면 음성

인식장치의 입력을 제어부에서 처리하여 문손잡이 잠금 장치를 해제

시킨다.

이렇게 하여 문손잡이를 잡았을 때 노크 기능을 수행한 후에 음성인식장

치로 출입의 허락을 받아서 문손잡이 잠금 장치를 해제 시키는 “노크하는

출입문”으로 문제를 해결할 수 있다.

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Ⅱ. 선행 기술 조사

1. 선행 발명품 및 자료조사

가. 특허청 DB검색(http://www.kipris.or.kr)

특허청 - kipris 특허정보 무료검색 - “손잡이*터치센서*음성인식”으로

검색한 결과 총 161건이 나왔지만 본 발명품과 동일한 것은 없었다.

기존의 아이디어로는

1) “센서가 부착된 문손잡이”에 관한 것으로, 이것은 단순히 문손잡이

에 센서를 장착하여 손이 문손잡이에 닿을 경우 집안에 부착되어 있

는 초인종이 울리게 함으로서 밤늣게 도둑 및 외부인의 무단칩입을 미

연에 방지하기 위한 것이다.

2) "문 열림 경고장치"에 관한 것으로, 이것은 문의 경우 내부에서 문을

여는 순간 이를 감지 못한 외부인과 충돌할 우려가 있는 것을 해결하

기 위한 것으로 문 열림 경고장치는 문 열림 동작을 감지하고, 감지

결과를 가지는 감지 신호를 출력하기 위하여 감지부를 CCTV로 구현

하였다.

나. 국립중앙과학관 DB검색(http://www.science.go.kr)

국립중앙과학관 - 과학교육/행사 - 발명품경진대회 - 생활과학Ⅰ,Ⅱ-

손잡이로 검색한 결과 본 발명품과 동일한 것은 없었다.

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2. 본 발명품과 과학 교과 내용에 관련된 이론 탐구

가. 터치센서

1) 터치센서란 ?

사람의 몸을 통하는 기전력을 사람의 손에 의해 터치센서 입력부를

만졌을 때 표면 기전력을 콘덴서의 충전과 방전을 통하여 검출하는 센

서이다.

2) 정전용량 터치센서의 원리

신체 또는 특정 물체가 접촉했을 때 발생하는 정전용량(Capacitance)

의 변화를 감지하여 동작한다.

3) 검출방식

사람의 입력부에 손을 접촉 했을 때 센서가 검출하는 방식은 접지라

는 공간적인 전류 흐름을 감안했을 경우 표면 기전력에 대한 입력 특성

이 다른 전류 간의 상호 작용 관계 법칙이 적용된다. 사람의 손에 흐르

는 표면 누설전류와는 다르게 기전력은 접지에 의해 특정한 슬레스 홀

드(threshold)를 가지는 전위합을 나타낸다. 그로인해 터치센서는 일정

전압 / 전류치를 검출하게 되고 이를 통해 사람의 손이 입력부를 만졌

다는 것을 검출하게 된다.

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나. 음성인식

1) 음성인식이란?

음성파를 주파수 분석하여 모음을 특징짓는 음역 또는 그것과 등가인

특징을 추출해서 분리하는 방법이 가장 보편적으로 시도 되고 있다. 그

러나 말하는 사람이 많거나 말수가 많으면 오차가 생길 수가 있다.

전화나 마이크 등을 통하여 컴퓨터나 음성인식 시스템에 전달된 사람

의 음성으로부터 특징을 추출하고 분석하여 미리 입력된 인식 목록에서

가장 근접한 결과를 찾아내는 기술이다.

2) 음성인식의 원리

음원에서 발생한 임펄스가 성도를 거쳐 입과 코를 통해 방사 된다. 이

음원이 성도(vocal tract)로 전달되며 음파의 전파에 의한 조음

(articulation)과 외부의 방사에 의하여 각 음성 파형이 다르게 나오게 된

다.

3) 음성 파형으로부터 언어 정보를 추출하는 방법

음성 신호를 해석하여 패턴화되어 있는 데이터 베이스와 조합함으로

써 문자열로 변환하는 것. 음성 인식(speech recognition) 이라고도 한다

‘카’라고 발성했을 때의 음성 파형

Ⅲ. 작품 설명

1. 전체 동작 요약

방문객이 도착하여 문손잡이에 사람의 손이 닿으면 센서가 반응하고

실내 스피커에서 노크 소리가 난다.(예, “방문객이 있습니다.”) 노크가 발

생한 후에 실내에 있는 사람이 “네! 들어오세요.”라고 하면 음성인식을

하여 자동으로 문을 열어 준다.

방문객은 문에 설치된 LED로 문의 개폐 여부를 확인할 수 있다.

노크가 동작한 후에 만약 실내에 사람이 없더라도 문손잡이 열림 구동

부가 동작 하도록 대기시간을 설정할 수 있다.

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2. 아이디어 도면

<아이디어 스케치>

3. 아이디어 구성 및 작용

문손잡이를 손으로 잡는 순간 터치센서가 동작하고 제어부에서 입력을

받아 사운드 출력부에서 설정하여 놓은 메시지를 전달한다. 노크가 발생

한 후 실내에 있는 사람이 “네! 들어오세요.”라고 하면 음성인식을 하여

자동으로 문이 개폐된다.

방문객은 문에 설치된 LED로 문의 개폐 여부를 확인할 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 구체적으로 설명하면

가. 방이나 사무실로 들어가기 위하여 문손잡이를 잡으면

나. 문손잡이에 연결된 터치센서의 동작으로 신호가 마이크로컨터롤러

(PIC16F84)의 입력으로 전달된다.

다. 제어부인 마이크로컨터롤러(PIC16F84)에 프로그램 되어진 동작순서

에 따라서 부저소리 또는 음성 "방문객이 있습니다."를 스피커로 출

력한다.

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라. 노크가 발생한 후 실내에 있는 사람이 “네! 들어오세요.”라고 하면

음성인식을 하여 음성인식장치의 출력이 제어부로 전달된다.

마. 음성인식장치의 출력이 제어부로 전달되면 문손잡이 열림구동부의

동작으로 문잠김 걸쇠가 열린다.

바. 방문객이 방문의 열림 상태를 확인한 후에 방안으로 들어가기 위하

여

잠겨진 상태에서 적색 LED ON, 녹색 LED OFF

열려진 상태에서 적색 LED OFF, 녹색 LED ON이 되게 한다.

사. 방문객이 문을 열고 들어간다.

아. 방문이 열리면 문틀과 문에 설치된 출입문 개폐확인장치 즉 스위치

(여기서는 리미트 스위치 사용)의 동작으로 신호가 마이크로컨터롤러

(PIC16F84)의 입력으로 전달되어 -> 문이 열린 상태에서 잠금 스위

치(작품에서는 문잠김 걸쇠)가 동작되어 잠기지 않게 한다.

자. 방문객이 문을 열고 방안으로 안전하게 들어간 후 문을 닫으면 문

틀과 문에 설치된 스위치(여기서는 리미트 스위치 사용)의 동작으로

신호가 마이크로컨터롤러(PIC16F84)의 입력으로 전달되어 잠금 스위

치(작품에서는 문잠김 걸쇠)가 동작되어 문이 잠기게 된다.

차. 문이 잠기면 적색 LED ON, 녹색 LED OFF으로 바뀌며 동작이 처

음 상태로 돌아가서 방문객을 기다리며 반복된다.

4. 동작 블럭도

방문객용

문손잡이터치센서부 제어부

사운드출력부(“노크”)

출입허가음성입력부

(마이크)

음성인식

장치부

출입문 개폐

확인장치

출입문

열림 구동부

* 전원부 생략되었음.

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Ⅳ. 작품제작 과정

1. 작품 연구 및 제작 계획

순 제작 단계 연구 및 제작 내용 해결 방법

1아이디어

창출

· 생활 속에서 불편한 점 찾기

· 발명아이디어 수집

· 아이디어 결정

평소 불편했던 점들을 개선해

보고 선생님께 조언을 구했

다.

2선행기술

조사

· 선행 기술 조사

· 시장, 인터넷 등에서 기존 제

품조사

인터넷으로 선행기술 조사를

하고 기존의 제품을 찾아보

았다.

3발명품

제작 계획

·작품 제작 계획서 작성

· 기초 구상

발명품의 제작 계획을 선생

님께 조언을 받아 제작하고,

기초적인 구상을 하였다.

4

발명품

제작 및

문제점

보완

· 재료 준비

· 설계도면 작성

· 1차 터치센서부 제작

· 2차 제어부 제작

· 3차 사운드출력부 제작

· 4차 음성인식장치 제작

· 5차 출입문열림구동부제작

(최종 작품 제작·보완)

작품 제작을 위해 설계도면

작성, 재료 준비를 하고, 각

단계별로 만들어 봄으로써 문

제점을 보완하였다.

5 정리·작품설명서, 출품원서 작성

· 출품 준비

작품 설명서와 출품 원서를 작

성하였다.

2. 제작 과정

․많이 사용하고 있는 회전 문손잡이의 구조를 분석하고 이해한다.

․터치센서의 과학적 동작원리와 구조를 이해한다.

․제어부가 원활하게 동작할 수 있도록 설계하고 제작한다.

․사운드 출력부의 동작과 구조를 이해한다.

․음성인식장치에 음성을 인식시키고 제작한다.

․출입문 열림 구동부를 설계하고 설치한다.

․출입문 개폐 확인장치를 제작한다.

․완성품 제작 후 동작을 확인하고 시험을 종료한다.

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가. 터치센서부 제작

1) 문손잡이와 터치센서연결하고 전원 공급 후 동작을 확인하였다.

2) 동작 모드

초기 상태 : OFF

동작 모드 : OFF(초기 상태)--ON(최대치)--OFF--(반복)

3) 입력 전압 : DC 5V

4) 출력 : 최대 40 와트

<터치센서>

나. 제어부 제작

1) 동작블럭도를 기초로 회로도를 작성하고 제어부를 제작하고 프로그램

후 라이팅하였다.

2) 마이크로컨터롤러 : PIC16F84

3) 발진소자 : XT 4MHz

4) 프로그램 : 어셈블리어

5) 회로도

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6) 제어부 완성 사진

다. 사운드출력부 제작

1) 사운드 출력장치로 음성녹음재생 키트를 사용하여 출력될 내용

“방문객이 있습니다.”를 녹음하고 제어부의 동작에 따라서 출력되

도록 하였다.

2) 음성녹음재생 키트 사진

라. 음성인식장치 제작

1) 실내에 있는 사람이 “네! 들어오세요.”라고 하면 음성인식을 해서

자동으로 출입문 개폐장치를 열어주도록 음성인식장치에 음성인식

을 하였다.

2) 특성 : 음성 인식 결과 시리얼 및 패러럴(BCD코드) 출력

10 단어의 CL/SD 모드

3) 사용전압 : DC 5V

4) 음성인식장치 사진

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마. 출입문 열림 구동부

1) 음성인식장치가 음성인식을 받은 후에 제어부의 동작에 따라 출

입문이 개폐되도록 출입문 열림 구동부를 제작하고 제어부와 연

결하였다.

2) 사용전압 : DC 6V

3) 출입문 열림 구동부에 사용된 모터

바. 출입문 개폐 확인장치

1) 출입문의 개폐 상태에 따라 문잠김 걸쇠가 동작하도록 출입문

개폐 확인장치를 제작하였다.

2) 사용재료 : 리미트 SW

3) 출입문 개폐 확인장치

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3. 제작 작품 사진자료

<문 안쪽> <문 바깥쪽 열림>

<문짝 전기배선>

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<회전 문손잡이> <메인 기판>

<음성 재생기> <리미트 스위치>

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Ⅴ. 기대효과 및 전망

1. 기대효과

가. 노크가 필요한 방에 설치하여 예약하지 않고 방문한 불청객에 대한

준비를 하게 한다.

나. 노크하는 문손잡이의 사운드 출력에 원하는 출력 즉 노크 내용을

설정하여 사용할 수 있다.

다. 노크가 발생한 후에 실내에 있는 사람의 음성을 인식하여 자동으로

출입문을 개폐할 수 있다.

라. 방문객은 문에 설치된 LED로 문의 개폐 여부를 확인할 수 있고 확

인 후에 출입할 수 있다.

마. 노크가 동작한 후에 만약 실내에 사람이 없더라도 문손잡이 열림

구동부가 동작 하도록 대기시간을 설정할 수 있다.

2. 전망

가. 개인사무실이나 개인연구실 그리고 혼자서 사용하는 방의 출입문에 설

치하면 실생활에서 아주 편리하게 이용될 수 있다.

나. 본 발명품의 기술을 집약하면 소형화 및 대량생산이 가능하고 널리 보

급될 수 있다.

다. 평상 시 실생활에서 잊어버리기 쉬운 예절인 노크를 발명품이 수행하

게 하여 생활 속의 불편한 점을 개선하였고 발명마인드 확산에 기여 하

였다.

Ⅵ. 참고사이트

1. AD반도체 홈페이지

2. 해피캠퍼스 http://mybox.happycampus.com/

3. 퍼니키트 http://www.funnykit.co.kr/

4. 전원테크 http://www.j-t.co.kr/

5. 네이버 이미지 http://www.naver.com/