디오라마 전면 (좌) · 후면 회로 구성 (우)
수면 환경을 자동으로 관리하는 ATmega128A 기반 스마트 홈 제어 시스템입니다. 베어메탈 환경에서 ADC 기반 조도 측정, Timer/PWM 기반 LED·서보모터 제어, TWI 기반 I2C LCD 통신, GPIO 비트뱅잉 기반 DHT11 온·습도 통신을 구현했습니다. 조도와 온·습도 측정값에 따라 조명, 커튼, 선풍기를 자동 제어하며, 버튼을 이용한 수동 제어 기능도 지원합니다.
조도 센서를 손으로 가리면 커튼이 서보모터로 부드럽게 닫히고, LCD에 각 장치 상태가 실시간 표시됩니다.
▶ 전체 시연 영상 (1분 42초) : YouTube에서 보기 — LED 색 모드 전환, 선풍기 자동/수동 모드, 회전 스윙, 커튼 개폐, LCD 모니터링
| 분류 | 핵심 기술 |
|---|---|
| MCU | ATmega128A 베어메탈 (레지스터 직접 제어, HAL 미사용) |
| PWM | Timer 0/1/3 Fast PWM — 서보 2개 + RGB LED 동시 구동 |
| ADC | 조도 센서 폴링, 16회 평균 필터링 |
| I2C | TWI 마스터 직접 구현 (1602 LCD 제어) |
| 비트뱅잉 | DHT11 단선 프로토콜 타이밍 직접 구현 |
| 제어 기법 | 히스테리시스 · 서보 선형 가감속 · 디바운싱 |
| 구조 | 논블로킹 슈퍼루프, 3계층 아키텍처, CMake / Makefile 빌드 |
기간 : 2026.05.08 ~ 05.13 (6일) | 팀 : 4인
| 일정 | 단계 |
|---|---|
| 05.08 ~ 09 | 주제 선정, S/W 설계 (환경 센서·액추에이터 선정, 모듈별 독립 코드 설계) |
| 05.10 ~ 11 | H/W 설계 (시스템 물리 인프라), 시스템 통합 및 H/W-S/W 통합 디버깅 |
| 05.12 ~ 13 | 시나리오별 자동 제어 동작 시연, 최종 발표 |
| 08.04 | 사후 보완 — 계층형 아키텍처 리팩토링, CMake/Make 빌드 정비, 문서화 및 Git 저장소 구성 |
| 팀원 | 담당 |
|---|---|
| 이현지 (본인) | 선풍기 및 버튼 코드 구현, 환경 데이터 분석 및 알고리즘 설계 |
| 팀원 A | LED 코드 구현, 회로 구성 및 하드웨어 시스템 설계 |
| 팀원 B | 커튼 코드 구현, 회로 구성 및 하드웨어 시스템 설계 |
| 팀원 C | LCD 코드 구현 및 각 로직 통합, UART(블루투스) 통신 시도 (전압 강하 이슈로 I2C LCD로 대체) |
사후 보완 (이현지) : 프로젝트 종료 후 코드 품질 개선 작업
- 계층형 아키텍처(drivers / devices / app)로 전체 리팩토링 — 하드웨어 의존 코드와 제어 정책 분리
- 모듈별 .c/.h 재구성 (I2C·ADC 드라이버 독립, DHT11 프로토콜을 팬 제어 정책에서 분리)
- 함수 네이밍 컨벤션 통일, 오타·데드 코드 제거, Makefile 빌드 자동화
- Git 저장소 구성 및 머지 관리
-
조명 : 조도 센서 값에 비례한 RGB LED 밝기 제어, 버튼으로 색 모드 전환 (흰색 / 노란색 / 꺼짐)
-
커튼 : 조도에 따른 서보 자동 개폐. 히스테리시스(열림 >300, 닫힘 <200)로 채터링 방지, 각도 점진 이동으로 관성 충격 제거
-
선풍기 : DHT11 온습도 기반 자동 제어 (ON: ≥29℃ 또는 ≥61% / OFF: ≤23℃ 그리고 ≤40% / 그 외 상태 유지), 수동 모드 전환 및 회전(스윙) 서보 지원
-
LCD : I2C 1602 LCD에 온도·습도·조도와 각 장치 상태를 1초 주기로 표시
t:25 h:40 l:0512 ← 온도(℃) / 습도(%) / 조도(ADC 0~1023) fan:o led:o ct:x ← 선풍기 / 조명 / 커튼 (o=동작, x=정지)
flowchart LR
subgraph 입력
CDS[조도 센서 CDS<br/>ADC0]
DHT[DHT11 온습도<br/>PA1]
BTN[버튼 x4<br/>PG2, PA3~5]
end
MCU[ATmega128A<br/>슈퍼루프 제어]
subgraph 출력
LED[RGB LED<br/>Timer0/1 PWM]
CUR[커튼 서보<br/>Timer1 PWM]
FAN[팬 릴레이 + 회전 서보<br/>GPIO / Timer3 PWM]
LCD[I2C 1602 LCD<br/>상태 모니터링]
end
CDS --> MCU
DHT --> MCU
BTN --> MCU
MCU --> LED
MCU --> CUR
MCU --> FAN
MCU --> LCD
하드웨어 의존 코드와 제어 정책을 분리한 3계층 구조입니다.
MCU를 교체하더라도 app/ 계층은 수정 없이 재사용할 수 있도록 설계했습니다.
┌──────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ app/ 제어 정책 (무엇을, 언제, 왜) │
│ light_control · curtain · fan │
│ │
├──────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ devices/ 부품 프로토콜 (어떻게 대화하는가) │
│ lcd1602 · dht11 │
│ │
├──────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ drivers/ MCU 주변장치 (레지스터 제어) │
│ adc · i2c · button │
│ │
└──────────────────────────────────────────────────┘
Project01_SmartHome/
├── main.c # 메인 루프 (측정 → 입력 → 제어 → 주기 작업)
├── config.h # 공통 설정 (F_CPU)
├── CMakeLists.txt # CMake 빌드 설정
├── avr-gcc-toolchain.cmake # AVR 크로스 컴파일 툴체인
├── Makefile # Make 빌드 설정
├── drivers/
│ ├── adc.c/h # 내장 ADC (AVCC 기준, 분주비 128)
│ ├── i2c.c/h # TWI 마스터 (100kHz)
│ └── button.c/h # 버튼 엣지 검출 + 디바운싱
├── devices/
│ ├── lcd1602.c/h # I2C 백팩 1602 LCD (4비트 모드)
│ └── dht11.c/h # DHT11 단선 통신 (타임아웃 안전장치 포함)
├── app/
│ ├── light_control.c/h
│ ├── curtain.c/h
│ └── fan_control.c/h
└── test/
└── lcd_hw_test.c # LCD 단독 하드웨어 점검용 (빌드 대상 아님)
| 기능 | 핀 | 비고 |
|---|---|---|
| RGB LED (R/G/B) | PB4 / PB5 / PB6 | Timer0(OCR0) / Timer1(OCR1A/OCR1B) PWM |
| 커튼 서보 | PB7 | Timer1 OCR1C, 50Hz |
| 팬 릴레이 | PA0 | Active-Low (LOW = ON) |
| 팬 회전 서보 | PE3 | Timer3 OCR3A, 50Hz |
| DHT11 | PA1 | 내부 풀업 |
| 조도 센서 (CDS) | ADC0 (PF0) | 16회 평균 |
| 조명 모드 버튼 | PG2 | 내부 풀업 |
| 팬 자동/수동 · ON/OFF · 회전 버튼 | PA3 / PA4 / PA5 | 내부 풀업 |
| I2C LCD | TWI (0x27) | PCF8574 백팩 |
각 제어 모듈은 상태 변수를 두고 센서 값 또는 버튼 입력에 따라 전이합니다. 켜짐/꺼짐 임계값을 분리한 히스테리시스로 경계값 부근의 반복 동작(채터링)을 방지했습니다.
stateDiagram-v2
[*] --> CLOSED
CLOSED --> OPEN : 조도 > 300
OPEN --> CLOSED : 조도 < 200
조도 200~300 구간은 현재 상태를 유지하며(히스테리시스), 개폐 시 목표 각도까지 1스텝씩 점진 이동합니다.
stateDiagram-v2
[*] --> MANUAL_OFF
MANUAL_OFF --> MANUAL_ON : 팬 버튼(PA4)
MANUAL_ON --> MANUAL_OFF : 팬 버튼(PA4)
MANUAL_OFF --> AUTO : 모드 버튼(PA3)
MANUAL_ON --> AUTO : 모드 버튼(PA3)
AUTO --> MANUAL_OFF : 모드 버튼(PA3)
AUTO --> MANUAL_ON : 팬 버튼(PA4)
AUTO 상태에서는 2초 주기로 DHT11을 측정하여 릴레이와 회전 서보를 함께 제어합니다.
| 측정 결과 | 판정 | 동작 |
|---|---|---|
| 온도 ≥ 29℃ 또는 습도 ≥ 61% | ON 조건 | 팬 ON + 회전 ON |
| 온도 ≤ 23℃ 그리고 습도 ≤ 40% | OFF 조건 | 팬 OFF + 회전 OFF |
| 그 외 구간 | 유지 | 이전 상태 유지 |
| 체크섬 실패 / 타임아웃 | 측정 실패 | 안전을 위해 팬 OFF |
stateDiagram-v2
[*] --> WHITE
WHITE --> YELLOW : 모드 버튼(PG2)
YELLOW --> OFF : 모드 버튼(PG2)
OFF --> WHITE : 모드 버튼(PG2)
색 모드와 무관하게 밝기는 조도 센서 값에 비례합니다 (최소 밝기 하한 적용).
RTOS 없이 슈퍼루프 기반 협조적 스케줄링(cooperative scheduling)으로 동작합니다. 블로킹 딜레이 없이 틱 카운터로 주기를 분할하여, 서보가 움직이는 중에도 버튼 입력이 즉시 반응합니다.
loop (≈1ms)
├─ 조도 측정 (ADC 16회 평균)
├─ 버튼 4개 이벤트 처리
├─ 조명 갱신 / 커튼 갱신
├─ 2000틱마다 → DHT11 측정 + 자동 팬 제어
├─ 회전 서보 1스텝 진행 (논블로킹)
└─ 1000틱마다 → LCD 갱신
- 논블로킹 메인 루프 : 서보 스윙·커튼 이동·주기 작업을 딜레이 없이 틱 카운터로 처리하여, 버튼 응답성과 다중 장치 동시 제어를 확보
- Timer1 자원 공유 : 하나의 Timer1(50Hz)로 LED G/B 채널(OCR1A/B)과 커튼 서보(OCR1C)를 동시에 구동 — 초기화 순서 의존성을 주석으로 명시
- DHT11 통신 안정화 : 비트 단위 타임아웃 안전장치와 통신 구간 인터럽트 차단(
cli/sei)으로 마이크로초 타이밍 보장, 체크섬 검증 - 히스테리시스 : 커튼(조도)과 팬(온습도) 모두 ON/OFF 임계값을 분리하여 경계값 부근에서의 반복 동작 방지
- 정책/장치 분리 : DHT11 모듈은 측정만 담당하고, "몇 도에 팬을 켤 것인가"는 app 계층이 결정 — 임계값 변경 시 센서 코드를 건드릴 필요 없음
- 문제 : DC 모터(EZ Motor R300)와 서보 모터(MG996R) 2대의 돌입 전류로 전압 강하가 발생하여 UART 통신이 원활하지 않음
- 해결 : 노이즈에 민감한 HC-05 블루투스 모듈을 설계에서 배제하고, 노이즈에 강한 I2C 방식 LCD로 모니터링 인터페이스를 대체
- 배운 점 : 데이터시트로 구동 전압·최대 소비 전류·대기 전력을 사전 계산하고, 단위별 부하 테스트를 거친 후 보드에 통합해야 함
- 문제 : 펌웨어와 배선이 정상임에도 조도 변화 감지가 불가능
- 해결 : 변수 통제와 팀원 간 교차 검증으로 원인을 소자 내부 단선(하드웨어 결함)으로 특정, 소자 교체 후 정상적인 조도 데이터 수집 및 시스템 연동에 성공
- 배운 점 : "코드 문제"로 단정하기 전에 하드웨어도 검증 대상에 포함해야 함. 사전 계측기 검증과 피드백 채널의 중요성
- 문제 : 90°→0° 이동 시 목표 PWM 펄스 폭을 한 번에 최대치로 변경하면 관성 때문에 목표 지점에 깔끔하게 정지하지 못함
- 해결 : 선형 가감속 구현 — 즉각적인 각도 조절 대신 5ms에 한 번씩 각도를 업데이트하여 약 1.1초에 걸쳐 부드럽게 개폐 (
app/curtain.c의 점진 이동 로직)
- 문제 : 무드등(RGB LED)과 커튼 서보 제어에 타이머 PWM 기능을 우선 할당하여 가용 PWM 핀이 부족
- 해결 : 릴레이 사용 시 일반 출력으로 충분하다고 판단, MCU의 전류 문제(40mA 출력 제한)와 모터의 전압 문제를 일반 GPIO + 릴레이 조합으로 해결
이 프로젝트에서 확인한 한계를 다음 프로젝트(ARM 기반)에서 개선 로직으로 반영했습니다.
| 이번 프로젝트에서 확인한 한계 | 차기 프로젝트 반영 |
|---|---|
| 폴링 기반 즉시 반응으로 인한 버튼 오작동 여지 | 명시적 FSM 도입으로 상태 기반 입력 처리 |
| I2C 통신으로 인한 느린 모니터링 속도 | 전원 설계를 보강한 보드에서 UART 통신으로 전환 |
CMake와 Make 두 가지 빌드 방식을 지원합니다. 소스는 와일드카드로 자동 수집됩니다.
CMake (개발 환경 : VSCode + AVR-GCC)
cmake -B build -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=avr-gcc-toolchain.cmake
cmake --build buildMake (CMake 없이 바로 빌드)
make # 전체 컴파일 → smart_home.hex 생성
make size # 플래시/RAM 사용량 확인
make flash # 보드 플래시 (avrdude, 프로그래머 환경에 맞게 수정)
make clean # 빌드 산출물 삭제빌드 결과 : 플래시 2.85% (3,734 B / 128 KB), RAM 2.2% (90 B / 4 KB)