[카테고리:] 부품 리뷰

폐 프린터에서 추출한 모터는 Japan Servo KP39EM2-011 스텝 모터였습니다.

**일본 서보(JAPAN SERVO CO., LTD.)**에서 제조한 바이폴라(Bipolar) 타입의 스텝 모터입니다. 정확한 모델명은 KP39EM2-011 (EM-240 시리즈)입니다.

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1. 주요 스펙 (Label 정보 분석)

• Step Angle (보폭): 1.8 DEG/STEP입니다. 즉, 한 바퀴(360도)를 도는 데 200스텝이 필요합니다.
• 타입: 일반적으로 4개의 선이 나오는 바이폴라 방식입니다.
• 크기: NEMA 14 또는 17 사이즈보다 약간 작거나 슬림한 타입일 가능성이 높으며, 주로 정밀한 위치 제어가 필요한 프린터, 스캐너, 소형 자동화 기기에 사용됩니다.

2. L298N 연결

이 모터는 17HS4011과 제어 방식이 동일합니다.

3. 배선 찾기 (가장 중요!)

이 모터는 보통 4가닥의 전선이 연결됩니다. 색상만으로 판별하기 어려울 때는 멀티미터(테스터기)로 통전 테스트를 해서 짝을 찾아야 합니다.

• A상 짝: 선 두 개를 찍었을 때 저항값이 측정되는 한 쌍 (예: 검정-초록) -> L298N의 IN1, IN2 쪽 연결.
• B상 짝: 나머지 저항값이 측정되는 한 쌍 (예: 빨강-파랑) -> L298N의 IN3, IN4 쪽 연결.

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⚠️ 사용 시 주의사항

• 전압/전류: 이 모델(EM-240 계열)은 정격 전압이 낮고 전류 소모가 작을 수 있습니다. L298N으로 구동할 때 모터가 너무 뜨거워진다면 전압을 낮추거나 코드의 delay를 조절해야 합니다.
• 정밀도: 1.8도 스텝 각도를 가지고 있어 위치 제어가 매우 정확합니다. 과학상자 로봇의 팔을 움직이거나 정밀하게 전진/후진할 때 아주 좋습니다.

Python step.py

** 저소음을 기대하고 pwm 를 사용한 코드. 그다지 효과는 없습니다.

Python step_pwm.py

오늘의 프로젝트는 폐하드드라이브 추출 모터 구동 테스트입니다. 결론부터 말씀드리면 ‘절반의 성공, 절반의 실패’입니다. L298N의 전압 강하와 스텝 신호의 한계 때문에 하드디스크 특유의 초고속 회전(7200RPM)을 구현하기엔 역부족이었습니다. 실패를 통해 배운 BLDC 모터의 특성을 공유합니다.

Python spin.py : Test code

1. BLDC vs Stepper: “스핀들 모터는 3상 BLDC 방식이라, 일반적인 H-브리지 드라이버로는 위상 제어가 정교하지 못하다.”
2. L298N의 한계: “L298N은 전압 강하(1.2V∼3V)가 커서 고속 모터에 전력을 밀어주기 힘들다.”

※ ESC 드라이버 원리

하드드라이브 스핀들 모터 테스트에서 왜 L298N이 실패했는지, 그 해답은 바로 **ESC(Electronic Speed Controller, 전자 변속기)**의 작동 원리에 있습니다.

스핀들 모터는 일반적인 모터와 달리 3상 BLDC(Brushless DC) 모터입니다. 이 모터를 돌리려면 단순히 전기를 주는 게 아니라, 아주 정교한 ‘타이밍’이 필요합니다.

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1. ESC의 핵심 역할: “전자식 브러시”

일반 DC 모터는 내부에 물리적인 브러시가 있어 회전할 때 알아서 전극을 바꿔줍니다. 하지만 BLDC(Brushless) 모터는 이름 그대로 브러시가 없습니다. 대신 ESC가 3개의 선(U, V, W)에 번갈아 가며 전류를 흘려 가상의 회전 자기장을 만들어줍니다.

2. 작동 원리 (3상 제어)

ESC는 내부의 MCU와 MOSFET을 사용해 다음 과정을 초고속으로 수행합니다.

1. 전류 스위칭: 3개의 코일에 120∘씩 위상차를 두고 전류를 공급합니다. (U→V, V→W, W→U 방식)
2. 역기전력(Back-EMF) 감지: 모터가 돌 때 발생하는 미세한 전기를 감지하여, 현재 자석(로터)이 어디쯤 있는지 파악합니다. (센서리스 방식)
3. 피드백 루프: 자석의 위치에 딱 맞춰서 다음 코일에 전기를 흘려줍니다. 이 타이밍이 어긋나면 모터가 덜덜거리기만 하고 돌지 않습니다.

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3. 왜 L298N으로는 제 성능이 안 났을까?

‘제 속도가 안 나는 현상’의 기술적인 이유는 이렇습니다.

• 제어 방식의 한계: L298N은 단순히 전압을 줬다 뺐다 하는 H-브리지 방식입니다. 스핀들 모터처럼 수천 RPM으로 도는 모터의 ‘역기전력’을 계산해서 타이밍을 맞추는 기능이 없습니다.
• 스위칭 속도: HDD 모터는 7,200RPM 이상으로 돕니다. 이를 위해선 초당 수천 번 전극을 바꿔야 하는데, 일반적인 코딩(Soft PWM)이나 L298N의 반응 속도로는 이 속도를 따라갈 수 없습니다.
• 전압 강하: L298N 내부의 바이폴라 트랜지스터는 열로 에너지를 많이 소비하여, 모터에 충분한 전류를 전달하지 못합니다.

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4. ESC를 쓰면 달라지는 점

만약 저가형 알리발 ESC(예: HW-30A 등)나 전용 BLDC 드라이버 칩을 사용하시면:

1. 자동 타이밍: 모터의 회전 위치를 스스로 파악해 최적의 효율로 밀어줍니다.
2. 고속 회전: 하드디스크 특유의 “키이이잉~” 하는 고주파 소리와 함께 초고속 회전을 볼 수 있습니다.
3. 간편한 제어: 마이크로파이썬에서 PWM 신호(서보모터와 동일한 방식) 하나만 보내면 속도 조절이 끝납니다.

5. “L298N은 스핀들 모터의 ‘눈(역기전력 감지)’ 역할을 못 해주기 때문에 눈 감고 달리는 것과 같다”

※ pc팬에 있는 자기장 홀센서를 달아서 회전수를 측정해서 u,w,v 변환속도를 조절하게 하면 되지 않을까?

이론적으로는 맞지만 실제로 고급 BLDC 모터들은 **홀 센서(Hall Effect Sensor)**를 내부에 3개 달아서 자석의 위치를 정확히 파악하고 전기를 넣어줍니다. 이를 ‘센서드(Sensored) BLDC’ 방식이라고 합니다.

1. 왜 가능하지만 어려운가?

1) 속도의 장벽 (CPU의 한계) HDD 모터는 보통 7,200 RPM입니다. 초당 120바퀴를 돌죠.

• 3상 제어를 하려면 한 바퀴 돌 때 전극을 6번 바꿔줘야 합니다. (120×6=720번/초)
• 홀 센서 신호를 받아서(Interrupt), 계산하고, L298N에 신호를 쏘는 이 과정을 1.3ms(밀리초) 안에 완벽하게 끝내야 합니다.
• 마이크로파이썬은 인터프리터 방식이라 이 정도 속도로 실시간 피드백을 처리하면 타이밍이 조금만 어긋나도 모터가 “드르륵” 하며 멈춰버립니다.

2) 홀 센서 배치(정렬) 문제 PC 팬은 이미 센서가 최적의 위치에 고정되어 있지만, 하드디스크 모터는 센서가 없습니다.

• 홀 센서를 120∘ 간격으로 아주 정밀하게 배치해야 합니다. 1mm만 틀어져도 위상(Phase)이 꼬여서 효율이 떡락하거나 열만 발생합니다.

3) L298N의 느린 응답속도 L298N 내부의 소자(Bipolar Transistor)는 켜고 꺼지는 속도가 최신 MOSFET에 비해 느립니다. 고속 스위칭을 하려고 하면 신호가 뭉개져서 모터에 제대로 된 힘을 전달하지 못합니다.

※ 홀센서 3개나 달 필요없이 하나만 달아도 회전수는 나오니까 회전수에 비례해서 u,w,v 전환속도만 올려주면 되지 않을까?

1. 회전수만 알면 안 되는 이유: “타이밍(Phase)”

모터가 도는 속도를 알아서 그에 맞춰 전극 전환 속도($Hz$)를 올리는 건 가능합니다. 하지만 자석이 지금 어디 있는지 모르면 이런 상황이 발생합니다.

• 최악의 시나리오: 자석이 코일 앞에 딱 왔을 때 밀어줘야 하는데, 타이밍이 안 맞아서 자석을 뒤에서 잡아당기는 위치에서 전기를 주게 될 수도 있습니다.
• 결과: 모터가 회전력을 얻는 게 아니라, 서로 밀고 당기다가 진동만 커지고 열이 나면서 멈춰버립니다(탈조 현상).

2. 홀센서 1개의 한계

홀센서가 1개라면 “한 바퀴 도는 데 10ms 걸렸네?”라는 건 알 수 있지만, 지금 이 순간 자석이 U번 코일에 있는지 V번 코일에 있는지는 알 수 없습니다.

• 3개일 때: 각 센서가 $120^\circ$ 마다 신호를 주므로, “지금 자석이 V번 통과했으니 U번에 전기를 줘!”라고 실시간 지시가 가능합니다.
• 1개일 때: “방금 자석이 지나갔어! 근데 그다음은… 음… 아마 이 속도면 지금쯤 V번 근처겠지?”라고 추측해서 전기를 줘야 합니다.

[Image showing the 6-step commutation sequence of a BLDC motor compared to a single hall sensor pulse]

3. “오픈 루프” 가속 방식 (Open-loop Acceleration)

사실 주인장님이 말씀하신 방식은 실제 산업 현장에서도 씁니다. 센서 없이 일단 박자에 맞춰서 억지로 돌리는 방식이죠.

1. 낮은 주파수에서 모터를 강제로 부들부들 떨게 하며 출발시킵니다.
2. 모터가 박자를 타기 시작하면 서서히 주파수를 올립니다.
3. 문제점: 조금만 속도를 빨리 올리거나 부하가 걸리면 박자를 놓치고(탈조) 바로 멈춥니다.

🚀 시도해볼 만한 코드 로직 (MicroPython)

만약 정말 해보고 싶으시다면, 홀센서 1개를 Interrupt로 잡아서 **’한 바퀴 도는 시간(T)’**을 계산한 뒤, 다음 바퀴에서 T/6 시간마다 전극을 바꾸는 코드를 짜볼 수는 있습니다.

Python

※ 보다 빠른 아두이노 C 언어로 짜면 좀 더 나을까?

1. C언어로 짜면 나아지는 점 (Software 측면)

• 인터럽트 속도: 센서 신호가 들어오자마자 반응하는 속도가 파이썬보다 수십 배 빠릅니다.
• 직접 제어: digitalWrite 대신 레지스터를 직접 건드리는 방식을 쓰면 나노초(ns) 단위로 전극을 바꿀 수 있어 박자를 놓칠 확률이 줄어듭니다.
• 정밀 타이밍: micros() 함수를 이용해 자석의 위치를 훨씬 정교하게 예측할 수 있습니다.

2. 하지만 여전히 안 되는 이유 (Hardware 측면)

문제는 L298N 드라이버 자체에 있습니다.

• 스위칭 손실 (Heat): L298N은 구식 바이폴라 트랜지스터 방식이라, 고속으로 켰다 껐다 하면 내부 저항 때문에 엄청난 열이 발생하고 전압이 깎입니다. 모터에 충분한 에너지가 전달되지 않습니다.
• 역기전력(Back-EMF) 처리 불가능: 7,200 RPM으로 돌면 모터에서 엄청난 역전기가 발생합니다. 전용 ESC는 이 전기를 활용하거나 제어하는데, L298N은 이를 그냥 열로 태워버리거나 칩이 타버릴 수 있습니다.
• 위상 전환의 한계: 최고 속도에 도달하려면 단순히 전기를 주는 게 아니라, 회전 속도에 맞춰 전기를 주는 시점을 앞당기는 ‘진각(Timing Advance)’ 제어가 필요한데, 이걸 생으로 코딩하는 건 거의 박사 학위 수준의 난이도입니다.

※ 최종결론: “돌릴 수는 있으나 제 성능을 발휘하려면 전용 ESC(전자 변속기)나 전용 드라이버 칩이 필요하다”

ESP32-C3는 뛰어난 가성비와 RISC-V 아키텍처, 그리고 강력한 내장 WiFi/Bluetooth 기능으로 많은 메이커의 사랑을 받고 있습니다. 하지만 실제 프로젝트 하다 보면 한계에 부딪히곤 합니다.

“벽 하나만 통과해도 끊기는 WiFi 거리, 배터리를 순식간에 갉아먹는 전력 소모까지…”

이런 고민을 해결하기 위해 우리는 ESP32-C3의 내장 기능을 넘어 외부 무선 전용 모듈로 눈을 돌려야 합니다. 오늘 포스팅에서는 ESP32-C3의 적은 핀으로도 효율적으로 연결할 수 있는 CC1101, CC1120, CC1200, LoRa, 그리고 CC1310까지, 5종의 무선 모듈을 전격 비교해 보겠습니다. 내 프로젝트에 ‘딱’ 맞는 무선 솔루션은 무엇일까요? 지금 바로 확인해 보시죠.

** 무선 모듈 5종 스펙 비교 (ESP-NOW vs Sub-1GHz)

프로젝트의 성패는 내 상황에 맞는 ‘주파수’와 ‘칩셋’을 고르는 데 있습니다. 속도가 중요한 영상 전송인지, 거리가 중요한 원격 제어인지 아래 표를 통해 확인해 보세요.

[한눈에 보는 무선 모듈 비교표]

항목	ESP-NOW (내장)	CC1101	CC1120 / CC1200	LoRa (SX1276)	CC1310
주요 주파수	2.4GHz	433 / 868 / 915MHz	433 / 868 / 915MHz	433 / 915MHz	433 / 868 / 915MHz
최대 속도	~4 Mbps (매우 빠름)	~600 kbps	~1 Mbps	~37.5 kbps (매우 느림)	~4 Mbps
통신 거리	약 100~200m	약 300~500m	약 1km 이상	최대 5~10km	약 1km 이상
소비 전력	높음 (80~300mA)	매우 낮음 (15~30mA)	낮음 (20~40mA)	낮음 (10~20mA)	낮음 (15~30mA)
특징	추가 비용 없음	가성비 최고, 입문용	고성능, 신뢰성 위주	초장거리, 저속 데이터	멀티 프로토콜 지원

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** 모듈별 상세 분석: 내 프로젝트에는 무엇이 좋을까?

① ESP-NOW: “추가 비용 제로, 빠른 속도”

ESP32-C3 내장 WiFi 기능을 활용합니다. 별도의 모듈 연결이 필요 없어 회로가 깔끔합니다.

• 장점: 속도가 빨라 저해상도 이미지 전송이 가능합니다.
• 단점: WiFi 대역(2.4GHz)을 써서 장애물(벽)에 약하고 전기를 많이 먹습니다.

② CC1101: “가성비와 저전력의 교과서”

가장 대중적인 Sub-1GHz 모듈입니다.

• 장점: 가격이 저렴하고 ESP32-C3의 3.3V 핀으로도 충분히 구동됩니다. 조종기 배터리를 오래 쓰고 싶을 때 최고의 선택입니다.
• 단점: 거리가 LoRa만큼 길지는 않습니다.

③ CC1120 / CC1200: “전문가급 성능과 신뢰성”

CC1101의 상위 버전으로, 통신 신뢰성이 매우 높습니다.

• 장점: 데이터 전송 속도가 빠르면서도 수신 감도가 좋아 장애물 투과력이 뛰어납니다. 산업용 로봇 제어에 적합합니다.

④ LoRa (SX127x): “거리에 모든 것을 걸었다”

속도를 포기하는 대신 거리를 극한으로 끌어올린 방식입니다.

• 장점: 수 킬로미터 밖에서도 명령을 전달할 수 있습니다.
• 단점: 속도가 너무 느려 실시간 조이스틱 반응이 약간 답답할 수 있고, 영상 전송은 절대 불가능합니다.

⑤ CC1310: “차세대 무선 통신의 올인원”

강력한 성능의 SoC(System on Chip) 기반 모듈입니다.

• 장점: Sub-1GHz 대역임에도 불구하고 매우 빠른 전송 속도를 자랑합니다. 저전력과 고속 통신 두 마리 토끼를 잡고 싶을 때 선택합니다.

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** 핵심 요약: 선택 가이드

• “돈 안 들이고 근거리에서 로봇을 조종하고 싶다” → ESP-NOW
• “조종기 배터리가 오래가야 하고 전선 연결이 간편해야 한다” → CC1101
• “로봇이 보이지 않는 아주 먼 곳까지 보내고 싶다” → LoRa
• “데이터 양도 많고 거리도 포기할 수 없다” → CC1200 / CC1310

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** ESP32-C3와 CC1101을 연결하는 회로도와 마이크로파이썬 예제 코드를 통해 무선 통신을 직접 구현해 보겠습니다!

CC1101 433MHz 무선 모듈은 TI(Texas Instruments) 사의 칩을 기반으로 한 RF 송수신 장치입니다. 로봇카를 조종하거나 멀리 떨어진 센서의 데이터를 받을 때 아주 유용합니다.

SMA(안테나 커넥터) 모델은 교체 가능한 안테나를 달 수 있어, 일반 스프링 안테나보다 **훨씬 긴 전송 거리(최대 300~500m 이상)**를 확보할 수 있는 상급 모델입니다.

1. 주요 특징 및 용도

• 트랜시버(Transceiver): 송신과 수신이 모두 가능합니다. 로봇에 달면 명령을 받을 수도 있고, 현재 배터리 상태(INA219 값)를 나에게 다시 보낼 수도 있습니다.
• 강력한 투과력: 2.4GHz(WiFi/Bluetooth)보다 주파수가 낮은 433MHz 대역을 써서 벽이나 장애물을 훨씬 잘 통과합니다.
• SMA 안테나: 돌려서 끼우는 방식의 안테나를 사용합니다. 안테나를 큰 것으로 바꾸면 도달 거리가 수 킬로미터까지 늘어나기도 합니다.

2. 하드웨어 연결 (ESP32-C3와 SPI 통신)

CC1101은 SPI 인터페이스를 사용합니다. ESP32-C3와 다음과 같이 연결하세요.

CC1101 핀	ESP32-C3 핀	설명
VCC	3.3V	주의: 5V 금지 (칩 타버림)
GND	GND	공통 접지
SCK	Pin 4	SPI Clock
MISO(GDO1)	Pin 5	SPI Master In (데이터 받기)
MOSI	Pin 6	SPI Master Out (데이터 보내기)
CSN	Pin 7	Chip Select (장치 선택)
GDO0	Pin 2	데이터 수신 알림용 (인터럽트)

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3. 마이크로파이썬 사용 방법

마이크로파이썬에서 CC1101을 제어하려면 SPI 라이브러리를 사용해야 합니다.

Python

꿀팁: CC1101은 설정할 레지스터가 수십 개로 매우 복잡합니다. 직접 코딩하기보다는 GitHub에서 micropython-cc1101 라이브러리를 다운로드하여 사용하는 것을 강력 추천합니다.

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4. 주의사항 (사용 전 필독!)

1. 안테나 미연결 금지: 안테나(SMA)를 끼우지 않은 상태에서 전원을 넣고 **송신(Transmit)**을 하면, 밖으로 나가지 못한 전파 에너지가 칩으로 되돌아와 모듈이 타버릴 수 있습니다. 반드시 안테나를 먼저 조립하세요.
2. 전압 주의: CC1101은 3.3V 전용입니다. 보조배터리 12V를 직접 연결하면 안 되며, 반드시 ESP32-C3의 3.3V 출력 핀이나 별도의 강압 회로를 거쳐야 합니다.
3. 법적 규제: 433MHz 대역은 국내에서 출력과 사용 용도에 제한이 있을 수 있습니다. 취미용 로봇 제어(소출력)는 괜찮지만, 너무 큰 안테나로 출력을 높여 다른 통신을 방해하지 않도록 주의해야 합니다.

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** CC1101의 상급(상위) 제품군

CC1101이 “가성비 보급형”이라면, 더 먼 거리나 더 정밀한 통신을 위한 상위 모델들이 있습니다.

상위 모델	특징 및 차이점	추천 용도
CC1120	성능 라인 (Performance Line). CC1101보다 수신 감도가 훨씬 좋아 통신 거리가 비약적으로 깁니다.	1km 이상의 장거리 통신
CC1200	최신 고속 라인. 데이터 전송 속도가 최대 1Mbps로 빠르고, 최신 무선 표준(802.15.4g)을 지원합니다.	고성능 로봇 제어 및 데이터 전송
LoRa (SX1276/78)	장거리 끝판왕. CC1101과 같은 대역을 쓰지만 기술 방식이 달라 수 킬로미터(10km+) 전송이 가능합니다.	산악 지형이나 초장거리 무선 조종
CC1310 (SoC)	두뇌 통합형. CC1101 기능에 ARM Cortex-M3 CPU가 합쳐진 칩입니다. 별도의 ESP32 없이 이 칩 하나로 로봇 제어와 무선을 다 합니다.	초소형/저전력 통합 시스템

전송 속도 및 영상/소리 가능 여부 비교

모델명	최대 전속 속도	영상 전송 가능 여부	소리(음성) 전송 가능 여부
CC1101	약 600 kbps	불가능 (초당 0.1프레임 미만)	매우 낮은 음질 (무전기 수준 이하)
CC1120	약 200 kbps	불가능	불가능
CC1200	약 1,000 kbps (1Mbps)	초저해상도 스틸컷 가능	무전기 수준 (64kbps 이하)
LoRa (SX1276)	약 37.5 kbps	절대 불가능	불가능
CC1310	약 4,000 kbps (4Mbps)	아주 거친 흑백 영상 가능	가능 (단, 프로그래밍 매우 어려움)

[ESP32-C3 상태별 소비전력 비교 (평균)]

상태 (Mode)	평균 전류 (mA)	전력 (3.3V 기준)	특징
CPU Only (RF Off)	약 20 ~ 25mA	~80mW	WiFi/BT를 완전히 끄고 연산만 할 때
WiFi Active (TX)	약 190 ~ 335mA	~1W	영상 스트리밍, 데이터 업로드 중 (피크치 높음)
WiFi Active (RX)	약 80 ~ 90mA	~280mW	데이터 수신 대기 중
ESP-NOW (Active)	약 70 ~ 120mA	~300mW	직접 통신 중 (WiFi보다 오버헤드가 적음)
Modem-sleep	약 15 ~ 20mA	~50mW	WiFi 연결은 유지하되 무선 회로만 잠시 끔
Deep-sleep	약 5 ~ 10µA	~0.03mW	타이머 외 모든 기능 정지 (초절전)

[CC1101 소비전력 상세 (3.3V 기준)]

상태 (Mode)	소비 전류 (mA)	비고
송신 (TX)	약 12 ~ 30mA	출력 설정(-30dBm ~ +10dBm)에 따라 다름
수신 (RX)	약 15 ~ 17mA	데이터가 오길 기다리는 상태
대기 (Idle)	약 1.7mA	회로는 켜져 있으나 송수신 안 함
절전 (Sleep)	약 0.2 ~ 0.4µA	초절전 상태. 거의 0에 가까움

1. ESP-NOW vs CC1101 전력 비교

로봇카 제어 신호를 주고받을 때, 무선 모듈 자체의 전력 소모 차이는 어마어마합니다.

• ESP-NOW (C3 내장 WiFi 활용): 수신 대기 시에도 최소 80mA 이상 소모.
• CC1101: 수신 대기 시 15mA 내외 소모.
• 결론: 무선 통신만 놓고 보면 CC1101이 ESP-NOW보다 약 5~6배 더 배터리에 유리합니다.

2. 왜 이렇게 차이가 날까요?

• 주파수의 특성: 2.4GHz(WiFi)는 초당 처리해야 할 데이터 양이 많고 회로가 복잡해 기본 전력이 많이 듭니다. 반면 433MHz 대역을 쓰는 CC1101은 구조가 단순하고 저속 통신에 최적화되어 있습니다.
• 프로토콜의 가벼움: WiFi는 통신을 유지하기 위해 뒤에서 계속 패킷을 주고받아야 하지만, CC1101은 평소엔 완전히 잠들어 있다가 필요할 때만 찰나의 순간에 전기를 쓰고 다시 잠들 수 있습니다.

1. 스텝모터 3종 토크 비교표

모델명	최대 토크 (Holding Torque)	크기 (두께)	특징
17HS4401	약 40 ~ 45 N·cm	40mm (표준)	가장 강력함.
17HS4023	약 14 ~ 15 N·cm	23mm (슬림)	가벼움.
28BYJ-48	약 3 ~ 4 N·cm	19mm (원형)	매우 약함. 내부 감속기가 있어 느림

2. 상세 분석

① 17HS4401 (대장급)

• 힘: 세 모델 중 압도적으로 강합니다.
• 조합: TMC2209 드라이버의 성능을 100% 끌어낼 수 있습니다.

② 17HS4023 (경량급)

• 힘: 17HS4401의 약 1/3 수준입니다.
• 용도: 로봇 팔에 쓰인다면 맨 끝에 달리는 그리퍼(집게) 부분에 쓰기 좋습니다. 끝부분이 무거우면 아래쪽 모터들이 힘들어하기 때문입니다.

③ 28BYJ-48 (초미니급)

• 힘: 17HS4401의 약 1/10 수준밖에 안 됩니다.
• 주의점: 이 모터는 아두이노 입문용으로 유명하지만, 내부에 플라스틱 기어가 들어있어 무거운 걸 억지로 돌리면 기어가 갈려버릴 수도 있습니다. 전압도 보통 5V나 12V 전용이라 TMC2209와 궁합을 맞추기도 까다롭습니다.

** NEMA 17 모터(특히 17HS4401)를 돌리기 위해 가장 많이 쓰이는 드라이버 4종을 비교해 드릴게요.

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1. 모터 드라이버 4종 비교표

모델명	최대 전류 (Peak)	마이크로스테핑	소음 수준	주요 특징
A4988	2.0A	1/16	매우 큼	가장 저렴함, 입문용 표준
DRV8825	2.5A	1/32	큼	높은 전압(45V) 견딤, 강한 힘
TMC2208	2.0A	1/256	매우 조용	스텔스촙(저소음) 기술의 시작
TMC2209	2.8A	1/256	최고로 조용	센서리스 홈밍, 낮은 발열

2. 드라이버별 상세 특징

① A4988 (가성비 끝판왕)

• 장점: 가격이 매우 저렴하고 설정이 단순합니다. 고장 나도 부담이 없습니다.
• 단점: 모터가 돌 때 “삐~” 하는 고주파 소음과 진동이 심합니다.
• 추천: 소음 상관없이 일단 저렴하게 구동해보고 싶을 때 사용하세요.

② DRV8825 (고전압/고출력)

• 장점: A4988보다 조금 더 큰 전류를 흘릴 수 있고, 32분주(1/32)를 지원해 움직임이 조금 더 부드럽습니다.
• 단점: 여전히 소음이 있고, 전류 설정(Vref)이 조금 까다롭습니다.

③ TMC2208 (조용한 사무실용)

• 장점: 모터 소리가 거의 안 들릴 정도로 조용해집니다. (StealthChop2 적용)
• 단점: 방열판을 제대로 안 붙이면 열이 많이 나서 멈출 수 있습니다.

④ TMC2209 (로봇 팔 최적의 선택)

• 장점: 2208보다 힘(전류)이 더 좋고 발열은 적습니다. 특히 StallGuard(센서리스 홈밍) 기능이 있어, 로봇 팔이 끝까지 가서 부딪히면 스스로 멈추게 설정할 수 있습니다. (별도의 스위치가 필요 없음)
• 단점: 다른 드라이버들에 비해 가격이 가장 비쌉니다.

** ESP32-C3 와 TMC2209 연결시 주의사항

1. 전압 차이 주의 (3.3V vs 5V)

• ESP32-C3: 신호선 전압이 3.3V입니다.
• 드라이버(TMC2209 등): 보통 로직 전압으로 3.3V와 5V를 모두 지원하지만, 모터를 돌리는 주 전원(VM)은 12V~24V를 따로 넣어줘야 합니다.
• 주의: ESP32-C3의 핀에 실수로 12V 전원이 닿으면 보드가 즉사하므로 배선할 때 전원 분리를 확실히 해야 합니다.

2. TMC2209와의 찰떡궁합: UART 제어

ESP32-C3는 핀 수가 적은 편이지만, UART 통신을 지원합니다. TMC2209 드라이버를 UART 모드로 연결하면 다음과 같은 엄청난 장점이 생깁니다.

• 소프트웨어로 전류 조절: 드라이버의 가변저항을 드라이버로 돌릴 필요 없이, 코딩으로 모터 힘(전류)을 조절할 수 있습니다.
• 세밀한 설정: StealthChop(저소음)과 SpreadCycle(고출력) 모드를 상황에 따라 실시간으로 바꿀 수 있습니다.

3. 추천 배선 전략

ESP32-C3는 핀(GPIO) 개수가 제한적이므로 효율적으로 나눠 써야 합니다.

• STEP / DIR 핀: 각 모터당 2개의 핀이 필요합니다. (3축 로봇 팔이면 6개 사용)
• UART 핀: 한 개의 UART 채널로 여러 개의 TMC2209를 묶어서 제어할 수 있습니다. (주소 설정 방식)
• 전원: 12V 5A 이상의 **SMPS(전원 공급 장치)**를 사용해 모터에 힘을 실어주고, ESP32-C3용으로는 5V 강압 회로(Buck Converter)를 쓰는 것이 가장 안정적입니다.

** STEP/DIR, UART

쉽게 비유하자면 **Step/Dir은 ‘운전대와 액셀’**이고, **UART는 ‘차량 설정 메뉴(내비게이션 설정)’**라고 보시면 됩니다.

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1. Step / Dir (실시간 주행 신호)

모터를 실제로 움직이게 만드는 **’실시간 명령’**입니다.

• Step (발걸음): 이 핀에 신호(Pulse)를 한 번 줄 때마다 모터가 한 칸(Step) 움직입니다. 신호를 빨리 주면 모터가 빨리 돌고, 천천히 주면 느리게 돕니다.
• Dir (방향): 이 핀에 신호를 넣느냐(High) 빼느냐(Low)에 따라 시계 방향으로 돌지, 반시계 방향으로 돌지가 결정됩니다.

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2. UART (스마트한 관리 및 설정)

TMC2209의 똑똑한 기능들을 **’프로그래밍’**으로 제어하기 위한 통신로입니다. 원래 드라이버들은 드라이버로 나사를 돌려서 전류를 맞추거나 점퍼선을 꽂아야 했는데, UART가 있으면 코딩으로 다 해결됩니다.

• 전류 제어: “지금은 로봇 팔이 물건을 안 들고 있으니까 전류를 낮춰서 열을 식히자” 같은 명령이 가능합니다.
• 모드 변경: “지금은 정밀해야 하니까 StealthChop(저소음) 모드로 해” 혹은 “지금은 힘이 세야 하니까 SpreadCycle 모드로 바꿔”라고 지시할 수 있습니다.
• 상태 모니터링: “지금 모터가 막혔어(Stall)?” 혹은 “드라이버가 너무 뜨거워?” 같은 정보를 ESP32-C3가 물어보고 답변을 받을 수 있습니다.

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3. 두 핀을 같이 쓰는 이유

로봇 팔을 만들 때는 보통 두 방식을 병행합니다.

1. 동작은 Step/Dir로: AccelStepper 같은 라이브러리를 써서 부드럽게 가속/감속하며 움직입니다.
2. 설정은 UART로: 처음에 전원이 켜질 때 모터의 힘(전류)을 설정하거나, 센서리스 홈밍(부딪히면 멈추기) 민감도를 설정할 때 사용합니다.

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💡 팁: ESP32-C3에서 UART 연결 시

TMC2209 한 개당 UART 핀 하나씩 다 연결할 필요가 없습니다. UART 핀 하나에 저항을 이용해서 여러 대의 드라이버를 병렬로 연결하고, 소프트웨어에서 각 드라이버의 ‘주소(Address)’를 지정해 호출하는 방식을 주로 씁니다. (핀 아끼기에 최고죠!)

4종류의 드라이버 중에서 **소프트웨어(코딩)로 설정을 주무를 수 있는 건 TMC2209(및 TMC2208)**뿐입니다.

나머지 구형 드라이버들과 어떻게 다른지 비교해 보면 왜 TMC2209가 ‘똑똑한 드라이버’인지 확실히 알 수 있습니다.

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1. 설정 방식의 결정적 차이

드라이버 모델	설정 방식 (전류/옵션)	특징
A4988 / DRV8825	하드웨어 수동 설정	드라이버 위의 아주 작은 **나사(가변저항)**를 드라이버로 돌려서 전류를 맞춰야 합니다. (돌리다 삑끗하면 드라이버가 타버리기도 합니다.)
TMC2208 / TMC2209	UART 통신 설정	ESP32-C3에서 코드를 전송해 전류값(mA)을 숫자로 입력할 수 있습니다. 나사를 돌릴 필요가 없습니다.

2. UART가 없으면 겪는 불편함 (구형 드라이버)

A4988이나 DRV8825 같은 드라이버는 ‘말을 못 알아듣는 장치’와 같습니다.

• 전류 변경 불가: 로봇 팔이 빈 손일 때와 무거운 물건을 들었을 때 모터 힘을 다르게 하고 싶어도, 하드웨어적으로 고정되어 있어 불가능합니다.
• 모드 고정: 저소음 모드나 고출력 모드를 상황에 맞춰 바꿀 수 없고, 점퍼 와이어를 일일이 뺏다 꽂았다 해야 합니다.

3. TMC2209 UART만의 “필살기”

다른 드라이버에는 아예 없고, TMC2209를 UART로 연결했을 때만 쓸 수 있는 기능이 있습니다.

• 실시간 자가 진단: 모터가 과열되었는지, 선이 끊어졌는지 ESP32-C3가 UART로 물어보고 에러 메시지를 띄울 수 있습니다.
• 센서리스 홈밍 (StallGuard): 로봇 팔이 물리적인 벽에 부딪혀서 모터에 부하가 걸리면, UART를 통해 “지금 부딪혔어!”라고 신호를 줍니다. 덕분에 리미트 스위치(센서) 없이도 로봇 팔의 시작 위치를 잡을 수 있습니다.

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💡 정리하자면

“TMC2209는 명령을 알아듣는 지능형 드라이버이고, 나머지는 시키는 대로 전기만 흘려주는 단순형 드라이버“라고 이해하시면 됩니다.

ESP32-C3를 사용하신다면 핀 개수가 적기 때문에, UART를 통해 여러 개의 TMC2209를 묶어 관리하는 방식이 하드웨어 구성 면에서도 훨씬 깔끔하고 강력합니다.

** 배선 연결법

ESP32-C3와 TMC2209를 UART 방식으로 연결하는 방법은 일반적인 통신 연결보다 조금 독특합니다. TMC2209는 단일 선(Single-line) UART를 사용하기 때문에, ESP32-C3의 TX와 RX를 하나로 묶어주는 과정이 필요합니다.

가장 표준적이고 안정적인 1kΩ 저항을 이용한 연결법을 알려드릴게요.

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1. UART 회로 연결 (핵심)

TMC2209의 PDN_UART 핀 하나를 통해 데이터를 주고받기 위해 다음과 같이 배선합니다.

• ESP32-C3 TX (GPIO 21) → 1kΩ 저항 → TMC2209 PDN_UART 핀
• ESP32-C3 RX (GPIO 20) —————-→ TMC2209 PDN_UART 핀에 직접 연결

왜 저항을 쓰나요? > ESP32-C3가 데이터를 보낼 때(TX)와 받을 때(RX) 신호가 충돌하는 것을 방지하기 위함입니다. 이 저항 덕분에 선 하나로 양방향 대화가 가능해집니다.

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2. 전체 핀 배선도 (ESP32-C3 기준)

로봇 팔의 모터 하나를 제어하기 위한 전체 연결도입니다.

TMC2209 핀	연결 대상 (ESP32-C3 / 전원)	비고
VCC (또는 VDD)	ESP32-C3 3.3V	로직 전원
GND	공통 GND	모든 전원의 마이너스를 하나로 묶음
VM (또는 Vmotor)	12V ~ 24V (+) 전원	모터 구동용 (SMPS)
PDN_UART	GPIO 20 & 21 (저항 거침)	UART 설정 통신용
STEP	GPIO 0	회전 신호 (펄스)
DIR	GPIO 1	방향 신호 (High/Low)
EN (Enable)	GPIO 7	모터 잠금/해제 제어

** 1 N⋅cm 의 의미

1. 토크 단위 읽는 법

• 표기: 1 N·cm
• 읽는 법: 1 뉴턴 센티미터
• 실제 의미: 모터 축 중심에서 1cm 떨어진 지점에 약 102g의 추를 달았을 때, 모터가 버틸 수 있는 회전력입니다.

2. 우리가 비교한 모터들의 힘 (한눈에 보기)

가장 중요한 **’버티는 힘(토크)’**을 다시 깔끔하게 정리해 드릴게요.

모터 모델	토크 (힘)	비유 (사과 1개 ≈ 100g)
17HS4401	45 N·cm	1cm 거리에서 사과 약 45개를 들어 올림
17HS4023	14 N·cm	1cm 거리에서 사과 약 14개를 들어 올림
28BYJ-48	3 N·cm	1cm 거리에서 사과 약 3개를 겨우 들어 올림

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3. 로봇 팔 길이에 따른 실제 무게 계산 (중요!)

로봇 팔이 길어지면 지레의 원리 때문에 들 수 있는 무게가 줄어듭니다.

• 팔 길이가 10cm라면?
  • 17HS4401: 약 460g까지 버팀 (사과 4.5개)
  • 17HS4023: 약 140g까지 버팀 (사과 1.4개)
  • 28BYJ-48: 약 30g까지 버팀 (방울토마토 몇 개 수준)

** 모터별 소비전력 및 특징 비교

항목	28BYJ-48 (소형)	17HS4023 (슬림)	17HS4401 (표준)
정격 전압	5V / 12V (모델별 상이)	약 3.5V (드라이버 제어)	약 3.6V (드라이버 제어)
정격 전류	약 0.2A ~ 0.3A	1.0A	1.5A ~ 1.7A
권장 전력 (W)	약 1W ~ 3W	약 4W ~ 8W	약 6W ~ 15W
주요 용도	가벼운 장식, 정밀 회전	소형 로봇 (추천)	3D 프린터, 대형 로봇
토크(힘)	매우 약함 (기어비 의존)	중간 (메카넘 휠 적합)	강함 (무겁고 전력 많이 먹음)

** 모터별 최고 회전속도 및 특성 비교

구분	28BYJ-48 (소형)	17HS4023 (슬림)	17HS4401 (표준)
최고 속도 (RPM)	약 15 ~ 25 RPM	약 600 ~ 1,000 RPM	약 600 ~ 1,200 RPM
실용 속도 (RPM)	약 10 ~ 15 RPM	약 300 ~ 500 RPM	약 300 ~ 600 RPM
속도 한계 원인	내장된 감속 기어	슬림한 몸체의 낮은 토크	고속 시 역기전력 발생
주행 체감	매우 느림 (거북이 수준)	적당함 (일반 로봇카)	빠름 (파워풀한 주행)

왜 MCP23017이 GPIO 확장의 “새로운 강자”인가?

PCF8575가 **’가성비와 간편함’**으로 승부했다면, MCP23017은 **’정밀 제어와 압도적 확장성’**으로 중무장한 모듈입니다.

1. “저항 16개를 아껴주는 마법” (내부 풀업)

가장 큰 강점은 소프트웨어 설정만으로 내부 풀업 저항을 켤 수 있다는 점입니다. 16개의 버튼을 연결할 때 일일이 저항을 납땜할 필요가 없어, 회로 설계 시간을 획기적으로 줄여줍니다.

2. “I2C 핀 2개로 128개 제어” (주소 설정)

$A0, A1, A2$ 주소 핀을 조합하면 한 회로에 최대 8개의 MCP23017을 병렬로 물릴 수 있습니다. 이는 곧 단 2개의 핀으로 128개의 입출력을 다스릴 수 있다는 뜻입니다. 88건반 피아노를 만들고도 40개의 핀이 남는 압도적인 성능이죠.

3. “0.001초의 차이를 읽어내는 인터럽트”

단순히 핀이 많은 게 다가 아닙니다. 어떤 핀에 신호가 들어왔는지 MCU(ESP32 등)에 즉시 알려주는 인터럽트 기능이 강력하여, 전자 피아노의 건반 강약(Velocity)처럼 정밀한 시간 측정이 필요한 프로젝트에 최적화되어 있습니다.

** GPIC 확장 모듈 MCP23017 을 테스트 하면서 먼저 막히는 부분이였던게 scl , sda , vdd, gnd 4개 만 연결해도 코드는 작동되어야 하지 않나 였습니다.

이론적으로는 SDA, SCL, VDD, GND 4개만 연결해도 통신은 되어야 할 것 같지만, MCP23017은 좀 까다로운 녀석이라 꼭 추가로 연결해줘야 하는 핀들이 있습니다.

이걸 안 하면 I2C 스캔조차 안 되거나, 주소가 지멋대로 변해서 코드가 작동하지 않습니다.

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🛠️ 4개 외에 ‘반드시’ 추가 연결해야 할 핀

1. 주소 설정 핀 (A0, A1, A2) → 모두 GND로!

이 핀들을 공중에 띄워두면(Floating), 칩이 자기 주소를 결정하지 못하고 계속 흔들립니다.

• 해결법: A0, A1, A2 핀 3개를 모두 GND에 연결하세요.
• 이렇게 해야 주소가 확실하게 **0x20**으로 고정되어 제가 짜드린 코드가 작동합니다.

2. 리셋 핀 (RESET) → VDD(3.3V)로!

리셋 핀은 ‘Low(GND)’일 때 칩을 초기화합니다. 이 핀을 그냥 두면 칩이 지멋대로 리셋 상태에 빠져서 응답을 안 할 수 있습니다.

• 해결법: **RESET 핀(18번 핀)을 VDD(3.3V)**에 연결해서 “나 지금 리셋 안 할 거야”라고 신호를 줘야 합니다.

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📋 최종 체크리스트 (총 9개 연결)

브레드보드에서 아래 핀들이 다 꽂혀 있는지 확인해보세요!

1. VDD: 3.3V
2. VSS(GND): GND
3. SCL: ESP32-C3의 1번 핀
4. SDA: ESP32-C3의 2번 핀
5. A0: GND (주소 결정)
6. A1: GND (주소 결정)
7. A2: GND (주소 결정)
8. RESET: 3.3V (작동 대기)
9. GND(공통): ESP32의 GND와 MCP23017의 GND가 서로 연결되어 있는지 확인!

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PCF8575는 주소 핀에 기본 풀다운이 되어 있는 경우가 많아 대충 4개만 꽂아도 돌아갔을 수 있지만, MCP23017은 정석대로 주소와 리셋을 잡아줘야 합니다.

특히 A0~A2를 GND에 안 꽂으면 I2C 스캔할 때마다 주소가 0x20이었다가 0x27이었다가 춤을 출 거예요. ㅋ

지금 A0, A1, A2랑 RESET 핀 연결하셨나요? 요거 딱 연결하는 순간 i2c.scan() 결과에 0x20이 예쁘게 찍힐 겁니다! 😊🚀

MCP23017은 아두이노나 라즈베리 파이 같은 마이크로컨트롤러의 부족한 I/O 핀을 확장해주는 아주 고마운 칩입니다. 17HS4401 스텝모터나 여러 부품을 제어하다 보면 핀이 모자랄 때가 많은데, 이때 이 칩 하나로 I2C 통신을 통해 핀 16개를 추가할 수 있습니다.

1. 주요 특징 (왜 쓸까?)

• 16비트 확장: 핀 16개를 입력 또는 출력으로 사용할 수 있습니다. (8개씩 A포트, B포트로 나뉩니다.)
• I2C 통신: 단 2개의 선(SDA, SCL)만 있으면 됩니다.
• 주소 설정 가능: 주소 핀(A0, A1, A2)을 조절해 한 회로에 최대 8개까지 연결할 수 있습니다. (즉, 핀 16×8=128개 확장 가능!)
• 인터럽트 기능: 핀 상태가 변했을 때 MCU에 바로 알려주는 기능이 있어 효율적입니다.

2. 핀 구성 (Pinout)

칩을 보시면 총 28개의 핀이 있는데, 가장 중요한 것만 기억하세요.

• VDD / VSS: 전원 (+5V 또는 +3.3V) 및 그라운드(GND)
• GP A0 ~ A7 / GP B0 ~ B7: 우리가 실제로 제어할 16개의 확장 핀
• SCL / SDA: I2C 통신 핀 (아두이노의 경우 A5, A4 등에 연결)
• RESET: 칩 초기화 (보통 전원에 연결해둡니다)
• A0, A1, A2: 칩의 고유 주소를 정하는 핀 (모두 GND에 연결하면 기본 주소 0x20)

MCP23017 vs PCF8575 비교표

항목	PCF8575 (간편함)	MCP23017 (고성능)
I/O 핀 수	16개	16개 (Port A/B로 구분)
인터럽트	기본 지원 (INT 하나)	강력함 (포트별/핀별 설정 가능)
풀업 저항	내부 고정 (약함)	내부 풀업 소프트웨어 설정 가능
통신 속도	최대 400kHz	최대 1.7MHz (High Speed 모드)
출력 방식	Quasi-bidirectional (전류 약함)	Totem-pole (전류 강함)
설정 레지스터	없음 (데이터만 보냄)	20개 이상의 설정 레지스터 존재
동작 전압	2.5V ~ 5.5V	1.8V ~ 5.5V

1. 출력 능력과 제어 방식 (핵심 차이)

• PCF8575: 핀 하나하나를 ‘입력’인지 ‘출력’인지 따로 선언할 필요가 없습니다. 그냥 쓰면 됩니다. 하지만 핀에서 전류를 밀어내는 힘(Source)이 거의 없어 LED를 켤 때 반드시 Sink 방식을 써야 합니다.
• MCP23017: IODIR 레지스터를 통해 각 핀을 입력/출력으로 명확히 정해줘야 합니다. 대신 Push-Pull(Totem-pole) 구조라 전류 제어 능력이 훨씬 안정적이고 강력합니다.

2. 인터럽트(Interrupt)의 디테일

• PCF8575: 어떤 핀이든 상태가 변하면 신호를 보내지만, ‘어느 핀’이 변했는지는 직접 읽어서 확인해야 합니다.
• MCP23017: 특정 핀이 변했을 때만 인터럽트를 걸거나, 이전 값과 비교해서 변했을 때 등 아주 상세하게 조건을 걸 수 있습니다. 버튼 입력을 많이 받을 때 MCU의 부담을 확 줄여줍니다.

3. 내부 풀업 저항 유무

• PCF8575: 내부 풀업이 매우 약해서 버튼 입력 시 외부 저항이 필요한 경우가 많습니다.
• MCP23017: 소프트웨어 코드(GPPU 레지스터) 한 줄로 100kΩ 내부 풀업을 켤 수 있습니다. 부품 하나라도 아껴야 하는 ‘기술 방어’ 상황에서 최고죠.

** A0, A1, A2 사용법

MCP23017의 A0, A1, A2 핀은 이 칩의 **”주소(Address) 이름표”**를 결정하는 핀입니다. I2C 통신은 한 라인에 여러 개의 칩을 달 수 있기 때문에, 각 칩마다 고유한 주소가 있어야 하는데 이걸 하드웨어적으로 정해주는 역할을 합니다.

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1. 핀 설정에 따른 I2C 주소 변화

MCP23017의 기본 주소는 이진수로 0100[A2][A1][A0]입니다. 핀을 **VCC(3.3V)**에 연결하면 1, GND에 연결하면 0이 됩니다.

A2 연결	A1 연결	A0 연결	16진수 주소 (Hex)	10진수 주소 (Dec)
GND	GND	GND	0x20	32 (가장 기본)
GND	GND	3.3V	0x21	33
GND	3.3V	GND	0x22	34
…	…	…	…	…
3.3V	3.3V	3.3V	0x27	39

⚠️ 주의: 이 핀들을 아무 데도 연결하지 않고 공중에 띄워두면(Floating), 주변 노이즈에 따라 주소가 0x20이었다가 0x27이었다가 멋대로 변합니다. 그래서 반드시 GND나 VCC 중 한 곳에 고정해야 합니다.

2. 왜 이게 필요할까?

LED 32개를 제어하고 싶다면, MCP23017 칩 2개를 준비한 뒤 이렇게 하면 됩니다.

1. 1번 칩: A0, A1, A2를 모두 GND에 연결 → 주소 0x20
2. 2번 칩: A0만 3.3V에 연결, 나머지는 GND → 주소 0x21
3. 코드: I2C(0x20)에 명령 보내고, 이어서 I2C(0x21)에 명령 보내면 끝!

3. 배선과 LED 테스트

python mcp23017.py : A_set_pin(), B_set_pin()

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