発光ダイオードの温度センシング機能を利用した計測制御システムの開発

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(1)発光ダイオードの温度センシング機能を利用した計測制御システムの開発教育内容・方法開発専攻行動開発系教育：1一ス M11203E 西村尚大 ‘1．は■二め‘二. タを得てきた4）．ここでは，得られたデータを基に，. 近年，発光ダイオ」ド（1二竜砒Em肋㎎Diode．以. パソコン制御による簡易な計測・制御システムを設. 下，L回Dと省略する．）は，長寿命・高輝度・省エネ. 計・製作し，動作確認を行ったので，その結果につい. であることから電球や信号灯，TVなど照明器具とし. て報告する．. てだけでなく様々な用途で度われている．また最近で. 2一システムの構成. は，ホームセンター等で安価で簡単に入手することが. 111全体の構成. 可能である．このような背景からしEDは私たちにと. 試作したシステムは，教具・教材として扱レ峠すく. って身近な存在になっている．身近となったLEDを. するために，簡易な回路でカり安価で開発できるよう. 用い，光通信実験や光の3原色学習など様々な教材開. に汎用の部品を用いて設言十を行った（図1）．パソコン. 発・教育実践が行われている．. による箭1脚・計測を行うため，市1脚基板として比較的. そのような状況の中我々は，LEDを温度センサとし. 低価格で入手できるUSB・I02．05）を用いた．Aのコ. て用いた教材開発に着目した．LEDはダイオ］ドの一. ンバータもICを使わず，R・蛆ラダー回路によるD！A. 種であるが，一般のダイオ］ドを温度センサとして用. コンバータとコンパレータを用い，プログラムにより. いた教材は教育現場でも製作が試みられている1〕．ダ. 逐次比較方式で変換を行うように構成した．. イオ』ドカ堰度センサになり得るのは，その電気的特. 本システムは1つのスイッチで計測・帝脚を切替で. 性が温度に大きく依存し，一定電流がながれていると. きる．計測モードではLEDで湿度計測を行い，掃脚. きのダイオードに加わる電圧順方向電圧）が温度と. モードではUSB・I02．0によるプログラム制御によっ. ともにほぼ直線的に減少するからである．その特性よ. て㎜を点滅させた1，発光臓を変えた1する. り比較的簡単な回路で高精度な温度計狽1践置を作るこ. ことができる．制御・計測のプログラムにはE鵬1. とができる．しかし，LEDを温度センサとして用いた. VBAを用いているため，E鵬1カVンストールされて. 温度計測装置についての報告はされていない．また. いるパソコンであ柵ま使用することができる．. LEDはダイオードに比べ，小さい電流（刈でも. このシステムは，半導体の3つの機能（整流，発光，. 直線的な温度特性を示すことが特徴である2〕．LEDを. 温度センサ）を同時に学べる教材・教具として使用で. 用いれば駆動電流が小さく省エネで，より高精度の. きる．完成したシステムは，ユニバーサル基板やUSB. 温度計測が可能となる．また温度センサとしての機能. ケーブル等を入れても1，500円程度と低コストで製作. が確認されれば半導体の3つの機能（整流，発光，. 可能である．. 温度センサ）を同時に学べる教材・教具として発展させることができる．このような教材・教具は，工業高校（特に電気電子分野）の課題研究での設計・製作，. あるいは電気電子計測や電子回路などの専門科目での演示3）などで用いることができ，半導体の学習に大いに役立つものと一思われる．. 本研究ではこれまでLEDの測艶ンシング機能を利用した温度計測システムの開発に向け，種々の高輝. 度L回Dの温度特性を測定し，回路設計に必要なデー図1．システムの外観.

(2) 直線的に変化していることがわかる．また制御モード. ｛21回路の構成試作したシステムの回路図（計測モード時）を図2 に示す．LEDを用いて温度計測を行う場合，直線性の. においては，㎞1VBAによるプログラムによって D＾変換の出力実験ができることを確認した．. 高い応答を得るためには，一定電流で駆動する必要がある．しかし本システムでは回路を簡単にするため，. 56αΩの抵抗を㎜D（HLMP−C115）に直列に接続し定電圧（5V）を加えてセンサ部を構成している．抵抗. を2つ直列に接続して得られる基準電圧との差を差動. 増幅回路によって約56倍に増幅している．なおこのとき，LEDの駆動電流は約8．9mAである．増幅され. 4一 3’. ！. 【グ. ＞／. 12／／ 1. た電圧は，ADコンバータを通してパソコンに取り込まれる．取り込まれた測定値から温度をプログラムに. 0≡. よって計算し，Exce1VBAで湿度を表示する．. 0 10 20 30. スイッチを切換えて制御モードにすると，コンパレ. 温度1℃1. ータとして用いていたオペアンプがボルケージフォロ. 図3測定電圧の温度依存性. ワとなり，ラダー回路からのD狐変換出力が抵抗を通. してLEDに加わるようになる．そのため，LEDを点滅させるだけでなく，発光強度を変えることも可能となる．. 4一まとめ LEDの温度センシング機能に着目し，1つの基板で計測（温度測定）と制御（D！A変換出力によるLED. ㏄ USB・I02．0. 点灯㈲脚）の両方の実験ができる簡易で低コストのシ. Po血1（醐崖）. ステムを開発した．温度測定動作を謂面した結果，測. 独x8. 定電圧が温度に対して良好な直線性を示すことが確認. ユ吹xフ独独. できた．. Po並 GND. 【文醐. 鰍. 5．歌. SW. SW. LM32そ. ik. 剛. 1）西岡正泰，伊藤康明：ダイオ」ド温度計を用いた. 液体の比熱の測定，物理教育第26巻第2号 pp．133＿136（1978〉. 鰍. 肌岬｛115. 2）YB．Ac㎏andPD．切出鵬：助。m‘加砲戦㎜伽肥∫σ協’㎎’α脾ろ”妙ψα”蚊｛棚物g肋， R飢Sci．困肌m．V〕L68，No．12，pp。ψ654467（1997）．. 図2．システムの回路（論則モド時）. 3）文部科学省高等学校学習指導要領解説工業編（2010）．. 4）西村尚大，小山英樹二発光ダイオードの湿度セン. 3．システムの踊価. シング特性，日本産業技術教商学会近畿支部第28. 計測モードでの測定電圧の温度依存性を評価するた. 回研究発表会講演論文集pp37−38（20町. め，恒温槽（日本ブロアー製バイオチャンバー LS・5N）にLEDを入れて実験を行った．結果（図3）. 5）小松：“かんたん！USBで動かす電子工作’オ」ム社（2011〉. より，約10℃∼3びCの温度範囲で，測定電圧（Aの. 主任指導教員森山潤. コンバータを通してパソコンに取り込んだ電圧倒が，. 指導教員小山英樹.

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