LM3914とLM61を使用した温度計

温度計を作る

ある日の開発風景 夏真っ盛り→暑い→気温が気になる→温度計を作ろう。※ネタ出し完了。 ガラス管＋液体のオーソドックスな温度計は、1mも離れると見づらくなります。 マイコン＋LCDの温度計はズバリ数字表示ですが、どのくらい暑いのか直感的に分かりにくいです。 少し離れていても見やすく、直感的に暑さが分かる温度計を作ることにしました。ガラス管の温度計のようにバーLEDが伸び縮みするようなものはどうでしょう。 【関連記事】　マイコンとLCDを使った温度計。 「AVR ATmega88 A/Dコンバータ応用例 温度計」

主要部品について

ディスプレイドライバ LM3914 このディスプレイドライバのシリーズにはLM3914/3915/3916があり、温度計にはリニアスケールのLM3914が向いています。 詳しくはこちら↓ 「ディスプレイドライバ LM3914/LM3915/LM3916について」 図は最小値を0Vとし、3Vフルスケールに設定した例です。 0VでLED全部消灯、3Vで10個全部点灯。リニアスケール（等間隔）なので入力が0.3V上昇するごとにLED点灯が1個増えます。 3V以上入力しても壊れはしません。 このシリーズのIC 3種は、フルスケールとする電圧より2V以上高い電源を用意する必要があります。この例では電源に5V必要ということです。※詳しくは上記リンク先を参照。 逆に電源がUSB給電(5V)なら、フルスケールとする電圧は3Vまでということになります。 このシリーズのIC 3種はまた、下限の電圧を設定することもできます。仮に1Vと設定すれば、入力信号1V〜3Vの範囲でLEDを点灯させることができます。これを利用し、温度計として任意の10℃幅でLED 10個を点灯させるようにしています。※10「℃」文字化けするかな？　10「度」。 温度センサー LM61 温度センサーは、温度に対して直線的に出力電圧が変化する物を選びます。気温の測定範囲で出力電圧が1.2V以上あればディスプレイドライバLM3914に直結できます。出力電圧が小さい場合はOPアンプで増幅してからLM3914に入力することになります。 今回の製作ではLM61BIZを使いました。 LM61の出力は温度0℃で600mV、1℃につき10mV変化します。 マイナスの温度も測れます。 　Vout(mV) = 600(mV) + 10(mV/℃) * T(℃) 【例】 -5℃ → Vout = 600 + 10 * (-5) = 550(mV) 20℃ → Vout = 600 + 10 * 20 = 800(mV) 35℃ → Vout = 600 + 10 * 35 = 950(mV) OPアンプ LM358 ディスプレイドライバLM3914(/3915/3916)には1.2V以上の信号を入力する必要があります。温度センサLM61の出力は、温度計として使う限り最大1000mV(1V)程度です。この電圧を1.2V以上に増幅するため、OPアンプを使います。 今回の製作ではLM3914を3Vフルスケールで使うことにし、OPアンプの増幅率を3倍にします。 　非反転増幅回路 　Vout = (1 + Rf / Rg) * Vin = (1 + 2kΩ / 1kΩ) * 1V = 3V

動作テスト

温風／冷風をあてて動作テストしている様子です。 温度センサーに温風をあてると出力電圧が上昇し、バーLEDが伸びます。冷風をあてると逆の動作をします。 実験の様子。 付箋紙は風が出ていることを示すため。

回路図と配線図

回路図 設計中のメモ書きを敢えて残しました。 電源電圧は5V。PCからのUSB給電や、USB-ACアダプタで動作します。 表示できる温度の範囲は2個の半固定抵抗VR2,VR3で設定します。 可変抵抗VR1による分圧で基準電圧を作り、LM3914へ入力し、電圧計で測りながらVR2,VR3を調整します（これで校正とします）。LM61の出力と基準電圧はジャンパーピンJMPで切り替えます。 VR1の分圧点やLM61の出力点に直接電圧計をあてると、電圧計のインピーダンスの影響により本来の電圧が微妙に変化してしまうので、ボルテージフォロアを通した先で電圧計をあてるようにしています。 ※詳しくは「LM3914/LM3915/LM3916と両電源、仮想GNDとレールスプリッタ」の後半を参照。 ところでVR1で電源電圧5Vを分圧しますが、校正に必要な範囲は600〜1000mV (0.6〜1V)です。VR1の回転角の前半1/5のみ使用することになり、大変調整しづらくなります。※ほんのわずかに回転させただけでも100mVくらい変化してしまう。 そこでVR1の前後に適当な値の抵抗を挿入し、回転角に対する電圧の変化量を抑えるよう工夫します。挿入する抵抗の具体値は、VR1=10kΩならば4.7kΩと47kΩがお勧めです（回路図中【A】のパターン）。VR1の回転角全体が380〜1190mVに対応することになり、グッと調整しやすくなります。 LEDはお馴染みの3色バーLEDがお勧めです。温度計にピッタリの配色です。ただし、回路図の向きに合わせて配線すると緑-黄-赤の並び順が逆になってしまうので（低位側が赤、高位側が緑になってしまう）、基板実装時に配線を工夫する必要があります。下記配線図を参考にして下さい。 LEDの明るさは抵抗R3で決まります。好みによりますが4.7kΩで実用十分な明るさです。値を小さくすると明るくなります。数kΩで決めてください。 LEDで表示する温度の上限は半固定抵抗VR3で調整します。この抵抗の値は回路図の通り10kΩにしてください。 下限は半固定抵抗VR2で調整します。 配線図 青線はスズメッキ線。基板ウラ面で配線します。 緑線は被服線（ラッピングワイヤ，UEW）。基板ウラ面で配線します。 赤線はジャンパー線（スズメッキ線）。基板オモテ面で配線します。 隅の短い赤線，青線は電源ラインVCC,GNDの目印として描いたもので、配線とは関係ありません。 最外周のL字ラインがVCC、1列内側のL字ラインがGNDです。 ICの向きに注意してください。OPアンプLM358（8ピン）は1番ピンが図の上側です。 バーLED（20ピン）とディスプレイドライバLM3914（18ピン）は1番ピンが図の下側です。※バーLEDは欠けている角が1番ピン。 よく見るとOPアンプ横の抵抗の個数が配線図と違います。帰還抵抗Rfの2kΩが手持ちになく、1kΩ 2個を直列にして代用しているためです。 あまり誤差を気にせず、気楽に作っています。 バーLEDの配線順序も要注意です。基板ウラ面の配線図と写真を参照。 手順１．穴番号5番の縦のスズメッキ線（青線）をハンダ付けします。 手順２．穴番号9番の縦のスズメッキ線（青線）をハンダ付けします。 手順３．横10本の被服線（緑線）をハンダ付けします。 逆の作業順にすると手詰まりになります。

温度範囲を設定する

LEDで表示する温度の範囲を設定します。LEDが10個あるので温度範囲を10℃にすると分かりやすくなります。 この温度計の仕様としては任意の温度範囲を表現できます。例えば20℃の範囲を設定すればLED 1個が2℃の温度差を表すことになります。 ここでは「26〜35℃」に設定してみます。 設定中の様子 1-1. ジャンパーピンを[1-2]間に刺します（1-2ショート）。 1-2. ボリュームVR2/VR3を左端まで回します（0Ω側）。 1-3. 測定ピンに電圧計をあてます（↓と↓）。上記写真参照。 2-1. ボリュームVR1を左右に回し、950mVに調整します。 表示範囲の上限35℃を決めています。※電圧は「およそ」で構いません。 2-2. LEDは10個全部点灯しているはずです。 最上位のLED（10個目）がギリギリ消え始める位置までボリュームVR3を回します。 3-1. ボリュームVR1を左へ回し、860mVに調整します。 表示範囲の下限26℃を決めています。※電圧は「およそ」で構いません。 3-2. ボリュームVR2を回すとLEDが1個ずつ消えていきます。 最下位のLED（１個目）だけが点灯する位置までボリュームVR2を回します。 このとき電圧計の値が860mVから若干ずれるかもしれません。 ボリュームVR1とVR2を微調整し、860mVでLEDが1個点灯する状態に合わせてください。※電圧は「およそ」で構いません。 4-1. 動作確認のためボリュームVR1を右へ回し、電圧を上げます。 約950mVでLEDが10個全部点灯しましたか？ 4-2. 正常動作を確認したら、 ジャンパーピンを[2-3]間に刺します（2-3ショート）。 この状態で入力元が温度センサーLM61に切り替わり、温度計は本番動作しています。 設定完了。 LEDの点灯状態は33℃を示している。 ガラス管の温度計と一致している。

使用中の様子

いずれも東京、窓を開けた部屋、机の上。LEDの表示はガラス管の温度計が示す気温と一致しています。 2011年8月17日15時 気温34度 晴れ 2011年8月18日0時 気温31度 晴れ 2011年8月21日13時 気温28度 雨 USB-ACアダプタで使用中。 基板に足（スペーサー）を付けてスタンド風にしてみました。 ケースに収めたり、電源ケーブルを背面側から接続できるようにすると、見た目もよくスッキリします。 PCの5インチベイに組み込んでも面白いかもしれません。 電源線として使っているUSBケーブルは、100円ショップで売っている「USB延長ケーブル」「USB変換ケーブル」などの片側を切断したものです。 中の線は赤=VCC，黒=GNDです。緑と白は使わないので、それぞれテープでくるむなど絶縁処理してください。