1から陶器製手洗い器製作電子マイコン制御で水の吐水ストップ制御

蛇口を真剣に考えてみる
皆さん蛇口を使いますが、全ての方が使いやすい蛇口が少ないと私は思います
例えば子供や老人は力が無いので蛇口が回らない。
メーカーも考えて蛇口に手を近づけると水が出る自動水洗を発売していますが、私から見ると若い技術者が若い人目線で年配の方は考えてしまいます、どこをひねると水が出るの、つまり若い方の視点で作られた商品です

物作りは
全ての人に使いやすい物で無ければならない
今回作った蛇口も最初は赤外線センサーで手をかざすだけだ水が出る物を作りましたがすぐに自分のイメージと違うと気づき作り直しです
それでは性能をご覧ください

ボタンを押すと赤いランプが発光水量を調節しながら水が出ます
これをソフト開発からハード開発まで全て1から製作します

目次
1全て手洗い、自動水栓、台を制作する
2製作完了
3製作の目的
4部品調達
5実験準備

1、全て1から手洗い、自動水栓、台を制作する

手洗い器
器は作れませんが、器に穴あけ加工、排水栓を設置します

マイコン式水栓
アルドゥイーノマイコンを使い、サーボモーターを制御、水を出したり、止めたりを機械に命令して作動させます

テーブル
丈夫で精密な台を作ります
木材を切り出し、組み立て、塗装まで製作

2製作完了

使い方
それでは操作方法を説明いたします。

操作待ち状態です
水が出ていない事を知らせるため赤色スイッチランプは消灯しています（操作待ち状態）
サーボが0度で閉じた状態です

赤いボタンを押します
この時何かが触れただけでもすぐ電源が入り水が出っぱなしでは困るので、赤いボタンを1秒以上長押ししないと電源が入らないように工夫がされております
最近の電化製品の電源ボタンもこのシステムが応用されております
サーボが回り蛇口から水が出ます
左のボリュームの位置によって水の出る量が決まります
今はボリュームが最小値の位置にいますので少しの水しか今は出ません

電源ボタンを押すと赤ランプが点灯して、つまみが0%の位置でも必ず10％以上弁が開き水が出る
赤ランプが点灯したら何かしらの水が出るよう設定してあります
赤ランプが点灯しているのに水が出ないと何べんも電源ボタンを押して機械音痴な人は負の連鎖につながらないよう、ランプが点灯した場合必ず水が出るよう設定されております。
つまみを右に回すと最低10％～最大１00％（サーボが10度～90度に移動）バルブが開閉して水の量を調整します

例えばつまみを30％の位置で止め電源をＯＮＯＦＦすると必ず電源が入った時30％（サーボが27度の位置に移動）の水が出ます
市販で水が出る蛇口はありますが水量が調整できる市販機器がありませんので今回挑戦してみました。

止める場合
止める場合は電源入りの1秒以上長押しと違い、電源赤ボタンを0.1秒以上押すと瞬時に水を止め（サーボが0度の位置に移動）リレースイッチがＯＦＦ＆電源ランプがＯＦＦになり待機モードに入り、電池の消耗をおさえます。

こんな使い方もできます
例えばオレンジ線の上側が家の外に電子蛇口（サーボ弁）を設置、オレンジ線の下側を家の中に見立てコントローラーを付けます
こうすれば家の中にいながらにして外の蛇口を開け閉めできます、いわゆる遠隔操作です

こんなシステムさえあれば
例えば逆にすると外の水まきをしたい時
家の中で電源オンにすれば家の外を見なくても電源赤ランプが点灯していれば確実に水を散水でき家の中では状況を赤ランプでお知らせするので目で認識して見えない外の水を止め忘れを防ぎます

細かい部分も忘れません
物が上から落ちてきて勝手にスイッチが入り水が出っ放しは困ります、そこでスイッチを少しくぼみを付け、、物が上から乗っても電源がはいらない工夫がしてあります

スイッチ＆ボリューム直径2ｃｍ以上
操作部が大型で直径２センチ以上でつまみやすく回しやすい健常者から障がい者まで幅広い方が操作できる配慮も忘れておりません
スイッチ部分はタクトスイッチ方式ではなく、無接点スイッチなので、ものすごく軽いタッチ、カブトムシでも押せるほどの操作が得られます

単三乾電池でも家庭用100Vコンセントでも操作可能
普段は家庭用AC100VにACアダプターを差し込みDC12Vを供給して操作します

普段は家庭用コンセントでOKですが、災害時に電源を消失すると水が出なくなります、そこで一般家庭に一番使われる単三電池を8個準備すれば乾電池で駆動できます、ちなみに乾電池は1個1.5Vなので８個で12Vの出力になります。
車のバッテリーもDC12VなのでとにかくDC12Vを準備すれば災害時でも問題なく使えるよう工夫がしてあります

水が出ない時でもサーボは現在の角度を保持するため電流が流れます、そのままでは乾電池の容量が減り電力不足になるため水が出ない時はリレーでサーボ電源をカットして電池の持ちも良くなる配慮も欠かしておりません

3製作の目的

仕事柄水道に携わるのだが本当にこれが使いやすいのか、いつも自問自答しています
蛇口を開けると水が出ます当たり前すぎて皆さん何も考えませんが、しかしその蛇口本当に使いやすいですか？

小さい子供の目線から見てみましょう、手洗い場やキッチンの蛇口、大人なら目線より下に蛇口があります、しかし子供は目線より上に蛇口が見えます、子供が蛇口を背伸びしてとどいたとしても、蛇口が固くて回らない、回ったとしても思った量の水が出ない
大人なら簡単な操作が目線一つで難しい行動になります
皆さんそんなの当たり前じゃん大人になれば解決する話でしょ、そう思うかもしれませんが、私わ思いません
では身障者ならどうでしょう
例えば車いすの方はどうでしょう？蛇口（商品）は若い健常者が開発設計、製作します、自分が身障者でなければ思いつかない使いにくさなんて考えもしないと思います
会社としては健常者対象として作るのが当然ですから、少ないニーズなど関係ありませんよね
しかし座った姿勢から一番操作しやすいシングルレバー栓ですら思ったより操作に力が必要になり水を出す量の微調整が難しい
車いすを疑似体験するため椅子に腰かけ蛇口の操作をしてみてください、関節が伸び切った状態の操作は思ったより困難です
最後に老人ならどうでしょうか
最近商業施設、ショッピングモールなどのトイレの水洗は自動で水が出てきます
手をかざすと水が出てきますが、かざし方が悪いと水が出ません
お年寄りは手も洗わずそこそこに出ていかれました
所で皆さん、どうして手を出しただけで水が出るか解る方いますか？
私はセンサーの入っている場所の認識や、回路、開閉弁の構造まで認識していますが
一般の方は？だと思います
つまり便利だと思って使っている商品は意外と使いなれないと不便なものにしかなりません
そこで私は技術者としてすべての人は助けられませんが、ここから小さな情報の発信をして
少しでも世の中に人のためになる便利なものを作りだしております

4部品調達

アルドゥイーノ
マイコン好きの方はみんな知っている入出力端子(I/O)が付いていて、機械が苦手、コマンド入力が苦手な方でも簡単な操作で自作工作ができるワンボードマイコンそれがアルドゥイーノ、このマイコンのありがたいのがオープンソース知りたい情報がみんなで共有でき、入門者から中級者まで愛用者が多い

リレー
アルドゥイーノの指示によりサーボを働かせますが、停止時も停止場所をサーボが保持するため電流が流れます
それでは電池切れの可能性があるのでサーボが停止位置にある場合電気を切る役目でリレーを付けます

5Ｖレギュレーター
アルドゥイーノやサーボは全て5Ｖで作動します
そこでレギュレーターと言う装置を使いＤＣ5Ｖを作り出します、レギュレーターはＤＣ8Ｖ～40Ｖのどんな大きい電気が入力されても安定したＤＣ5Ｖに出力してくれます、これが無いと5Ｖ以上の電気がアルドゥイーノに入ると故障して作動不良になります

ボリューム
つまみを回すと10％から100％まで水の出る量を調節できます
市販品で水を出す止める機能はありますが流量を調節できるモデルはありません

電源ボタン
電源スイッチの役目は簡単、押すと水が出る、もう一度押すと水が止まる
これだけでは芸がないので押して作動中は赤ランプ点灯、もう一度押して停止時は赤ランプ消灯

サーボモータ-
蛇口を正確に開閉するモーター
これはテスト用で非力なため、あくまで学習用で使えません
重量：43g
寸法：40×20×36.5mm
トルク(4.8v/6.0v)：3.0/3.5kg・cm
スピード (4.8v/6.0v)：.19/.15sec・60°
※アナログサーボ。

サーボモータ－
今回は実験用の部品で現実はトルクが無く開け閉めできないので、実際搭載する部品はハイパワー高トルク、耐久性のある大型モーターを装備します。
サーボは小型でハイスピードの物もあれば大型で高トルクの物があります、私の持っている一番大型サーボと比べてみましょう。
左ハイテック社製一般的なサーボ　トルクが4.8Vで3Kg
右 GWS社製ハイパワーサーボなんとトルクが4.8Vで26Kｇ怪力です。

5実験準備

アナログ時代いつも頭の中の回路図を描きいきなり組み立て失敗だらけのＤＩＹですが、アルドゥイーノが支流にになってからはテスト＆トライの繰り返しで簡単にテストができるようになり、失敗しても画面上のプログラム修正で簡単補正ができるようになりました。
今回の実験はまずアルドゥイーノにサーボとボリュームを接続してシンプルな動きを確認します
プレットボードにアルドゥイーノと10ＫΩボリュームを乗せサーボに信号を送ります
ボリュームを左右に回すとその動きに反応してサーボも左右に回ります。

// アナログ入力端子を読み込み、0から255の範囲に結果をマッピングし
// 出力ピンのパルス幅変調（PWM）を設定し、
//ボリュームでサーボモーター制御
// 10キロオームポテンショメータ
//シリアル通信付

#include <Servo.h>
Servo myServo; // サーボオブジェクトを作成する

int const potPin = A0; //ポテンショメータを接続する//アナログピン
int potVal; //アナログピンから値を読み込む//変数
int angle; //角度;サーボモータの角度を保持する//変数

void setup() {
myServo.attach(9); //サーボ·オブジェクトにピン9にサーボを付加する
Serial.begin(9600); //コンピュータにシリアル接続を開く
}

void loop() {
potVal = analogRead(potPin); //ポテンショメータの値を読み取る
//シリアルモニタに値をプリントアウト
Serial.print("potVal: ");
Serial.print(potVal);

//ポットから数値をスケーリング
angle = map(potVal, 0, 1023, 0, 180);

//サーボモータの角度をプリントアウト
Serial.print(", angle: ");
Serial.println(angle);

//サーボの位置を設定
myServo.write(angle);

// wait for the servo to get there
delay(15);
}

回路図はこんな感じ
アルドゥイーノ＆サーボ＆ポテンショメータ全てに5Ｖ電源と-電源を接続します
ポテンショメータのシグナルはアルドゥイーノのＡ0端子つまりアナログ端子に接続
サーボモータのシグナルはアルドゥイーノのＤ9端子つまりデジタル端子に接続
たったこれだけの配線でサーボが自由自在に動かせるのでうれしいですね
できればサーボの+-にコンデンサー47uＦあたりが入っているとサーボが安定します

ここでは簡単なサーボの働きを勉強しました
組付ける完成品はＬＥＤランプとリレースイッチを取付完成です

第二弾ウォーターフロー式自動水栓

指定の水量で水が止まります
第二弾ウォーターフロー式（水量でストップ）を作ります
次々とアイディアが頭に浮かび、本当に使いやすい蛇口とは何か模索しながら作り続けます

前回は水のON　OFF制御ですが、今回は決められた水量が出たらストップする構造です

市販でもフラッシュバルブ水栓で販売されておりますが、アナログ式、今回は毎分流量、合計流量表示付きのデジタルです

例えば10Lで水を止める指示をすれば蛇口から10L水が出たら止まります。
これで蛇口の閉め忘れもありません

操作方法
セットダイヤルを回すと0Lから90L任意の数量を決める事ができます
今回は最大数量90Lの設定値ですが、プログラムを変更すれば2Lでも1000Lでも変更可能です
プログラムをもっと細かくすれば最低10Lからスタート、最高19Lまでなど設定範囲を自由自在の設定ができるのがこの機械の特徴です、簡単な話、欲しい機能は全てプログラム書き換えで変更ができます

数量セットが完了したらスタートボタンON
スタートボタンオンで水が出ます

設定数量が蛇口から出たらストップ
今回の設定値は12L
12L蛇口から吐水されたので機械が蛇口を閉めます

表示部の説明
瞬間水量
瞬間的の流れる数量を表示します
水量に合わせて目まぐるしく変化していきますので例えば9になるよう蛇口を絞れば１分間に9L水が出ます
設定数量
蛇口から出したい数量が任意で調節できます
今回は12Lにセットされているので、下の合計Lと数字が一致した時点で給水停止になります
合計ｍｌ
蛇口から出た合計水量をｍｌで表示してます
細かい数字まで表示できセンサーの制度を確認できます
合計L
蛇口から出た合計値をLで表示してます
ｍｌまで表示しなくても大体の数字が分かればセットLとの比較がしやすいためLも表示の含めました

全体構成
左が電磁弁とウォーターフローセンサー
右が制御部と液晶表示

今回の主役ウォーターフローセンサー
このセンサーに水が通過するとパルス信号で出力され水の量を測れます、つまり50Lで止めたければセンサーに水が50L通過されたと同時に水をストップすればいいだけの事です。
しかしこれは流量を測るセンサーで水のストップはできません
センサーのパルスはアルドゥイーノに接続して計測

ソレノイド電磁バルブ
ウォーターフローセンサーは流量を計測できますが水を止める機構がありません
そこでソレノイド電磁バルブで水の吐水＆ストップを制御します

電磁バルブに12Vの直流電源を送れば内部の弁が解放され水が流れる仕組み、ストレーナー付きDC12Vのタイプがなかなかなくやっと見つかった1品です

アルドゥイーノマイコンを配置して全ての指令の制御をします
水量調節ボリュームをアルドゥイーノに送り、スタートスイッチで電磁バルブ解放指示、流量計測ウォーターフローセンサーのパルスを計算、LCDディスプレイに表示、設定値で電磁バルブを閉じる、一連の作業をアルドゥイーノ1個でこなします
昔はコボルやフォートランなどマシン語の勉強が必要でしたが、今のマイコンは専用ソフトで簡単に素人の私でも電子蛇口が作れとても便利です

操作説明
1.ボリューム
SETボリュームを回し止めたい数量に数字を合わせます、今回は9LでSET
2.スタートスイッチ
スタートスイッチを押すと電磁バルブが開閉され、水が出始めます
ウォーターフローセンサーに9Lの水が通過すると電磁バルブを閉じ水を止めます
3.リセットスイッチ
全ての数字を0に戻し準備状態に入ります

こんな蛇口をメーカーも作ってくれれば、年配の方は耳が悪く水の出ている音が聞こえず水の出し忘れで悩んで見えます、これは耳の悪い人あるあるの話なんですが、今回製作の蛇口必ず止まる水栓なら耳の聞こえが悪い老人でも安心ですね


アナログ時代の製作した手洗い器（コントロール部分がアナログです）
蛇口ノブの無い手洗い蛇口付き水洗金具はどこでも発売されておりますがそれでは芸がないここは一つどこにも発売されていない物を作ろう
まずスイッチを押す好きな場所におけるようにコードが長くしてあり足で踏んでも作動するように固定しません
ダイヤルで水量調節スイッチを押すと蛇口から水が出るここで終われば芸が無いそこでボリュームを回すと水の調節ができるようにしました
右に回せば徐々にたくさん水が出ます左に回せば徐々に少なくなり最後は止めることもできます
設定時間が経過すると止まる制御回路内のボリュームを回すと５秒～2分くらいの時間設定ができますこれで閉め忘れで水が出っぱなしで困る事はありません
コントロール制御基盤電気に精通してますのでマイコンもお手の物制御方法はこんな感じ単三電池８本直列12Ｖで稼動制御ＩＣは5Ｖで稼動するのでレギュレーターで12Ｖを5Ｖに降圧してマイコン制御力のいる蛇口開閉用サーボモーターは12Vで駆動まずタクトスイッチを押すとタイマーIC 555ＩＣにつながれたリレースイッチが働き蛇口が開く設定時間が経過するとリレーが切れ蛇口が閉じる仕組み設定時間内にボリュームを回すとサーボ回路で水の量を調節します
コントロール制御左から5ＶレギュレーターＩＣやサーボモーターは全て5Ｖで駆動します5Ｖ以上の大きな電源が入っても全て安定して5Ｖに降下してくれる便利なＩＣです。今回はサーボモーターが強力なため消費電力が大きく、大型のレギュレーターで頑張ってもらいます中央555ＩＣ 555ＩＣで時間を制御できます決められた時間をインプットすると正確な時間電源を入れたり切ったり出来るアナログ的なＩＣ 555ＩＣは時間制御のみなので制御信号を下のリレー2つでon off制御、サーボモータ制御装置をコントロール右の装置サーボ制御装置リレー電源が入るとサーボモーターを回転してお水を出します、制御電源ＯＮの時ボリュームを回すとサーボが回転してお水をたくさん出したり絞ったり出来ます
子供でも操作が簡単大人にとっては小さい蛇口ですが子供の小さな手では蛇口は大きすぎ子供の力ではとても回せませんしかし機械は凄いです、小さなダイヤルを回すだけで子供の力の何倍もの力で蛇口を回してくれます。
木のテーブルも全て手作り
お願い
真似をして製作しないで下さい一番大切なことが安全です水道は国が認めた基本基準適合品ＪＷＷＡに適合していないとつないではいけません、その他、蛇口を付ける高さなども法律で決められています、確認しながら付けないと万が一の時、自分だけでなく他人も迷惑がかかります、そして基本基準に適合した材料でも水道工事の免許を持っていない人は水道管につないではいけません。（免許を持っていない方が工事すると法に触れます）私は普段の仕事で水道免許、排水免許、を持って水道工事していますので良く理解して法のもと適正な施工をしております。
物作りは人の心を豊かにします例えば自転車、歩きから比べると、より早く、より遠くに行くことができる機械、皆さん当たり前のように自転車に乗っていますか、最初に考えて作った人は凄いと思いませんが？歩きでは不可能な距離を自転車と言う機械（道具）を使って、誰よりも早く、誰よりも遠くの目的地の着ける機械の開発、物作りは不可能を可能にし更なる発想を生み出してくれます。私たちの身の回りのは便利な物がたくさんあり、ありすぎてありがたみが薄れてしまうときがあります。より便利な物を作れば健常者の人も快適につかえますが、障害者の人も快適に生活できる物ができ、人が人を助け機械が人を助けてくれます。皆さんはどうですか？物作りは人を感動させたり、わくわくさせたり、人の心を豊かにします、皆さんも一度物作りにチャレンジしてみてください、きっとあなたのひらめきが発明につながり誰かを助けます｜トップページ｜エコキュート｜IH｜電気温水器｜