成為樂齡maker
退休三年都在忙房子的事，搞得灰頭土臉比上班還忙。房子蓋好了，卻好像永遠有改善不完的事，投入再多時間都不夠。該告一段落往前走了，若無法全然放下，至少時間的比重也要逐漸減輕。看到樂齡maker這個標題就知道和蓋房子沒多大關係，這是我接下來想走的路想做的事。房子沒蓋好的人，請專注在房子上，不要進入這個領域，以免分心「誤入歧途」！
自我期許期Be a maker
Maker 網路翻譯成「自造世代」。Maker簡單的說：就是不分領域、年齡用自己的知識、資源，自己動手打造，實現心中渴望的想法。這比蓋房子仰賴不怎麼令人放心的「專業人士」，處處充滿無法掌控的變數受限於人好玩多了。而且退休後不再有太多的得失心，既無「進度」的壓力，亦無關「效率」，因此更能從容地享受成為maker的樂趣。若因此，能將自己的生活經驗與歲月淬鍊出解決問題的能力繼續應用，不但可以「廢物利用」造福自己和家人，聰明才智高者還能造福他人。總之，退休後成為maker的好處多多，個人觀察體驗至少有以下理由支持我成為maker。
退休者成為 maker的六大理由
1. 充實人生，不虛度光陰。
2. Maker的樂趣能驅散憂鬱，忘卻煩惱病痛。
3. 符合老年少吃多動的健康法則；動腦可防癡呆、動手可減緩退化。
4. 自娛或實用即可，無關專不專業、卸下得失心，更能自由發揮。
5. 經濟實惠，maker量力而為無須花大錢，成就感遠遠超越感官的快樂。
6. 學習永無止境。做一個海闊天空自由自在的maker，優游於浩瀚的知識與追求無限的智能，滿足學習的渴望與動手圓夢踏實。
成為maker，我想做什麼？
鍾鼎山林，各有天性。有人喜歡烹飪美食、有人愛唱歌、有人愛畫畫、有人喜歡木工創作、有人喜歡機械設計。個人自幼對聲光電學情有獨鍾，對音響、控制、微處理器有表淺的涉獵，因此，目標會優先創作與生活相關的機電整合，若行有餘力，會再追求永無止境的音響設計製作。生活中充滿機電的應用，針對這些應用，永遠有做不完的議題、改善不完的缺失、學不完的知識，以及無止境的成長空間。空談無益，先要踏出簡單的一小步，才能引發後續的發展。
My first Arduino
Arduino是幫助maker實現構想的利器，是個開放原始碼的設計平台，簡單易學的高階的語言、平易近人的開發環境、強大的功能，加上網路上無窮盡的分享資源，真是令人驚艷。個人一向習慣用8051或PLC，重入江湖，見獵心喜，立刻捨8051&PLC，擁抱新歡Arduino。上Arduino官網發覺它的產品分為五大類，共有21種模組或開發板，選了一片入門板Arduino Nano，在本地網拍網站一片賣260元，一口氣買二塊，三天就到7-11取貨。拆封立刻上Arduino官網下載ARDUINO 1.6.5開發軟體，再快速溜覽一下官網提供的指令集與範例，就開始測試這二塊Arduino Nano，一路順到底，真是如獲至寶。
牛刀小試―監控抽水馬達
Arduino Nano能做什麼？上網搜尋一下它的硬體結構圖，發現用於一般小型的控制綽綽有餘。我想先解決我的抽水問題，因為附近在蓋大樓，地下水抽的兇，導致地下水水位嚴重下降，我的馬達常會抽不到水，我一直想設計一個保護機制，讓我的馬達抽不到水時能自動切斷電源，並發出警告，以期達到保護馬達、與提醒及早維修的目的，避免水塔內的水用罄才發現馬達早已故障多時。
設計目標概述：
1.啟動異常保護：馬達未於設定時間內完成啟動程序時，進入異常模式給予保護。
2.運轉異常保護：完成啟動後，持續運轉卻未正常進水時，進入異常模式給予保護。
3.運轉逾時保護：馬達連續抽水超過預設時間時，進入異常模式給予保護。
4.提供ByPASS功能：方便除錯、維修。
使用流程圖具體化
把構想具體化是重要的實現步驟，透過這個過程可釐清設計目標，讓後續的硬體、軟體都可根據此步驟所得結果，一一實現。我習慣用流程圖把構想具體表達出來，其優點是，流程圖可以把每一個步驟明確的規劃出來，矛盾衝突之處很容易發現，效率與實現難易度也容易評估；同時也方便日後系統除錯、維護、修改。
硬體規劃
1. 暖身―整理抽水馬達配線
想要設計監控抽水馬達，必須先對現場配線與設備充分了解才能規劃設計，為了達到這個目的，整整花了將近一天的時間才把配電箱線路整理好。首先是在IF電源箱和5F水塔之間來回爬了數趟(maker不光是動腦和動手，腿部肌肉也有鍛鍊到)，確認各個控制點的配線；接著切斷電源把線路拉出來，用配線架把每條線上架、整理、標示；現場忙完再用Orcad(免費的體驗版就夠用)劃出配線圖。如此肢體運動、腦力激盪後，身體達到陰陽平衡，心理不再掛念理不清的配線，接著要怎麼進行後續處理也胸有成竹，天道酬勤，一夜好眠。
整理電源箱配線架與水塔抽水控制配線圖
2. 設計Arduino I/O介面
要設計I/O介面就要先知道Ｉ/O Pin 的驅動能力，在Arduino官網上，Arduino NANO I/O Pin的輸出電流可達40mA。一般而言，很少人自己窩在冷氣房，卻讓微處理器工作得這麼辛苦。個人一向慈悲為懷(對人可不一定)，通常會在Ｉ/O輸出端加個緩衝級，讓微處理器涼快些，因此1-5mA就很夠用了。本次製作需要2個input Pin用於偵測馬達與進水；2個output Pin用於切斷馬達電源與發出警訊，電路設計如下：
a.1st_Input―偵測馬達電源：
抽水馬達自動抽水的原理是，當水塔的水位下降至預設的低水位時，水塔內的浮球開關就會ON，於是馬達220V電源接通、馬達開始運轉抽水；開始抽水後，水位會上升、上升至預設的滿水位時，浮球開關就會OFF，於是電源切斷、馬達停止抽水。因此，要監測抽水馬達，就需要產生一個「狀態信號」告訴Arduino，「開始或停止抽水啦！」，Arduino收到這個「狀態信號」就會啟動後續監控程序。要如何產生這個「狀態信號」呢？最簡單的方法就是偵測馬達的220V電源，當偵測到220V電源時就表示馬達電源已經接通，開始抽水啦，反之亦然！偵測220V的方法有很多，我用的方法是用220V電源去驅動光耦合電晶體(手邊正好有4N35)，使Arduino D2外部接腳成為LOW2電位，Arduino用輪詢(polling)方式偵測到LOW電位後，就會進行後續的運算。電路很簡單，只是把220V交流電源整流，再加上濾波電容轉成直流電源，這樣就可以讓Arduino D2維持穩定的LOW狀態，不至誤判；因為濾波電容的充放電特性，220V on/off 會有數十ms的延遲，但這對抽水馬達而言可忽略不計。各零件組值計算如手稿圖，基本上歐姆定理就夠用。
AC220V偵測電路
b. 2nd_Input―偵測水塔進水：
要偵測到水確實有進水塔，最保險的做法是在水塔進水處偵測，現成的感測開關都不太好用，只好自己動手打造一個進水偵測元件，如下圖。動作原理很簡單，水的阻抗大概20kΩ(用指針式三用電表量)，我在水塔進水口串入一個彎頭，彎頭嵌入二根白鐵螺絲釘當作偵測探棒。當水流經彎頭時，由於水的阻抗會等效於一個20kΩ的電阻跨接於偵測探棒(白鐵螺絲釘)的二端，形成ib路徑，讓ib流進Q1 ，於是Q1導通、LED亮、Q2 截止(Q2在無進水時ON)、Arduino D3由LOW電位變成HIGH電位(進水啦！)，Arduino內部偵測到這個變化，軟體就會進行相關監控程序。
自製進水偵測探棒
配線組裝圖
彎頭內部，當作探測電極的白鐵螺絲釘圖
組裝完成圖
水塔進水檢知電路圖
c.1st_Output―切斷馬達電源：
當偵測到異常狀況必須切斷馬達電源時，Arduino D7輸出端會拉到HIGH電位，驅動Q3導通，繼電器RL1動作(約需100mA)，220V R相電源經RL1動作接點，使馬達的保護電驛MS動作。MS一旦動作，220V R相電源會經由MS本身的動作接點(稱為自保接點)持續送電，讓MS保持動作；另一方面，由於MS常閉接點串入抽水馬達電源控制迴路，MS動作就會切斷馬達電源達到保護的目的。故障排除後，要再次啟動馬達時，由於MS「自保電路」會一直保持動作，因此必須把MS的R相，或S相電源斷開，才能使MS釋放，馬達才能重新啟動。
保護馬達控制電路圖
d. 2nd_Output―發出警訊：
在異常狀況切斷馬達時，系統也要能發出警訊提醒注意，以便及早發覺故障及早維修。發生異常狀況時，Arduino D8輸出端會依記錄異常訊息的變數(Er_code)產生HIGH、LOW電位間歇地變化，發出聲音。考慮一般蜂鳴器的聲音都不太悅耳，因此，我決定用小喇叭來發聲。喇叭驅動電路是採用二個電晶體組成達靈頓電路；由於白天讓人聽到示警即可，因此，不需太大聲，以免夜間擾人，所以我在喇叭端串入一個47Ω限流電阻，讓喇叭小聲些。電路是很簡單的開關電路，輸出的頻率、聲音的長短都由軟體操控，作法非常簡單，一個指令就搞定；由於Q4集極串入一只LED，發出警訊聲時，該LED也會閃爍示警。
Arduino 驅動喇叭發聲電路圖
e. by pass 功能：
by pass的功能對複雜的控制系統是很重要的功能，它能快速隔離監控系統的干預，簡化故障判斷。本製作雖然簡單，但是我希望若發生故障，能用by pass功能，回歸原有的抽水系統迴路，維修的水電師傅只要照一般維修抽水馬達的知識就能維修，他不需要了解監控電路，維修時也感覺不到監控電路。為了達到這個目的，整個監控系統中設計時，只在抽水控制迴路中串入一個保護電驛(MS1)的常閉接點，當保護電路驅使保護電驛動作時，該常閉接點開路，抽水馬達電源就被截斷。By pass的作法是，簡單地用一個開關把該常閉接點二端短路，這樣馬達就回歸原有的控制電路，與保護電驛動作與否無關。
by pass電路圖
3.設計PCB
Diy PCB一直是令人頭痛的問題，因為量少(通常只有一片)，總覺得是曠日廢時的零和遊戲，失敗就得重來。早年用手繪佈局、用膠布製作感光罩、感光、蝕刻、鑽孔，一塊PCB要經過多道手續才能完成。這樣洗了一陣子PCB，後來乾脆用萬用洞洞板直接焊省事多了，這樣似乎不太專業，但只要焊得牢靠，能解決問題，外觀就不太計較了，這樣也過了將近20年。曾幾何時，眼力愈來愈不濟，洞洞板的焊點愈來愈模糊。不得已情況下只好重操賤業，再度洗PCB。拜科技之賜，現在有許多工具可用，而且有些還是免費的，對maker而言不須投資重金就能利用，真是一大祝福。PCB layout我用免費的pad2pad佈局。簡單易學、對maker而言，已夠好用。
本製作因電路簡單，既非高頻電路亦非類比線性電路，因此佈局無需考慮過多，為使PCB佈局簡單、好鑽孔、線條粗些(細線傷眼，且手工不好處理)，我能不用IC就不用IC，能用單面就不用雙面設計。佈局完成後用描圖紙從列表機印出，接著就是用曝光機曝光、顯影、蝕刻、鑽孔，完成PCB製作。因為眼力不濟，鑽孔必須使用頭戴式放大鏡才能看清楚，畢竟歲月不饒人啊！慢慢鑽，當作是怡情養性終究還是完成了。
由於是手洗，如前述希望線條粗些、間隙寬些，在pad2pad的Tools/Route/Router Settings有幾個重要參數要注意：
1. Trace’s layer：Botton -------底層單層佈局
2. Minimal gap：0.4mm-------視零件疏密情況，「間隙」僅可能寬。
3. Width of new traces：07mm-----視零件疏密情況「佈線寬度」僅可能寬。
說明：其中2、3參數若佈局無法成功，就要把參數調小。
單層板佈線較困難，程式預設參數是佈線3次，若是無法完成佈線，就會出現下列畫面。只要多設定幾次(例如設定100次)，讓電腦去傷腦筋，自己趁等待時間起來活動活動還有益健康呢。
PCB佈局完成圖；旁邊多餘的空間規劃當萬用板用。
PCB感光顯影完成圖
PCB蝕刻完成圖
4. 完成實體
PCB完成後，插上零件焊好，再用酒精清潔後，控制電路板就完成囉；軟體在麵包板電路階段就完成(程式內容後述)，接著要裝箱、配線。機箱也是很傷腦筋的問題，因為裝置地點在電源箱旁，最後考慮用配電箱當機箱用，反正是裝在配電區，裝潢時已製作一大扇電器櫥櫃掩飾起來，外表看不到內部電源設備。又因操作簡單，而且正常情況是不需要去操控它的，為簡化配線，電路裝箱時把電源開關、保險絲，保護電驛、繼電器、by pass開關，都集中安裝在PCB上。
控制電路板完成圖
裝箱配線完成圖；配線箱故意選大些，剩餘空間將來還可利用！
這個偵測系統從構思到完成，花了數個月的時間，拖這麼久的原因是因為在這個領域停工太久，需要暖身與補充設備；另一個原因是，雜事太多，有空時才捏一下當作是消遣，還好總算完成了。
軟體規劃
監測軟體是按照當初規劃的流程圖，翻譯成Arduino語言就成了。在Arduino官網上，已列出所有指令，每一指令都有範例。個人體驗的感覺是簡單易學，即使毫無基礎要上手也不難；若熟悉電腦語言，就更能輕鬆上手。程式分成「啟動程序」、「持續抽水程序」、「錯誤處理程序」三部分。程式中使用for…next迴圈作計時控制，在啟動程序中規劃為10秒鐘；在持續抽水程序中規劃為15分鐘，超過規劃時間就會進入錯誤處理程序。偵測部分是用if指令輪詢，由於輪詢控制的對象是抽水馬達，因此速度不須很快，大約每秒輪詢一次足矣。
goto結構：本製作程式用了許多goto的指令，一般程式設計的書通常不鼓勵使用goto指令，主要原因是太多的goto指令會增加程式除錯的複雜度，也不利於後續的維護。本程式有明確的流程圖指引，不致有上述問題產生，使用goto指令可以使程式更簡單完成。
異常處理程式：程式在輪詢過程中，若有異常狀況就會把預設的錯誤碼存入記憶體，然後直接跳(用goto指令)到異常處理程式；程式會切斷馬達電源，並根據記憶體的錯誤碼發出相應的錯誤訊息，達到保護與示警的目的。
完整抽水馬達監控程式碼
// Pumping motor monitoring system 2015/8/24
int TowerSW = 2; //PIN-5
int WaterDetectSW =3; //PIN-6
int StopRL =7; //PIN-10
int Alarm = 8; //PIN-11
int Er_Code = 0;
// the setup routine runs once when you press reset:
void setup() {
// initialize the digital pin as an output.
pinMode(TowerSW, INPUT); //demanding pumping water.
pinMode(WaterDetectSW, INPUT); // detecting if water be pumped up.
pinMode(StopRL, OUTPUT); //stop motor if the motor is unnormal.
pinMode(Alarm, OUTPUT); //alarm as pumping system fails.
pinMode(13, OUTPUT); //blinking as different process loop.
}
void loop() {
// the loop routine runs for drawing water into water tank:
Start:
//==================================================================
//--------------------1. initial process----------------------------
//==================================================================
if ( digitalRead(TowerSW) == LOW ){ // main if loop ;pumping water wanted
for(int i=0;i<10;i++){ //set initial process for 10 sec
digitalWrite(13,HIGH);
//-----------------check motor---------------------------
if (digitalRead(TowerSW) == HIGH ){ //check if motor off?
Er_Code = 1; //if so, keeps alarm_1 and ending
goto Alarm1_And_Ending; //Alarm_1
}
//---------------------------------------------------------------
//----------------check water coming up--------------------
if (digitalRead(WaterDetectSW) ==HIGH ){ // == HIGH => water coming up!
goto Normal_process ; // water coming up within 10sec？
} // Yes,ends initial process and goes on next process.
//--------------------------------------------------------
delay(100); //for blinking 2 times in per cycle
digitalWrite(13,LOW);
delay(200);
digitalWrite(13,HIGH);
delay(100);
digitalWrite(13,LOW);
delay(600);
} //for next loop --gets 10sec initial process
//-----------------time up(10sec)-------------------------------
Er_Code = 2; water can't pump up within 10sec => keeps alarm_2 and ending
goto Alarm1_And_Ending; //Alarm_2
//-------------------------------------------------------------------
//==================================================================
//---------- 2. keeps pumping water process:-------------------------
//==================================================================
Normal_process:
for(int i=0;i<750;i++){ //sets running process for 15min (1.2sec*750=900sec=15min)
digitalWrite(13,HIGH); //for blinking 3 times in per loop
delay(100);
digitalWrite(13,LOW);
delay(200);
digitalWrite(13,HIGH);
delay(100);
digitalWrite(13,LOW);
delay(200);
digitalWrite(13,HIGH);
delay(100);
//*********************** end process ************************
if (digitalRead(TowerSW) ==LOW ){ //check if motor off within 15min ?
goto Start ; //if so, end pumping process;restart.
}
//**************************************************************
//----------------check water coming up--------------------
if (digitalRead(WaterDetectSW) == LOW ){ //if water coming up while motor is running?
Er_Code = 3; //if fails,goes for error and ending process
goto Alarm1_And_Ending;
}
//--------------------------------------------------------
digitalWrite(13,LOW);
delay(500);
} //for next loop---gets 15min loop
//-----------------time up(15min)-------------------------------
Er_Code = 4; // pumping water more than 10min => keeps alarm_4 and ending
goto Alarm1_And_Ending; //Alarm_4
//------------------------------------------------------------------
} //main if loop
digitalWrite(13,HIGH);
delay(10);
digitalWrite(13,LOW);
delay(500);
goto Start ; //main loop
//==================================================================
//------------------3. Error and Ending Loop------------------------
//==================================================================
Alarm1_And_Ending:
digitalWrite(StopRL,HIGH); //turns motor off
for(int i= 1;i<= Er_Code;i++){ //Bee with error code
tone(Alarm, 1000, 200);
delay(300);
}
delay(1000);
goto Alarm1_And_Ending;
} //maim void loop
//====================================================================
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