Управление поворотом телескопа. Часть 2. (А.В.Пахомов)

Статья опубликована в журнале "Радио" №5, 2010. Статья является своеобразным продолжением (развитием) предыдущей статьи. В статье приводится описание модернизированного простого устройства управления поворотом телескопа Celestron PowerSeeker 60 EQ с экваториальной монтировкой. Устройство позволяет наводить телескоп по прямому восхождению на произвольный объект с известными координатами. В качестве устройства хранения каталога небесных объектов используется телефонный справочник сотового телефона. Схема управления выполнена на микроконтроллере Atmel AT89C51.

Введение

В предыдущей статье [1] описано устройство поворота телескопа, выполненное с использованием шагового двигателя (ШД), управляемого микроконтроллером (МК). Двигатель осуществляет поворот телескопа по оси прямого восхождения (проще говоря "восток"-"запад"). Интеллектуальные возможности микроконтроллера используются минимальным образом - производится управление равномерным поворотом ротора шагового двигателя. Это позволяет не отвлекаться на подстройку наведения телескопа вслед за вращением Земли, а сосредоточиться на наблюдении за выбранным объектом. Начальное наведение на наблюдаемый объект производится вручную. Логично было бы использовать возможности микроконтроллера для автоматического наведения телескопа на требуемый объект. Частичной реализации этой мысли и посвящена эта статья..

Постановка задачи

Отвлечемся от радиотехники и коснемся, немного, астрономии, для вникания в суть задачи. Предположим, начинающему (а, может, даже "закоренелому") астроному-любителю захотелось увидеть в свой телескоп какой-нибудь "невзрачный" небесный объект, например галактику М66 в созвездии Льва. Яркость ее невелика (m=8,9, здесь и далее все астрономические параметры взяты из каталога Н.Александровича [2]) - простым глазом - не разглядишь. Иными словами, не зная координат - ни за что не отыщешь. На помощь приходят различные звездные каталоги, в которых небесные объекты классифицированы и снабжены координатами. Систем координат несколько, но для нашего астронома-любителя с экваториальной монтировкой телескопа наиболее удобной будет система, где указаны координаты прямого восхождения и склонения объекта. Для М66 - прямое восхождение 11 часов 20 минут 12 секунд, склонение 12 градусов 59 минут.

Если "астроному" удастся совместить "0" шкалы прямого восхождения телескопа (рис.1) с направлением на точку, в которой Солнце пересекает экватор около 21 марта каждый год (в момент весеннего равноденствия), то, выставив указанные выше координаты ручками механизмов тонких движений, он "упрется" телескопом в искомый объект. Но на практике такой метод наведения весьма затруднителен. Гораздо легче навести телескоп на "легко находимый" на ночном небе объект (в дальнейшем будем называть его опорным, или просто: опора) и, затем, по разности координат "довести" телескоп до искомого объекта. В случае нашего "астронома-любителя" легче всего в центральной полосе выбрать в качестве опоры ярчайшую звезду северного полушария Арктур (Альфа созвездия Волопаса с координатами 14:15:39.7 и +19:10:57) и посчитать смещение телескопа для наведения на М66. Получится что-то около трех часов к западу (напомню: 24 часа - это полный оборот) и 6 градусов "вниз", к горизонту. Задачу такого расчета смещения относительно опоры и поворота телескопа по данным этого расчета и должно решить наше устройство. Кроме этого, устройство не должно забывать о своей штатной задаче - слежении за вращением нашей планеты.

Пути решения

Решение поставленной задачи разбивается на несколько этапов:

Часть этапов решения задачи отработана в предыдущей статье. Оставшиеся 3-ий, 4-ый и 5-ый этапы разберем подробнее. Сразу скажу: задача наведения на объект по склонению была отброшена по причине "недоразвитости" механизма смещения телескопа по этой координате [3]. Механизм, примененный в монтировке позволяет перемещать телескоп в пределах 25-30 градусов по склонению. При этом число оборотов "ручки механизма тонких движений по склонению" неравномерно связано с числом градусов поворота телескопа. По этим причинам в устройстве был оставлен только один двигатель и поворот телескопа автоматизирован только по одной координате - прямому восхождению. (Хотя на практике второй ШД был успешно установлен на монтировке и справлялся со своей задачей перемещения телескопа по оси склонений).

Третий этап решения задачи - Определение координат опорного и искомого объекта по базе данных, предполагает наличие этой самой базы данных. В качестве хранилища был выбран телефонный справочник старого сотового телефона Siemens C60. С целью получения большей мобильности и оперативности, используется справочник на SIM карте (до 250 объектов). Таким образом на разные SIM-ки можно записать каталоги различных участков неба и использовать их по мере надобности. Ячейки справочника используются следующим образом: В ячейке #1 в поле номера абонента заносятся номера ячеек опорного и искомого объекта (по три цифры) с допустимым разделителем "+" или "#". В поле имя пишется произвольное сочетание знаков, но для удобства (чтобы при просмотре ячейка была в начале справочника) рекомендуется занести сочетание "001". Например: "009+086","001" - в ячейке 9 - опорная звезда, в 86 - искомый объект. В остальных ячейках прописываются координаты звезд, галактик и др. объектов вселенной. Координаты пишутся в поле номера цифрами подряд без разделителей по 6 знаков, между координатами ставится "+", если склонение положительное и "#", если отрицательное (такое допустимо, т.к. в наших широтах можно увидеть некоторые объекты южного полушария). Например:

здесь в ячейке 9 описаны параметры звезды Арктур, в 86 - галактики М66. Содержимое ячеек телефонного справочника считывается АТ-командами. Используется команда "AT+CPBR=<номер ячейки>".

Направление и количество шагов ШД для поворота телескопа (четвертый этап) расчитываются исходя из разности координат прямого восхождения опорного и искомого объектов: NStep = Alf0 - Alf1 Alf0 и Alf1 - координаты прямого восхождения опорного и искомого объектов выраженные в числе шагов ШД. Например, для вышеотмеченной звезды Арктур (14:15:39) в шагах ШД, Alf0 примерно равна 11409 шагам (((14*60)+15)*60+39)/4.5, при смещении телескопа на 1 шаг равном 4,5 сек). При NStep больше нуля, направление поворота при наведении совпадает с движением Солнца, при NStep меньше нуля - против Солнца. С учетом вращения Земли за время поворота телескопа, число шагов ШД необходимо скорректировать:

NStep1 = NStep + K * NStep * T0 / T

• NStep1 - число шагов поворота с учетом коррекции (фактическое значение, на которое двигаем) NStep - расчетное число шагов (см выше), т.е. без учета вращения Земли
• K - коэффициент, учитывающий направление поворота при наведении ("+1"-"по Солнцу", "-1"-"против Солнца")
• T0 - время одного шага при наведении телескопа, т.е. ускоренное (определяется периодом прерываний от таймера Т0 - 25 мс)
• T - время одного шага при слежении (4.5с или 9с при установленной перемычке Step [1])

Включение наведения телескопа (пятый этап) осуществляется программно по расчитанным значениям числа шагов и направления поворота. По окончании отсчета заданного числа шагов программа автоматически возвращается к режиму слежения за вращением Земли. Механическая часть решения задачи рассмотрена в предыдущей статье [1] и здесь не приводится.

Схема

Принципиальная электрическая схема устройства мало чем отличается от приведенной в [1]. Добавлены лишь линии последовательного интерфейса для связи с сотовым телефоном (Рис.2): разъем Х3 и кабель для подключения телефона (mini-jack 3,5" - 12-pin Siemens C60/AХ75).

Программа

Коды программы МК приведены в таблице 1. Текст программы микроконтроллера на ассемблере MCS-51 - в таблице 2. Программа работает следующим образом. После нажатия кнопки S1 (Сброс/Слежение) программа начинает формировать на выводах порта 1 МК сигналы управления ШД, обеспечивающие его вращение с требуемой скоростью для слежения за объектом. Предполагается, что в момент нажатия S1 в поле зрения объектива находился опорный объект. Далее программа считывает первую ячейку телефонного справочника телефона и определяет ячейки с координатами опорного и искомого объектов. Если в течение трех секунд телефон не выдает подтверждения на запрос, устройство считает, что телефон не подключен и продолжает слежение за объектом аналогично программе [1]. Считав координаты объектов из двух заданных ячеек, программа производит расчет числа шагов и направления поворота телескопа для наведения на искомый объкет и включает ускоренное вращение вала ШД. По окончании наведения программа возвращает режим штатного слежения для ШД. Одновременно на телефон посылаются команды включения отображения ячейки телефонного справочника искомого объекта. Для этого используются АТ-команды эмуляции нажатия клавиш телефона ("АТ+СKPD=<код клавиши>"). Чтобы экран телефона не гас, периодически в телефон посылается команда, включающая подсветку. Назначение перемычек и кнопок управления совпадают с описанным в [1]. В программе используются три прерывания: от таймера Т0 (25мс) - определяется скорость вращения ШД, от таймера Т1 (52мкс) - скорость обмена по последовательному интерфейсу и режим импульсного питания обмоток ШД и от последовательного приемо-передатчика.

Методика загрузки каталога в телефон

Для работы с устройством требуется знать координаты небесных объектов. Как отмечалось выше, в мире существует несколько каталогов, для астронома-любителя с простым телескопом очень удобным является доступный в интернете "Каталог звезд и незвездных объектов, видимых в средних широтах северного полушария" Н.Александровича [2]. Каталог является компиляцией нескольких астрономических каталогов и содержит наиболее интересную информацию о ярких звездах, двойных звездах, рассеянных скоплениях, галактиках и других небесных объектах. Из 88 официальных созвездий в каталог включены 58 видимых в центральной полосе. Каждому созвездию соответствует свой HTM-файл, из которого легко извлечь всю необходимую нам информацию о небесных объектах. Данные о координатах объектов можно заносить в телефонный справочник вручную, но это оправдано лишь для планет Солнечной системы. Для загрузки координат объектов предлагается простенькая утилита командной строки на Паскале. Программа откомпилирована бесплатным, свободно распространяемым Free Pascal Compiler. В качестве параметров утилиты, надо указать СОМ порт, к которому через DATA-кабель подключен телефон, и имя файла с данными. Утилита извлекает необходимые данные из текстового файла (предварительно, желательно его сформировать из htm-файлов каталога, оставив необходимые объекты и выровняв строки по подобию сегмента для звезд) и формирует АТ-команды для записи в ячейки телефонной книги телефона. Например: AT+CPBW=11,"143204+381830",129,"011 boo Star Gam / 3.03" - запись в ячейку 11 координат Гаммы Волопаса (яркость 3.03). Утилита, ее текст и пример файла загрузки приведены в архиве.

Монтаж

Устройство собрано в том же корпусе [1], добавлен разъем - гнездо "mini-jack" 3,5мм для подключения кабеля от телефона. Фото устройства с подключенным телефоном Siemens AX75 показано на рисунке 3.

На фото в разъем для подключения ШД установлены контрольные светодиоды, используемые при отладке программы и индицирующие наличие напряжения в соответствующих обмотках ШД.

Работа с оборудованием

Работа с доработанным телескопом происходит следующим образом. Сначала в телефонный справочник на SIM карте телефона заносятся (со второй ячейки) координаты предполагаемых к наблюдению объектов. Затем в первую ячейку справочника заносятся номера ячеек опорного и первого искомого объекта. Потом в полном соответствии с [3] выполняется сборка и настройка экваториальной монтировки телескопа. Затем производится ручная настройка телескопа на опорный объект. Далее подается питание на устройство управления и телескоп сам наведется на искомый объект по прямому восхождению (при этом контрольный светодиод мигает часто), а затем будет сам вести объект вслед за вращением Земли. Руководствуясь координатой склонения искомого объекта (параметры объекта отображаются на экране телефона), необходимо вручную "довести" телескоп до нужного небесного объекта по шкале склонений. Светодиод мигает равномерно медленно. После окончания наблюдений, можно изменить номера ячеек искомого и опорного (теперь сюда надо прописать ячейку наблюдаемого объекта) объекта в первой ячейке телефонного справочника, и нажать кнопку сброса - телескоп наведется на новый искомый объект. При необходимости ручной подстройки "право-лево" (точнее "восток-запад"), нажимаем любую из кнопок S2 или S3. При этом останавливается слежение, снимается питание с ШД, освобождая, тем самым, ручку управления для ручных манипуляций. Светодиод при этом перестает мигать и остается в своем последнем (до нажатия кнопок) состоянии. Повернуть телескоп в управляемой плоскости можно повторными нажатиями кнопок S2 или S3 к востоку или западу, при этом контрольный светодиод мигает чаще. При отпускании кнопок питание с ШД вновь снимается.

Выводы

Описанная модернизация устройства управления телескопом существенно повышает функциональность аппарата и упрощает процедуру поиска объектов на небе. Конечно, точность наведения невелика, прежде всего из-за неточности установки монтировки на местности. Но, даже в таком виде, устройство существенно облегчит наблюдения астрономам-любителям.

Список литературы:

1. "Управление поворотом телескопа. Часть 1" - А.В.Пахомов

2. Н.Александрович. Каталог звезд и незвездных объектов, видимых в средних широтах. http://hea.iki.rssi.ru/~nik/head_k.htm (по состоянию на 2000 год)

3. Телескоп PowerSeeker 60 EQ. Инструкция по эксплуатации. - http://www.celestron.ru/support/powerseeker_60eq.pdf