CN110597304B

CN110597304B - 一种自动天文平顶控制系统

Info

Publication number: CN110597304B
Application number: CN201911001786.8A
Authority: CN
Inventors: 和寿圣; 业凯; 杨丽星; 余晓光; 王德清; 黄永萍; 杨毓国; 伦宝利; 范玉峰; 王传军; 丁旭; 唐芝菲
Original assignee: Yunnan Astronomical Observatory of CAS
Current assignee: Yunnan Astronomical Observatory of CAS
Priority date: 2019-10-21
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2023-07-21
Anticipated expiration: 2039-10-21
Also published as: CN110597304A

Abstract

本发明公开了一种自动天文平顶控制系统，包括天文平顶、平移系统、限位系统和自动控制系统，限位系统包括软件限位系统、限位开关和机械限位结构，自动控制系统包括正反转控制器和平顶控制器，正反转控制器与平移系统连接，以控制平移系统的开启和关闭动作；平顶控制器与正反转控制器连接，平顶控制器通过有线或无线的方式控制正反转控制器，从而控制平移系统以到达天文平顶开启或关闭的自动化控制；平顶控制器通过线控或射频遥控方式控制正反转控制器。该控制系统具备自动控制、远程手机控制、本地按钮及遥控器控制功能，具有软件、电力和机械三重限位功能，具有自动化程度高、安全性好、布线少、成本低等优点；支持ASCOM协议，软件兼容性好。

Description

一种自动天文平顶控制系统

技术领域

本发明涉及天文相关设备及通信控制技术领域，具体涉及一种自动天文平顶控制系统。

技术背景

天文公共对象模型(Astronomy Common Object Model，ASCOM)是Windows平台下一种免费开源的天文接口标准，它在控制软件和设备之间引入驱动层，为天文软件供应商和天文仪器厂家提供了一个免费互通的中间桥梁，国内外天文界广泛采用了该标准。远程观测是高度自动化的天文观测模式，具有观测效率高、成本低等特点，在天文研究、天文选址、天文教学和科普教育等领域发挥了非常重要的作用。由于远程观测需要集成圆顶、赤道仪、照相机、调焦器、滤光片等诸多天文设备，ASCOM标准在基于Windows平台的远程观测系统中普遍被采用。

圆顶和平顶是天文台通常采用的两种结构，圆顶的造价和设计要求都很高。为了降低远程观测的成本，以小型光学望远镜为主的天文台普遍采用移动天文平顶，每个平顶内通常摆放20台以上的望远镜。目前国内已经建成几十个半专业的小型天文台，其中绝大多数都采用了移动天文平顶，但能够实现自动控制的却非常少，一般都是借助摄像头人为远程控制平顶的开启和关闭。光学天文观测对天文观测条件诸如雨雪、风沙、云量、湿度、大气视宁度等要求较为严格，异常情况如雨雪、风沙等不仅影响天文观测精度和效率，而且会导致望远镜等天文设备受损。因此实现基于观测条件判据的天文平顶的自动控制对远程观测非常重要。

发明内容

本发明为了解决上述问题，设计了一种自动天文平顶控制系统，该控制系统具备自动控制、远程手机控制、本地按钮及遥控器控制功能，具有软件、电力和机械三重限位功能，具有自动化程度高、安全性好、布线少、成本低等优点；支持ASCOM协议，软件兼容性好。

为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种自动天文平顶控制系统，包括：

天文平顶：为人字形坡屋顶，为天文设备提供不良天文气象条件下的物理遮挡；

平移系统：天文平顶于平移系统上平移，实现天文平顶对围护结构的开启和关闭；

限位系统：包括软件限位系统、限位开关和机械限位结构，防止平移系统对天文平顶过度移动而造成天文平顶的失位以及失稳；

自动控制系统：包括正反转控制器和平顶控制器，正反转控制器与平移系统连接，以控制平移系统的开启和关闭动作；平顶控制器与正反转控制器连接，平顶控制器自动获取天文观测条件后通过有线或无线的方式控制正反转控制器，从而控制平移系统以到达天文平顶开启或关闭的自动化控制；

所述的平顶控制器通过线控或射频遥控方式控制正反转控制器，平顶控制器接受移动设备的无线控制或观测电脑的有线或无线控制。

进一步的，所述的平顶控制器包括壳体和固定于壳体内部的电路板，壳体上设有限位输入接口、正反转控制器接口、USB接口、充电接口、射频接口和物联网接口，壳体的顶部开有散热带，散热带的一侧设有按键模块，平顶控制器的电路板上固定有MCU单片机、USB转串口模块、物联网模块、继电器模块、限位模块、电源模块和射频RF模块，电源模块、USB转串口模块、射频RF模块、物联网模块和限位模块均与MCU单片机连接，继电器模块与物联网连接，限位输入接口与限位模块连接，射频接口与射频RF模块连接，物联网接口与物联网模块连接，电机接口与继电器模块连接；电源模块将12V直流输入转为5V和3.3V直流输出以对各模块提供电源；MCU单片机通过USB和射频RF两种方式与观测电脑通信，观测电脑的控制软件根据天文监测系统的监测条件发送命令至MCU单片机，MCU单片机根据继电器模块的输入和限位输入模块的限位状态控制天文平顶以开启或关闭达到自动调节的目的。

进一步的，所述的继电器模块包括4路继电器，MCU单片机和物联网上均设有Relay1～Relay4、S1～S4的串口，Relay1～Relay4为开关输出端口，开关输出端口通过三极管SS8050驱动控制4路继电器，并连接到MCU单片机为其提供继电器状态；S1～S4为外部输入控制端口，按键模块通过外部输入控制端口S1～S4控制4路继电器，4路继电器控制正反转控制器。

进一步的，所述的天文平顶包括人字形坡屋顶，天文平顶的底部四个角部固定有电机安装基座，电机安装基座的内侧固定有正反转电机，电机安装基座的外侧铰接于正反转电机转轴固定连接的槽型轮。

进一步的，所述的平移系统包括固定围护结构顶部两侧的平移导轨，天文平顶底部的槽型轮嵌合设置于平移导轨上；正反转电机在正反转控制器的驱动下发生正、反转，槽型轮随之正、反转，天文平顶在平移导轨上前、后移动，实现天文平顶的开启或闭合。

进一步的，所述的限位系统包括软件限位系统、限位开关和机械限位结构，软件限位系统事先计算好天文平顶平移到位时间，超时则软件发起停止命令；限位开关包括设置于围护结构上的限位开关1和限位开关2，限位开关1和限位开关2分别固定于平移导轨的两端，天文平顶平移至限位开关则触碰开关停止电机转动；机械限位结构包括机械限位1和机械限位2，机械限位1和机械限位2分别设置于平移导轨的两端，由牢固的限位机构阻止天文平顶超限发生事故。

进一步的，所述的电源模块采用AMS1117-5.0和AMS1117-3.3芯片将12V直流输入转为5V和3.3V直流输出为各模块提供电源；MCU单片机选用STM32F103C8T6(LQFP48)型芯片，负责与观测电脑通信，通信方式有USB和射频RF两种方式(射频方式需要观测电脑端插入USB转射频模块)，观测电脑的控制软件根据天文监测系统发送命令到MCU单片机实现自动控制天文平顶；物联网模块采用PSF-B04芯片，该芯片支持易微联手机远程控制，开关输出端口Relay1～Relay4的四路I/O通过三极管SS8050驱动控制4路继电器，外部输入控制端口S1、S2、S3和S4可以接收MCU单片机的控制信号；继电器模块采用SRD-05VDC-SL-C，4路继电器可以控制电机正反转控制器；射频RF模块采用YS-RF34T，支持学习模式，通过串口连接MCU单片机的串口2，可接收和发送遥控信号命令；USB转串口模块采用CH340C芯片设计，按键模块用于本地控制，同样通过外部输入控制端口S1、S2、S3和S4控制。

本发明的有益效果是：该控制系统具备电脑自动控制、远程手机控制、本地按钮及遥控器控制功能，具有软件、电力和机械三重限位功能，具有自动化程度高、安全性好、布线少、成本低等优点，并且支持ASCOM协议，软件兼容性好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是自动天文平顶控制系统的系统结构示意图；

图2是所述的平顶控制器的系统结构框图；

图3是所述的平顶控制器的壳体结构示意图；

图4是所述的平顶控制器的电路板的结构示意图；

图5是所述的天文平顶与平移系统的装配结构示意图；

图6是所述的天文平顶的结构示意图；

图7是所述的MCU单片机的电路封装图；

图8是所述的物联网模块的电路封装图；

图9是电源模块的电路结构图。

图10～13是开关输出端口Relay1～Relay4与4路继电器的电路连接图。

图14是实施例中外部输入控制端口S1～S4的电路结构图；

图15、16分别是第一限位输入接口和第二限位输入接口的电路结构图；

图17是实施例中的YS-RF34T型射频芯片的电路结构图；

图18是ASCOM驱动软件界面图；

图19是MCU单片机软件流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-壳体，2-第一限位输入接口，3-第二限位输入接口，4-第一正反转控制器接口，5-第二正反转控制器接口，6-散热带，7-正转按钮，8-反正按钮，9-电路板，10-MCU单片机，11-USB转串口模块，12-USB接口，13-物联网模块，14-第一继电器，15-第二继电器，16-第三继电器，17-第四继电器，18-射频RF模块，19-射频接口，20-电源模块，21-充电接口，22-天文平顶，23-围护结构，24-平移导轨，25-支撑柱，26-限位开关，27-机械限位结构，28-电机安装基座，29-正反转电机，30-槽型轮，131-物联网接口，201-限位模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例中的电源模块20采用AMS1117-5.0和AMS1117-3.3芯片；MCU单片机10选用STM32F103C8T6(LQFP48)型芯片；物联网模块13采用PSF-B04芯片；继电器模块采用SRD-05VDC-SL-C；射频RF模块18采用YS-RF34T型射频芯片；USB转串口模块11采用CH340C芯片设计。

参阅图1所示，一种自动天文平顶控制系统，包括天文平顶、平移系统、限位系统和自动控制系统；天文平顶：为人字形坡屋顶，为天文设备提供不良天文气象条件下的物理遮挡；平移系统：将置于其上的天文平顶进行平移，实现天文平顶对围护结构的开启和关闭；限位系统：包括软件限位系统、限位开关和机械限位结构，防止平移系统对天文平顶过度移动而造成天文平顶的失位以及失稳；自动控制系统：包括正反转控制器和平顶控制器，正反转控制器与平移系统连接，以控制平移系统的开启和关闭动作；平顶控制器与正反转控制器连接，平顶控制器自动获取天文观测条件后通过有线或无线的方式控制正反转控制器，从而控制平移系统以到达天文平顶开启或关闭的自动化控制；所述的平顶控制器通过线控或射频遥控方式控制正反转控制器，平顶控制器接受移动设备的无线控制或观测电脑的有线或无线控制。

限位系统包括软件限位系统、限位开关和机械限位结构，软件限位系统事先计算好天文平顶平移到位时间，超时则软件发起停止命令；限位开关包括设置于围护结构上的限位开关1和限位开关2，限位开关1和限位开关2分别固定于平移导轨的两端，天文平顶平移至限位开关则触碰开关停止电机转动；机械限位结构包括机械限位1和机械限位2，机械限位1和机械限位2分别设置于平移导轨的两端，由牢固的限位机构阻止天文平顶超限发生事故。

如图2-4所示，平顶控制器包括壳体1和固定于壳体内部的电路板9，壳体1上设有限位输入接口、正反转控制器接口、USB接口12、充电接口、射频接口19和物联网接口131，限位输入接口包括第一限位输入接口2和第二限位输入接口3，正反转控制器接口包括第一正反转控制器接口4和第二正反转控制器接口5，第一限位输入接口2和第二限位输入接口3分别与限位开关1、限位开关2连接；壳体1的顶部开有散热带6，散热带6的一侧设有按键模块，按键模块包括控制包括一对正转按钮7、一对反转按钮8。平顶控制器的电路板9上固定有MCU单片机10、USB转串口模块11、物联网模块13、继电器模块、限位模块201、电源模块20和射频RF模块18，电源模块20、USB转串口模块11、射频RF模块18、物联网模块13、限位模块201和按键模块均与MCU单片机10连接，继电器模块与物联网13连接，限位输入接口与限位模块201连接，射频接口19与射频RF模块18连接，物联网接口131与物联网模块13连接，电机接口与继电器模块连接；电源模块20将12V直流输入转为5V和3.3V直流输出以对各模块提供电源；MCU单片机10通过USB和射频RF两种方式与观测电脑通信，观测电脑的控制软件根据天文监测系统发送命令至MCU单片机20，MCU单片机20根据继电器模块的输入和限位模块201的限位状态控制天文平顶以开启或关闭达到自动调节的目的。

如图5-6所示，天文平顶22包括人字形坡屋顶，天文平顶22的底部四个角部固定有电机安装基座28，电机安装基座的内侧安装有正反转电机29，电机安装基座的外侧铰接有槽型轮30，槽与正反转电机29的转轴固定连接。平移系统包括固定于围护结构两侧的一对平移导轨24，天文平顶22底部的槽型轮30嵌合于平移导轨24上；正反转电机29在正反转控制器的驱动下发生正、反转，槽型轮30随之正、反转，天文平顶22在平移导轨24上前、后平移，实现天文平顶的开启或闭合。

如图7所示，MCU采用STM32F103C8T6(LQFP48)型芯片，该芯片一款集成电路，32位微控制器，程序存储器容量是64KB，需要电压2V～3.6V，工作温度为-40℃～85℃一款集成电路。该芯片的扩展接口39～42分别接入开关输出端口Relay1～Relay4并通过开关输出端口控制4路继电器，芯片的扩展接口25～28分别接入外部输入控制端口S1～S4，与MCU单片机连接的按钮模块通过MCU单片机向S1～S4发出控制指令以达到控制继电器的目的，进而达到调节正反转电机停止或正/反转的目的，芯片的扩展接口45、46接入一对限位模块201，通过限位模块201接收限位开关1、限位开关2的限位状态。

如图8所示，物联网模块13选用PSF-B04芯片，该芯片的扩展接口6、8、11、19分别接入开关输出端口Relay1、Relay4、Relay3和Relay2且通过开关输出端口控制4路继电器，由于物联网模块13可支持易微联手机远程控制，因此可实现通过手机设备远程控制继电器动作的目的；该芯片的扩展接口5、10、13、14分别接入外部输入控制端口S4、S1、S2、S3，经物联网接口与物联网模块连接的外设可通过S1～S4发出控制指令以达到控制继电器的目的。

如图9所示，电源模块采用AMS1117-5.0和AMS1117-3.3芯片并联设计，AMS1117-5.0芯片将12V直流电源转为5V直流电，相应地，AMS1117-3.3芯片将12V直流电转为3.3V直流电并对各模块进行供电，USB转串口采用CH340C芯片设计，USB接口12的取电设计，未连接电脑则不通电以降低功耗。

如图10-13所示，开关输出端口Relay1～Relay4通过三极管SS8050驱动控制4路继电器，并连接到MCU单片机为其提供继电器状态。

如图14所示，S1～S4为外部输入控制端口，MCU单片机和外部按键都通过该端口控制继电器；按键模块有4个按钮，包括一对正转按钮7和一对反正按钮8，按键模块通过控制端口S1～S4控制4路继电器以达到控制正反转电机的正/反转状态。

如图15-16所示，继电器模块采用SRD-05VDC-SL-C，4路继电器可以控制电机正反转控制器。

如图17所示，射频遥控模块采用YS-RF34T，支持学习模式，通过串口连接MCU单片机的串口2，可接收和发送遥控信号命令，主要用于接收遥控器的控制信号，通过MCU程序控制继电器。

如图18所示，由于现行有很多天文软件支持ASCOM协议能够实现自动控制天文平顶，电脑端程序只需编写天文平顶的ASCOM驱动程序(注：ASCOM驱动需要配合ASCOM平台和相应的控制软件才能正确运行)，如需自己编写全部控制软件实现自动控制，只需读取观测条件检测系统的数据，设置开关天文平顶的阈值条件，软件限位系统则会事先计算好天文平顶平移到位时间，超时则软件发起停止命令，实现软件限位系统的自动限位功能。该驱动程序采用串口通讯，波特率9600，数据位8位，停止位1位，无校验位。

如图19所示，平顶控制器具备电脑控制、手机控制和遥控器及按键本地控制，手机控制由物联网芯片PSF-B04提供，不需要单片机干预。软件流程如下：1、查询串口1(即电脑端串口)是否收到命令，收到命令则根据命令进行相应动作，如果是开关命令则执行相应的继电器动作，如果是查询命令则返回继电器和限位状态给电脑，未收到命令则执行下一步；2、查询串口2(即遥控器串口)是否收到命令，收到命令则执行相应的继电器动作，未收到命令则执行下一步；3、查询按键是否按下，如果检测到按键按下则执行相应的继电器动作，然后返回第一步重复工作，按键未按下亦如此。其中，继电器动作操作需要配合继电器状态和限位开关状态进行，如果所需动作和当前继电器状态一致则无需操作，如果所需动作方向已经限位亦无需操作，其余状态执行继电器动作。

本装置的一个具体的应用为：平顶控制器具有USB接口12、物联网接口131和射频接口19，可以分别通过电脑、手机和遥控器方式控制，由于其有射频模块，观测电脑控制既可以通过USB或射频方式遥控，天文监测系统将侦测的天文条件实时传输至观测电脑，观测电脑的控制软件根据天文条件通过USB或射频方式向平顶控制器输出控制指令，平顶控制器的MCU单片机10接收到USB数据线传输的控制指令后，MCU单片机10通过扩展接口39～42接入的开关输出端口Relay1～Relay4向继电器模块输出控制指令，而开关输出端口Relay1～Relay4通过三极管SS8050驱动控制4路继电器，为MCU单片机提供继电器状态。一般正反转控制器带线控和射频遥控功能，平顶控制器经数据线向正反转控制器输出正/反转控制指令，正反转控制器也可通过射频RF模块接收平顶控制器的射频RF模块发出的正/反转控制指令，正反转控制器接收到正/反转控制指令后向一对正反转电机同步输出正转或反转指令，一对正反转电机同步正转或者反转，槽型轮随之正转或反转，天文平顶则随之发生前、后平移以对围护结构进行关闭或开启。

平顶控制器的射频RF模块18可接受遥控器发生的无线射频信号并对无线射频信号进行解码，解码后的信息传输至MCU单片机10，MCU单片机10经开关输出端口Relay1～Relay4向继电器模块输出控制指令，4路继电器向正反转控制器输出正/反转指令，一对正反转控制器同步向一对正反转电机输出正/反转动作指令，进而实现天文平顶的前、后平移，进而完成天文平顶的关闭和开启。

平顶控制器的物联网模块13可接收手机等移动设备发送的操作指令，物联网模块13在接收关闭或开启指令后，直接通过开关输出端口Relay1～Relay4向继电器模块输出控制指令，4路继电器向正反转控制器输出正/反转指令，一对正反转控制器同步向一对正反转电机输出正/反转动作指令，进而实现天文平顶的前、后平移，进而完成天文平顶的关闭和开启。

在天文平顶移动的过程中，限位系统的软件限位系统则可根据平移导轨的长度和正反转电机的转动速度以及齿轮盘的线速度从而预先计算好天文平顶的到位时间，超时则软件发起停止命令，此为软件限位功能；其次是限位开关限位，天文平顶底部的槽型轮30触碰固定于平移导轨24两端的限位开关26后，限位开关26则经过限位模块201向MCU单片机10发出到位信号，MCU单片机10经过开关输出端口向继电器模块输出停止指令，进而平顶控制器向正反转控制器输出停止指令，正反转控制器则切断对正反转电机的电路通路，从而停止对天文平顶进行平移；平移导轨的两端部设有机械限位结构27，如橡胶块防止天文平顶22超限发生事故。

实施例2

监测电脑通过USB转射频模块控制天文平顶的核心代码如下：

/>

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种自动天文平顶控制系统，包括：

平移系统：天文平顶于其上进行平移，实现天文平顶对围护结构的开启和关闭；

所述的平顶控制器通过线控或射频遥控方式控制正反转控制器，平顶控制器接受移动设备的无线控制或观测电脑的有线或无线控制；

其特征在于，所述的平顶控制器包括壳体和固定于壳体内部的电路板，壳体上设有限位输入接口、正反转控制器接口、USB接口、充电接口、射频接口和物联网接口，壳体的顶部开有散热带，散热带的一侧设有按键模块，平顶控制器的电路板上固定有MCU单片机、USB转串口模块、物联网模块、继电器模块、限位模块、电源模块和射频RF模块，电源模块、USB转串口模块、射频RF模块、物联网模块和限位模块均与MCU单片机连接，继电器模块与物联网连接，限位输入接口与限位模块连接，射频接口与射频RF模块连接，物联网接口与物联网模块连接，正反转控制器接口与继电器模块连接；电源模块将12V直流输入转为5V和3.3V直流输出以对各模块提供电源；MCU单片机通过USB和射频RF两种方式与观测电脑通信，观测电脑的控制软件根据天文监测系统发送命令至MCU单片机，MCU单片机根据继电器模块的输入和限位输入模块的限位状态控制天文平顶以开启或关闭达到自动调节的目的；

所述的继电器模块包括4路继电器，MCU单片机和物联网上均设有Relay1～Relay4、S1～S4的串口，Relay1～Relay4为开关输出端口，开关输出端口通过三极管SS8050驱动控制4路继电器，并连接到MCU单片机为其提供继电器状态；S1～S4为外部输入控制端口，按键模块通过外部输入控制端口S1～S4控制4路继电器，4路继电器控制正反转控制器。

2.根据权利要求1所述的自动天文平顶控制系统，其特征在于，所述的限位系统包括软件限位系统、限位开关和机械限位结构，软件限位系统事先计算好天文平顶平移到位时间，超时则软件发起停止命令；限位开关包括设置于围护结构上的限位开关1和限位开关2，限位开关1和限位开关2分别固定于平移导轨的两端，天文平顶平移至限位开关则触碰开关停止电机转动；机械限位结构包括机械限位1和机械限位2，机械限位1和机械限位2分别设置于平移导轨的两端。