CN2911764Y - 控制天文望远镜自动跟踪天体目标的电动装置 - Google Patents

Abstract

控制天文望远镜自动跟踪天体目标的电动装置，属天文望远镜的设计制造技术领域。多个按键分别与单片机P1口的相应引脚电连接，由与非门及非门构成按键输入控制电路，各按键还分别与按键输入控制电路中的相应输入端电连接，按键输入控制电路的输出端与单片机INTO端电连接，两个电机专用驱动集成芯片的输入端分别与单片机P2口的相应引脚电连接，电机专用驱动集成芯片的输出端分别与极轴电机和赤纬轴电机电连接，电机通过减速机构与现有机械天文望远镜的相应调节手柄的转轴机械连接。本实用新型实现了电动控制，能对恒星和行星自动跟踪，操作轻便、精度高，避免劳累，且成本低。

Description

控制天文望远镜自动跟踪天体目标的电动装置

技术领域

本实用新型属天文望远镜的设计制造技术领域。

背景技术

见图1，现有机械天文望远镜的镜筒设有两个转轴：一个是赤纬轴1，它与镜筒2的轴线垂直；另一个是极轴3，它与赤纬轴1垂直。使用者通过转动赤纬轴调节手柄，镜筒2便以赤纬轴1为轴心转动；通过转动极轴调节手柄，镜筒2便以极轴3为轴心转动。观测天体时，设置望远镜让其极轴3与地球4的天轴5平行，此时赤纬轴1与地球4的赤纬面平行。任何一个天体，都有时角坐标和赤纬坐标与之相对应。当镜筒2以赤纬轴1为轴心转动，就能够任意改变赤纬坐标。当镜筒2以极轴3为轴心转动，就能够任意改变时角坐标。由此，望远镜的镜筒目镜就能够对准任何天体目标。

用现有机械式天文望远镜观测跟踪天体目标时，需要人为转动操作望远镜的手柄，即转动赤纬轴调节手柄和极轴调节手柄，才能使目镜跟随目标一起移动，这种边转动调节手柄边观测的方式带来的不便是：人基本上不能离开望远镜，否则会丢失目标，因此容易使人劳累，不利于长时间观测。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能够控制现有机械式天文望远镜自动跟踪天体目标的电动装置。

若在极轴调节手柄的转轴和赤纬轴调节手柄的转轴上分别安装可逆步进电机，即安装极轴电机和赤纬轴电机，由单片机完成按键输入操作控制和输出步进脉冲，控制电机转速及方向，取代手柄调节，就能够改变时角和赤纬坐标，实现电动控制。

观察者感到恒星的运动是由于地球自转所引起的相对运动。我们把望远镜对准某天体，把赤纬轴固定，而镜筒以极轴为轴心转动，使转速与地球自转速度相同，方向相反即可。此过中由单片机计算和输出与地球自转速度相当的步进脉冲信号及电机转动方向控制信号，即可实现对恒星的自动跟踪。

当自动跟踪行星时，由手动按键跟踪行星一定时间，这段时间由单片机记录下两个电机总的转动步距矢量和、转动方向与转动时间。转动步距分别对应于转动的赤纬坐标和时角坐标矢量和，计算出每个电机单位时间内的转动步距及对应的步进脉冲频率，输出步进脉冲信号和方向控制信号到电机驱动电路，控制极轴电机和赤纬轴电机在两个坐标轴上匀速转动，即可实现对行星的自动跟踪。所以，此过程分两步：一、记录和计算轨迹，二、启动自动跟踪。

根据上述原理，本实用新型的结构如下：

1、电路部分：

(1)、七个或七个以上的按键分别与单片机P1口的相应引脚电连接，

(2)、由七输入或七输入以上的与非门及非门构成按键输入控制电路，各按键还分别与按键输入控制电路中的相应输入端电连接，按键输入控制电路的输出端与单片机INTO端电连接，

(3)、一个电机专用驱动集成芯片的输入端与单片机P2口的任意2个引脚电连接，该电机专用驱动集成芯片的输出端与极轴电机电连接，极轴电机为可逆步近电机，

(4)、另一个电机专用驱动集成芯片的输入端与单片机P2口的另外任意2个引脚电连接，该电机专用驱动集成芯片的输出端与赤纬轴电机电连接，赤纬轴电机为可逆步近电机。

2、机械部分：极轴电机的转轴与一减速传动机构的输入轴传动连接，赤纬轴电机的转轴与另一减速传动机构的输入轴传动连接。

本实用新型的使用方法：

1、去掉现有机械天文望远镜的极轴调节手柄，让与极轴电机传动连接的减速传动机构的输出轴与极轴调节手柄的转轴连接；去掉赤纬轴调节手柄，让与赤纬轴电机传动连接的减速传动机构的输出轴与赤纬轴调节手柄的转轴连接。

2、把望远镜对准某恒星，赤纬轴固定，而镜筒以极轴为轴心转动，使转速与地球自转速度相同方向相反。此过程中由单片机计算和输出与地球自转速度相当的步进脉冲信号及电机转动方向控制信号，实现对恒星的自动跟踪。

3、自动跟踪行星时，先手动按键跟踪行星一定时间，由单片机记录下两个电机总的转动步距矢量和、转动方向与转动时间。转动步距分别对应于转动的赤纬坐标和时角坐标矢量和，计算出每个电机单位时间内的转动步距及对应的步进脉冲频率，输出步进脉冲信号和方向控制信号到电机专用驱动集成芯片，控制两个步进电机在两个坐标轴上匀速转动，实现对行星的自动跟踪。

为了让本实用新型使用起来更加方便，最好还在电路部分中，设有由电发光元件构成的转速状态显示部分，转速状态显示部分的输入端与单片机的P0口的相应引脚电连接，显示望远镜不同转速档状态，与按键配合设置望远镜的转速；设有由电发光元件构成的电机工作状态显示部分，电机工作状态显示部分的输入端与单片机的P0口的相应引脚电连接，显示极轴电机和赤纬轴电机是否转动，在慢速转动时让观察者掌握电机工作情况；设有由电发声或电发光元件构成的自动跟踪启动显示部分，自动跟踪启动显示部分的输入端与单片机的P0口的相应引脚电连接，功能是当望远镜进入自动跟踪状态时发声或发光进行报告，让观察者掌握自动跟踪功能的启动及时间。

本实用新型的有益效果：

1、实现了电动控制，操作轻便、精度高，能以按键操作取代手柄转动操作。

2、实现了对恒星和行星的自动跟踪，能避免劳累，天体目标通常需要长时间观察，装置与软件配合，还能对自动跟踪过程进行轨迹校正。

3、成本低，体积小，单片机的发展趋势是高性能、低价位，所以该装置的精度和性能都能进一步增强，但保持低价位。

附图说明

图1为现有机械天文望远镜的两个转轴位置关系示意图。

图2为本实用新型的基本电路框图。

图3为实施例的电路框图。

图4为实施例的电路原理图。

图5为实施例的电机驱动电路图。

图6为实施例机械部分的结构示意图。

图7为实施例的软件功能模块框图。

具体实施方式

见图2～7所示的实施例。

1、电路框图结构见图3。CPU采用ATMEL公司生产的AT89C52单片机，程序存储器和数据存储器都采用内部资源。

输入部分：(1)按键输入部分完成信息的输入和操作，设计了七个按键，有：上、下、左、右移动；速度挡设置；恒星自动跟踪设置；行星自动跟踪设置。单片机通过P1口的任意七个引脚读取每一按键状态。(2)按键输入控制电路控制输入的方式为外部中断方式，由八输入与非门及非门构成，与单片机的INTO端相接，只要有任何一个按键按下，就会产生一个有效信号输入到INTO端，申请中断，执行中断服务程序。

输出部分：(1)、转速状态显示部分由3个发光管构成，显示望远镜不同转速档状态，与按键配合设置望远镜的转速。由P0口的任意3个引脚输出控制。(2)电机工作状态显示部分由2个发光管构成，分别显示极轴电机和赤纬轴电机是否转动。在慢速转动时让观察者掌握电机工作情况。由P0口的任意2个引脚输出控制。(3)自动跟踪启动显示部分由1个蜂鸣器构成，功能是当望远镜进入自动跟踪状态时的鸣响报告。让观察者掌握自动跟踪功能的启动及时间。由P0口的任意1个引脚输出控制。(4)极轴电机驱动：由电机专用驱动集成芯片UCN5804B完成，由P2口任意2个引脚输出控制。(5)赤纬轴电机驱动：由电机专用驱动集成芯片UCN5804B完成，由P2口任意2个引脚输出控制。

其他部分：(1)级联记数：单片机P1口的一个引脚与T0相接，用于大时间量的记数。在行星自动跟踪前，需记录按键跟踪的移动步距和总时间，如4分钟。而时钟是微妙级记数，一个16位时钟定时范围不够，若采用寄存器记数的方法，需要每次累加和检测，这些指令时间将不被记录在内，会影响记时精度。这里采用级联记数，由一个时钟(如T1)设为定时，产生低频脉冲，通过P1口输出，送到另一个时钟(如T0)，设为记数，即对外部低频脉冲记数。这样，定时工作主要由时钟部分硬件完成，软件干预的次数极少，可提高记时精度。

(2)复位电路：采用开关上电复位电路。

(3)晶振电路：采用外接晶体振荡器电路。

2、电路原理图见图4。

U1为CPU，采用ATMEL公司生产的单片机AT89C52，电源为+5V。

K1-K7是功能操作和设置键，分别接单片机的P1口P10-P16引脚，P1口配有内置上拉电阻，不必外接。K1-K7的另一端接地GND。其中，K1-K4键分别操作望远镜上、下、左、右移动，K5为速度档设置键，K6为自动跟踪恒星设置键，K7为自动跟踪行星设置键。输入方式采用外部中断申请方式，K1-K7通过集成片U3(74CLS30)八输入与非门及U2(74CLS04)非门变换接到单片机的外部中断申请INTO端，只要任何一个按键按下，就会产生一低电平信号，向单片机申请中断，执行中断服务程序，即识别按键并执行按键功能。电阻R6、电容C1、开关K8、地GND和电源VCC组成上电复位电路接到单片机的RESET端。P1口的P17引脚与T0相接，构成级联记数，用于大时间量的记时。

发光二极管D1-D5的一端分别接单片机P00-P04，由P00-P04输出控制。D1-D5另一端分别接上拉电阻R1-R5，R1-R5的另一端接电源+5V。

其中，发光管D1-D3显示望远镜不同转速状态，与K5键配合设置望远镜四档转速，见下表1。

表1  望远镜转速状态排列显示表

转速	D1	D2	D3
				一速	亮	灭	灭
二速	灭	亮	灭
				三速	灭	灭	亮
四速	亮	亮	亮

D4、D5分别为极轴电机和赤纬轴电机的转动显示。在慢速转动时让观察者掌握电机工作情况。由P03、P04输出控制。

蜂鸣器L1接P05，由P0口的P05输出控制，为望远镜进入自动跟踪状态时的鸣响预报。

U5，U6由两片UCN5804B构成，是步进电机的专用驱动集成芯片。输入控制信号有方向和转速控制，14脚为方向控制端，低电平为正向，高电平为反向。11脚为转速控制端，由步进脉冲控制转动，步进脉冲频率控制转速。所以，U5的14脚、11脚分别接P2口的P23、P22；U6的14脚、11脚分别接P2口的P21、P20。U5，U6的输出脚1、3、6、8能直接驱动步进电机，参看图5电机驱动电路。

3、电机驱动电路结构

见图5，表明电机专用驱动集成芯片UCN5804B与电机的连接方法，是一种典型的应用连接方式。图中，U4表示电机专用集成电路芯片，U4即为图4中的U5或U6。11、14脚为输入控制。9、10脚决定激励方式，在此都为低电平，为两相激励方式，顺序是AB-BC-CD-DA。D6、D7、D8、D9为续流二极管，R7、R8为限流电阻，U7为步进电机。

4、机械部分的结构见图6，每个实施例具有完全相同的两个装置，图6只画出其中一个。图6中1为极轴电机或赤纬轴电机，2为电机转轴，3为减速机构，4为主动齿轮，5为从动齿轮，6为从动齿轮转轴，7为蜗杆，8为蜗轮，9为转轴。使用时，去掉现有机械天文望远镜的极轴调节手柄，让一个装置的转轴9与极轴调节手柄的转轴连接；去掉赤纬轴调节手柄，让另一个装置的转轴9与赤纬轴调节手柄的转轴连接。

5、软件模块：见图7。

初始化模块：主要实现初始化设置功能，初始化设置内容包括：按键外部中断、定时参数，速度与对应步进脉冲频率等参数设置，为要用到的功能设置工作方式。

按键服务及判断模块：这是按键中断服务程序，当有任何一个按键按下时，就会转到这一程序。它首先要排除按键抖动的因素，延时20MS，再次复读P1口数据，状态相同，才认可有按键按下。再判断按键的编码，转到相应的功能子程序。

速度档变换模块：这是一功能子程序，当变速设置键按下时会转到这一子程序，每执行一次，速度档增一，到4档后，又返到1档。同时，设置相应的电机步进脉冲参数，并将对应的速度状态输出到显示口。此后，望远镜的速度将起用设置好的速度。

上、下、左、右移动模块：这是功能子程序，原理是左、右按键对应极轴电机控制，上、下按键对应赤纬轴电机控制，上、下，左、右分别对应电机的不同转动方向。设置把相应的方向控制信号和与速度挡对应的步进脉冲送到电机控制口，同时设置相应显示。

恒星自动跟踪模块：当恒星自动跟踪设置键按下时，转到这一子程序。以上述理论为依据，计算出相对应的步进脉冲频率和方向控制信号，输出到UCN5804B接口芯片。

行星自动跟踪模块：当行星的自动跟踪设置键按下时，转到这一子程序。进入这一子程序后，首先要操作望远镜随行星一起移动，这一过程的作用是记录行星的移动轨迹。主要记录两个参数，一个是随行星移动的总时间，另一个是两个电机的总移动步距，可计算两个电机的转动速度，以两个速度失量控制相应的电机，就能达到自动跟踪的目的。记录时间不能太短，该系统是记录4分钟后，进入自动跟踪状态，同时发出鸣响报告，并显示电机工作情况。

以上实施例仅为了对本实用新型作进一步说明，而本实用新型的范围不受所举实施例的局限。

Claims (3)

1、一种控制天文望远镜自动跟踪天体目标的电动装置，其特征在于结构是：

(1)、电路部分：

(a)、七个或七个以上的按键分别与单片机P1口的相应引脚电连接，

(b)、由七输入或七输入以上的与非门及非门构成按键输入控制电路，各按键还分别与按键输入控制电路中的相应输入端电连接，按键输入控制电路的输出端与单片机INTO端电连接，

(c)、一个电机专用驱动集成芯片的输入端与单片机P2口的任意2个引脚电连接，该电机专用驱动集成芯片的输出端与极轴电机电连接，极轴电机为可逆步进电机，

(d)、另一个电机专用驱动集成芯片的输入端与单片机P2口的另外任意2个引脚电连接，该电机专用驱动集成芯片的输出端与赤纬轴电机电连接，赤纬轴电机为可逆步进电机，

(2)、机械部分：极轴电机的转轴与一减速传动机构的输入轴传动连接，赤纬轴电机的转轴与另一减速传动机构的输入轴传动连接。

2、如权利要求1所说的控制天文望远镜自动跟踪天体目标的电动装置，其特征在于：电路部分中，设有由电发光元件构成的转速状态显示部分，转速状态显示部分的输入端与单片机的P0口的相应引脚电连接，设有由电发光元件构成的电机工作状态显示部分，电机工作状态显示部分的输入端与单片机的P0口的相应引脚电连接，设有由电发声或电发光元件构成的自动跟踪启动显示部分，自动跟踪启动显示部分的输入端与单片机的P0口的相应引脚电连接。

3、如权利要求2所说的控制天文望远镜自动跟踪天体目标的电动装置，其特征在于：按键为7个，按键输入控制电路由八输入与非门及非门构成，转速状态显示部分由3个发光管构成，电机工作状态显示部分由2个发光管构成，自动跟踪启动显示部分由1个蜂鸣器构成，单片机P1口的一个引脚与T0相接。

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