VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Автозащита для астрономической камеры слежения за состоянием неба и небесными объектами
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
Актуальность: Мне с детства нравилось конструировать и, обучаясь более года в астрономической школе ВЕГА, я увлёкся наблюдением за небом в существующие в этой обсерватории приборы: телескопы и камеры. Для астрономических обсерваторий актуальным является постоянный контроль состояния неба – определение количества облаков и областей неба, в которых можно проводить наблюдения. Это можно осуществлять разными методами, один из которых – использование камеры всего неба (all-sky камеры). Кроме того, подобные камеры могут быть использованы для наблюдения метеоров и болидов. Мы с руководителем практической части Татарниковым Андреем Михайловичем задумались о том, как усовершенствовать способы слежения за небом и небесными объектами. В настоящее время ставится вопрос: «Как обеспечить защиту камеры, следящей за небесными телами от воздействия окружающих природных факторов?» С одной стороны, достаточно просто: «накрыл прозрачной полусферой и всё», но нам же надо это сделать без вмешательства человека. Решили, что возможно надо создать дополнительную конструкцию в виде автоматической защиты к уже существующей камере. Для выяснения возможно ли это сделать, необходимо изготовить прототип системы защиты и управления камерой наблюдения за состоянием неба, работающий при любых погодных и световых условиях. Поэтому исследование данной темы о защите ПЗС-камеры считаю для себя актуальной.
Цель работы: Сконструировать и изготовить прототип системы защиты и контроля для камеры слежения за небом и небесными объектами, обеспечивающий её бесперебойную работу и защиту от воздействия погодных факторов.
Задачи:
1) Изучить теоретический материал не только школьного курса физики и астрономии, но и дополнительный по программированию и конструированию.
2) Рассмотреть устройство камеры слежения, для которой необходима защитная полусфера.
3) Разработать схему конструкции с учётом всех микросхем и плату.
4) Собрать схему.
5) Протестировать собранную схему при всех условиях погоды и освещения. И выявить основные её недочёты и недостатки.
6) Изготовить защитный корпус прибора защиты и управления камерой наблюдения за состоянием неба.
7) Собрать все узлы прибора в единую конструкцию, протестировать и проанализировать работу.
Сроки и этапы реализации проекта:
Осень 2018 года – начало реализации проекта.
1 этап- конструирование и сборка.
2 этап- тестирование конструкции и анализ работы в действии.
Январь 2020 года – окончательный этап реализации проекта.
2. Создание «Автозащиты для ПЗС-камеры»
2.1 Каждую ночь в отдалённости от города, где нет уличного освещения в поле зрения глаза человека может попасть некоторое количество метеорных тел, летящих со скоростью 10-15 км/с. Но если в атмосферу влетает частица со скоростью более 30 км/с, то из-за трения о воздух она быстро раскаляется, вспыхивает и порождает метеор. Большинство метеоров вспыхивает на высоте 70-80 км над земной поверхностью, полностью распыляясь в атмосфере. При своём движении в атмосфере метеорные частицы вызывают свечение молекул воздуха. Поэтому яркие метеоры оставляют после себя светящиеся следы, иногда видимые на протяжении нескольких секунд. Следовательно, такой способ назывался визуальным методом наблюдения небесных объектов. Наблюдение слабых метеоров и метеоритов, которые были не доступны вооружённому глазу, астрономы проводили с помощью небольших телескопов. Но правда из-за маленького поля зрения этих приборов, телескопическое наблюдение было слишком утомительными.
2.2 И поэтому на замену визуальному методу пришёл фотографический. Большое преимущество фотографического способа наблюдение – это круглосуточное, непрерывное наблюдение за небом. Существует множество различных фотографических камер неба. Они бывают двух видов: цифровые и плёночные. Из моего личного опыта, я могу сказать, что плёночные камеры – это терпеливый труд, так как на снимках будут получаться только яркое изображение метеоров и надо будет сделать много кадров с длительными экспозициями (экспозиция – это количество света, попадающего на матрицу фотокамеры для формирования снимка, она влияет на яркость объектов на фотографии), а цифровые камеры очень удобны в использовании. Их принцип работы очень прост: в цифровой камере с объективом, который захватывает большую площадь неба, изображение попадает через объектив на электронную матрицу, после чего записывается в память в цифровом виде. Но была одна проблема, для людей, имеющих такие камеры – это неблагоприятные природные условия, которые сказываются на ней. Такую камеру нельзя оставить без присмотра на круглые сутки – ее может залить дождь или засыпать снег, ей вредно солнечное излучение и т.д. Следовательно, я решил принять участие в этой нелёгкой задаче обеспечения защиты фотографической камеры от воздействия внешних природных факторов. (см. приложение 1)
Так как объектив камеры был «голым», для него нужна была защита. Основываясь на разделе геометрической оптики, изучающей законы распространения света в прозрачных средах, я сделал вывод, что очень подойдёт прозрачная полусфера, которая сможет защитить и не сбить поле зрение камеры. Сама камера будет находится в индивидуально изготовленной защите. (см. приложение 2).
2.3 Защита камеры безусловно обеспечена, но, мне кажется, что каждый раз самому не хочется по многу раз бегать открывать и закрывать её полусферой. И поэтому нужна была система, руководящая всем этим процессом. Для этого существует плата Arduino UNO (см. приложение 3), которая представляет собой набор различных элементов, объединённых между собой в одно единое устройство. Ключевым элементом в этой плате является микроконтроллер, который является мозгом и управляет всей платформой. Он преобразовывает цифровые и аналоговые сигналы, которые поступают с внешних устройств (датчиков). Его основные характеристики:
Тактовая частота: 16 МГц
Напряжение логических уровней: 5 В
Входное напряжение питания: 7-12 В
Максимальны ток с порта ввода-вывода: 40 mА
Максимальный выходной ток порта 3.3 В: 50 mA
Максимальный выходной ток порта 5 В: 800 mA
Flash-память: 32 КБ
Оперативная память: 1 КБ
В плату можно вставлять провода и подключать множество разных элементов. Чаще всего, для соединения используется макетная плата – это универсальная печатная плата для сборки и моделирования прототипов электронных устройств. Макетные платы подразделяют на два типа: для монтажа посредством пайки и без таковой (см. приложение 4). Можно добавлять светодиоды, датчики, кнопки, двигатели, модули связи, реле и создавать сотни вариантов интересных проектов умных устройств. Плата Ардуино — это умная розетка, которая будет включать и выключать все присоединенное в зависимости от того, как ее запрограммировали. Она имеет вход USB для задания программы, и вход для подачи питания от внешнего источника (батарейки) (см. приложение 5). В моём случаем дополнительными компонентами платформы Ардуино являются датчик света, мощный мини-двигатель и два геркона – «кнопки», которые «нажимаются» с помощью магнита. Использование штекерных проводов показалось мне не надёжным, и поэтому для конструирования и отладки прототипов самых различных устройств на Ардуино, я буду использовать макетную плату под пайку (см. приложение 6).
Все эти приборы, подключённые в единую систему, будут работать, как живой организм: от датчика света поступает сигнал в плату, микроконтроллер обрабатывает сигнал и подаёт его на двигатель, тем самым приводя его в движение до срабатывания геркона. Сперва на беспаячную макетную плату я присоединил штекерные провода, исходящие из Ардуино, так как эта плата способна давать напряжение 5 В, я пустил их на макетную плату (см. приложение 7). Используя основные разделы электродинамики и авометр, я для двух кнопок выбрал резисторы. Потому что, подключённые кнопки к Ардуино способны давать два логических значения на выходе: логическая единица и логический ноль. При подключении кнопки на прямую без резистора и при дальнейшем её нажатии может возникнуть напряжение, что приведёт к хаотичному движению реле мини-двигателя. Причина вся в том, что вокруг подключённого проводника возникает электрическое поле и, следовательно, получается «лишний» ток. В Ардуино существуют есть свои встроенные программируемые подтягивающие резисторы величиной 20 кОм, но они должны задаваться программой. Поэтому нейтральное значение резистора, рекомендуемое для использования 10 кОм, которое я использовал для кнопки. При его подключении «лишний» ток будет уходить в землю. Следующим этапом было подключение датчика и двигателя, но напрямую двигатель подключить нельзя, как известно, плата ардуино имеет существенные ограничения по силе тока присоединенной к ней нагрузки. Для платы это 800 mA, а для каждого отдельного вывода — и того меньше, 40 mA. Мы не можем подключить напрямую к Arduino Uno, даже самый маленький двигатель постоянного тока. Любой из этих двигателей в момент запуска или остановки создаст пиковые броски тока, превышающие этот предел. Поэтому присоединяется драйвер и следует, что Ардуино управляет двигателем через драйвер (см. приложение 8). Это устройство будет работать тогда, когда я введу в него определённую программу. Программа пишется на языке программирования С++. Она состоит из определённых операторов и команд. Ардуино имеет вход USB и кабелем я соединяю плату с компьютером и через специальную программу, установленную на компьютере, начинаю вводить команды, используя операторы. Устройство, которое я собрал будет выполнять свои функции только тогда, когда будет введена туда программа для управления процессами. Но перед вводом программы, нужно было продумать логику всей системы, чтобы потом ещё преобразовать на компьютерный язык.
2.4 Логика системы сначала была набросана схематично, и в дальнейшем проделывалась (см. приложение 12) и заключалась в том, что при считывании датчиком значения освещения, а они были забиты в начале программы (см. приложение 9), поступали в микроконтроллер на плате, обрабатывались в цифровой сигнал, так как мини-двигатель и две кнопки были подключены в цифровой разъём. Если значение меньше заданного 70, то мотор включается и движется в сторону открытия, а если значение больше 80, то мотор движется в сторону закрытия фотокамеры, пока не коснётся одной из кнопок. Во время движения рычага с полусферой, датчик света отключается, потому что какое-либо воздействие света на датчик приведёт к сбою работы двигателя. И только когда полусфера надавит на одну из кнопок двигатель отключается и включается датчик, чтобы начать считывать значения параметра освещённости. Работа датчика, кнопок и двигателя была успешна.
Следующим этапом было перенесение устройств на паячную макетную плату, так как использование штекерных проводов не является надёжным. Применение пайки обеспечивает надёжность и долговременную работу устройства. Для обеспечение защите от агрессивной окружающей среды, так как прибор будет находится на улице, макетную плату с Ардуино придётся поместить в защитный корпус. В данной работе подошёл металлический корпус от роутера (см. приложение 10) со встроенным маленьким вентилятором. Роутер питается отдельным блоком питания 220В – 18 В (см. приложение 11). Так как двигатель работает от 12В, я использовал регулируемый преобразователь напряжения с выходным напряжением от 1.5 до 35 В, с максимальным рабочим током 3А.Регулировка выходного напряжения осуществляется при помощи многооборотного подстроечного резистора, благодаря чему можно без особых проблем задать нужное значение.
2.5 Теперь всю единую систему состоящей из Ардуино, макетной платы и понижающего регулируемого преобразователя осталось расположить в защитном корпусе. С помощью сверлильного станка я проделал отверстия в корпусе и в макетной плате, так как в Ардуино и преобразователе уже имеются два отверстия для крепления. Но сам корпус металлический и соприкосновение с ним одной из плат может привести к замыканию. Поэтому расстояние между корпусом и платами должно быть примерно 5мм. Это достигается путём подкладывания диэлектрических пластмассовых шайб между корпусом и платами. Но перед состыковки корпуса и плат, нужно было посмотреть, как удобно расположить их, чтобы удобно присоединить кабель. После крепления макетной платы и Ардуино, USB входы у Ардуино был расположены так, что просто взять и присоединить кабель не получится, и поэтому пришлось сверлильным станком проделать отверстие для 2 двух проводов на стенке корпуса: один провод для питания и задания программы, а второй только для питания самой платы.
2.6 С помощью пайки я собрал всю схему внутри корпуса роутера, вывел провода на разъемы и проверил каждый провод мультиметром на замыкание, Убедившись, что все собрано верно я испытал систему. Затем я заменил провод, который соединяет корпус с платами и двигатель с датчиком и герконами, на более длинный (3 метра длиной). Это не повлияло никак на работу системы. Таким образом, основные два компонента моей установки (блок с камерой и блок питания и управления) могут находится друг от друга на достаточно большом расстоянии – один на улице, второй в помещении.
На время тестов я использовал кнопки для управления двигателем (это удобнее при отладке). Поэтому следующим этапом была замена кнопок на герконы, которые работали от магнита. Программа при этом не менялась, т.к герконы сравнимы с кнопкой, только другой принцип работы: при поднесении магнита, магнитное поле действует на геркон и его металлические концы соприкасаются, и по геркону идёт ток – это сравнимо с нажатой кнопкой..
Поэтому дальше мне надо было думать, как защитить двигатель, потому что он находился в «голом» состоянии, как и герконы, которые стояли на подставках по бокам. Для корпуса хорошо подошел фольгированный текстолит. С помощью угольника я отмерил мне нужное расстояние и выпилил с помощью болгарки равные по высоте детали с погрешностью меньше 2мм. Сверлильным станком я высверлил отверстие для подвижного механизма двигателя, на котором крепится сам рычаг. Собрав корпус, используя уголки (приложение 12), я накрыл двигатель (приложение 13). Провода двигателя и герконов я «отрезал» от корпуса с платами. Эти провода я также собрал в переходник USB, проверив мультиметром. Дальше я разместил герконы на корпусе, около крутящейся ступицы мини-двигателя. Для этого пришлось снять слой фольги по контуру, где я буду крепить герконы, так это проводник. Корпус был собран, после чего осталось вывести датчик освещённости и сделать отверстие к USB входу, где собраны провода двигателя, датчика и герконов.
2.7 Конечным этапом будет выставление прототипа на улицу (приложение 14), где будет испытываться его работа, определяться как будет себя вести датчик и двигатель. После этого в установку я смогу поставить камеру и испытать ее в полностью собранном виде.
3. Ожидаемый результат и выводы.
Таким образом, основная цель творческой работы достигнута: я сконструировал и изготовил прототип системы защиты и управления камеры наблюдения за состоянием неба. А теперь останется его протестировать и проанализировать результаты, которые будут получать в Астрономической школе «Вега», используя мою конструкцию. Эта работа несёт огромную практическую значимость, потому что все исследования, которые делаются с помощью ПЗС-камеры не получаются только из-за того, что вмешиваются изменения метеоусловий, и камера часто выходит из строя, не имея такой защиты.. Был изучен необходимый теоретический материал, который помог осуществить работу, рассмотрен один из главных элементов моей работы – ПЗС-камера, для которой нужно было обеспечить защиту от внешних природных факторов и сделан вывод, что лучше всего подойдёт прозрачная полусфера с роботизированным закрытием камеры, сама камера находилась в защитном цилиндрическом корпусе. Была использована плата Ардуино с микроконтроллером, который обеспечивал всю механику работу открывания и закрывания колпака. Был применён язык программирования для задания программы. Собрана и протестирована схема, состоящая из Ардуино, датчиков, мини-двигателя и двух кнопок на беспаячной макетной плате. Для надёжности была применена паячная макетная плата, которая вытеснила беспаячную. Был использован защитный корпус от роутера, который я переделал для своих нужд. Завершающим этапом конструирования стало надёжное закрепление плат в защитном корпусе и создание кубообразного защитного корпуса для двигателя с его компонентами.
4.Заключение.
Считаю, что продукт моего творческого проекта будет очень востребован в обсерватории астрономической школы «Вега». Он будет помогать устанавливать ПЗС-камеры слежения за небом и небесными светилами в защите от непогоды и позволять им долго работать без привлечения человека.
Кроме этого, мне кажется, что полученные мною навыки конструирования и практические навыки пайки, работы с электричеством, программирования пригодятся в дальнейшей моей жизни и будущей профессии инженера.
Литература.
Учебник по астрономии «Астрономия» 10-11 класс В.М. Чаругин
Интернет энциклопедия «Википедия» https://ru.m.wikipedia.org
Учебное пособие по плате Arduino «Изучаем Arduino». Джереми Блум
Учебный материал по физике Г.Я Мякишева.
«Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2003» В.П Леонтьев.
Полный справочник по программному языку С++ Герберт Шилдт.
Приложение 1
ПЗС-камера
Приложение 2
Защитный колпак для камеры и защитный корпус для камеры
Приложение 3
Принципиальная схема Arduino UNO
Приложение 4
Беспаячная макетная плата
Приложение 5
ArduinoUNO и его входы питания
Приложение 6
Макетная плата для пайки
Приложение 7
Макетная плата для пайки
Приложение 8
Плата ArduinoUNO и драйвер двигателя
Приложение 9
Фрагмент кода программы
Приложение 10
Корпус роутера с элементами схемы
Приложение 11
Преобразователь напряжения
Приложение 12
Защитный корпус двигателя (крышка снята)
Приложение 13
Защитный корпус двигателя с установленным колпаком и корпусом для камеры
Приложение 14
Установка в собранном виде (камера размещена в корпусе), корпус блока управления (справа) снят
19