VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Цифровой угломер
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Угломерные инструменты применяются в астрономии с давних времён. Широко известен угломер Улугбека. Но это приборы стационарного типа. Они строились после тщательного определения плоскости главного небесного меридиана.
Угломер Улугбека
В литературе описано много конструкций переносных угломерных инструментов от самых простых до очень сложных.
Угломер Тихо-Браге
Мы решили попробовать сделать прибор который будет совмещать в себе простоту устройства с современными цифровыми технологиями. Скажем сразу, что мы столкнулись с большими трудностями и вот, что из этого получилось. Основные преимущества нашего прибора заключаются в возможности записи измеряемых координат с привязкой к реальному времени на SD-карту и вывода величины измеряемых величин на дисплей прибора. Возможность работы от аккумулятора позволяет использовать прибор в экспедиционных условиях.
Цель работы
Создать цифровой угломер, позволяющий считывать значения высоты и азимута наблюдаемого объекта с экрана дисплея и записывать эти значения, с привязкой к реальному времени, на SD-карту
Задачи
Обеспечить управляемое вращение зрительной трубы по высоте и азимуту
Обеспечить точные измерения высоты и азимута наблюдаемого объекта
Вывести результаты измерения на экран дисплея в режиме реального времени.
Обеспечить фиксацию реального времени и даты.
Обеспечить запись измеряемых величин на SD-карту с фиксацией реального времени.
Разработать программу управления двигателями и датчиками сбора и записи информации для микропроцессора Arduino Uno
Разработать методы определения нулевых значений азимута и высоты
Конструкция прибора
Угломер собран из двух готовых (от старых приборов) осевых систем.
Общий вид угломера
Первая система представляет собой металлический цилиндрический корпус по центральной оси которого, в подшипниках, закреплена ось. На один конец оси насажена шестерёнка большого диаметра, а на втором конце закреплена втулка. На этой втулке крепится пластина для крепления второй осевой системы. Цилиндрический корпус установлен на опорной платформе снабжённой четырьмя регулировочными винтами для вывода её в горизонтальную плоскость.
Осевая система вращения по азимуту
Вращение оси осуществляется с помощью двигателя постоянного тока на валу, которого закреплена шестерёнка малого диаметра, которая вместе с шестерёнкой осевой системы образует одноступенчатый, понижающий обороты, редуктор. Таким образом, первая осевая система позволяет осуществлять вращение по азимуту.
Вторая осевая система представляет собой прямоугольный металлический корпус, в который встроен червячный редуктор. Корпус крепится на пластине, закреплённой на оси первой системы так, чтобы ось червячного колеса находилась в горизонтальной плоскости. На конце этой оси закреплена зрительная трубка от теодолита.
Осевая система вращения по высоте
На оси червяка редуктора закреплена шестерёнка, вращение на которую передаётся шестерёнкой закреплённой на оси шагового двигателя. Таким образом, вторая осевая система позволяет осуществлять вращение по высоте.
Метод измерения высоты и азимута
Для измерения углов поворота по азимуту и высоте мы решили использовать прецизионные проволочные потенциометры типа ПТП-2. Корпуса потенциометров закреплены неподвижно, а оси вращения скользящих контактов связаны с осями вращения по азимуту и высоте. Один из них, с помощью шестеренчатой передачи связан с азимутальной осью вращения, а другой, соединяется с помощью переходной втулки с осью червячного колеса вращения зрительной трубки по высоте.
Потенциометр угла вращения по азимуту
На обмотку потенциометра подаётся питающее напряжение, а со скользящего контакта снимается измеряемое напряжение. Питающее напряжение 5 В. берётся от платы Ардуино.
Потенциометр угла вращения по высоте
Снимаемые с потенциометров напряжения поступают на аналоговые входы этой же платы. После установки угломера в нулевое положение по азимуту и высоте, потенциометры калибруются по азимуту и по высоте. Далее составляется формула перевода и Ардуино сама подсчитывает угол поворота.
Индикация измеряемых величин
Для индикации измеренных значений азимута и высоты мы использовали стандартный 16-ти контактный жидкокристаллический дисплей.
Дисплей
По стандартной схеме он присоединяется к плате Ардуино.
Установка прибора на север-юг
Использование платы Ардуино позволяет решить проблемы наводки угломера на точку юга и вывод его в горизонтальную плоскость. Для установки на юг мы использовали датчик-микросхему НМС5883L которая представляет собой 3-х осевой цифровой компас. Для установки зрительной трубы угломера в горизонтальную плоскость использована датчик-микросхема ММА 8451 – которая представляет собой акселерометр.
Плата модулей акселерометра и компаса
Две эти микросхемы надо использовать в паре, так как показания компаса сильно зависят от угла отклонения от горизонтальной плоскости. Микросхемы имеют стандартное подключение к Ардуино. Оба датчика запаяны на одной монтажной плате, которая неподвижно закреплена на опорной платформе в горизонтальной плоскости. Это позволяет перед каждым использованием прибора устанавливать опорную платформу в направление север-юг.
Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими полюсами. На широте Москвы это расхождение (восточное магнитное склонение) составляет 7,4 градуса. Т.е отклонение от точного направления на точку севера будет составлять 7, 4 градуса к западу. Величину этого отклонение мы вводим в формулу для определения точного азимута светила.
Калибровка потенциометров
Калибровку потенциометра вращения по азимуту мы произвели по Солнцу. Направив зрительную трубу на Солнце, мы записали величину напряжения снимаемого с потенциометра и время замера. Повторив эти измерения несколько раз в течение нескольких часов мы используя программу Stellarium определили азимуты Солнца в эти моменты времени.
Используя эти значения мы определили величину изменения напряжения приходящееся на поворот по азимуту на 1 градус. Зная это, составили формулу, по которой Ардуино подсчитывает текущее значение азимута с учётом поправки на 7,4 градуса.
Для калибровки потенциометра вращения по высоте мы использовали цилиндрический пузырьковый уровень и отвес, закреплённые на теодолитной трубке.
Уровень зрительной трубы
Считав показания напряжения с потенциометра при горизонтальном положение трубки и при её вертикальном положении, мы получили изменение напряжения потенциометра при повороте на 90 градусов. По этим значениям составляем формулу, по которой Ардуино подсчитывает текущее значение высоты.
Оптическая схема
Трубка теодолита короткая, что делает невозможным наблюдение глазом при большой высоте наблюдаемого объекта. Для решения этой проблемы мы использовали световолоконный кабель. Его световой диаметр составляет 12 мм, а длина 600 мм. Одним концом кабель вставляется в теодолитную трубку вместо окуляра.
Вид оптической схемы угломера
Второй конец кабеля фиксируется в окулярной трубке неподвижно закреплённой на опорной платформе. Это позволяет наблюдателю комфортно наводить трубку теодолита на наблюдаемый объект.
Работа с прибором.
Прибор устанавливается на прочную основу (не металлическую) на открытой площадке. Желательно отсутствие рядом больших масс железа и мощных электрических цепей, это может повлиять на точность работы компаса. Подаётся напряжение питания на Ардуино и схему управления. По показаниям компаса прибор устанавливается по направлению север-юг. По показаниям акселерометра в горизонтальную плоскость. После этого пользуясь органами управления двигателями движения по азимуту и высоте трубка теодолита наводится на объект наблюдения. Когда наблюдаемый объект окажется в центре поля зрения зрительной трубки берутся отсчёты значений по азимуту и высоте.
Заключение
Прибор испытан и доказал свою работоспособность.
Наибольшую ошибку в точность ориентирования прибора по оси Юг-Север, в настоящий момент мы оцениваем её величину в 0,2 градуса, даёт использование модуля компаса для Arduino Uno. Если для наблюдений используется одна и та же площадка, то можно, используя известные методы, определить положение главного небесного меридиана и самая большая ошибка будет устранена. В дальнейшие планы нашей работы над прибором входит:
- для установки прибора в плоскость главного небесного меридиана
- оборудовать его системой наводки на Полярную звезду
- установить Web-камеру на окулярный узел зрительной трубки, чтобы изображение наблюдаемого объекта выводилось на экран монитора.
Планируется активная работа с прибором во время очередной Крымской экспедиции АШ «Вега» в августе 2020 г.
Список литературы и интернет-ресурсы:
Интернет-ресурсы:
astronet.ru›db/msg/1174656/chapter5-4.html
ru.wikipedia.org›Угломер
mirznanii.com›…313134/astronomicheskie…uglomernye…
astro-cabinet.ru›library/astnab/astronomi-…
dic.academic.ru›dic.nsf/brokgauz_efron…Угломерные
Литература:
Д.Я. Мартынов Курс практической астрофизики «Наука» 1977 г.
Э.В. Кононович, В.И. Мороз Общий курс астрономии «Эдиториал УРСС» 2001
П.Г. Куликовский Справочник любителя астрономии «Эдиториал УРСС» 2002
Джереми Блум Изучаем Arduino «БХВ-Петербург» 2015
Используемые программы:
Stellarium
Arduino 1.6.4
EasyPlot