（光学工程专业论文）基于嵌入式系统的赤道仪自动寻星系统.pdf

浙江大学硕士学住论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 我国的天文学研究具有悠久的历史，天文现象的观测由来已久。随着我国天 文事业及航天事业的蓬勃发展，天文普及程度也越来越高，天文热正在兴起，尤 其是青少年天文爱好者越来越多。但是在我国，天文爱好者观星大都是手动调节 天文望远镜，这样操作起来复杂并且不精确，同时对操作者的天文专业知识也有 较高的要求，给一些星空爱好者设置了比较高的门槛。现在市场上的自动寻星装 置，国外如美德、高桥、威信的产品性能比较完善，但是价格居高不下，而国内 产品的寻星性能往往不能让人满意。因此，本文旨在利用嵌入式系统设计控制赤 道仪，以实现自动找星和对该目标星体的后续跟踪，为青少年科普观测恒星提供 个性价比较好的解决方案。 1 2 寻星装置综述 1 2 1 天文望远镜的种类和特点 一般天文望远镜以构造来分类，可分为折射望远镜、反射望远镜及折反射望 远镜三大类【1 】o 同口径天文望远镜中，折射镜是光学质量最高的，牛顿式反射镜是最便宜的， 折反式则是体积和重量最小的。 折射镜适合用于行星、月球等天体的观测。因为折射镜只需要很短的时间达 到热平衡，可以大大增加观测时间，而且同口径的折射镜往往比反射镜有更好的 分辨率和反差【舶。 观测暗弱的目标，如变星或深空天体，望远镜口径是主要的考虑因素。牛顿 反射式望远镜为最佳选择【3 j 。多靠森式的反射镜则适用于星系、星云和彗星等暗 弱天体的观测。同时，小口径的牛顿反射式望远镜是入门者的理想设备。 折反射式是反射式与折射式的折中，优点是小巧便携，缺点是成像对比度低。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 。2 2 架台的分类和特点 不管是折射式、反射式还是折反射式天文望远镜，都必须安装在架台上才能 使用。架台主要有两种，一种为经纬仪式架台，另一种则是赤道仪架台。 经纬仪可以让望远镜在垂直方向及水平方向自由转动，是基于地平坐标系原 理，利用天体的水平方位角和垂直高度角来找寻天体的种架台【4 j 。当需要长时 间使用经纬仪来观察天体时，观察者必须不断地转动垂直及水平微调杆，调整望 远镜的位簧，让天体不至于脱离视野。因此，如果在观测时需要对天体进行描绘 或是测量，观测者就无法在操作经纬仪的同时描绘天体。 经纬仪有地平经纬仪( 图1 1 左) 和多布森装置( 图1 1 右) 两种。 图1 1 地平经纬仪( 左) 和多布森装置( 右) 赤道仪是基于赤道坐标系原理设计的。赤道仪上有固定轴，是对着北极点 的( 在南半球就是南极点) 。这个固定轴称为极轴。极轴就等同于地球的自转轴， 而绕着极轴旋转的赤经轴就等于是缩小的地球了。当赤道仪的赤经轴旋转方向与 地球相反，而且也是天旋转一圈时，赤道仪就能一直跟着天体运动，天体也就 可以一直保持在望远镜的视 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 图1 2 德式赤道仪( 左) 和又式赤道仪( 右) 1 3 国内外自动寻星装置综述 近年来，望远镜中的最具变革性的改进就是通过电脑或者单片机自动寻星， 实现了选择按键就可以使望远镜自动指向目标星体。目前国外美德、高桥和威信 提供的产品的跟踪精度高，功能比较完善，性能比较优越，国内天极星和天狼同 样提供相关产品，但是跟踪精度不够，提供的功能比较简单，性能上不尽如人意。 1 美国美德( a d e ) 公司 美德公司e 1 i x 系列【1 天文望远镜及a u t o s t “自动寻星控制器可以轻松定位、 探究行星、银河系、星云及星系、小行星和彗星。 a ) 双轴驱动的叉型基座：包括高转矩的双轴d c 马达，使用掌上型键盘操 作控制，按键可选择4 种速度。 b ) 地平或赤道仪模式控制。 2 日本高桥公司 高桥生产的赤道仪主要代表性作品有e m 2 ，e m 一1 0 ，e m 2 0 0 型号等嘲。 e m l 0 为两轴内藏的德式赤道仪唧。其赤经微动和赤纬微动都是全齿轮式全 周微动，采用脉冲式马达电动驱动，可切换高速驱动与常速驱动。水平方位微调 采用双微调钮，调整范围1o 口。倾斜角微调为扭动式，调整范围在高度2 0 。5 0 。 刻度环赤经晟小刻度1 0 ，赤纬最小刻度2 。，可以加接a s t r os c a l e 赤经赤纬 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 数位显示器。追踪精确度土l o ”。 3 日本威信( v i x e n ) 公司 日本威信公司的新一代德式赤道仪s p h i n x ，简称s x 赤道仪，采用跟踪马 达全内藏式设计、伸缩式重锤杆，并且配备了新型计算机自动寻星( g o t o ) 控制 器s t a f b o o k 。该自动寻星装置采用了彩色液晶显示屏幕。s t a r b o o k 上显示的星空 和当前实际的情况保持一致，用户通过控制按钮可引导望远镜快速对准目标。目 前s t a r b o o k 内部的数据库包含2 2 7 2 5 个天体目标数据，将来还能通过内置的网 络端口从网站下载最新的软件版本对s t a r b o o k 进行升级。 4 北京天极星光学仪器有限公司 “天极”推出立柱式钢管活轮支架，e q 4 型赤道仪，内置式交直流两用同步 驱动器自动跟踪，主控板控制l 倍、2 倍、8 倍速及正反转、微调【i ”。 1 4 论文的研究工作 本课题将从以下几个方面展开研究： 1 1 从天文学的 x 浙江大学硕士学位论文第三章自动寻星技术方案 第二章寻星仪的相关理论基础 为了在球面上建立天体位置与地面测站点位置间的关系，需要建立参考坐标 系，而建立参考坐标系必须在天球上假定一些基本的圈点。 2 。1 天球和天球上的基本圈点 z z ， 图2 1天球表天球上的基本圈点 1 天球 天球是以观测者为球心，以适当长度为半径的假想球面。在天球上建立的坐 标称为天球坐标系，如图2 1 所示。 2 天顶和天底 将测站点的铅垂线上下延长与天球相交于两点。位于观测者头顶上的点称为 天顶，用z 表示；与它相对的点z 为天底。 3 天球地平面和天球地平圈 通过测站点( 天球中心) 作和天顶天底的连线z z7 相垂直的平面称为天球地 平面，它与天球相交的大圆e s w n 称为天球的地平圈。 浙江大学硕士学位论文 第三幸自动寻星技术方案 4 天轴和天极 通过天球中心，作一直线与地球自转轴p p7 平行，这条直线成为天轴。天轴 与天球相交的两点p 、p7 称为天极，与地球北极相对应的p 点为北天极，与地球 南极相对应的p7 点为南天极。 5 天球赤道面和天球赤道 通过天球中心，作一平面与天轴p p 垂直，这一平面称为天球赤道面，显然 它和地球赤道面是相互平行的。天球赤道面与天球相交的大圆q e q w 称为天球 赤道。天球赤道将天球分成两个半球，包含北天极p 的称为北半球，另一半球称 为南半球。天球赤道与地平圈的两个交点称为东点e 和西点w 。 6 天球子午面和天球子午圈 通过天轴和天顶所决定的平面叫做天球子午面。它与天球相交的大圆p z q q 称为天球子午圈。天球子午圈被天轴分为两个半圈。包含天顶z 的半圈p z q p 称为上子午圈，包含天底z 称为下子午圈。天球子午圈和天球赤道相交于q 和 q ，靠近天顶的q 点称为上赤道点，靠近天底的q 点称为下赤道点。 7 子午线 天球子午圈面与天球地平圈面相交的直线n s ，称为子午线，靠近天北极的 n 点称为北点，靠近天南极的s 点称为南点。 8 垂直面、垂直圈、卯酉圈 通过天顶和天底，即包含z z 的平面称为垂直面。垂直面与天球相交的大圆 叫做垂直圈。子午圈也是一个垂直圈。垂直于子午面的垂直面和天球相交的大圆 z e w z 7 称为卯酉圈。卯酉圈通过东点与西点【1 6 1 。 9 时圈 通过天极p 和p7 的平面与天球相交的大圆都称为时圈。予午圈也是一个时 圈。 2 2 地平坐标系 地平坐标系是以天球地平圈s m n 为基圈，n 为原点( 图2 1 ) 旧。z 为基 本圈的极，所有经过z 的圈都垂直于地平，称为地平经圈。 地平坐标以方位角a ( 地平经度) 及高度角h ( 地平纬度) 来定天体在天球上 6 浙江大学硕士学位论文第三章自动寻星技术方案 的位置。设通过天体b 的垂直圈z b z7 交地平圈于m 点，则自北点n 沿地平圈顺 时针转至m 的大圆弧n m 为天体b 的方位角a 。方位角的数值变化范围由o 。到 3 6 0 。高度角h 是从地平圈起算的球心角么6 0 m ，其数值从0 。到1 8 0 。但是在 天文测量中，往往不用高度角h ，而是用从天顶起算的球心角z z 0 毋来表示天体 b 在地平坐标的一个坐标，称为天体的天顼距【1 3 】，用z 表示。显然天顶距与高度 角的关系为： 矗+ z = 9 0 。( 公式2 1 ) 地平坐标系直接表达星空在当时当地的情况，非常直观和形象。 但是由于天体的周同运动，天体的地平坐标方位角与高度角( 或天顶距) 随时间而不断变化。即在同一测站，若在不同的时间进行观测，虽然观测同一天 体，但所得地平坐标却是不一样的。 这个坐标系还有一个特点就是与观测者所处的位置有关。因为它的两个坐标 圈( 地平圈和子午圈) 、原点n 和天顶z 等都随着测站的不同而异，所以在不同 的测站，即使在同一瞬间观测同一天体，但所得的地平坐标也是不同的。 因而地平坐标不仅有时间性还有地方性。 2 3 赤道坐标系 2 3 1 第一赤道坐标系 第一赤道坐标系也叫时角坐标系【，是以天赤道q q 为基圈，以上点q 为 原点组成的天球坐标系( 图2 2 ) 。 时角坐标系以赤纬6 和时角t 确定天体在天球上的位置【1 5 l 。设通过天体b 所 作的时圈p b p 交赤道于t ，则天赤道上弧长q t 称为天体b 的时角t 。时角的数 值从o 。到3 6 0 。赤纬6 是天体b 距天赤道的弧长拍，由赤道起算向天北极为正， 自o 。到9 0 。，向天南极为负，自0 。至一9 0 。 浙江大学硕士学位论文 第三章自动寻星技术方案 z 。凄 - 一一：二二式式警 除乏，? 么 影 q ” z s 图2 2 时角坐标系 天体的赤纬不因天体的周日视运动有所变化，也不因测站点的不同而有差 异；时角则随着天体的周日视运动，自上中天开始由o 。增加到3 6 0 。对于地理经 度不同的观测地点，由于子午圈不相同，故在同一瞬间，在地理经度不同的地点 观测到的同一天体的时角是不同的。 天球的周同运动是每天绕极轴旋转一周，因此赤道上一周3 6 0 。可用2 拍来 表示，时角t 可以用时间单位时、分、秒来量度。国际上采用 、聊、s 来代替 时、分、秒来量度。在赤道上度量的角度单位与时间单位的关系如下： 1 而= 15 。r = 4 m 1 胁 。凄 - 一一：二二式 式警除乏，? 么 影 浙江大学硕士学位论文 第三章自动寻星技术方案 赤纬由专门的天文工作者求得，并编成星表，如“天文年历”和“恒星视位置、 “恒星平位置”表等等。天文测量时可以直接从有关星表中查得a ，6 。 2 4 各种坐标系问的关系 地平坐标系是表示地面点和天体之间的位置关系，赤道坐标系是表示天体在 天球上的位置。在天文观测中，需要考虑坐标系问的变换。 2 4 1 第一赤道和第二赤道坐标系问的关系 第一赤道坐标系和第二赤道坐标系都以赤道为基圈，因此二个赤道系的赤纬 占是相同的，讨论两坐标系的关系也就是讨论时角f 和赤经a 的关系。 通过计算得到： f + 口= = s 1 刀( 公式2 3 ) f ，为春分点的时角( s 为恒星时) ，即春分点的时角等于天体的时角加上天 体的赤经。 当天体在上中天的瞬间，即f = o 由公式2 3 得： s 2 f ，2 口( 公式2 4 ) 即天体在上中天的瞬间，春分点的时角( 恒星时) 等于天体的赤经。 当天体在下中天时，= 1 2 ，可得天体在下中天的瞬间春分点的时角( 恒星 时) ： s 2 02 口+ 1 2 厅( 公式2 5 ) 当已知某一天体的赤经，应用公式2 6 可求任一已知瞬间该天体的时角： 仁5 一口 ( 公式2 6 ) 2 4 2 经度与时角的关系 地面两地的经度差等于两地同时观测某一天体的时角之差。 设t 。为某一天体b 对格林尼治天文台的时角，则测站a ，b 的经度为 9 浙江大学硕士学住论文第三章自动寻星技术方案 2 5 相关天文数值的计算 2 5 1 儒略日的计算 ( 公式2 7 ) 儒略日是一种不用年月的长期纪同法，可以方便计算年代相隔久远或不同历 法的两事件所间隔的日数，简写为j d 。将公元前4 7 1 3 年1 月1 日( 儒略历) 正 午( 格林尼治平均时) 作为起点，计算至现在的经过天数就是儒略日的数值嗍。 求出给定年( y ) ，月( m ) ，日( d ) 的儒略日可利用公式2 8 。 y + 砌+ 业姗咖。队巡岫鳢 i d 旬3 卿5 + 1 4 6 1 _j 2 + ： 一 1 2 ：! 迦 奢式2 8 ) 由于儒略日数字位数太多，国际天文学联合会于1 9 7 3 年采用简化儒略日 ( m j d ) ，其定义为m i d = j d l - 2 4 0 0 0 0 0 5 。m j d 相应的起点是1 8 5 8 年1 1 月1 7 日世界时o 时。 现代的大多数天文测量，都是以2 0 0 0 年的儒略日作为参照点时间的，即公 元2 0 0 0 年1 月1 日的1 2 时o 分o 秒，此时的儒略曰对应为j d = 2 4 5 1 5 4 5 。 2 5 2 本地恒星时的计算 本地恒星时的天文意义十分明确。某时刻位于天球子午线的恒星的赤经， 就是此刻的本地恒星时。知道了本地恒星时，不用查活动星图就能知道哪些星体 在当地当时可见【2 0 】。 本地恒星时( 单位：度) 的计算公式如公式2 9 ： l s t = 1 0 0 4 6 + o 9 8 5 6 4 7 + d + l o n g + 1 5 + u t l 2 1 】( 公式2 9 ) d 为自j 2 0 0 0 o 以来的天数，包括小数部分 u t 为国际标准时间 1 0 浙江大学硕士学位论文 第三章自动寻星技术方案 l o n g 为当地的经度。东经为正，西经为负。 2 5 3 时角h a 的计算 倒= 上s r 一删吲 ( 公式2 1o ) 三s ，为本地恒星时，见4 为星体的赤经值。此时如果h a 不在【o ，3 6 0 】的区间， 则要调整到 o ，3 6 0 。】的区间f 2 3 1 。 2 5 4 时角和赤纬与水平方位角和垂直方位角的换算 时角和赤纬与水平方位角和垂直方位角的换算需要的条件为观测地点的纬 度l a t ，待观测星体的赤经r a ，赤纬d e c 和时角h a 。根据公式2 1 1 可以得到 当前地方恒星时的目标星体的水平方位角a z 和垂直方位角a l l l 【2 4 1 。 s i n ( a l t ) = s i n ( d e c ) s i n ( l a t ) + c o s ( d e c ) c o s ( l a t ) c o s ( h a ) a l t = a r c s i n ( a l t ) c o s ( 舢：! ! 业里q ：! ! 呈坠兰! ! ! 型垦垒! ! ( 公式2 - 1 1 ) 、。 c o s ( a l t ) c o s ( l a t ) a 2a r c c o s ( a ) 此处如果s i n ( h a ) 位负，则a z = a ，否则a z = 3 6 0 。一爿。 2 5 5 时间的计量 1 恒星时单位和平时单位的换算 根据大量天文观测的结果，已知回归年的平均长度为3 6 5 2 4 2 2 平太阳日。 所以有： 3 6 5 2 4 2 2 平太阳曰= 3 6 6 2 4 2 2 恒星日 从而可得： l 平太阳日2 姜篇恒星日= ( 1 + 丽茏) 恒星日 设“= l ，v = l 3 6 5 2 4 2 23 6 6 2 4 2 2 则1 平太阳日= ( 1 + 甜) 恒星日，m 个平太阳时单位= 聊( 1 + 甜) 个恒星时单位。 浙江大学硕士学位论文第三章自动寻星技术方案 2 格林尼治的时刻换算 s 2 十( 1 + 村) ( 公式2 1 2 ) m 为格林尼治d 闩的世界时，则s 为相应的恒星时。 2 6 星等和星体的命名 观测目标星体，需要对星体的命名和星体的星等要有所了解。 在天体的光度学罩，某颗星体的亮度被称为该星的星等( m a 9 1 1 i t u d e ) 。星等是 西帕恰斯和托勒枚在编制星表时使用的。他们将肉眼能见的星体分为六个等级。 天空中最亮的1 5 颗星称为一等星。裸眼刚刚能看到的星称为六等星。使用天文 望远镜可以观测到更加微弱的星体【2 5 】( 图2 f 3 ) 。 十九世纪时，用光度计测量不同星等的恒星亮度，发现星等和亮度之间有如 下的线性关系： m = a + b l g e( 公式2 1 3 ) 由于星等相差5 等时，亮度的比例约为1 0 0 。于是普森建议： m = 一2 5 1 2 l g e ( 公式2 1 4 ) 即星等每降低一等，亮度增加为前一星等的2 5 l 倍。 图2 3 可视星等 浙江大学硕士学位论文第三章自动寻星技术方案 星系常用其所在的星座命名，也可用其在星表中的序号命名，如梅西耶星表 用m 表示，而星云星团新总表用n g c 表示【2 6 1 。 梅西耶星表( m e s s i e rc a t a l o 曲：由1 l o 个明亮天体组成的星表，包括星团、星 云和星系。 n g c ：星云星团新总表，包括8 4 0 个星团、星云和星系。 浙江大学硕士学位论文第三章自动寻星技术方案 第三章自动寻星技术方案 3 1 总体结构 本课题的研究目的是设计一种基于单片机和删的赤道仪自动寻星和自动 跟踪方案。在这一思想的指导下，将系统规划为以下几个部分，其中主要包括直 流电源、望远镜、赤道仪、控制盒、执行机构、电机驱动系统以及p c 机管理软 件( 图3 1 ) 。 图3 1 赤道仪自动寻星系统 1 ) 直流电源：为单片机、驱动器和步进电机供电。 2 1 望远镜：寻星的光学装置。 3 ) 赤道仪：承载望远镜的架台，通过执行机构改变赤经轴和赤纬轴坐标实 现寻星和跟踪。 4 ) 控制盒：在p c 机控制模式下，接收p c 机数据和控制信号，转换为电 机脉冲送驱动系统。在控制盒模式下，实现人机交互界面，计算目标星 体坐标值，转换为电机脉冲送驱动系统。 5 ) 电机驱动系统：接收单片机脉冲信息，控制电机的转速和方向。 6 ) 执行机构：改变赤道仪赤经轴和赤纬轴坐标值，实现变速比。 1 4 浙江大学硕士学位论文第三章自动手星技术方案 7 ) p c 机：实现人机交互界面，存储星体坐标信息，操作内部数据库调出 目标星体的赤道坐标值，将两坐标值转化成望远镜两轴上电机的转角位 移值，通过串口送出数据给下位机。 3 2 恒星的自动跟踪 在时角坐标系中( t 为时角坐标，6 为赤纬坐标) ，恒星让观察者感觉到的运 动实际上是由地球的自转而引起的相对运动，其运动轨迹面与天轴垂直。轨迹上 任意一点的6 都相同，只是t 坐标不同，t 的移动速度应等于地球的自转速度。 先对准目标，然后使t 方向的步进电机转速与地球自转速度相等，就能实现望远 镜自动跟踪恒星。 3 3 恒星的自动寻星 3 3 1p c 机控制 天文望远镜工作于时角坐标系，由p c 机实现人机交互。系统监控及操作通过 运行于p c 机的软件实现。下位机实现望远镜的寻星和跟踪。 操作者在p c 机上通过寻星软件对天文望远镜进行操作。p c 机实现星座位 置显示，对目标星进行选择，同时储存大量星体数据，进行复杂的数据处理并给 出当前所寻星的坐标位置，通过r s 2 3 2 串口将数据传送到下位机。 单片机处理器及控制电路主要完成以下功能：接收上位机发送过来的数据及 控制信息，转换为脉冲信号送驱动系统。 驱动器单元接收来自单片机发出的脉冲信号以及电机方向控制信号，控制步 进电机运动速度和运动方向。 3 3 2 操作盒控制 实现望远镜自动找星的功能，首先得给望远镜进行位置的准确标定，也就是 对北天极。由控制盒手动操作，寻找北极星，将其导入主镜的十字线中心，以进 入望远镜视场的正中央，定标替换望远镜原来的位置。然后以北天极为基本点， 根据时角和赤纬去找寻天空中的任意一颗已知星。自动找星时，在控制盒输入天 浙江大学硕士学位论文 第四章基于单片机的自动寻星系统 第四章基于单片机的自动寻星系统 4 1 系统框图 本系统的硬件包括主控芯片p h i l i p s 的p 8 9 c 5 1 r d 2 、一组4 + 4 键盘、两排6 插针接口、字符型l c d 和串口电路。4 + 4 键盘进行观测地点、时间和目标星体 的选择与输入。两个6 插针接口用于控制板与步进电机驱动器通信。l c d 是为 了实现操作的可视化，指示操作步骤和显示操作结果。串口可与p c 机通信，用 于单片机i s p 编程和接收p c 机的数据信号和控制信号。其系统框图如图4 1 。 4 2 硬件设计 4 。2 1 单片机基本电路 图4 1 基于p 8 9 c 5 1 的系统框图 系统的主控芯片使用p l l i l i p s 的p 8 9 c 5 1 r d 2 单片机。p 8 9 c 5 1 r d 2 具有懈 崭江大学硕士学位论文第四幸基于单片机的自动寻星系统 并行可编程的非易失性f l a s h 程序存储器，并可实现对器件串行在线系统编程 ( i s p ：i n - s y s t e mp m g r a 枷1 i n g ) 。 该系列微控制器是8 0 c 5 l 微控制器的派生器件，采用先进c m 0 s 工艺制造 的8 位微控制器，指令系统与8 0 c 5 1 完全相同。p 8 9 c 5 1 r d 2 有4 组8 位i o 口、 3 个1 6 位定时，计数器、多中断源一4 中断优先级，嵌套的中断结构、1 个增强型 u a r t 、片内振荡器及时序电路【2 7 】。 新增的特性使得p 8 9 c 5 l r d 2 成为功能更强大的微控制器，更好的支持脉宽 调制，高速i o ，递增递减计数能力( 如电机控制) 等应用场合。 p h i l i p s 公司的p 8 9 c 5 1 i m 单片机有三种封装型式，系统采用传统4 0 p 双 列直插封装。 p 8 9 c 5 1 r d 2 单片机基本电路与一般传统的8 0 5 1 电路大致相同，电路主要包 括：电源电路、系统振荡电路( c l o c k ) 、复位电路( r e s e t ) 。 电源电路( 电源接地) ：在v c c ，v s s ( 4 0 脚，2 0 脚) 分别连接5 v 直流电源与接 地。电压转换型片为7 8 l 0 5 ，其输入端接o ，3 3 l l f 电容，输出端接o 1 u f 电容，可 以提供稳定5 v 的电源，如图4 - 2 。电容尽量靠近引脚，否则容易产生振荡，影响 输出电压的稳定。 图4 2 系统供电电路图 系统时钟的振荡电路( c z d c k ) ：在咒附皿，2 ( 1 8 脚，1 9 脚) ，时钟反相放大 器输出入端，连接两个2 0 p f 的电容与石英振荡器( 图4 3 ) 。p 8 9 c 5 1 兄d 2 的最 大频率可用到3 3 m h z ，通常使用1 2 m h z 。考虑到使用串行通讯，希望获得更精 确的传输率( b a u dr a t e ) ，选用的晶振频率为1 1 0 5 9 2 m h z 。 复位电路( 艇舾r ) ：在只脚r ( 9 脚) ，使用1 0 k q 电阻1 0 甜f 电容组成r c 浙二王大学硕士学住论文第四章基于单片机的自动寻星系统 另外，串口可以接萋一墓囊霸犁型也峪溜圆哩苍蝉骘淄皤受，鳓盼毒謦蜒骐 峰醴甄； 霉j 蛘；姜；甄雒篓蒌 强薹l ；内冀望譬辩莹蠹；i 髻鬻：墓引l ；鳓搿蒡蚕警1 奠岍! 葛茎i i 萋；孽茗。i i l 菥核羹季吲名悼i ；i 霹舀鬻弘氇l 雾璎钢妻薹l 蚕隧妻j v 。囊l ；垂花婴i 引渊 巍副? 瓠弱m 旷耍? 现的是电机脉冲的计算和控制，l c d 屏的显示控制，接收键盘信 号作相应的 键盘消息处理。外扩的接口板实现键盘的输入和步进电机的驱动板的接口。在 a r m 核心板中，提供了1 4 针的j t a g 接口，用于程序的下载和更新调试。 a r m 系统下的操作流程跟p c 机基本一致，只是在开机状态下，提供大熊 星座与北极星的星空图，帮助天文爱好者在赤道仪对极轴过程中顺利把北天极导 入极轴望远镜的视场中。系统主界面如图5 8 。 5 4 2 误差分析 5 4 2 1 误差成因 浙江大学硕士学位论文第四章基于单片机的自动寻星系统 在程序的开头对硬件的引脚进行定义，可以提高程序的可读性，在硬件接线 变化时也容易对程序进行修改。 3 l c d 相关的自定义函数 为了提高程序的可读性和可移植性，对一些常用的l c d 显示函数，如 l c d l c m d ( ) ，l c d _ - d a l a ( ) ，i n i t ( ) 等进行了函数封装。利用这些函数可以完 成l c d 的各种显示功能。功能说明如表4 - 4 。 表4 4l c d 显示函数功能说明 函数声明功能说明 1 l c d _ c m d ( c h a rc m d ) 指令写入指令寄存器函数原型声明 2 l c d ) a 1 r a ( c h a rd a t a l ) 数据写入数据寄存器函数原型声明 3 i n i t 0l c d 初始化函数 4 c l e a r ( )l c d 清屏 5 d i s p l a y ( u c h a rm ，u c h a rn ) 指定位置m ，显示字符n 6 d i s p u m j ( d o u b l en 啪1 1 ) 显示一个百位的f 数 7 d i s pn u mm i n u s ( d o u b l en 啪1 1 ) ； 显示一个百位的负数 1 0 d e l a y ( i n tc o 岫t ) 延迟程序 4 3 1 4串口程序设计 控制盒需要从p c 机接收控制信号和赤道仪的坐标信息，程序流程图如图 4 ，1 1 。 首先，在设计通信软件之前必须为单片机和p c 机双方制订好硬件约定，包 括对同步方式、传送速度、传送过程以及纠错方式定义等问题做出统一的规定， 只有通信双方都遵守这一约定，通信才能够顺利进行。在本系统的串口通信设计 中，采用单片机的串口工作方式1 串口工作于方式1 ，定时器计数器1 工作于方 式2 ，选择9 6 0 0 的波特率进行通讯，数据帧包含l o 位即1 个起始位、8 个数据 浙江大学硕士学位论文 第四章基于单片机的自动寻星系统 位和1 个结束位，无校验位，数据帧使用异步方式传送。 其次，为了使接收方能够对收到数据的正确性进行检验，通常把若干个数据 组成一个传送数据组，并对每组数据加入必要的信息以标注其含义，如数据的来 源、传送的目的地、数据用途、校验代码等，数据接收方和发送方共同遵照这种 约定的数据格式，进行数据的收发。数据进行这种信息附加后就形成了一个个数 据包，这种数据格式和数据位的定义，就称为通信协议。发送数据之前，在发送 方给要发送的一组数据前加上附加的帧头，以区分这一组数据的类型和含义，并 表明该数据包的长度：在这一组数据的末尾加上帧尾，其中包含校验码信息和数 据包的结束符，以备数据校验并说明该数据包的结束。在本系统中，p c 机发往 单片机的数据包以o b 表示数据包的起始，撑表示数据包的结束，用异或运算得 出该组数据的校验码，故数据包的格式为“0 b3 9l o0 1 1 91 01 0 撑”，在接受方接 收到数据包后，使用校验码来检验该数据包是否正确，如果正确则剔除“0 b ”、 “1 0 ”和“撑”以获得有用的数据；反之，则发送重发信息指令通知p c 机将数 据包重发。 串口通信编程有两种方式：中断方式和查询方式。在本系统中采用的是查询 方式。 图4 1 1 下位机串口程序流程图 浙江大学硕士学位论文 第四囊萋薹霎矍蓁羹霎 萋萋 譬主鏖嚣蟊兰 茎茎 狺蕤 务矾曼整划r 虹登o 乱 冀霪 羞馥g 坝碾植 挝铎巧 鎏黧 棼川秤鸶扛 函喜衍 p 量辅鲤薹圣 孽薹笺 薹鬻 萋奏妻囊蓁翼 军 羹蕤 锖奄m 一每 矗翔啦崩 鎏囊 藩垂般蚕养苗 差丘棚童牙萎耄 耄辇 誊j 。i e 莘警霹霉童垮滂呻交 藿毒藤浚蕊璀蔗灞耳淳灌噍嚯茬懈动碧葫；型醛零靼重葭摩铂表和主要恒星 星 云的赤经赤纬表。通过查表获得数据，并根据输入的时间进行换算获得赤道仪自 动寻星需要的赤纬坐标值和时角坐标值，最终驱动步进电机进行寻星。 恒星的自动跟踪功能可以满足对一些暗弱星体的拍摄，通过c c d 长时间感 光达到效果。另外，还实现了对星体跟踪过程中的调整。 系统还支持p c 机控制赤道仪，通过串口接收p c 机的数据，最终完成寻星 操作。 系统的i s p 功能可以轻松实现对单片机内部软件的升级，同时编程中使用的 c与汇编混合编程为寻星的自动跟踪提供了准确的时钟控制，使得跟踪精度大大 提高。 61 2 基于a r m 的赤道仪寻星系统 基于a r m 的系统通过e m g u l 编程，实现了操作界面的图形化，使得系统 操作上更简单；同时提供星图对照，可以帮助天文爱好者顺利完成赤道仪的对极 浙江大学硕士学位论文 第四章基于单片机的自动寻星系统图4 1 3 a d o 界面的三个主要类：连接，记录集和字段p 0 】a d o 具有三个核心对象： 1 ) c o 蚰e d i o n 对象。c o i h l e c c i o n 对象表示了到数据库的连接，它管理应用程序和数据库之间的通信。 r e c o r d s e t 和c o m m a l l d 对象都有一个 a c t i v e c o 衄e c t i o n 属性，该属性用来引用c o n n e c t i o n 对象。 2 ) c o m m a l l d 对象。c o n l i n a n d 对象被用来处理重复执行的查询，或处理需 要检查在存储过程调用中的输出或返回参数的值的查询。 3 ) r o r d s e t 对象。r e c o r d s e t 对象被用来获取数据。r e c o r d s e t 对象存放查 询的结果，这些结果由数据的行( 称为记录) 和列( 称为字段) 组成。每一列 都存放在r e c o r d s e t 的f i e j d s 集合中的一个f i e l d 对象中。3 a d o 访问数据库的具体实现 在v c + + 中，用a d o 访问数据库有三种方式可选【3 1 】： a通过撑import修饰符；b 通过m f c 的数据库向导： c 通过w i n d o w s a p i 直接对a d 0 的c o m 接口进行调用。本系统采用的是第一种方式进行访问。 a ) 在工程的s t d a f x h 头文件中用撑i m p o r t 引入a d o 类。群i m p o r t ”c ：p r o g 殖迸n l e s e o m m o nf i l 。s s y s t c m a d o m s a d 0 1 5 d l l ” n o n a r 聃e s p a c er e 撕鲕”e 0 嚣1 i 嚣琶o e 黟 3 2 浙江大学硕士学位论文第四章基于单片机的自动寻星系统 这行语句声明在工程中使用了a d o ，但不使用a d o 的名字空间，并且为了 避免常数冲突，把常数e o f 改为a d 0 e o f 。# i m p o n 包含后就可以用3 个智能指 针了：c o n n e c t i o n p t r 、r e c o r d s e t p t r 和c o m m a n d p t r 。 m 初始化c o m 。 c o i n i l j a l i z e ( n u l l ) ； 在数据库使用之前，需要初始化o l e ，c o m 。数据库操作结束之后，要关闭 当前线程中的o l e c o m 。 c ) 建立与数据库的连接。 c o n n e c t i o n p t rp c 滴( 三；- u u i d ：l = l 坟e q 璺眵c t 洒荀) ； p c 。n 。一 c 。矗n e c t i 。i 美i i ；童：n 垂；：【= i | i i i = 【e r ：m i c r b s 。f t j e t o l e d b 4 o ；d a t a s 。u 一蹦、s t a r 罂黪、黼鏖誉瀚、嚷簿er m a 扯孥氐t 幅e c 螋 t n f b = f a l s e “： p c o n n 一 o p e 】_ 】_ ? ? z ”， “，a 建9 9 n n e c i 荫西譬p e c i f i e d ) ； 连接的字符串c o n n e c t i o n s t f i n g 比较复杂，可以利用v b 的数据库a d 0 控件 获得。 s t r s q l f o 咖a 挺曲l e c tm 壅i 鬻+ 我国主要城謦的氆理经纬度袭+ w i e r e 地蒸j 熬鬻冀掌粼蘸 ( ( c 萱蔬4 i q e t p l 套i 谶疆鬻_ _ ：_ u 乓蕊毽_ _ 1 鬻鬻瀚。s e t w 蔷簿蘸瓣 一? ； + ! b 甜：t ) ；鬻粪罐t c 6 1 l e 谶“蒸鎏+ ( 度) t ) ) = i 浙江大学硕士学位论文第四章基于单片机的自动寻星系统 4 3 2 2 串口程序设计 上位机的串口程序是为了发送赤纬坐标值和时角坐标值到单片机控制盒中。 应用v c + + 开发串行通信目前通常有如下几种方法：一是利用w i n d o w s a p i 通信 函数；二是利用v c 的标准通信函数j n p 、j 印w 、一i n p d 、- o u l p 、_ o u t p w 、一o u t p d 等直接对串口进行操作；三是利用第三方编写的通信类；四是使用m i c r o s o f t s u a lc + + 的通信控件( m s c o m m ) 刚。 m s c o m m ( m j c r o s o nc o m m u n i c a t i o n sc o n t r o 】) 控件是在串口编程时非常方 便，程序员不必去花时间去了解较为复杂的a p i 函数，只需要对串口进行简单配 置，就可以实现串口的接收和发送。 1 m s c o m m 控件常用的属性 m s c o m m 控件有很多重要的属性，在程序中使用到的属性有以下几种【3 4 】： c o m m p o r t ：设簧并返回通讯端f 号i_ j _ s e t t i n g s ：以字符密昀形式没罱舞返融 波特率、奇偶校验i 数据位、傍l l ：拉- c - 鬻茇器鬈鬻：嚣攀掣磐爹爹鎏i j 。萋 i n p u t ：从接收缓冲区返回弱删除字符。爱曩i 誊?_ _ _ _ i j ? 誊j i 掣。m 。d 毒涵从接收囊箨区读鳜薮藜萄格瓣o i i 、一j 誊i 童誊? i i n p u t i e n ：设簧或邃刚i 弗1 l _ i t 读鹚麴譬数甏i ji i i 一l i ： ：i i 鹫 o u t p u t ：向传输缓冲区笃一鸯宇镶帛。；。董囊 _ _ _ ： 誊 誊蠹。 2 串口操作的流程图 利用m s c o 姗控件实现串口操作比较简单，程序流程如图4 1 5 。首先是进 行串口的初始化，选择串口号，打开串口，如果串口打开失败则报错。串口工作 方式设置波特率为9 6 0 0 ，无校验，8 个数据位，1 个停止位，并且设置以二进制 模式检取数据，设甓0 n c o m m 函数运行的条件为每当串口接收缓冲区中有1 个 或者多于1 个字符时引发一个o n c o m m 事件。接着把当前数据缓冲长度设置为 o ，并预读缓冲区清除残留数据，然后就可以进行数据的发送了。数据的发送通 过响应界面中的发送按钮消息完成。通过事件驱动，对事件的发生进行跟踪和处 理，从而检测和处理通讯错误以及对数据的处理显示。 浙江大学硕士学位论文第四章基于单片机的自动寻星系统 4 4 实验结果与分析 图4 1 5 上位机串口操作流程图 4 4 - 1 控制盒程序的烧录 p 8 9 c 5 1 i 2 具有i s p 功能，通过串口的通信接口就可以实现在线系统编程， 而不需要把插焊在电路板上的微控制器拆下来就可以下载新的程序。p 8 9 c 5 1 r d 2 的i s p 驱动软件可以选择f l a s h m a g i c 或者p l l i l i p s 自己开发的w i n i s p 【3 5 1 。w i n i s p 操作简单方便，是系统选用的驱动软件。 新的p 8 9 c 5 1 r d 2 芯片第一次上电时，由于芯片内部的两个f l a s h 字节 s u 汀u s = o f f h ，v e c t o r = 0 f c h ，上电时就自动进入i s p 。写入用户程序后， 对s r u s 位写入o ，才能使芯片复位时从用户程序开始执行。s t a = 兀7 s = 0 f f h ， 表示复位后无条件执行b o o t r o m ：s 丑蛆u s = o ，表示复位后视硬件连接方法决 定执行b 0 0 t r o m 或者烧录程序( 3 6 j 。 b o o t r o m 与f 1 a s h 存储器是各自独立的。用户程序简单调用b o o tr o m 中带适当 参数的公共入口即可实现所需要的操作。b o o tr o m 的操作包括以下内容：擦除 浙江大学硕士学位论文 第四章基于单片机的自动寻星系统 程序块、编程字节、校验字节、编程保密位等等。当b o o tr o m 打开时，它与从o f c o o 到0 f f f f h 的程序存储器的地址相重叠。可以将b o o tr o m 关闭，这样就可对这一部 分的程序存储区进行访问。 两者之间的切换通过特殊功能寄存器a u x r l 的e n b o o t 位来进行。 e b d d ，= 1 ，地址在o 月0 0 0 日o f f f f h 范围，寻址到固件。 e b d d 丁= 0 ，地址在0 月c o o 片0 f f f 册范围，寻址到f “跗。 b o o t r o m 首先要自动确定波特率，是通过上位机向下位机发送一个大写字母 u 来供下位机确认波特率的。因为u 的a s c i i 码为5 5 h ，转换为二进制即 为0 1 0 1 0 1 0 1 b ，是1 个o 1 相间的数据。确定波特率后进行命令字地接 收。 用复位法进入i s p 必须在上次编程是使v e c t o r = o f c h 且复位时硬件满 足以下条件才能再次进入i s p 3 7 】： 1 1e a 接高； 2 1a l e 浮空； 3 ) p s e n 接低( 程序正常执行时p s e n 接高) 。 i s p 编程步骤如下： 1 1 用串口线连接单片机与电脑后，打开电源，由于硬件设计时e a 信号接 高，a l e 信号浮空，因此只需确认s 3 l 按下使p s e n 接低，复位单片机或 者重启电源，单片机就进入i s p 模式； 2 ) 打开p h i l i p sw i n i s p 软件，选择单片机型号和通讯连接端口，输入单 片机所用的晶振频率； 3 ) 执行r e a d 操作，测试是否连接上电脑。连接成功将显示“b o o tv e x 浙江大学硕士学位论文第四章基于单片机的自动寻星系统 4 4 2 系统实物图 图4 1 6 整个系统实物图 系统如图4 1 6 ，包括p c 机、控制板、步进电机驱动板、步迸电机和赤道仪。 赤道仪的赤纬轴和赤经轴各由一个步进电机控制，每个电机都需要一块电机驱动 板。驱动板中引出了四根线与电机相连，完成对电机的转速和方向的控制。控制 板与驱动板通过6 针的排线相连接，为驱动板供电并送出脉冲的方向和脉宽信 息。控制板与p c 机通过串口线通信，送出观测的时间，地点和目标星体星体的 坐标信息。 图4 ，1 7 为控制板的实物图，开机后电源显示灯亮，同时l c d 上显示 “w e l c o m ep r e s ss e t ”，即可进一步作功能选择。 浙江大学硕士学位论文 第四章基于单片机的自动y 工薹尊 耋萝：l i 霪翼! l l ；i i 孽鋈课题根囊 海垄岫南臻噍氍塌i ? 喜誊e 祭摧堪：；羁操强习罐j 鬓纂l l 囊型娶导攫 甬 手自j l j ；j 髓黪明靼驵照蚓驻艄燃到鹾酶酗型i 婴誓型眨型驰峒力静抬莉 螂抛k 砺砥剖韩群娃替。 善：= 委羹羹羹鬣薹霪 鋈茎= i 藜燃再霉试m 岸毒萋嚏苘 i l 缀掂甚螽盈召； ；i 麓鞴墚箍滗星的s 3 c 4 4 b o x 为主控芯片，自行完成硬件电路的设 计和片 浙江大学硕士学位论文第四章基于单片机的自动寻星系统 地点的经度和纬度； 3 ) 从数据库中选取自动指向的目标天体，显示赤道坐标系下天体的赤经值 和赤纬值或者输入目标天体的赤经值和赤纬值； 4 ) 显示时角坐标下的时角坐标和赤纬坐标； 5 1 显示地平坐标下的高度方位角和水平方位角； 6 ) 望远镜自动指向目标天体； 7 ) 赤经方向以预设速度跟踪； 8 ) 赤纬方向微调； 9 1 预设跟踪速度； 1 0 ) 赤经赤纬方向快速运动； ) 通过串口把上位机数据传送到控制板； 4 4 4 控制盒寻星操作 赤道仪使用前首先需要对极轴，这个利用极轴望远镜即可实现。 控制盒的寻星操作首先是进行操作模式的选择，在l c d 的提示界面下选择 方式2 即可。 首先完成观测地点的选择，这里可以选择输入观测地点的编号，由系统查表 显示观测地点的经