【参赛】 摄星仪DIY之路

磨盘街9号

本人除了对电子制作有兴趣，还对天文观测摄影有着同样的热忱，每个晴朗的夜晚都会望着深邃广袤的宇宙星空出神，为了能把美丽的星空用数码相机拍摄下来，由于星空非常暗必须长时间、多次曝光才能拍下来，除了固定摄影用于拍摄星迹外，就必须使用能够跟随星空周日旋转的摄星仪了。天文器材网店的摄星仪一般要两千多元，其实摄星仪的原理很简单，只需要使一根极轴对准天球北极，作周日旋转运动即23小时56分04秒转动一周即可，实际上就是一个接近24小时制的时钟。许多同好都已经自己动手DIY出了各具特色的摄星仪，在他们的示范作用下，本人也用手中的闲置零件和材料DIY出我的简易摄星仪。

所用的主要材料如下：
1、        本人原有一台苏式炮队镜，其底座上有一只双涡轮蜗杆传动副，传动比为1:60，
这个老毛子的双涡轮设计得很精妙。它有上下两层涡轮，都具有消除空回间隙的设计，下层蜗杆采用球形轴颈，由两个凹半球轴承包围，所以摩阻力很大。上层蜗杆的是用偏心弹簧轴，由弹簧的压力消除回程，但是两层涡轮之间的结合非常紧密，没有特殊工具是没办法拆开的。只有把它作为整体来用。
2、        拆下早期洗衣机的一只机械定时器，内有齿轮组，采用其前三极齿轮，传动比为1:18
3、        网上购置了一台小型直径28的步进电机与驱动板和一套单片机最小开发系统，
4、        球形云台一个。
5、        做底板和支架用的厚环氧树脂版、螺栓、螺钉、小块铝板、弹性联轴器两只。

制作的首要关键在于如何控制机构转速准确地达到23小时56分04秒转动一周。
小步进电机本身带有1:64的减速机构，每步距5.625度，于是一圈64步，计入自带减速比，也是64，电机实际旋转一周需要64*64=4096步；
再计入洗衣机定时器和蜗轮副的减速比
转动一周共需4096*18*60=4423680步。
而一个恒星日有86165秒，即每秒转动51.33964步；需要单片机每秒提供给步进电机51.33964个脉冲信号，反过来说：就是脉冲间距为0.019478秒=19478微秒。
其实当时我还不懂单片机的编程，经别人点拨，几经修改程序，反复烧写单片机试验，终于获得准确的转速；

单片机直接采用一个学习开发用的最小系统板，芯片采用STC89C52RC，晶振12Mhz,板载串口和USB口，可以直连电脑用STC-ASP烧录程序。
电路很简单，无需绘图。看照片即可。

步进电机自带2003驱动板，与单片机3.0~3.3四脚连接，加上电源5-7.5伏电源即可驱动电机工作。本人用4-5节五号电池供电，可连续使用4小时。

第二个关键在于机械部分的安装；
把环氧板锯成两块，一块水平板可用于与相机三脚架连接，另一块斜立板就有点学问了，主要的旋转机构都安装在这块板上，它的倾角要等于90度减去当地纬度。目的是使涡轮轴的方向能够对准天球北极。这样摄星仪的旋转就能够与恒星同步，如果极轴对不准，拍出的星点就会拉线。
斜立板与水平版用一个门铰链连接，并用一对能调整螺钉的角铁固定。使得斜立板的倾角可以做一定的微调。以适应不同地点的纬度，当然可调整范围只有正负两、三度左右。相当于能适应本省地区使用。
洗衣机减速机构与电机一同安装在一块铝板弯制的机架上，铝板又固定在斜板上。电机与减速机和减速机与涡轮均用弹性联轴节相连；
涡轮的轴向安装了一个铝盖，中部有一个3/8英寸螺栓头，供安装相机球形云台用。
另外，为了方便寻找北极星，对准极轴，在斜板上部安装了一个10x的小单筒望远镜，作为极轴镜。



此摄星仪技术参数如下：
自重：    1.8公斤；          脚架重：  1.4公斤；
载重能力：大于3公斤；       供电电压：5-7.5V
单向转速；86165秒/转；——由于步进电机转速的精准，误差应小于万分之一，只要极轴对的准，实现200毫米镜头拍照3分钟不拉线，应当不难。
设计使用纬度：  30.6度；由于立板与基板之间俯仰角度可以通过螺栓进行调整，能够适应正负两到三度的变化，再加上支架可以再倾斜两到三度，把它用于纬度25~35度之间的地区应当没问题。
使用时，要先安放好三脚架，然后用螺栓固定摄星仪的水平版，使之尽量保持水平，必要时用水平泡。然后使极轴镜对准北极星方向，视野里出现北极星后，把星象调整到离视野中心约1度的距离。方向用星图结合太阳时来判定。
这是使用摄星仪曝光30秒、三张叠加拍下的星图


下一步的改进，一是准备在水平基板上安个水准泡，二是把单片机系统开发板换成最小工作板。


这次制作，主要是修旧利废，但为了制作需要也购买了不少工器具和材料。如树脂板、航空剪、锯条、钻头、铝板、单片机、串口下载线、步进电机、杜邦线、、黄油和各种规格的螺栓、螺钉等等，除已有的器材外，直接花费约两三百元（有些东西买了没用完或没用到）。整个DIY过程并不顺利，在不懈的努力下，克服了一个个的拦路虎，终于收获了成功的喜悦，尝到自己动手的乐趣。这才是最大的收获。

通过制作过程，初步了解了步进电机控制、单片机的使用、提起了学习单片机的兴趣。

jineffer

牛啊  我是来仰望楼主的········

不羁的自由

制作很不错，赞一个！我也爱好摄影，电动摄影滑台延时拍摄....

摇滚铁心

拍个星云看看

⒔號芭嚇即興

不明白意思。。    难道是和地球的运动相互抵消？

磨盘街9号

⒔號芭嚇即興 发表于 2015-2-3 23:39
不明白意思。。    难道是和地球的运动相互抵消？

是的，由于地球自转，站在地球上的人们，就觉得整个天球（包含天球所有天体）都在围着地球旋转，而旋转的轴线正对天球的南北两极，北半球只能看到北天极，它就在北极星附近。为了能够长时间追随星星运动的轨迹，就需要采用一种机构反向旋转相机，以抵消地球的周日自转运动，这就是摄星仪的原理。

另外还有一种赤经和赤纬方向都能够调整和追踪的叫做赤道仪。它比摄星仪体积、重量更大、也更专业，更精密。
自动赤道仪可以对准天体目标后用电脑软件控制两个方向的电机，随时修正误差这叫“导星”。所以能够采用焦距更长、追踪时间也更长的天体，能够拍下更暗弱的星云、星团等更遥远的深空天体。
而摄星仪只有一个极轴转动，没有'导星"功能，通常只有几分钟时间可以保持星点的圆整不拉线，用来拍星野、星座、银河等范围广阔的目标比较合适。

⒔號芭嚇即興

磨盘街9号 发表于 2015-2-4 09:45
是的，由于地球自转，站在地球上的人们，就觉得整个天球（包含天球所有天体）都在围着地球旋转，而旋转的 ...

确实牛。。    学到了。   之前感觉直接拍照就可以了。      现在想想   一旦拉了长焦       没有反响运动还是不行啊

bxf0817

这个需要一个好一些的相机，还要有点摄影的基础才能拍摄到好的星位图。不错的DIY。只不过现在这天气，天天雾霾。。。。哎！根本看不见多少星星了。

夏国特

这个上面直接用脉冲驱动步进电机，还是会有震动的，改进的方法是采用步进电机的精细控制，就是采用多路PWM控制各相的电流，达到平滑走步的效果，显著减小震动对拍摄效果的影响。

gsdgss

寂寞吉他

流弊极了，，，，，，，，，，

单片机和步进电机，全靠那几节电池供电吗？？要考虑待机电流哦，不然，一晚上就换几个电池，消费起来也挺厉害的

磨盘街9号

夏国特 发表于 2015-2-8 21:14
这个上面直接用脉冲驱动步进电机，还是会有震动的，改进的方法是采用步进电机的精细控制，就是采用多路PWM控 ...

用精细控制当然很好，这也是以后改进的方向，
不过由于机构转动极慢，负荷的质量比起电机转子大了许多倍。电机扭矩经过两级弹性联轴节的传递后，实际上感觉不到振动。

磨盘街9号

寂寞吉他 发表于 2015-2-9 08:15
流弊极了，，，，，，，，，，

单片机和步进电机，全靠那几节电池供电吗？？要考虑待机电流哦，不然，一 ...

嗯，准备去搞个充电宝，可反复使用。

鸡蛋

对极轴是个技术活。
以前一直想DIY一个，也看过不少资料，设计过几种方案，不过都没付诸实施，主要是机械方面精度要求太高了，祝贺楼主做出实物。

深圳安鑫

听楼主说了下，终于了解什么叫寻星仪了
我还以为是寻卫星的呢