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六脉神剑
第十届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告
[作者 許永和、邱敬育、蘇孝駿]   2016年10月19日 星期三 浏览人次: [8906]

目前市面上的望远镜大部分都是以手控器为主,使用按键选择模式的方式来控制望远镜。复杂的按键模式,对初学者来说,还是无法轻易上手,如何让望远镜的操作更为简单、容易,因此想出类似雷射笔功能的指星装置。因此,指星装置的设计目的就是为了简化手控器的功能,指星装置透过有线的方式,接至望远镜云台上,借此达到传输命令与控制望远镜云台的方式。


而指星装置内部有加速度感测器、电子罗盘、陀螺仪和蓝牙等模组。当想观看天体时,只需要按下按钮,并将雷射对准该星星,再藉由感测器来抓取仰角和方向角。此时,指星装置会将角度的值传至望远镜,便可将望远镜移至该星。此外,透过指星装置内部的蓝牙模组与行动装置做配对连线,当指星装置将角度的数值传至望远镜时,同时也会传至行动装置的APP应用程式中,并即时显示出该星的资讯。透过此作品,让观星不再是困难的事,且对刚入门的初学者来说,更是方便了许多。


前言

对于刚踏入天文界的初学者,想要更进一步的了解天文脉络,但是看书太枯燥乏味,并且市面上的天文仪器操作上太过于复杂,若能将复杂的操作简化,并且能得到丰富的天文知识,在教育上便是一大进步。


近年来智慧型手机发达,天文的APP也跟着陆续增加。因此透过感测器与无线模组的方式,将讯息传至手机APP,让我们更方便更简单的来观测及了解天文,并来达到有教育性质并且具高互动性。


系统特色

现今市售的天文望远镜的手控器以多组按键和LCD作为使用者介面,但复杂的按键组合,让使用者在操作上较为不易。而曾经看到老师带学生在讲解天文时,手上拿着绿光雷射笔再指着星星做讲解。因此以雷射笔为发想并简化手控器的功能,使望远镜操作起来也更为简单、容易,并且可以透过APP来让使用者了解该星星的资讯。而在星星的资讯上,可给予故事和历史由来做解说。


实用性

我们开发的指星装置控制系统除了有一般的雷射的功能之外,在实用性的方面可以用在互动教学方面。藉由此装置搭配APP系统,可以让天文的初学者能够轻松的了解天体,并且指星装置还可以透过UART传送转动数据给天文望远镜的托架直接做实体观测, 兼具互动教学又不失乐趣的装置。


创新性

此指星装置不单单只有雷射的功能,多增加了蓝牙传输搭配APP来达 到即时了解目前指星装置雷射所指到星体的资讯。此外,藉由UART传输可以控制天文望远镜的托架转动至指星装置的雷射光所指的方位及倾角来作即时观测。


工作原理

MCU核心功能

本作品使用一颗盛群半导体公司所推出的HT66F70A 控制器作为指星装置的控制系统的核心。其中,使用三组GPIO模拟的UART,第一组UART介面传输感测器所计算的角度至望远镜云台,第二组UART介面透过蓝牙模组使指星装置控制系统可与APP进行资料传输,而另三组UART介面接收感测器的值。


而望远镜利用指星装置控制系统所计算出的角度来移动方向与仰角,便可观看指星装置控制系统所指向的星星位置与角度。


绿光模组

在此,指星装置中需具备一个可承受?大电流的MOSFET开关电路SW,并用于将3V~5V/500mA的电源输出连接到绿光模组。如图2-1所示,为绿光模组示意图。


图1 : 绿光模组示意图
图1 : 绿光模组示意图

感测器模组

感测器采用InvenSense公司所推出的MPU6050和Atmel公司所推出的HMC5883元件,内部包含3轴电子罗盘与3轴加速度感测器与3轴陀螺仪。整体摆放位置是与绿光模组指向方向成一直线,主要可以抓取到方向角和俯仰角,再传送至后端的应用装置。


多段式按钮控制

若开关未按下时,则关闭上述之MOSFET开关电路SW;若开关位置按下第一段时,则接通上述之MOSFET开关电路SW;若开关按下第二段时,指星装置会将方向角及俯仰角传至应用端,同时关闭上述之MOSFET开关电路SW。


有线/无线传输

指星装置可由有线和无线的方式做资料传输,透过RJ12是以有线的方式与望远镜云台做连线与传输,而无线则是与手持装置做连线与传输。


其中,无线模组采用BC04B蓝牙模组,此蓝牙模组为2.1版本,支援UART、SPI等介面,最多可与7个蓝牙模组做连线。而本系统将指星装置设为从端点,让行动装置可以与指星装置做连线,并达到更多的应用目的。


控制命令通讯格式

当行动装置要与指星装置做连线时,行动装置会传送“CM01#”,相对的,指星装置收到后,会回传“#”,如此即完成连线。而当指星装置按下第二段按钮时,指星装置会传送俯仰角和方向角到行动装置,其格式为“Cxxxx,yyyy#”。当装置收到后,则会回传“#”。其中,xxxx(或yyyy)为4位ASCII码,且并不直接代表角度,需透过加密公式才可得到正确之角度。


APP应用程式

APP应用程式是由网路上所提供之星库资料来建置的,并建出第一视角所看到的天体。当按下连线后,即会与指星装置做连线,当指星装置指向天体任一颗星星,即会显示出该星的资讯。


作品结构

硬体部分

如图3-1所示,为指星装置控制系统架构图。其中,主控制器是采用盛群半导体公司所推出的HT66F70A控制器,用来控制感测器、蓝牙和雷射模组的输出入。而两段式按钮第一段按下去,则驱动主控器IO脚,开启绿光模组;第二段按下去,则将感测器角度透过RJ12或蓝牙传至应用端。


而供电方式可由内部3.7V充电式锂电池供电,并可以透过USB及充电电路为电池充电。



图2 : 系统架构图
图2 : 系统架构图

如图3-2所示,为指星装置控制系统硬体方块图。其中,透过I2C、GPIO和两组UART介面与感测器、手控器、两段式按钮和蓝牙沟通。本装置使用I2C介面读取感测器的值,并进行角度的计算。此外,运用一组UART与手控器沟通,另一组UART则控制蓝牙,分别与望远镜托台与APP进行资料传输。最后,再以按键驱动GPIO接脚,第一段为雷射模组开关,第二段为GOTO键,传输讯息使望远镜移动。



图3 : 硬体方块图
图3 : 硬体方块图

软体部分

如图3-3所示,为指星装置控制系统之系统流程。指星装置上电后须做电子罗盘的偏移量校正,我们运用在空中画八字来记录偏移的中心点。而无论是否与任何行动装置做连线,按下第一段按钮都会触发雷射光。


若要与望远镜连线,需要先与望远镜做同步校正,再来按下第二段按钮时,则会传送感测器角度至行动装置。紧接着,将望远镜会移至该星位置;若是与APP应用程式连线,则APP应用程式会显示该星的资讯,并且行动装置与指星装置可以同时进行动作。


图4 : 指星装置控制系统流程图
图4 : 指星装置控制系统流程图

测试方法

测试UART传输格式

如图4-1所示,为GPIO模拟UART介面后,使用XCTU来观看模拟的UART介面,传收值测试是否准确,作为指星装置与手控器、感测器和蓝牙之间的沟通桥梁。


图5 : UART传收值结果操作示意图
图5 : UART传收值结果操作示意图

感测器分析结果

为了确认所读取的资料是否正确,需先将感测器接至开发平台,并再透过蓝牙传至PC做分析。而感测器资料由C#应用程式撰写来收集,并进而比对角度误差结果。


如图4-2所示,为感测器C#分析介面。其中,先将感测器资料透过蓝牙接收后,以图形化介面显示,并将资料存至文件档中。


图6 : C#分析介面设计画面
图6 : C#分析介面设计画面

应用程式

如图4-3所示,为手持装置上的Android APP接收蓝牙值画面。在这APP应用程式中,具备接收并显示蓝牙讯息,并与MCU所连接的蓝牙模组连线以测试出APP应用程式所接收到的值是否与HT66F70A控制器所传送的值相同。


图7 : APP应用程式的介面操作示意图
图7 : APP应用程式的介面操作示意图

应用程式

而另一个应用程式也是以Android APP来实现与设计,并将星座绘制于显示器上,如图4-4所示。



图8 : APP介面操作示意图
图8 : APP介面操作示意图

如图4-5所示,当进入APP后,可以自由滑动观看星体资讯。如要与指星装置做连线,则按下右下角望远镜图案,再按下connect,即可选择与指星装置做连线。



图9 : 蓝牙连线画面
图9 : 蓝牙连线画面

而与指星装置做连线后,即可透过指星装置来指向想观看的星星,其APP即会显示出该颗星的资讯。如图4-6所示,若使用者指向月亮,并按下第二段按钮,即会显示出月亮的资讯,尔后可以加入一些故事,来提升教育性。



图10 : 月亮资讯操作示意图
图10 : 月亮资讯操作示意图

结论

望远镜云台自动初始化后,便会指向北极星的位置,并将望远镜调至水平位置,连接上指星装置,与指星装置进行连接与校正动作后,便可开始使用指星装置指向想观看的星体。


此外,简化了繁杂的操作步骤,对刚入门的人来说,能够轻松的使用望远镜观看星体,不用因为不懂望远镜调整与校正和手控器复杂的设定,而对观星感到怯步。


而搭配APP应用程式的互动,让使用者能够了解到所观看的星体资讯与一些故事,增加了更多的互动性质与教育性质。


(本文作者许永和1、邱敬育2、苏孝骏2为 国立虎尾科技大学资讯工程系1教授、2学生)


参考文献

1.加速度感测器与电子罗盘原理


http://www.seraphim.com.tw/upfiles/c_supports01328152963.pdf


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