专利名称：时空同步天球仪的制作方法
技术领域：
本发明专利时空同步天球仪涉及的技术领域包括涉及到LED数字与点阵显示的技术领域，涉及到步进电机自动控制的技术领域，涉及到单片计算机应用的技术领域，涉及到计算太阳系地月行星轨道的天文学技术领域。
背景技术：
在中国从三百多年前康熙、乾隆年间的古代天体仪和金嵌珍珠天球仪发展直今， 可以看到展示天体天象的天文仪器发展趋势有三个方面。其一是用投影仪或放像仪将天体星象播放在半球式屏幕上，这需要专用地点与专业人员操作，普及到家庭是比较困难的；其二是采用机诫装置摸拟太阳系地月及行星在各自轨道上绕太阳旋转，如果要求精度较高， 这种装置相当复杂，机诫装置也不可能同时做到展现天体全天星图的功能；其三是展现天体全天星图的各类天象仪或天球仪，虽然有工艺上的许多进展，也有一些结构上的改进，但是并没有突破在展示全天星图的同时又能动态显示太阳系日月行星的图像，又能使天球与可视天体同步旋转将时间与空间相结合，目前还没有查到有这样新理念的天球仪。如果有这样的天球仪，那么天球仪将会人人需求与喜爱，天球仪将会如同地球仪那样的普及。本发明专利就是在这样的背景下为此目的采用上述技术领域的现代科学技术手段，提出在印制星图的表球中用LED黄道点阵屏动态显示太阳系日月行星的图像，用电控旋转机构使天球仪与可视天体同步旋转，用数字电子表显示当地的地方时时间，这是一种新颖的天球仪，如图1所示。本天球仪小巧美观功能齐全，，天球仪上的天球M小时旋转一周，天球展示的天象与当地当时的可视天体天象同步旋转，日有四季、月有圆缺、行星追赶、天兽奔波、斗转星移、天宇境界，一目了然的展现在本仪器的天球上，这种时间与空间相结合即能展示全天星图又能显示太阳系日月行星图像的时空同步天球仪必将成为普及天文知识的一种新时代的仪器。
发明内容
本发明专利时空同步天球仪的发明内容完全展示在图1、图2、图3中天球仪的外部效果如图1所示，天球仪的球架结构如图2所示，天球仪的内部结构如图3所示。本发明专利时空同步天球仪的技术方案是由四大结构部件构成的能定位调节天球中天纬度的十字半环可动球架；能在印制全天星图的天球透明层内显示日月行星图像的圆筒型LED黄道点阵屏；能使天球绕主轴与可视天体同步旋转的电控旋转机构；安装在天球底座中的半圆柱型数字电子表与主控部件。对本发明专利时空同步天球仪的发明内容与技术方案详细阐述如下一 .定位调节中天纬度的十字半环可动球架为了使天球仪上的天象与可视天体天象的角度对应，本发明专利提供一种如图2 所示的能调节中天纬度的可动球架。其中图2. 1是三只环型支撑管架，图2. 3是水平放置的表示地平线的半环静止管架，图2. 4是固紧旋钮，图2. 5是十字半环管架中的纵向半环，
3图2-7是十字半环管架中的横向半环。纵向半环与横向半环焊接成十字半环可动球架。十字半环可动球架的纵向半环上下两端有两个轴孔(2. 6) (2. 9)，可以安装天球轴，这样天球可以绕该轴转动。横向半环两侧有两个轴栓(2. O. 8)，能插入到静止管架(2. 的两侧轴孔中，这样十字半环可动球架可以绕静止管架转动。十字半环可动球架的纵向半环后侧刻有纬度标线，使用者可以手动旋转十字半环可动球架对准当地纬度的标线刻度，再固紧调节旋钮(2. 4)。并且将天球仪水平放置，其正方向按照指南针对准正南方位。，这样就能保证了天球仪上的天象与可视天体天象角度对应。二.圆筒型LED黄道点阵屏部件为了使天球仪上的天球在展示全天星图的同时还能动态显示太阳、月亮、各大行星图像，本发明专利提出圆筒型LED黄道点阵屏，黄道点阵屏在天球上显示的天象效果如图1. 3所示，黄道点阵屏的内部结构如图3. 5,3. 6,3. 7所示。它是由多块矩型LED单元屏 (图3. 6)组件与圆形总线板(图3. . 7)构成的。使用单元屏的数量由天球直径而定。图 3. 5中是给出了 M块单元屏，将M块矩型LED单元屏组件插在图3. 6的圆形总线板上，组装成近似圆筒型结构的LED黄道点阵屏。圆筒的半径小于或者等于球的半径减去球壁的厚度，圆筒的高度应由月亮偏离黄道的最大角度而定。这样黄道点阵屏将复盖白道(月象轨迹)在内的太阳系所有行星图像的运行轨迹。黄道点阵屏安装在天球内部，黄道点阵屏的中心面与球的天赤道面交角为23. 5度。黄道点阵屏的电源，由球外通过图3. 1的滑环与图3. 2的电刷供给。黄道点阵屏通过串口实时接收主控部件发来的图像信息，动态显示日、 月、各大行星的图像和位置。日月及各大行星图像是按照天文算法在黄道点阵屏上运行的， 并且日、月、各大行星的图像在载体黄道点阵屏上还同天球一起以M小时转一周的速度旋转。这样就实现了黄道点阵屏即能显示太阳系日月行星的图像，由能使其与可视天体真实的太阳系天象同步旋转的功能。三.能使天球绕主轴与可视天体同步旋转的电控旋转机构本发明专利提供一种能使天球仪的球体与可视天体同步旋转的电控旋转机构，如图3所示。该机构包括如下部件起到定位定向支撑作用的静止的天球主轴(图3. 12)；安装在机箱中的步进电机(图3. 8)；安装在步进电机轴上具有外齿的小齿轮(图3. 9)；安装在天球上具有内齿的大齿轮(图3. 10)；安装在球体上测量天球位置的发光管圆形电路板 (图3.幻跟随天球一起转动；安装在静止主轴上的光敏管电路板(图3. 4)将感受到的天球位置光信号转换成电信号。电控旋转机构必须由主控部件控制才能工作。本天球仪在断电时天球是停止不动的，故开机时，天球有一个等待起动过程。只有开机者认可天球的定时定位正确，按下启动按键，天球才能开始工作。首先主控部件的单片机软件发出快进脉冲迅速转动天球，并且通过光敏管实时测量天球位置，直到天球对准可视天体当地当时的位置， 启动过程才算结束，这一过程需要数十秒的时间，然后进入正常工作状态。在正常工作状态中主控部件将实时的提取电子表的时间数据，发出控制脉冲使步进电机转动，再通过一对齿轮驱动天球仪的球体转动，并且实时测量天球位置的反馈信号，实现与可视天体长期同步旋转的功能。由于电控旋转机构中有测量天球位置的部件，故能保证每一小时的时间角度位置准确，分钟的时间角度位置有近1度的误差。四.主控部件与定时部件主控部件与定时部件是选用单片计算机、日历芯片、数码管和按键等电子器件，将器件焊接在大小不同的10块印制电路板上，组装成半圆柱结构，安装在底座圆筒中，如图 3. 11所示。主控部件的软件中有本发明专利提供的百年公元与农历对应表，在显示公元年月日时分的同时还能显示农历月日，妙的节拍由双亮点闪烁表示。主控部件通过电子表面板上的四个按键(选择、增加、减少、认可)可以调整本表的地方时的时间(即对表)，这将是天球仪的定时标准。所谓地方时的时间，即是本地的经度时间。主控部件可以通过电子表面板上的复位、自检、启动按键，对系统进行手动操作。主控部件可以通过并口对电控旋转机构的步进电机发出步进脉冲使天球与可视天体同步旋转。主控部件可以通过并口实时测量天球位置的反馈信号，来保证天球与天体同步旋转的准确性。主控部件通过上位单片机串口与黄道点阵屏下位单片机串口进行有线或无线通讯，下达给黄道点阵屏显示太阳、 月亮、各大行星的图像的指令。有线通讯可以通过精制的滑动接触片连接，无线通讯可以通过无线转换芯片来实现。
图1是能表达本发明专利时空同步天球仪完整的外部效果1. 1是天球仪的静止球架与可动球架图1. 2是印制在天球表面透明层上的全天星1. 3是安装在透明表球内部能动态显示太阳系日月行星图像的LED黄道点阵屏图1. 4是穿过天球中心的主轴，在主轴上安装电控旋转机构图1.5是天球仪的底座图1. 6是安装在底座中的数字电子表与主控部件图2是能表达本发明专利时空同步天球仪球架结构2. 1是天球仪球架的三只环型支撑管架图2. 2是十字半环可动球架的横向半环左侧轴栓图2. 3是水平静止球架图2. 4是调节十字半环可动球架的固紧旋钮图2. 5是十字半环可动球架的纵向半环图2. 6是十字半环可动球架的纵向半环上方轴孔图2. 7是十字半环可动球架的横向半环图2. 8是十字半环可动球架的横向半环右侧轴栓图2. 9是十字半环可动球架的纵向半环下方轴孔图2. 10是天球仪球架的底座图3是能表达本发明专利时空同步天球仪一份完整的内部结构3-1是给球内电路板供电的滑环图3-2是滑环上的两只接触电刷图3-3是测位用的发光管圆形电路板图3-4是测位用的光敏管电路板图3-5是安装在天球中的LED圆筒型黄道点阵屏图3-6是黄道点阵屏的矩形单元屏组件图3-7是接插单元屏组件的圆型总线电路板
图3-8是安装步进电机的机箱图3-9是安装在步进电机轴上具有外齿的小齿轮图2. 10是安装在天球上具有内齿的大齿轮图2. 11是安装在天球底座圆筒中的半柱式数字电子表与主控部件图3-12是穿过天球中心的主轴具体实施方法1.本发明专利时空同步天球仪的全部设计图纸必须由电脑完成。电路板部分是用 99SE做的辅助设计，结构部分是用autoCAD-2007做的辅助设计。2.本发明专利时空同步天球仪的单片机软件是用Mar51PH星研仿真器开发的。 单片机程序是用EasyPRO 80B编程器固化。3.本发明专利时空同步天球仪所用的器件与器材都是通用的。4.本发明专利时空同步天球仪的电路板必须由现代印刷电路板制板工艺制作，电路板的器件焊接可以采用手工焊接或者波峰焊焊接。5.本发明专利时空同步天球仪的电控旋转机构的部件应由数控机床加工。6.本发明专利时空同步天球仪的天球球体应由注塑或真空成形工艺加工。7.本发明专利时空同步天球仪的全天象星图应由球面印刷技术或感光成像印刷技术印制。
权利要求
1.本发明专利时空同步天球仪，其整机特征在于在印制星图的天球(1.2)中安装圆筒型LED黄道点阵屏(1.3) (3. 5)使天球在展示星象的同时能动态显示太阳系日月行星的图像；由安装在天球轴上的电控旋转机构(1. 4) (3. 8) (3. 9) (3. 10)驱动天球与可视天体同步旋转；由安装在静止球架(2. 3)上的十字半环可动球架(2. 5) (2. 7)手动调节中天纬度； 由安装在底座中的半圆柱型数子电子表与主控部件(1.6) (3.11)在显示公元年月日时分秒及中国农历月日的同时自动的对天球仪的天球与可视天体同步旋转控制。
2.根据权利要求1所述的安装在天球内部的圆筒型LED黄道点阵屏(1.3)(3. 5)，其特征在于由若干快LED矩形单元屏组件(3. 6)接插在圆型总线板(3. 7)上，构成近似圆筒型结构的LED黄道点阵屏(3.5)能动态显示太阳系日月行星的图像(1.3)；圆筒型黄道点阵屏安装在球体内，圆筒的半径小于或者等于球的半径减去球壁的厚度，圆筒的高度由月亮偏离黄道的角度而定，黄道点阵屏的中心面与球的天赤道平面相交23. 5度；由外部电源通过轴上的滑环(3. 1)与电刷(3. 2)给黄道点阵屏供电；黄道点阵屏通过串口电路板(3. 4) 与主控部件进行有线或无线通迅。
3.根据权利要求1所述的安装在天球内部的电控旋转机构(1.4) (3. 8) (3. 9) (3. 10)， 其特征在于由安装在天球仪底座中的主控部件(3. 11)实时提取数子电子表的时间信息对步进电机(3.8)发出控制脉冲使步进电机转动，通过安装在步进电机轴上的一只具有外齿的主控小齿轮(3. 9)咬合一只具有内齿的大齿轮(3. 10)带动天球与可视天体同步旋转； 由安装在天球内壁上同天球一起转动的圆型电路板(3. 3)与安装在轴上不动的光敏管电路板(3. 4)给主控部件提供天球位置的反馈信号。
4.根据权利要求1所述的安装在静止球架上的十字半环可动球架(2.5) (2. 7)，其特征在于十字半环可动球架是由纵向半环金属管(2. 5)与横向半环金属管(2. 7)焊接而成，通过纵向半环管上下两端的轴孔(2.6) (2.9)安装天球轴与天球，通过横向半环管左右两端的轴栓(2. 2) (2. 8)可以将十字半环可动球架安装在静止球架(2. 3)上，通过手动上下转动十字半环可动球架(2. 5) (2. 7)调节天球的中天纬度，通过固紧旋钮(2. 4)可以手动固紧十字半环可动球架。
全文摘要
本发明时空同步天球仪提出在印制星图的透明天球中安装LED黄道点阵屏使天球在展示全天星图的同时能动态显示太阳系日月行星的图像；提出由安装在天球内的电控旋转机构驱动天球与可视天体同步旋转；提出由十字半环可动球架手动调节中天纬度使天球与可视天体角度对应；提出由主控部件与数字电子表对天球仪进行时空同步的自动控制。通电后为待启动状态，等待使用者调定当地纬度和地方时时间，再按启动按键，天球将快速旋转到当地当时的天象位置；尔后将进入自动运转状态，按照电子表的时间使天球与可视天体长期同步旋转，动态显示日月行星及全天星象。本发明的技术方案新颖完善、操作简单、必将成为普及天文知识的一种新时代的天文仪器。
文档编号G09B27/06GK102194365SQ20111017738
公开日2011年9月21日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者刘天怡, 赵日华, 赵红梅 申请人:刘天怡, 赵日华, 赵红梅