专利名称：时空同步天球仪的制作方法
技术领域：
本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，涉及到太阳系地月行星轨道的天文学计算的技术领域。
技术背景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，这种放像仪的使用需要专用地点与专业人员操作，普及到家庭是比较困难的；其二是采用机械装置摸拟太阳系日月地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，机械装置也不可能同时做到展现天体全天星图的功能；其三是展示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，但是并没有突破仅仅用一条黄道线抽象的表达太阳系，更谈不上在黄道上显示日月行星的图像了。本专利就是针对目前天球仪存在的上述的问题，提出用现代显示技术LED点阵屏来显示日月行星在黄道上运行的图像。为此发明者选用市场上最小点距为I. 25毫米的LED点阵管设计成圆筒型LED黄道点阵屏安装在天球中做实验，所显示的太阳月亮的图像效果还比较理想。当然点阵管的点距越小越好，随着成本的下降黄道点阵屏的分辨率将会提高。另外目前的天球仪还存在不能与本地可视天体的天象同步旋转的问题。可视天体的天象，即是地球上的人们所看到的太阳系和宇宙展现给人们视觉的天文图像。由于地球的自转运动，使得可视天体的天象相对地球上的人们而运动。这种运动定义为可视天体的运动，或称视运动。太阳与恒星都是这种视运动。为了反应可视天体的这种运动，必须使天球仪的天球每24小时旋转一周。为此目的发明者提出用步进电机组成的电控旋转机构来驱动天球执行周转运动。天球仪的全天星图与黄道点阵屏随着天球24小时旋转一周是必须的。但是黄道点阵屏显示的太阳系日月行星的图像随着天球周转运动之外还必须做如下运动太阳在黄道点阵屏上365天旋转一周；月亮的圆缺变化周期为29. 5 天，月亮在点阵屏上的位置变化周期近似为19年；其它行星在点阵屏上运动的周期都可以参照天文学给出的数据。为此目的发明者提出用单片机的软硬件所组成的主控部件与数字电子表即可实现黄道点阵屏上的日月行星的图像在时间上与可视天体的同步运动。为了使天球仪上的日月行星及全天星座图与可视天体的天象在空间角度上对应，发明者提出用十字半环可动球架手动调节天球仪的中天纬度使天球的中天纬度角在空间上与本地可视天体的中天纬度角一一对应。综上所述，发明者经过多年的研究与实践，实现了这种天球仪， 命名为《时空同步天球仪》。本专利时空同步天球仪整机功能如下通电后为待启动状态，等待使用者调定当地的中天纬度和当时的地方时时间，将天球仪按正南方向水平放好，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仪与可视天体长期同步旋转，动态显示日月行星及全天星座图。本专利的技术方案新颖完善、操作简单、突破了已往的天球仪，必将成为普及天文知识的一种新时代的天文仪器。
发明内容本专利时空同步天球仪的发明内容完全展示在图I、图2、图3中天球仪的外部效果如图I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；能显示日月行星图像的圆筒型LED黄道点阵屏；能驱动天球绕主轴旋转的电控旋转机构；使天球仪与可视天体同步旋转的半圆柱型主控部件与数字电子表。对本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、安装在水平半环静止球架上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在空间角度上对应，本专利提出一种由图2所示的时空同步天球仪的球架结构。其中(2. I)是三只环型支撑管架，(2. 3)是水平放置的表示地平线的水平半环静止球架，(2.4)是固紧旋钮，(2. 5)是十字半环管架中的纵向半环，(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)，可以安装天球轴与天球，这样天球可以绕该轴转动。横向半环两侧有两个轴栓(2. 2) (2. 8)，能插入到水平半环静止球架(2.3)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中天纬度标线，使用者可以手动上下转动十字半环可动球架对准当地中天纬度的标线刻度，然后再固紧调节旋钮(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在空间角度上--对应。二、安装在天球中的圆筒型LED黄道点阵屏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，本专利提出采用圆筒型LED黄道点阵屏，(1.3)是黄道点阵屏在天球上显示的天象效果图，黄道点阵屏的内部结构如(3.5、3.6、3. 7)所示。它是由多块矩型LED单元屏(3. 6) 组件与圆形总线板(3. 7)构成的。使用单元屏的数量由天球直径而定。(3. 5)是给出了 24 块单元屏，将24块矩型LED单元屏组件接插在圆形总线板(3. 7)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)在内的太阳系中可视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，由球外通过滑环(3. I)与电刷(3. 2)供给。黄道点阵屏通过串口实时接收主控部件发来的图像及位置信息，动态显示日月和可视行星的图像和位置。日月及可视行星图像是按照天文算法在黄道点阵屏上运行的，并且日月可视行星的图像在载体黄道点阵屏上还同天球一起以24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日月行星的图像，又能使其显示日月行星的图像与人们所看到的太阳系的天象同步旋转的功能。三、安装在天球轴上的电控旋转机构本专利提出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(3.12);安装在机箱中的步进电机(3.8);安装在步进电机轴上具有外齿的小齿轮(3.9);安装在天球壁上具有内齿的大齿轮(3. 10);安装在球体上跟随天球一起转动反应天球位置的发光管圆形电路板(3.3);由安装在静止主轴上的光敏管电路板(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，通过电控旋转机构迅速转动天球，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，对电控旋转机构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，故能保证天球转动的准确性。四、安装在底座圆筒中的主控部件与数字电子表 主控部件与数字电子表是选用单片计算机、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，组装成半圆柱型结构，安装在底座圆筒中 (3. 11)。主控部件的软件中有本专利提供的百年公元与农历对应表，数字电子表在显示公元年月日时分的同时还能显示农历月日，妙的节拍由双亮点灯闪烁表示。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，来保证天球与可视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、各大行星的图像运行的指令。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I是能表达本专利时空同步天球仪完整的外部效果图(比例1/5)I. I是天球仪的球架，包括静止球架与可动球架I. 2是在球表面透明层上印制全天星图的天球I. 3是天球内圆筒型LED黄道点阵屏透过天球表层动态显示的太阳系日月行星的图像I. 4是穿过天球中心的主轴,天球能绕主轴自动旋转1.5是天球仪的底座I. 6是安装在底座中的主控部件与数字电子表，透过标牌显示的公元年月日时分秒与农历的月日的时间数字图2是能表达本专利时空同步天球仪的球架结构图(比例1/5)2. I是安装在天球仪底座上的三只环型支撑管架2. 2是十字半环可动球架的横向半环左侧轴栓[0022]2. 3是固定在三只环型支撑管架上的水平放置的水平半环静止球架2. 4是调节十字半环可动球架的固紧旋钮2. 5是十字半环可动球架的纵向半环管架2. 6是十字半环可动球架的纵向半环管架的上方轴孔2. 7是十字半环可动球架的横向半环管架2. 8是十字半环可动球架的横向半环管架的右侧轴栓2. 9是十字半环可动球架的纵向半环管架的下方轴孔2. 10是天球仪球架的圆筒型底座图3是能表达本专利时空同步天球仪完整的内部结构图(比例1/4)3.1是给球内电路板供电的滑环3. 2是滑环上的两只接触电刷3. 3是安装在天球内壁上同天球一起转动的圆型发光管电路板3. 4是安装在天球轴上的测位用的焊有光敏管的串口电路板3. 5是安装在天球内的圆筒型LED黄道点阵屏3. 6是构成圆筒型LED黄道点阵屏的LED矩形单元屏组件3. 7是接插LED矩形单元屏组件的圆型总线电路板3. 8是安装在天球轴上的电控旋转机构的部件一步进电机及机箱3. 9是电控旋转机构的部件一安装在步进电机轴上具有外齿的主控小齿轮3. 10是电控旋转机构的部件一安装在天球球壳上具有内齿的大齿轮3. 11是安装在天球底座圆筒中的半圆柱型主控部件与数字电子表的结构图3. 12是穿过天球中心支撑天球的主轴
具体实施方式
I.本专利时空同步天球仪的全部设计图纸必须由电脑辅助完成。电路板部分是用 Protel-99SE做的辅助设计，结构部分是用autoCAD_2007做的辅助设计。2.本专利时空同步天球仪的单片机软件是用Star51PH星研仿真器通过汇编语言开发的。单片机的程序是用EasyPRO 80B编程器固化在单片机的EPROM中。3.本专利时空同步天球仪所用的器件与器材都可以选择市场通用的。4.本专利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.本专利时空同步天球仪的电控旋转机构的机械部件应由数控机床加工。6.本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.本专利时空同步天球仪的星图应以北京天文台出版的全天星座图为依据，通过球面印刷工艺或者球面感光成像印刷工艺印制在透明表球上，透明表球的厚度应小于0. 5豪米。
权利要求1.一种时空同步天球仪，其特征在于在天球仪的水平半环静止球架(2.3)上安装十字半环可动球架(2. 5,2. 7)，用于手动调节天球仪的中天纬度；在天球仪的天球中安装圆筒型LED黄道点阵屏(3. 5)，使其透过表球动态显示太阳系日月行星的图像(1.3);在天球仪的轴上安装电控旋转机构(3.8、3.9、3. 10)，驱动天球转动；在天球仪的底座中安装半圆柱型主控部件与数字电子表(I. 6,3. 11)。
2.根据权利要求I所述的时空同步天球仪，其特征在于，其包括十字半环可动球架 (2.5,2. 7)，该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)可以安装天球轴与天球的球体；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水平放置的水平半环静止球架(2. 3)上；通过手动上下转动十字半环可动球架(2.5、2. 7)，通过固紧旋钮 (2. 4)可以手动固紧十字半环可动球架。
3.根据权利要求I所述的时空同步天球仪，其特征在于，包括圆筒型LED黄道点阵屏 (3. 5)，由若干块LED矩形单元屏组件(3.6)接插在圆型总线电路板(3. 7)上，构成近似于圆筒型结构的LED黄道点阵屏(3.5);能实时接收主控部件(3. 11)发出的信息动态显示太阳系日月行星的图像(1.3);圆筒型黄道点阵屏的半径小于或者等于天球的外径减去球壁的厚度，圆筒的高度由月亮偏离黄道中心面的最大角度而定，黄道点阵屏的中心面与天球的天赤道平面相交23. 5度；由外部电源通过天球仪轴上的滑环(3. I)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(3. 11)进行无线或者有线通迅。
4.根据权利要求I所述的时空同步天球仪，其特征在于，包括电控旋转机构(3.8、3.9、3.10)，能实时接收主控部件(3. 11)发出的控制脉冲，使电控旋转机构的步进电机转动；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);由安装在天球内壁上同天球一起转动的圆型发光管电路板(3.3)与安装在静止轴上的焊有光敏管的电路板(3. 4)给主控部件提供天球转动位置的反馈信号。
专利摘要本实用新型专利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。本专利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G09B27/06GK202352226SQ20112022285
公开日2012年7月25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