设计一个电动星图仪

你最近有没有仰望过星空?现代人依靠日历和时钟来了解日期与时间。然而，季节更替和昼夜交替等现象，都是由于太阳从地球上看运动所导致的。古人通过观察天体来理解四季与时间。

借助现代电子技术，我重现了一种古代用于可视化并理解天体运动的装置。

什么是星图仪?

星图仪是一种用来模拟天体运动的模型。类似装置在古希腊和中国古代均有发明，在东亚被称为“浑天仪”(Hùntiānyí / Kontengi)。这些仪器被用来研究星座和太阳的运行规律。尽管如今智能手机应用已能轻松显示天体位置，但使用实体模型有助于我们更深入地理解天体运动的物理原理。

电动星图仪

我的星图仪采用步进电机实现自动运行。它由M5Stack控制，并通过蓝牙与电脑或智能手机上的网络应用程序进行通信。它可以显示指定日期、时间和经度时的太阳和星座位置。通过手动设置纬度，还能再现从不同观测点看到的天球景象。

行动

天球每天自转一次。

太阳每年绕黄道运行一圈。

夏至时，太阳从双子座移动到巨蟹座，并达到一年中最高的位置，因此白昼最长。

冬至时，太阳从射手座移动到摩羯座，并达到一年中最低的位置，因此白昼最短。

上图展示了北纬35度地区的景象。

在北极地区，天体水平旋转，因此夏季出现午夜太阳，冬季则出现极夜。

在赤道地区，天体垂直升起和落下。在春分和秋分时，太阳升至天顶。

通过操作星盘，我们可以理解这些天体运动的规律。

黄道十二宫与实际星座位置之间大约相差一个月，这是由于地球的岁差所致。自黄道十二宫定义以来已超过两千多年，地球自转轴的方向已经发生变化。

天文计算根据日期、时间和经度，计算出两个电机的旋转角度。电机1负责带动天球运动，电机2负责带动太阳运动。外圈的角度对应纬度，该参数为手动设置。

机械部件

机械部件使用Autodesk Fusion软件设计为3D模型，然后通过激光切割机从MDF板材上切割成型。

切割布局和比例标记使用Inkscape设计。

部分零件采用3D打印机打印。

电子部件

主控制器为M5Stack模块，该模块还提供独立的用户界面，并支持与网络应用程序通信。DRV8825电机驱动器控制两个步进电机。

天球持续旋转，因此使用滑环来防止线路缠绕，从而允许LED和传感器信号沿旋转轴布线。我专门定制了滑环，利用接触探针为LED供电，以实现紧凑的设计。

步进电机可采用开环控制模式，但开机时其初始位置未知，因此需使用霍尔传感器和钕磁铁来检测初始位置。电路板是使用通用电路板制作的原型。

软件

运行在M5Stack上的软件是基于Arduino框架开发的。

它通过蓝牙与电脑或智能手机上的网络应用程序通信，以获取日期、时间和位置信息，并控制星图仪。

该网络应用程序兼容基于Chrome的浏览器，支持Windows、Mac和Android系统，但不支持iOS设备，因为iOS平台不提供Web Bluetooth API。

本文编译自hackster.io