ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΣΚΟΠΟΣ

Θεωρώ ότι ένας ηλεκτρικός εστιαστής είναι ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο για κάθε ερασιτέχνη αστρονόμο που κάνει συχνές παρατηρήσεις αλλά και αστροφωτογραφίσεις.

Εδώ παρουσιάζεται η νέα έκδοση ηλεκτρικού εστιαστή για το οκτάϊντσο νευτώνειό μου που αντικατέστησε πλήρως την προηγούμενη έκδοση η οποία ήταν πολύ πιο απλή. Την παλιά έκδοση μαζί με λίγη θεωρία επιλογής των κατάλληλων εξαρτημάτων και μιας πρότασης του τρόπου στήριξης μπορείτε να δείτε κάνοντας κλικ  > εδώ <.

Αυτός ο εστιαστής είναι βασισμένος στη προηγούμενη σχεδίαση αλλά είναι πλήρως επανασχεδιασμένος αφού περιλαμβάνει επιπλέον δυνατότητες και λαμβάνει υπόψη τις σχεδιαστικές και λειτουργικές ατέλειες του προκατόχου του.

Βασίζεται και πάλι σε ένα βηματικό μοτέρ αλλά αυτή τη φορά είναι ένα unipolar μοτέρ όχι bipolar όπως στη παλιά σχεδίαση. Αυτό σημαίνει ότι και το κύκλωμα ελέγχου του μοτέρ είναι διαφορετικό.

Η συσκευή έτσι όπως έχει υλοποιηθεί ελέγχει όλη τη διαδρομή του εστιαστή και παράγει τη λιγότερη δυνατή δόνηση στον οπτικό σωλήνα.

Διαθέτει δύο μέρη, τη βασική μονάδα, που είναι μόνιμα σταθεροποιημένη κάτω από τον εστιαστή και ένα χειριστήριο με το οποίο πραγματοποιείται το μεγαλύτερο μέρος του ελέγχου και συνδέεται με τη κυρίως συσκευή μέσω ενός αποσπώμενου σπιράλ καλωδίου. Έτσι, δεν χρειάζεται να αγγίζω καθόλου τον οπτικό σωλήνα και να προκαλώ ανεπιθύμητες ταλαντώσεις του τη στιγμή της εστίασης. Το χειριστήριο περιλαμβάνει δύο πλήκτρα ελέγχου κίνησης και μια αναλογική ρύθμιση ταχύτητας βηματισμού. Η κύρια μονάδα φέρει πάνω της άλλα δύο πλήκτρα που χρησιμεύουν για τη πλοήγηση στο ενσωματωμένο μενού όποτε αυτό χρειασθεί.

Επιπλέον το χειριστήριο διαθέτει μια λειτουργία αυτόματου goto του εστιαστή. Πατώντας τα δύο πλήκτρα μαζί, ο εστιαστής μπαίνει σε μια κατάσταση όπου μπορεί κανείς να αποθηκεύσει ζευγάρια ρυθμίσεων για κάθε προσοφθάλμιο έτσι ώστε επιλέγοντας ένα από αυτά ο εστιαστής να κινηθεί αυτόματα στη σωστή απόσταση ώστε να υπάρχει ευκρινές είδωλο. Διατίθενται συνολικά 15 θέσεις για ζευγάρια ρυθμίσεων: εστιακή απόσταση και βήματα θέσης εστιαστή.

PREFACE

I believe that an electric focuser is a very useful instrument for every amateur astronomer who often makes observations or does astrophotography.

Here's a construction presentation of the new electric focuser version B for my 8" Newtonian telescope. This version totally replaced the previous one; the old design was simpler than this. A description of the  previous  version together with some component selection theory and a mounting suggestion can be found by clicking > here <.

This focuser is based on the previous construction but it is completely redesigned since it features additional options and takes into account all the design and usage imperfections of its predecessor.

It is based once again in a stepper motor but this time it is a unipolar not a bipolar motor. This means that its electric driving circuit is different as well.

The device is build in such way that controls the total focuser travel  accurately, causing the less tube vibration possible.

It consists of two parts; the main unit that is attached under the mechanical focuser body and the hand control which controls most of the functions and connects to the main unit through a black spiral detachable cable. Using the hand-control to position the focuser there is no need for me to touch the adjusting shaft so any tube vibrations are vastly reduced the time of focusing.

The hand-control offers two buttons that control the movement and an analog adjustment of the stepping speed. The main unit features  another two buttons that help navigation within the system menus.

Additionally the hand-control offers an automatic goto function of the focuser. By pushing both hand-control buttons the system enters in a special state where I can store pairs of settings for each eyepiece so by selecting one of these, the focuser will step to the right position where the image will be in perfect focus. Fifteen such pair settings (presets) can be stored; focal length and focuser steps.

ΣΚΕΨΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ

Με την εμπειρία χρήσης του προηγούμενου εστιαστή επέλεξα τα σημεία που θα πρέπει να πληρούνται από τη νέα σχεδίαση:

1. Ευκολία χρήσης - εύκολη συναρμολόγηση στο πεδίο

2. Απλή και φθηνή κατασκευή

3. Ελάχιστο βάρος

4. Ελάχιστη δυνατή δόνηση του οπτικού σωλήνα

5. Ακριβής τοποθέτηση του εστιαστή

Η κατασκευή βασίστηκε σε έναν μικροελεγκτή της Atmel. Έχοντας σαν σημείο αναφοράς - "θέση μηδέν" την πιο focus-in θέση του εστιαστή, ο μικροελεγκτής παρακολουθεί κάθε στιγμή τη θέση που θέτουμε χειροκίνητα ή αυτόματα δείχνοντας στην οθόνη του τις ανάλογες ενδείξεις. Η χρήση unipolar βηματικού μοτέρ σε κατάσταση μικροβηματισμού προσφέρει μικρότερη κατανάλωση ρεύματος, μεγαλύτερη ανάλυση βήματος και μικρότερη δόνηση από αυτή που συμβαίνει σε κατάσταση πλήρους βήματος.

Το χειριστήριο σχεδιάστηκε ώστε να είναι εύκολο στη χρήση και να μη με προβληματίζει, αποκλείοντας την ανάγκη ρύθμισης από τον άξονα του εστιαστή εξασφαλίζοντας έτσι λιγότερες αναταράξεις του οπτικού σωλήνα.

Τέλος, το λειτουργικό του μικροελεγκτή συντάχθηκε ώστε η νοοτροπία της ελάχιστης παρέμβασης για να επιτευχθεί μια ρύθμιση να υφίσταται και εδώ.

THOUGHTS BEFORE THE CONSTRUCTION

Guided by the knowledge from my previous focuser assembly I decided to concentrate to the following design objectives:

1. Easy to use - easy installation in the field

2. Simple and cheap to build

3. Less weight

4. Less possible micro-vibration of the optical tube

5. Precise focuser position

The whole project based on an Atmel microcontroller. Having as reference the full-in position of the focuser (zero position) the microcontroller continuously counts the adjusted position and reports it in the system screen. The use of an unipolar stepping motor in microstepping mode offers less current consumption, less vibration and better step resolution than in full step driving.

The design simplicity of the hand-controller gives me the opportunity to make accurate focusing in the most easy way. As I had previously described, there is no need to touch the focuser shaft with my hand anymore resulting to unwanted tube vibrations.

Finally, the system firmware (build-in software) built in such a way so with very few button presses the user may perform any operation; something very important when you're found in a mountain in the dark.

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ

Η κατασκευή ξεκινά με τη σχεδίαση του ηλεκτρονικού κυκλώματος σε μια πλακέτα δοκιμών. Όλα δέθηκαν γύρω από έναν μικροελεγκτή Atmel AVR Mega8515 που προσφέρει 8KB μη πτητική μνήμη για μόνιμη αποθήκευση του firmware. Ως οθόνη του συστήματος χρησιμοποιήθηκε ένα display υγρών κρυστάλλων 2 γραμμών 16 χαρακτήρων με οπίσθιο φωτισμό.

Το κύκλωμα ελέγχου του μοτέρ αποτελείται, ευτυχώς από ένα μόνο ολοκληρωμένο κύκλωμα, το ULN5408 της εταιρίας Allegro. Αποφάσισα, μετά από έρευνα, ότι αυτό το chip είναι ιδανικό για μένα αφού διαθέτει χαρακτηριστικά που βολεύουν πολύ: διατίθεται σε dip έκδοση για όσους δεν διαθέτουν σταθμό συγκόλλησης εξαρτημάτων επιφανειακής στήριξης (π.χ. εμένα), αυτόματο σβήσιμο σε κατάσταση υπερφόρτωσης, αντοχή σε ρεύματα έως 1,5 αμπέρ, συμβατότητα με μικροελεγκτές, μικρό σε μέγεθος (16pin), απλή και εύκολη διασύνδεση  με το κύκλωμα οδήγησης.

Αφού όλες οι ηλεκτρικές συνδέσεις πραγματοποιήθηκαν άρχισε ο προγραμματισμός του chip.

Το firmware κατέβηκε στον μικροελεγκτή 158 φορές μέχρι να πάρει την τελική του μορφή στις 30/3/05.

Διαθέτει ενσωματωμένη δυνατότητα μέτρησης του συνολικού αριθμού βημάτων του εστιαστή, από θέση πλήρως μέσα (far-in) έως θέση πλήρως έξω (far-out). Η ρύθμιση αυτή όπως και όλες οι διαθέσιμες από τα μενού επιλογές, αποθηκεύονται στη μη πτητική μνήμη του μικροελεγκτή οπότε σε κάθε άναμμα της συσκευής αυτές αυτόματα ανακτώνται.

Η συσκευή ανάβοντας ζητά να τεθεί ο εστιαστής χειροκίνητα στη θέση μηδέν, δηλαδή την πλήρως μέσα θέση του. Μετά από αυτό χρησιμοποιώντας τα πλήκτρα ελέγχου κίνησης από το χειριστήριο μπορεί να τεθεί σε οποιαδήποτε θέση.

Το firmware ελέγχει το φωτισμό της οθόνης με χρόνο αυτόματου σβησίματος και τον ήχο που παράγεται στα πατήματα των πλήκτρων ελέγχου και σε άλλες περιπτώσεις.

Υπάρχουν δύο καταστάσεις του μενού ελέγχου. Η κανονική και η κατάσταση ρυθμίσεων. Στην κανονική κατάσταση η οθόνη δείχνει τη τρέχουσα θέση του εστιαστή σε σχέση με την ολική διαδρομή και τη ρύθμιση ταχύτητας βηματισμού. Με το πάτημα ενός πλήκτρου γίνεται εισαγωγή στη κατάσταση ρυθμίσεων όπου όλες οι παράμετροι είναι διαθέσιμες προς αναθεώρηση.

CONSTRUCTION

The construction begins with the design of the electronic circuit in a breadboard. Everything was built around an Atmel AVR Mega 8515 microcontroller with 8KB build-in non volatile memory to permanently store the system firmware. The display of the system is a liquid crystal display of 2 lines x 16 characters with backlit.

The motor driving circuit consists only by one intergraded circuit and its surrounding components; this is the Allegro ULN5408 chip, a four phase unipolar stepper motor translator/driver. After an extensive web search, I decided to use this chip because it features a lot of nice characteristics such as: it is offered in 16 pin dip package which except of the small footprint offers flexibility in its handling especially for those that don't have surface mount components soldering stations (including me!), withstands to currents up to 1,5 amperes, it features an internal thermal auto shutdown circuitry and all of its inputs are standard CMOS compatible.

Since all the electrical connections have been made it is time for the programming to begin!

The firmware downloaded 158 times to the microprocessor before it takes its final form on 30/3/05.

It offers an intergraded utility for counting the total focuser travel steps for the full focus-in position to the full focus-out. This adjustment and also all the others available in the systems menu are constantly stored in the non volatile microprocessor memory so each time the system powers-up all those settings are recalled automatically.

When the system powers up, asks the user to manually put the focuser to the zero position; the full focus-in position. After that there is no need to touch the focuser adjusting shaft and all the control is performed by the hand-controller buttons.

The firmware also controls the backlit of the lcd, its auto shut off time and the sound produced on button presses or other circumstances.

There are two menu states; the "normal" and the "adjustments" state. The "normal" state shows continuously the current focuser position, the total steps and the stepping speed as well. With one button press the system enters the "adjustments" state where the system parameters can be altered.

Αφού οι δοκιμές ηλεκτρονικών και λογισμικού τελείωσαν το κύκλωμα  συναρμολογήθηκε σε μια διάτρητη πλακέτα. Αυτή, μαζί με το μοτέρ, την οθόνη και τα μπουτόν ελέγχου τοποθετήθηκαν σε ένα μικρό μαύρο πλαστικό κουτί. Επέλεξα ένα κουτί που να τα χωρά όλα μέσα και ταυτόχρονα να είναι τόσο μικρό που να χωρά κάτω από τον εστιαστή και να μην φαίνεται ακαλαίσθητο.

Στον άξονα του εστιαστή, αφαιρέθηκαν εκατέρωθεν τα μαύρα  ρυθμιστικά πλαστικά κουμπιά και τοποθετήθηκαν μακριές βίδες σπειρώματος Μ4. Από την δεξιά μεριά εφάρμοσα πάλι ένα από τα κουμπιά για να υπάρχει η δυνατότητα χειροκίνητης ρύθμισης όπως παλιά. Στην αριστερή πλευρά βίδωσα το γρανάζι που θα μεταφέρει την κίνηση από το μοτέρ. Φρόντισα να τοποθετηθεί σε τέτοιο σημείο έτσι ώστε μόλις το κουτί που φιλοξενεί τα ηλεκτρονικά βιδωθεί στη θέση του να έρχεται σε πλήρη επαφή με το γρανάζι του μοτέρ. Δεν θέλω να υπάρχει τζόγος ανάμεσα στα γρανάζια διότι θα προκαλείται επιπλέον δόνηση.

Ο τρόπος στήριξης είναι ο ίδιος με αυτόν της παλαιάς κατασκευής. Κάνοντας κλικ   > εδώ <   φαίνεται η στήριξη όπως την είχα σχεδιάσει παλαιότερα.

Στη φωτογραφία στα αριστερά φαίνεται η τωρινή στήριξη. Το καπάκι του επιλεχθέντος κουτιού τοποθετείται στο κάτω μέρος του εστιαστή με τη βοήθεια των τεσσάρων βιδών που βρίσκονται εκεί. Προσοχή στο αρχικό ξεβίδωμα των τεσσάρων αυτών βιδών διότι απελευθερώνουν τη μεταλλική πλάκα πίεσης, ένα έλασμα και τον ίδιο τον άξονα του εστιαστή.

Γενικά χρειάζεται  προσοχή η αποσυναρμολόγηση του εστιαστή. Πρέπει να γίνει με τον οπτικό σωλήνα να δείχνει το πάτωμα. Υπάρχουν μέρη του που πέφτουν ελεύθερα εάν απομακρυνθεί το κινούμενο μέρος του.

Since all the tests were finished and the system was operational in the breadboard it was time to build it in the final pcb. So, I assembled it in a general purpose pre-drilled pcb for my convenience.

The pcb with the motor, the lcd and the buttons assembled together in a small black plastic box. I looked for a small box but big enough to accommodate all the above components and to conveniently fit under the focuser body.

From the focuser shaft I removed both adjusting knobs. Then I replaced the 1,5cm long screws with longer M4 threaded screws in both sides. I reassembled in the right side the initial knob just to have possible the manual adjustment. In the left side I secured in place the worm gear that transmits the movement to the shaft when messing with the motor. I used "butterfly" type of nuts just to make sure that if any of the screws get loose when I'm found in the field, I'll be able to tight them again by hand.

Some tight assembly is needed here to have both gears in perfect touch so any gear-backlash will be the less possible.

The mounting of the assembly is the same as in the older version. Click > here < to see how I had designed that mounting.

The photo at the left shows the current mounting. The lid of the selected box is secured under the mechanical focuser body with the four screws that live there. Special attention is needed here because unscrewing the screws several focuser parts are disassembled and may drop down: a holding plate, a pressure plate and the focuser shaft.

Generally, the focuser disassembly need special care and attention. Any operations must be performed with the tube looking down. This prevents for parts dropping to the primary mirror and braking it!

Το μοτέρ που χρησιμοποιήθηκε είναι ένα unipolar βηματικό μοτέρ 6 αγωγών που βρήκα από έναν κατεστραμμένο ασπρόμαυρο Laser εκτυπωτή Xerox. Μια πλήρης περιστροφή (360^ο) γίνεται με την εφαρμογή 50 βημάτων. Άρα έχει βήμα 7,2^ο. Σε κατάσταση μικρο-βηματισμού καταφέρνω να μειώσω τη γωνία βήματος στο μισό. Έτσι μια πλήρης περιστροφή τώρα γίνεται σε 100 βήματα άρα κάθε βήμα περιστρέφει τον άξονα του μοτέρ κατά 3,6^ο.

Το γρανάζι που συμπλέκει με το μοτέρ έχει λόγο 5,4:1. Αυτό σημαίνει ότι ο άξονας του εστιαστή πάνω στον οποίο βρίσκεται το γρανάζι θα γυρίζει 360^ο λαμβάνοντας 540 βήματα από το μοτέρ.

Δηλαδή: 1 βήμα του μοτέρ = 3,6^ο  => μέσω γραναζιού μετάδοσης λόγου 5,4:1 =>1 βήμα του άξονα του εστιαστή = 0,66^ο.

Πράγματι, στη πράξη ο εστιαστής μου έχει πλήρη κίνηση στα 900 βήματα ή λίγο περισσότερο από 1 ^1/2 περιστροφή του άξονά του χειροκίνητα.

The motor used was a unipolar stepper motor with six wires found from an old scrap Xerox black & white laser printer. A full revolution (360^ο) is achieved by applying 50 full step pulses. This means that each step rotates the motor shaft by an angle of 7,2^ο. In microstepping mode I can reduce  this stepping angle in the half. So, now a full revolution is performed by 100 half-step pulses and consequently the step angle is 3,6^ο.

The worm gear in the focuser shaft has a 5,4:1 ratio. This means that the focuser shaft will make a full revolution (360^ο) with 540 steps of the motor.

With other words: 1 motor step = 3,6^ο => through the worm gear with 5,4:1 ratio => 1 focuser shaft step =0,66^ο.

In reality the focuser performs the full of its travel at 900 steps which is a little more than a 1 ^1/2 shaft revolutions by hand.