Продолжаем рассказывать о работе и модернизации нашей самодельной камеры для наблюдения за погодой и звездным небом. Как видно из названия, это уже третья часть, и она тоже, наверняка не последняя. С первыми двумя частями вы можете ознакомиться здесь: Часть 1, Часть 2.
С момента запуска в работу второй версии камеры прошло почти 5 месяцев. За это время камера наснимала много интересного днем и ночью. Например радугу (на снимке выше) или серебристые облака.
Видео ночных гроз в июне – июле.
Так же реализовали возможность отображения погоды в правом верхнем углу кадра. Эта функция заложена в программу SkyWatch для получения данных с цифровых метеостанций Lacrosse. Конечно, самой станции у нас нет (пока), но благодаря простому алгоритму чтения данных из локального файла, можно написать скрипт, который будет брать информацию с любого погодного сервиса и «скармливать» ее программе. Я так и поступил. Скрипт на PowerShell, кому интересно можно скачать здесь.
Технические проблемы в работе касались только интернета. Иногда за него забывали заплатить, и тогда камера не могла передать новые снимки и видео на сайт, но сама по себе продолжала работать.
Однако, звезд на ночных снимках не было. Вместо них сияли горячие пиксели. В общем это ожидаемое явление, т.к. объектив не оборудован диафрагмой. Тем, кто занимался изготовлением своей allsky камеры эта проблема хорошо известна. Если ночью вы видите звезды, то днем вы не видите ничего – камера не справляется с ярким солнцем и выдает настолько пересвеченные кадры, что на них ничего нельзя разобрать.
Поэтому многие, кто столкнулся с этой проблемой, просто выключают камеру днем. В программе есть такая возможность. А с заходом солнца, она снова начинает видеть. Как сова))
Для меня было важно видеть погоду днем. Поэтому я пошел на небольшую хитрость. В этом мне помог «Волшебник Тоффи». Какой еще волшебник? Ха-ха)) Это конфетки. Вместо фольги их заворачивают в блестящую серебристую пленку. Это в нашем детстве «золотинка» всегда была из тонкого металла, а сейчас металл всюду заменяют пластмассой. Дешево и сердито.
Так вот, однажды я заметил, что эта пленка полупрозрачная! Т.е. в яркий солнечный день через нее хорошо видно. А что? Давайте попробуем! Вырезал из пленки кусочек и положил между матрицей и объективом.
Обалдеть! Камера стала видеть днем. Пленка ослабляла дневное освещение так, что камера не слепла. Когда солнце светило прямо на нее, она ставила самую короткую выдержку – 1-2 мс, но изображение не было пересвеченным.
Ночью же, выдержка увеличивалась до 30 сек, и камера могла видеть только Луну. Ну и молнии тоже))
Конечно, хотелось видеть и звезды по ночам, ведь это самое интересное! Но для этого нужно установить объектив с регулируемой диафрагмой. При чем регулировка должна быть автоматической, чтобы уровень открытия диафрагмы соответствовал внешней освещенности.
В продаже есть объективы с моторизованной диафрагмой. Но, во-первых, среди них нет широкоугольных с полем зрения больше 160 градусов, во-вторых, привод диафрагмы подключается в специальный разъем на охранной камере. Эти камеры выдают шим-сигнал в зависимости от заполнения гистограммы, и объектив двигает диафрагму. В общем узкоспециальное применение. Этот вариант отпал сразу.
Немоторизованные широкоугольные объективы с изменяемой диафрагмой есть. В том числе тот дорогой Fujinon FE185C086HA-1. Но с ним пока боязно связываться, попробуем найти что-нибудь подешевле. Для нашей матрицы 2/3 дюйма выбор совсем небольшой.
На алиэкспрессе нашелся подходящий кандидат за 2 435р. Фокус 2,5мм, светосила 1.6 при открытой диафрагме. Фокус тоже регулируется. Попробуем с ним что-нибудь сделать.
Кроме камеры Meade DSI-3, у нас есть еще DSI-2. Там матрица поменьше, и сама камера тоже меньше, но крепление объектива точно такое же. Поэтому эксперименты с новым объективом проводились на ней, а DSI-3 продолжала работать в обсерватории.
Конечно, самое сложное в этой авантюре было сделать механизм, который бы поворачивал кольцо на объективе в зависимости от внешнего освещения. Стремление к звездам творит чудеса!
Когда объектив приехал, он был тщательно исследован. Кольцо регулировки диафрагмы поворачивалось на 83 градуса – почти прямой угол. Туда можно надеть шестерню, и двигать ее моторчиком! Где бы только все это взять? Конечно, у нас есть 3д принтер, но моторчик вы на нем не напечатаете.
Мой коллега по работе, Владимир Скворцов, обладает замечательной коллекцией деталей от лентопротяжных механизмов и компьютерных дисководов. В свое время все эти шестеренки, моторчики и редукторы были отправлены в коробку, а не на свалку. И вот теперь пригодились!
Какое богатство! Подобрал кое-что, прикинул на бумаге. Но без 3д принтера не обойтись.
Принцип регулировки основан на обратной связи между положением диафрагмы и переменного резистора. Моторчик через редуктор двигает диафрагму, а она сообщается с резистором. Таким образом, зная положение резистора, можно управлять диафрагмой.
Но кроме механики, должна быть еще электроника. Мы не можем брать данные о внешней освещенности от самой камеры. Это должна быть автономная система, не связанная с компьютером.
Поэтому, пока я изобретал механическую часть, мой дорогой друг Владимир Николаевич занимался разработкой электронной схемы, которая будет управлять механической частью.
Владимир Скворцов – гений дискретной электроники. В современном мире все управляется микроконтроллерами, например, Ардуино и иже с ним. Но есть еще люди, способные сделать независимое аналоговое устройство, которое без программирования будет выполнять свою функцию. Владимир — как раз такой человек.
Мы работали параллельно. И когда у меня появился работоспособный прототип механики, у него появилась схема на макетной плате. Мы соединили их воедино, и оно заработало!
Конечно не сразу, кое-что подкрутили, но мы испытали чувство радости за общее дело.
В механической части был использован моторчик от какого-то дисковода, с уже готовым редуктором. Так же была подобрана одна готовая шестерня. На 3д принтере напечатали шестеренку для переменного резистора, платформу, на которой все держится и еще одну неполную шестеренку, которая крепилась на объектив и двигала кольцо диафрагмы. Шестеренки строили во FreeCAD с плагином FCGear. Спасибо этим ребятам, всё объяснили https://3dtoday.ru/blogs/3dlab. При расчетах исходили из параметров большой заводской шестеренки. Сначала весь механизм был спроектирован в 3DS MAX.
Предусмотрели концевые выключатели, чтобы редуктор не свернул набок весь механизм. Мало ли что.
Далее привожу работу моего друга и коллеги. Выражаю благодарность Владимиру Николаевичу Скворцову за разработку схемы, описание работы и настройки!
Схема управления (контроллер) представляет собой дифференциальный усилитель с мощным парафазным выходом. Контроллер сравнивает напряжение с резистора с напряжением фотодатчика. И если они отличаются, контроллер включает двигатель и держит его так до выравнивания этих напряжений. Когда они сравняются, двигатель останавливается, а диафрагма занимает положение, соответствующее внешней освещённости.
Базы транзисторов VT1 и VT5 – входы 1 и 2, коллекторы VT2 и VT4-выходы дифкаскада и входы усилителей тока. Когда напряжения на входах одинаковые, коллекторные токи VT6 и VT8 тоже одинаковые, напряжение на коллекторах VT7 и VT9 (и на двигателе) одинаковые — около 2В. Двигатель не вращается. При изменении освещённости увеличивается напряжение на входе 1, уменьшается напряжение на коллекторе VT2, увеличивается ток коллектора VT8, напряжение коллектора и на правом (по схеме) контакте двигателя увеличивается. Через R9 идёт базовый ток VT7, транзистор открывается, напряжение на левом (по схеме) контакте двигателя уменьшается, двигатель начинает вращаться. Останавливается при выравнивании напряжений на входах 1 и 2. Аналогично обрабатывается уменьшение напряжения на входе 1. При этом открываются VT6 и VT9, напряжение на левом контакте двигателя увеличивается, а на правом- уменьшается. Направление вращения двигателя меняется на противоположное.
Выключатели S1и S2 отключают двигатель при подходе к границам регулировки и тем самым защищают механизм от поломки. Резистор R8 устанавливается по необходимости при самовозбуждении. Транзисторы VT6-VT9 желательно подобрать по коэффициенту усиления (60-80).
Контроллер собран на печатной плате 80х40 мм.
Транзисторы VT1-VT5-любые n-p-n (использованы 2SC-945).
VT6-VT9-любые на ток до 0,5А. Использованы 2Т6821 и SS125B. Они в металлических корпусах и не требуют теплоотвода.
VD1 и VD2-1N4148. Остальные диоды – любые на ток до 0,5А.
В качестве фотодатчика использована солнечная батарея от калькулятора.
Перед настройкой установить все подстроечные резисторы в среднее положение.
Вращая R2, установить на движке 2В. Включить всё устройство. Вращая R4 установить ток потребления 150-200 мА.
Когда дело дошло до монтажа новых элементов, пришлось немного доработать корпус.
Чтобы подключение редуктора было удобным, все контакты вывел на один разъем. Залил эпоксидкой, чтобы не болтались.
Раньше на камере был закреплен нагреватель. Теперь на его месте оказался редуктор. Куда девать нагреватель? Поднимем его вверх и закрепим на крышке. Теперь он будет внутри колпака. На нем же будет держаться фотоэлемент.
Чтобы он точно входил в колпак, напечатаем специальную оправу-фиксатор. Оправу приклеим на крышку той же эпоксидкой. Суперклей очень быстро схватывается, с эпоксидкой в этом плане проще.
Пластина внизу нужна для крепления платы контроллера. Поставим детали и прикрутим. Красиво!
Теперь придется немного переделать устройство коробки. Нужно опустить камеру вниз, т.к. редуктор не входит по высоте. Кроме того придется перенести выключатель нагревателя с боковой поверхности на задний торец между кабельными вводами. Иначе он не даст опустить камеру. DC-DC конвертер питания перенесем на передний торец. Конечно, все это было сначала сделано в 3DS MAX.
Отверстие от выключателя заклеим армированным скотчем, для DC-DC конвертера напечатаем и приклеим специальный держатель.
Чтобы зафиксировать камеру на нужной высоте, напечатаем укороченные стоечки. Так же придется высыпать половину силикагеля из мешка — он слишком толстый, мешает камере.
Теперь камера входит. Поставим ее на место и соединим все элементы проводами.
Крышка закрывается, детали редуктора не задевают за нагреватель. Все это было проверено в 3DS MAX.
Камера работает уже месяц. Диафрагма регулируется. Особенно это заметно в утренние часы при ясной погоде.
Обратите внимание, что сначала выдержка уменьшается, потом увеличивается и снова уменьшается. Это срабатывает диафрагма. Днем картинка яркая, не пересвеченная.
Заметно, что у нового объектива сильная дисторсия по краю поля. Объекты на горизонте выглядят сплющенными. Фото справа получено при старом объективе. Труба и вышка гораздо длиннее. А что вы хотели за 2 435 р. ? ))
Мешает стена башни. Закрывает половину кадра. Но сейчас камеру приткнуть больше некуда.
А как же ночные фотки? За что боролись-то? Звезды ночью видно, но самые яркие. Все дело в той же стене. Она засвечивает половину кадра, и программа получает заполненную гистограмму.
Здесь утреннее сентябрьское небо с Капеллой, Альдебараном, Бетельгейзе, Поллуксом, Сириусом и, конечно, Луной.
Что дальше? Дальше зима. Нужно посмотреть, как будет себя вести механизм и система обогрева колпака в морозы. А потом замахнемся на тот крутой объектив Фуджинон. Но сначала найдем открытое место, где ничего не мешает видеть звезды!