Кудрявцев A.В.
УрГПУ
г. Екатеринбург
Разработка цифрового
планетария для преподавания астрономии
В статье рассматривается
проект «Цифровой планетарий», который выполнен в виде шара, в координатах
соответствующих звезд которого установлены лазерные диоды. Для включения и
выключения диодов используется микроконтроллер с соответствующим программным
обеспечением. Лучи лазеров, направленные на купол, создают имитацию звездного
неба.
Kudriavtsev A.V.
USPU
Ekaterinburg, Russia
Development of a digital planetarium for teaching
astronomy
The article discusses the Digital Planetarium project, which is made in the
form of a ball, in the coordinates of the corresponding stars of which laser
diodes are installed. To turn the diodes on and off, a microcontroller is used,
with the corresponding software. Laser beams directed at the dome create an
imitation of the starry sky.
В программу общеобразовательной школы вновь была
включена дисциплина «Астрономия», что потребовало обеспечить учебный процесс оборудованием,
которое смогло бы сделать обучение более наглядным, интересным и,
следовательно, более эффективным.
Некоторые вузы и школы оснащены планетариями, однако одни
из них используют устаревшие на сегодняшний день технологии, другие оборудованы
современными системами, цена которых доступна далеко не для всех бюджетных
учреждений.
Сегодня для учебных заведений востребовано современное
и в тоже время относительно недорогое оборудование для изучения небесных тел. В
целях решения задачи обеспечения учебными пособиями для изучения предмета
«Астрономия» нами разработанная система «Цифровой планетарий».
Основная цель предлагаемой системы – демонстрация звезд
и созвездий на куполе планетария для повышения эффективности учебного процесса.
Данная система реализует элементы иммерсивных технологий обучения -
совокупность программно-технических средств, способствующих погружению
обучающегося в искусственно созданную среду - виртуальную реальность.
Рассмотрим разработанную нами систему, которая
представляет собой сферу с лазерными элементами, которые расположены в
координатах, соответствующих координатам звезд. Каждый излучающий элемент имеет
определенную яркость, которая соответствует видимой звездной величине. Работой лазерных
диодов управляет микроконтроллер, который может включать и выключать как
отдельные элементы (звезды), так и их группы (созвездия). Отображение излучения
лазеров на куполе в виде полусферы позволит ученикам наблюдать имитацию
очертаний фрагментов реального звездного неба.
Основного элементом системы является микроконтроллер,
который управляет всеми устройствами проекта. Для реализации нашей системы был
выбран микроконтроллер Arduino.
В качестве элемента излучения был выбран лазерный диод 5,6 мм 650НМ (рис.1) в виду его низкой стоимости.
Рис.1. Лазерный диод 5,6 мм 650НМ
Такие элементы можно подключить к выводам
микроконтроллера и выполнять программное управление ими (включать и выключать в
нужное время).
Для работы планетария необходимо отображать звезды
минимум до четвертой видимой величины, управлять отображением созвездий,
независимо включать наиболее яркие звезды, а также главные звезды созвездий. В
результате потребуется около 300 лазерных диодов, и обеспечить независимое
управление порядка 160-ю объектами.
Но даже на контроллере Mega2560 имеется не более 40 свободных
контактов для подключения устройств, а если мы подключим и другие компоненты,
например, экран и кнопки, то число доступных выводов еще сократиться. Таким
образом, цифровых выводов микроконтроллера недостаточно для управления большим
количеством устройств. Для решения проблемы передачи множества данных
используют последовательные шины. Реализовать передачу большого количества
сигналов можно при помощи регистра сдвига. Регистр представляет собой микросхему,
имеющую три входа для передачи сигналов в регистр и несколько (обычно 8) выходов
для вывода данных на другие устройства (в нашем случае на лазерные диоды) [2, стр.
43].
В качестве регистра сдвига мы выбрали микросхему 74HC595.
74HC595 — восьмиразрядный
сдвиговый регистр с последовательным вводом и выводом информации, с
триггером-защелкой. Регистр сдвига является синхронным устройством. Каждый раз,
когда сигнал на тактовом входе (SH_CP) меняется
с низкого на высокий, все значения, хранящиеся в восьми выходных ячейках,
смещаются на одну позицию. Подача высокого уровня на вход SH_CP выводит значения, хранящиеся в ячейках на выходы [3, стр.156].
Другими словами, этот регистр позволяет передавать
данные на восемь выходов, используя всего три выхода на самом контроллере. При
этом несколько таких регистров можно объединять последовательно.
Таким образом, к одному
регистру можно подключить восемь лазерных диодов, а для подключения большего
числа элементов необходимо подключить последовательно несколько регистров. Подключаем
второй регистр к питанию и общей земле точно так же, как и первый. Далее DS
вход (пин 14) подключается к Q7' выходу (пин 9) первого регистра. А SH_CP (пин
11) и ST_CP (pin 12) подключаются параллельно регистру к соответствующим входам
первого регистра [4, стр. 156].
К выходам второго регистра также
подключаем диоды. Подобным способом можно подключить несколько микросхем. Для
вывода всех независимых объектов нашей системы необходимо подключить 160:8=20
микросхем.
Диоды, имитирующие не очень
яркие звезды одного созвездия подключаем к одному выводу. Таким способом мы
подключили 300 диодов, при этом 160-ю элементами (звездами или созвездиями)
можно управлять независимо.
Для изменения яркости излучения к каждому диоду мы
подключили резистор, сопротивление которого подобрали в соответствии с видимой
звездной величиной имитируемой звезды. Названия звезд, их видимая величина,
созвездие, величина сопротивления резистора и контакт микросхемы – регистра
записаны в таблицу, фрагмент которой приведен ниже (таблица 1).
Таблица 1 – Названия звезд и параметры
Следующий этап – подготовка действующего макета. Для
монтажа диодов мы использовали сферу, диаметром 40см. В координатах каждой яркой
звезды мы установили диод, подключенный к выводу микросхемы.
Отдельно смонтирован блок управления, в который входит
микроконтроллер, двухстрочный текстовый дисплей и две кнопки. Для каждого
независимого объекта (созвездия или яркой звезды) написана отдельная процедура,
позволяющая включать или выключать данный объект. Последовательность выполнения
таких процедур определяет работу планетария. Для вывода названий звезд и
созвездий используется жидкокристаллический дисплей, отображающий символьную
информацию. В нашей системе установлен дисплей способный отображать 2 строки по
16 символов.
Включение небесных объектов выполняется
последовательно, переход от одного объекта к другому может быть выполнен как по
нажатию кнопки, по заданному времени или управляться дистанционно. В нашем
проекте задействованы две кнопки, одна переходит к отображению следующего
созвездия, вторая перезапускает работу программы.
Параллельно с отображением объектов на куполе, выполняется и вывод их названий на экран (рис. 2).
Рис.2
Текстовый экран для вывода названий созвездий и звезд
Также данные можно передавать непосредственно на экран
компьютера, посредством подключения Arduino через USBпорт [7, стр. 26].
Для программирования микроконтроллера выбрана среда
программирования Arduino IDE, поскольку она свободно распространяемая,
имеет простой и удобный интерфейс. Программирование основано на языке «Си» [8,
стр. 25].
Программа управляет включением и выключением, как
отдельных диодов (звезд) так и их групп (созвездий). Проецирование излучения
диодов на купол позволит имитировать фрагменты звездного неба.
Проведение уроков астрономии с использованием
цифрового планетария рассматривается во многих источниках, например в статье Филимоновой
И.С.[9, c. 120].
Использование цифрового
планетария на занятиях по астрономии.
1. Поиск звезд и созвездий.
Цель: научить находить на звёздном небе яркие звёзды и
созвездия. Планетарий поможет сформировать умения находить звезды на небе.
Рассмотрим самый известный способ нахождения полярной звезды: соедините прямой
линией крайние звёзды ковша Большой Медведицы и продолжите эту линию на
пятикратное расстояние, соединяющее эти звёзды. Полярная звезда расположена в
конце ручки ковша Малой Медведицы, который также образован семью звёздами, но
меньше ковша Большой Медведицы [10, с. 15]. Для наглядной демонстрации этого
метода на цифровом планетарии, выводим только изображение созвездия «Большая
Медведица». Затем выводим созвездие «Малая медведица». Несколько раз включаем и
выключаем (мигаем) две крайние звезды ковша Большой медведицы и включаем
мигание Полярной звезды. Далее находим γ созвездия Кассиопея. Включаем мигание ε
Большой медведицы, затем Полярной звезды, потом γ Кассиопеи, видно, что они
располагаются на одной линии, причем вторая звезда почти посередине. Включаем
созвездие Кассиопея. Аналогичным способом можно научить находить остальные
звезды и созвездия.
2. Изучение характеристик звезд.
Цель: изучить основные параметры наиболее ярких и
известных звезд.
Рассмотрим на примере звезды «Вега». Верхний прямой угол
летне-осеннего треугольника – звезда Вега, α Лиры. Включаем все объекты неба,
выделяем трехкратным миганием нужное созвездие, после чего выделяем миганием
нужный объект. Все эти действия сопровождаются либо рассказом преподавателя,
либо записью голоса, например, в виде презентации. Вега – одна из красивейших звезд
северного неба, первая звезда, до которой русский астроном В.Я. Струвев в 1836
г. Измерил расстояние – 26,1 св. лет. Вега – горячая белая звезда с температурой
поверхности 10600 К. Вега в 3 раза больше Солнца по размерам [11, с. 87].
3. Изучение системы небесных координат.
Цель: научить определять координаты звезд.
Одним из методов определения приближенного значения координат
небесного тела - по зенитным расстояниям Полярной звезды. Для определения
широты измеряются зенитное расстояние Полярной и соответствующий измерению
зенитного расстояния момент времени.
Для измерения значения зенитного расстояния можно
воспользоваться транспортиром и лазерной указкой. Приложим указку к транспортиру
и совместим ее излучение с изображением звезды, координаты которой нужно
определить. Применяя теорему косинусов и синусов, получим широту небесного тела
[12, c.10].
Таким образом, разработанный нами цифровой планетарий
позволит повысить интерес к изучению астрономии, сделает изучение небесных тел
увлекательным, и более эффективным. Сравнительно невысокая стоимость
оборудования позволяет использовать подобную систему во многих учебных
заведениях высшего и среднего образования.
Литература:
1. Монк С. Программируем Arduino.
Профессиональная работа со скетчами СПб.: Питер, 2017. 184 с.
2.
Петин В.А. Проекты с использованием
контроллера Arduino. 2-е изд., перераб. и доп. СПб.: БХВ-Петербург, 2015. 464
с.
3.
Бокселл Д. Изучаем Arduino. 65
проектов своими руками. СПб.: Питер, 2017. 400 с.
4. Amariei C. Arduino Development Cookbook. Birmingfam Mumbai,
2015. 246 p.
5.
Андрэ, Ф. Микроконтроллеры семейства
SX фирмы Ubicom /Ф. Аандрэ. М.: ДМК, 2016. 272 c.
6.
Хартов, В.Я. Микроконтроллеры AVR.
Практикум для начинающих: Учебное пособие /В.Я. Хартов. М.: МГТУ им. Баумана,
2012. 280 c.
7.
Петин В.А. Arduino и RaspberryPi в
проектах InternetofThings. СПб.: БХВ-Петербург, 2017. 319 с.
8. Ярнольд, Стюарт, Arduino для начинающих: самый простой пошаговый самоучитель /Стюарт
Ярнольд; [пер. с англ. М.Райтман]. М.: Эксмо, 2017. 256 с.
9. Филимонова И.С., Томчинская Т.Н.
Особенности разработки обучающего урока для цифрового планетария // КОГРАФ-2018.
Сборник материалов 28-й Всероссийской научно-практической конференции по
графическим информационным технологиям и системам. 2018. С. 120-124.
10. Кондакова Е.
В. Астрономия. Поурочные методические рекомендации. 10-11 классы: учеб. пособие
для общеобразоват. организаций: базовый уровень / Е. В. Кондакова. М.:
Просвещение, 2019. 160 с.
11. Румянцев
А.Ю., Серветник Т.А. Астрономия: Учебно-методическое пособие для преподавателей
астрономии, студентов педагогических вузов и учителей средних учебных заведений
/ Под ред. А. В. Усовой. Магнитогорск: МаГУ, 2003. 312 с.
12. Астрометрия: учебная практика: [учеб.-метод. пособие] /А. Б. Островский; [науч. ред. Э. Д. Кузнецов]; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2016. 151 с.