MAKER-PROJEKTE FÜR DIE ASTRO-FOTOGRAFIE

Die Ideen zu diesen Projekten sind aus unserem monatlichen Arduino und 3D-Druckworkshop der GvA entstanden.

Im Lauf der Zeit habe ich mir das folgende Equipment besorgt und mich in die einzelnen Tools eingearbeitet:

• Bambu Lab A1 mini 3D-Drucker mit dem Material PLA Matte und PETG HF
• FreeCAD 1.0
• Bambu Studio
• eventuell ein umfangreiches Arduino Starter-Kit mit viel Zubehör
• Arduino Boards und verschiedene Sensoren, Displays und Aktoren
• Arduione IDE
• Visual Studio 2022 
• ASCOM Entwicklungsumgebung
• GitLab Copilot
• PuTTY (PuTTY ist eine quelloffene Software für Windows (und Linux), die als Terminalemulation für sichere Verbindungen zu entfernten Computern über Protokolle wie SSH, Serial oder Telnet dient)
• Fritzing (eine Open-Source-Hardware-Initiative, die Elektronik als kreatives Material für jedermann zugänglich macht)

Um die Arduino-Microcontroller mit einem Android Smartphone zu koppeln, sind die folgenden Tools von Kai Morich für Android sehr hilfreich 

• Serial Bluetooth Terminal
• Serial USB Terminal
• Serial WiFi Terminal

Für das Konstruieren von 3-D-Modelle ist eine Schieblehre unbedingt erforderlich, um die genauen Maße für das Modell zu bestimmen. Um Schraubverbindungen z.B. für Deckel zu realisieren, habe ich mich für M2,5 Schrauben in verschiedenen Ausführungen und M2,5 Gewindeeinsätze entschieden. Die Gewindeeinsätze werden in das gedruckte 3D-Model eingedrückt und halten von alleine. Dann benötigt man einen guten und feinen Elektonik-Lötkolben, eine ruhige Hand und die richtigen Ideen. Damit kann es losgehen.

Ich konstruiere meine Modelle immer in den richtigen Maßen und berücksichtige vor dem Slicen die verschiedenen Schrumpf-Faktoren. Meine Erfahrungswerte sind:

• PETG HF in 100,40 % drucken
• PLA Matte in 100,17 % drucken

Umweltsensor mit ASCOM-Schnittstelle

Version 1 - ohne Wärmesensor

ACHTUNG: An dieser Dokumentation wird aktuell noch gearbeitet und sie ist noch nicht vollständig.

Bei der Entwicklung eines Umweltsensors auf Arduino-Basis bin ich von den folgenden Ideen ausgegangen:

Ich möchte

• Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck messen und den Taupunkt berechnen.
• die Himmelstemperatur bestimmen und/oder die Oberflächentemperatur meiner Frontlinse.
• über ASCOM den Sensor an meine Astro-Software (z.B. N.I.N.A.) anschließen.
• eine Temperatur-Logger zusammen mit einem Rasberry PI haben, der die Werte mit Zeitstempel in eine LOG-Datei schreibt.
• über eine Terminal-Software (z.B. PuTTY) auf den Sensor zugreifen können.
• über Bluetooth LE (LowEnergie) mit dem SmartPhone auf den Sensor zugreifen können.
• eine Arduino Software haben, die unterschiedliche Konfigurationen erkennt und unterschiedliche Betriebsmodi unterstützt.

Als Hardware habe ich mich für

• einen original Arduino Nano ESP32 (3.3 Volt) mit BlueTooth LE und WiFi
• einen BME280 in 3.3 Volt für Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit
• einen MLC90614 / GY-906 in 5.0 - 3.3 Volt für IR-Temperatur-Sensor
• ein 1,3 Zoll OLED Display 128x64 Pixel (3.3 Volt, U8X8_SH1106_128X64)
• und eine D53231 RTC Real Time Clock (3.3 Volt) mit einem AT24C32 4KByte EEPROM

entschieden. Ich nutze nur die original Arduinos, um einerseits das Arduino-Projekt zu unterstützen und andererseits keine Probleme mit Inkompatibilitäten zu haben.

Am ersten I²C-Bus sind der BME280, das Display und die RTC angeschlossen.
Am zweiten I²C-Bus ist der MLC90614 / GY-906 angeschlossen.

Der erste Aufbau auf einem Mini Breadboard

Der zweite Aufbau auf einer Lochrasterplatine mit Steckverbindungen für die einzelnen Komponenten

Es gibt auch einen USB 2.0 Anschluss für den externen IR-Temperatur-Sensor. Es muss dann der auf dem Board steckende Sensor entfernt werden. Ich habe mich als Steckertyp zur Verbindung des I²C Busses für USB 2.0 entschieden. Die Steckverbindungen mit und ohne Kabel sind preisgünstig online zu kaufen, leicht zu verarbeiten und sind auch 4-polig.

Der Minimalaufbau besteht nur aus

• einem Original Arduino Nano ESP32 (3,3 Volt) mit BlueTooth LE und WiFi
• und einem BME280 in 3.3 Volt für Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit

Ganz wichtig ist die 3.3 Volt Version des BME280, ansonsten hat man Probleme mit dem Spannungswandler von 5.0 auf 3.3 Volt, der für einen Temperaturdrift sorgt (2 °C innerhalb von 15 Betriebsminuten im Gehäuse gemessen).

Der Schaltplan dann sieht so aus

Das Gehäuse ist mit einem 3D-Drucker aus PETG HF gedruckt und der Sensor wird von 5 Seiten belüftet und ist sehr weit weg von der Arduino Hardware positioniert. Ich verwende M2,5 Gewindeeinsätze und Senkkopfschrauben.

Aktuell experimentiere ich mit einem externen Gehäuse für den IR-Temperatur-Sensor, um ihn dann zum Himmel hin oder auf die Oberfläche der Optik auszurichten. Der von mir verwendete Sensor hat einen Erfassungsbereich von 90° (FOV). Es gibt den Sensor auch mit einem FOV von 5° (MLX90614ESF-BCI-000), der für die Messung der Himmelstemperatur besser geeignet sein könnte. Ich werde das mal ausprobieren. 

Die Arduino-Betriebssoftware ist wie folgt aufgebaut:

Der Sensor ist über einen Serial-Port (COM) via USB mit 9600 Baud ansprechbar und startet im ASCOM-Mode und aktualisiert jede Minute die Messwerte, d.h. die Messwerte können immer abgefragt werden, werden aber nur alle Minute aktualisiert.

Es stehen folgende Kommandos zur Verfügung (Groß/Kleinschreibung ist egal)

MODEASCOM#

In diesem Modus können mit den Kommandos TEM#, HUM#, DEW#, PRE# und SKYT# die Werte für den ASCOM-Treiber abgefragt werden. Damit der ASCOM-Treiber die Konfiguration des Sensors erkennt, gibt es noch SST1# für das Vorhandensein des BME280 und SST2# für den MLX90614. Der ASCOM-Treiber stellt dann entsprechen die Werte zur Verfügung und sie können von mehreren ASTRO-Programmen parallel abgefragt werden. 

MODELOG#

Hier schreibt der Sensor die Werte in einem Log-Format und versieht die Werte mit einem Zeitstempel, wenn die RTC vorhanden ist.
Der Sensor sollte mit PuTTY verbunden werden, um das Log-File zu erstellen.

MODETERM#

Hier schreibt der Sensor die Messwerte in das PuTTY-Terminal

MODESIMU#

Hier simuliert der Sensor eine fallende Temperatur und eine steigende Luftfeuchtigkeit und signalisiert die Veränderung des Taupunktes zur Umgebungstemperatur farblich im Terminal-Mode.

Die notwendigen Dateien in der aktuellen Version 0.99 als ZIP-Archiv zum Downloaden (Größe 1,5 MByte). Ich kann noch keine Garantie geben, da das Projekt in Arbeit ist. Bitte sagt mir, wenn etwas nicht funktioniert.  

Das ZIP-Archiv enthält

• den Arduino-Code im Maximalausbau,
• den Windows ASCOM-Treiber zum Installieren,
• das Gehäuse-Unterteil und den Gehäuse-Deckel als STL
  (bitte beide Teile vor dem Slicen um den Schrumpf-Faktor des verwendeten Materials vergrößern).

Version 2 - mit Wärmesensor

ACHTUNG: An dieser Dokumentation wird aktuell noch gearbeitet und sie ist noch nicht vollständig.

In einer zweiten Version habe ich den Umweltsensor um einen Wärmesensor erweitert, der zur Messung der Himmelstemperatur oder zur Messung der Oberflächentemperatur der Optik eingesetzt werden kann.

Der erweiterte Aufbau besteht aus

• einem Original Arduino Nano ESP32 (3,3 Volt) mit BlueTooth LE und WiFi,
• einem BME280 in 3.3 Volt für Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit
• und einen MLC90614 / GY-906 in 5.0 - 3.3 Volt für IR-Temperatur-Sensor

Ganz wichtig ist die 3.3 Volt Version des BME280, ansonsten hat man Probleme mit dem Spannungswandler von 5.0 auf 3.3 Volt, der für einen Temperaturdrift sorgt (2 °C innerhalb von 15 Betriebsminuten im Gehäuse gemessen).

Der Schaltplan dann sieht so aus

Das Gehäuse ist mit einem 3D-Drucker aus PETG HF gedruckt und der Sensor wird von 5 Seiten belüftet und ist sehr weit weg von der Arduino Hardware positioniert. Ich verwende M2,5 Gewindeeinsätze und Senkkopfschrauben. Als Anschluss für den Wärmesensor habe ich mich für einen USB-Anschluß entschieden, weil einfach zu bekommen, auch nur 4-polig und gut zu verbauen. Die Arca-Swiss Kamera Schnellwechselplatte habe ich mit Doppelklebeband an das Sensorgehäuse geklebt.

Und so sieht der Wärmesensor aus, den ich auf eine Haltung geklebt habe, die auf die Sonnenblende meines Samyang 135mm gesteckt werden kann.

Und so sieht das ganze dann auf der Montierung aus

In den obigen Beispielen zu den angezeigten Werten kommt in N.I.N.A ein weiterer Wert vom Wärmesensor hinzu, der als Sky Temperatur angezeigt wird. Im LogMode oder im TerminalMode werden zwei weitere Werte angezeigt, weil der Wärmesensor nicht nur einen IR-Sensor (=Sky Temperatur) sondern auch einen integrierten TemperaturSensor an Bord hat.

Die ganze Software ist so programmiert, dass der UmweltSensor mit und ohne WärmeSensor betrieben werden kann. Er muss nur neu gestartet werden.

Die notwendigen Dateien in der aktuellen Version 0.99 als ZIP-Archiv zum Downloaden (Größe 1,5 MByte). Ich kann noch keine Garantie geben, da das Projekt in Arbeit ist. Bitte sagt mir, wenn etwas nicht funktioniert.  

Das ZIP-Archiv enthält

• den Arduino-Code im Maximalausbau,
• den Windows ASCOM-Treiber zum Installieren,
• das Gehäuse-Unterteil und den Gehäuse-Deckel als STL
  die 2 Teile für den Wärmesensor, die verklebt werden
  und den Ring für das Samyang-Objektiv
  (bitte alle Teile vor dem Slicen um den Schrumpf-Faktor des verwendeten Materials vergrößern).