AstroFácil: Sistema Computacional Embarcado para Automatização de Telescópios de Pequeno Porte

Marcos Roberto Silva, Maicon Carlos Pereira, Caroline Farias Salvador, Rafael Luiz Cancian, Roberto Miguel Torres, Cesar Albenes Zeferino

Centro de Ciências Tecnológicas da Terra e do Mar (CTTMar) Universidade do Vale do Itajaí (Univali)

Rua Uruguai, 458 – Caixa Postal 360 – 88302-202 – Itajaí – SC – Brasil silva.marcosr@gmail.com, maicon@univali.br, caroline@univali.br,

cancian@univali.br, torres@univali.br, zeferino@univali.br

Abstract. O uso de telescópios de pequeno porte na observação astronômica amadora é muitas vezes restringido pela dificuldade que astrônomos amadores enfrentam para localizar um astro desejado e acompanhá-lo no céu. Este artigo apresenta o desenvolvimento de um sistema embarcado a ser utilizado na automação de telescópios de pequeno porte visando facilitar a operação desses equipamentos por amadores. O sistema é baseado em um microcontrolador e possui uma interface para o usuário indicar o astro desejado e configurar a observação a ser realizada.

1. Introdução Considerada a mais antiga de todas as ciências, a astronomia já atraia os seres humanos mais primitivos que observavam o céu e tentavam compreender os fenômenos que ocorriam à sua volta, como as variações de luminosidade, de temperatura e de clima, o deslocamento do Sol, os eclipses, as fases da Lua, as passagens de cometas, etc. Com o passar do tempo, esse interesse deu origem a uma ciência natural chamada Astronomia, a qual visa à observação dos astros e a criação de teorias sobre seus movimentos, sua constituição, origem e evolução.

A observação dos astros, também chamada de observação astronômica, pode ser feita a olho nu, mas a visão humana é limitada e restringe muito a capacidade dessa observação. Então, faz-se necessário o uso de equipamentos, como, por exemplo, os telescópios ópticos, que permitem “aproximar” corpos celestes observados a longa distância.

Na última década houve um avanço da astronomia observacional por meio do desenvolvimento de telescópios de grande porte, como, por exemplo, os telescópios de oito metros de diâmetro [Gemini Observatory, 2006], além de telescópios virtuais e remotos acessíveis via Internet [CARA, 2002][Observatórios Virtuais, 2005] [Werneck, Nader e Campos, 2004]. Nessa direção, verificou-se também um aumento do interesse pela observação astronômica amadora, viabilizada por telescópios de pequeno porte e de menor custo, como o telescópio ilustrado na Figura 1, cuja estrutura de sustentação utiliza uma montagem equatorial alemã (o tipo de montagem alvo deste trabalho).

Figura 1. Telescópio com montagem equatorial alemã

Independentemente do porte do telescópio, a observação de um determinado astro implica em apontar o tubo do equipamento para as coordenadas do astro na esfera celeste que, dependendo de como são especificadas, variam conforme o local, a data e o horário. Isso ocorre porque o movimento de rotação da Terra causa um deslocamento aparente (de leste para o oeste) do astro na esfera celeste. Assim, também durante a observação, esse movimento tira o astro da posição inicial da observação e do foco do telescópio, tornando necessário que o observador redirecione o telescópio periodicamente a fim de acompanhar o aparente deslocamento do astro.

Para iniciantes na observação astronômica, a simples localização do astro através de suas coordenadas dificulta a observação e, muitas vezes, desestimula os usuários amadores, levando-os a “aposentar” precocemente o equipamento. No entanto, para facilitar essas tarefas, pode-se equipar um telescópio com um computador dedicado que automatize as operações de localização e acompanhamento de um astro. Esse tipo de computador dedicado, com a aparência de um coletor de dados, é mais conhecido pelo termo “manete” (ou hand controller).

Os manetes modernos são baseados em microcontroladores e oferecem uma série de funcionalidades e facilidades aos usuários. No entanto, como não existem manetes fabricados no Brasil com tais funcionalidades, o acesso a esse tipo de equipamento é restrito a astrônomos profissionais e aos amadores com maior poder aquisitivo, pois o custo dos manetes importados é razoavelmente alto.

Nesse contexto, este trabalho é resultado de um projeto de pesquisa que visa desenvolver e disponibilizar um conjunto de soluções tecnológicas de baixo custo para facilitar a observação astronômica a um maior número de usuários, estimulando a prática contínua dessa atividade por astrônomos amadores e, em especial, por estudantes. O projeto inclui o desenvolvimento do manete apresentado neste artigo, de um sistema Web para compartilhamento de telescópios via Internet [Zeferino et al., 2005], entre outras soluções que irão compor uma suíte tecnológica para auxílio à observação astronômica. Todos esses desenvolvimentos contam com uma infra-estrutura básica de telescópios de pequeno e médio porte adquirida com apoio da Petrobras.

O projeto do manete, foco deste artigo, teve início com um trabalho de conclusão de curso em Ciência Computação [Silva, 2003], e pode ser continuado em uma parceria universidade-empresa fomentada pelo CNPq (Edital RHAE 14/2004).

O manete é baseado em um sistema computacional embarcado e é capaz de comandar a operação de um telescópio, posicionando-o e guiando-o para acompanhar um astro selecionado, tudo de forma automática, facilitando o trabalho do observador. O sistema é baseado em microcontroladores e utiliza periféricos externos para interação com o usuário, armazenamento de informações sobre astros e movimentação do telescópio, conforme serão mostrados nas próximas seções.

O texto deste artigo é estruturado em sete seções, incluindo a Introdução. Na Seção 2 são resumidos alguns sistemas similares. A Seção 3 apresenta a funcionalidade do sistema desenvolvido, enquanto que a quarta seção descreve as arquiteturas de hardware e de software do sistema. A Seção 5 apresenta informações técnicas sobre a implementação e a validação física do sistema e a Seção 6 apresenta uma discussão a respeito do impacto deste trabalho. A Seção 7 conclui com as considerações finais.

2. Sistemas Similares Um manete moderno é um dispositivo baseado em computação embarcada e possui um teclado para a entrada de dados e um display para apresentação de informações ao usuário. Internamente, inclui um ou mais microcontroladores e unidades de memória não volátil para armazenamento de dados, entre outros componentes eletrônicos. O manete é conectado à estrutura que sustenta o telescópio (denominada montagem) através de um cabo de comunicação pelo qual são enviados sinais a um circuito de controle que aciona os motores que movimentam o tubo do telescópio. Alguns modelos mais recentes utilizam conexão sem fio entre o manete e a montagem. A Figura 2 apresenta imagens de dois exemplos de manetes, sendo o primeiro da Meade Instruments Corporation (2006) e segundo da Sky-Watcher (2006).

Figura 2. Exemplos de manetes: Autostar da Meade e SkyScan da Sky-Watcher Fonte: Meade Instruments Corporation (2006) e Sky-Watcher (2006)

Conforme pode ser observado nos modelos ilustrados na Figura 2, a interface do teclado de um manete possui quatro conjuntos básicos de teclas. O primeiro inclui uma tecla para confirmação dos dados de entrada e outras duas teclas cujas funcionalidades dependem do modelo. O segundo conjunto consiste de quatro teclas de sentido para movimentação do tubo óptico. Já o teclado numérico (ou alfa-numérico) é usado para diferentes funções: escolher a velocidade de movimentação do tubo, selecionar a velocidade do motor de focagem (se instalado), entrar com a identificação de um astro, etc... O quarto conjunto de teclas inclui duas teclas para navegação nos menus mostrados no display (orientado a caractere) e, no caso do modelo da Meade, uma tecla para acesso a informações sobre o astro selecionado: “ ”. No modelo da Sky-Watch, as teclas numéricas são multifuncionais, servindo de atalho para algumas funções.

Um dos manetes mais utilizados é o modelo #497 Autostar da Meade Instruments Corporation (2006). Ele disponibiliza várias funções ao observador, como: alinhamento automático do tubo, localização do astro na esfera celeste (capacidade GO TO), acompanhamento do seu deslocamento, entre outros. Contudo, o seu preço no Brasil é de cerca de R$ 690,00 [OMNIS LUX, 2006] e seu uso acaba se restringindo aos astrônomos profissionais e aos astrônomos amadores com maior poder aquisitivo.

Existem manetes com menor custo, porém com funcionalidade limitada (ex. sem as capacidades de localização ou de acompanhamento automáticos), ou com interface de entrada mais restrita. Por exemplo, alguns deles oferecem apenas comandos para guiar o telescópio manualmente, por meio do acionamento dos motores da montagem com diferentes velocidades e com a possibilidade de interromper a movimentação quando o objeto-alvo é apontado. Isso auxilia no deslocamento do tubo e oferece um apontamento mais preciso, se comparado com a operação totalmente manual, mas a localização correta e o acompanhamento do objeto-alvo são feitos pelo observador e não pelo manete.

3. Funcionalidades do Sistema Embarcado para Controle de Telescópios O manete desenvolvido é denominado AstroFácil e tem a finalidade de realizar algumas funções de um manete para controlar telescópios com montagem do tipo equatorial (Boczko, 1984). Essas funções compreendem:

• armazenar informações de corpos celestes; • posicionar o telescópio através da inserção do código de um astro, de suas

coordenadas ou de seu nome; • acompanhar o astro selecionado através de seu movimento aparente; • guiar o telescópio livremente; e • desativar o telescópio, posicionando-o no ponto inicial.

Essas funcionalidades são implementadas na forma de tarefas de software executadas por um microcontrolador embutido no manete (mestre) e um microcontrolador de um circuito de controle auxiliar, acoplado na montagem (escravo). Além do microcontrolador mestre o computador do manete inclui um conjunto de periféricos externos ao microcontrolador. Um teclado oferece uma interface de entrada similar àquela dos modelos de manete ilustrados na Figura 2. Um display de cristal

líquido (LCD – Liquid Cristal Display) serve de interface de saída. Um dispositivo de relógio de tempo real é usado para manter a data e o horário do sistema, necessários à localização dos astros. Chips de memória não-volátil mantêm a base de dados do sistema com informações sobre diversos astros, incluindo, para cada um deles, o código do astro, as suas coordenadas (ascensão reta e declinação) e o ano da obtenção dessas coordenadas, a fim de que elas possam ser precessionadas (ou seja, atualizadas para a data corrente da observação). A base de dados também armazena as coordenadas geográficas (latitude e longitude) de locais de observação. Uma interface serial permite a conexão do manete a um microcomputador de uso geral, permitindo a atualização automática das bases de dados.

Na operação normal do sistema, o microcontrolador mestre obtém a data e o horário do sistema (do relógio de tempo real) e as coordenadas geográficas da cidade onde está instalado o telescópio (mantidas na memória não-volátil). Após, a partir da identificação do astro, ele determina as coordenadas astronômicas atualizadas efetuando os cálculos definidos por Meeus (1998). Por fim, ele envia essas coordenadas para o microcontrolador escravo através de uma interface de comunicação serial para que ele acione os motores de posicionamento do telescópio.

Para a realização de algumas funções o usuário pode selecionar a cidade (de uma lista de cidades pré-armazenadas) ou informar a latitude e a longitude do local da observação. Além de posicionar o telescópio para observação de um astro (através de seu código ou das suas coordenadas), o sistema oferece ao usuário a opção de acompanhar o astro por um longo período de tempo, seguindo o movimento de rotação Terra.

4. Desenvolvimento O projeto do AstroFácil foi realizado utilizando a metodologia de desenvolvimento apresentada por Wayne Wolf (2001), a qual é composta por cinco etapas, sendo elas: análise dos requisitos, especificação, projeto arquitetural, projeto dos componentes e integração do sistema. Essas etapas foram realizadas em uma abordagem top-down, iniciando com a definição dos requisitos do sistema e terminando com detalhes concretos do mesmo.

4.1 Arquitetura do Hardware

A arquitetura de hardware do sistema é representada na estrutura em camadas ilustrada na Figura 3. No manete, o microcontrolador mestre conta com um conjunto de periféricos externos, como um teclado, um LCD (Liquid Cristal Display), um RTC (relógio de tempo real) e chips de memória não volátil do tipo EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). A quantidade de chips de memória é escalável, sendo que o sistema permite por a inclusão de até sete dispositivos, conforme a necessidade. Quanto maior o número de chips, maior é a capacidade da base de dados para registro de coordenadas e outras informações sobre astros.

A comunicação entre os dois microcontroladores é feita usando a interface serial, pela qual o mestre envia ao escravo comandos para o acionamento dos motores-de-passo que movimentam o tubo do telescópio. O microcontrolador escravo atua sobre os motores, utilizando sensores para o controle de posição em malha fechada.

Software

USART Microcontrolador Mestre

Teclado LCD EEPROM RTC

Software

USART

Microcontrolador Escravo

Motores de passo

Manete Circuito de Controle Auxiliar

Figura 3. Arquitetura de hardware do AstroFácil

O modelo de dispositivo escolhido para implementar microcontrolador mestre foi o PIC18F452 da Microchip (2002). A escolha por um microcontrolador PIC se justifica pela disponibilidade de ferramentas de desenvolvimento (montador, compilador, simulador e kits de prototipação) e também pela cultura já estabelecida no uso dessa arquitetura no laboratório de pesquisa deste projeto e no próprio mercado nacional. Já escolha do PIC18F452 para o primeiro protótipo é justificada pela capacidade da suas memórias integradas e pelas características do seu conjunto de instruções, além da freqüência de operação.

Para o microcontrolador escravo, utilizou-se o PIC16F628, também da Microchip (2003). Esse microcontrolador se justifica pelo seu baixo custo e pequena quantidade de pinos. Com relação aos periféricos externos utilizados, a Tabela 1 apresenta suas características e funcionalidades no projeto AstroFácil.

Tabela 1. Características e funcionalidades dos periféricos usados no AstroFácil

Periférico Modelo/Característica Funcionalidade Teclado 14 teclas Interface de entrada do usuário LCD 4 linhas × 16 colunas

padrão HD 44780 Interface de saída visual para o usuário

Motores-de-Passo 2 motores com 1.8º por passo Movimentar o telescópio Memória EEPROM 1 a 7 chips 24LC256 de 32 KBytes

com interface I2C (máx. 256 KBytes) Armazenar informações dos astros e coordenadas geográficas

Relógio de tempo-real PCF8563 Armazenar e atualizar a data/hora

O hardware do AstroFácil foi modelado no ambiente de simulação Proteus/Isis da Labcenter Electronics (2000a, 2000b). Esse modelo foi utilizado, na primeira fase do projeto, para suportar a validação do software durante o seu desenvolvimento. A Figura 4, a seguir, apresenta o diagrama esquemático do sistema, composto pelo manete (circuito em destaque) e pelo circuito de controle auxiliar para acionamento dos motores.

Figura 4. Diagrama esquemático do modelo do sistema embarcado

4.2 Arquitetura de Software O software do AstroFácil foi modelado usando DFDs (Diagramas de Fluxo de Dados). A Figura 5 apresenta o diagrama de contexto do manete, no qual são identificados entidades utilizadas na construção do sistema e os fluxos de dados entre o processo de nível 0 e essas entidades.

InfControle

InfAtualizacao

inf_DataHora

infEstrela

Mensagem

InfTecla0

Astrofacil (Manete)

+

RS 232 PC

RS 232 Circuito de Controle Auxiliar

Teclado

LCD

EEprom Externa

RTC

Figura 5. Diagrama de contexto do software do AstroFácil

A Figura 6 apresenta o DFD de nível 0 do sistema, obtido a partir da explosão do diagrama de contexto mostrado na Figura 5. São ilustrados os principais processos, fluxos de dados e depósitos de dados. A funcionalidade de cada processo é resumida na Tabela 2, logo a seguir.

Figura 6. Diagrama de Fluxo de Dados de nível 0

Tabela 2. Detalhamento dos processos do DFD de nível 0

Processo Descrição 1. Verificar

Comando Aguarda o comando informado pelo usuário e invoca o processo responsável pro executa-lo

2. Obter Dados Obtém do usuário as informações relativas ao local da obsrvação, data, hora, código do astro e/ou coordenadas do astro

3. Calcular Posição do Astro

Calcula a posição do astro para a observação

4. Manipular estrelas

Armazena e Busca informações dos astros na EEPROM

5. Calcular Precessão

Atualiza as coordenadas do astro na data atual

5. Implementação e Validação Física O software do sistema foi codificado em linguagem C, utilizando-se o compilador C para PIC da CCS (2003). O código do microcontrolador mestre consome cerca de 88% da memória de programa do PIC18F452. Já o código do microcontrolador escravo consome cerca de 95% da sua memória de programa.

Para a primeira validação física, o sistema foi montado em protoboard, conforme ilustra a Figura 7. A montagem inclui os circuitos do manete (à direita, em destaque) e do acionamento do telescópio (à esquerda). Essa prototipação permitiu confirmar a correção da integração do sistema e bem como da execução de cada uma de suas funcionalidades, ressaltando-se que o foco desse processo foi na validação do software e da montagem do circuito eletrônico.

Figura 7. Prototipação do sistema em bancada de testes

A validação da correção dos cálculos astronômicos executadas pelo microcontrolador foi realizada com o suporte do software Sky Map Pro 9, desenvolvido por Marriott (2002).

A Figura 8.a apresenta a imagem do primeiro protótipo do manete integrado em uma caixa do tipo “coletor de dados”. Como pode ser observado, o LCD de quatro linhas permite a visualização facilitada de informações, pois é menos restrito que os LCDs de duas linhas tipicamente adotados nos manetes importados. O teclado é do tipo matriz e algumas de suas teclas permitem a entrada de números e de caracteres do alfabeto (para a entrada do nome de um astro), da mesma forma que em um teclado de telefone. Quatro teclas servem também para indicação de direção. Uma característica importante do manete AstroFácil é que os menus são disponibilizados em português, o que torna a sua operação ainda mais facilitada a astrônomos amadores sem o domínio do inglês, idioma tipicamente adotado nos manetes importados.

MANETE

Figura 8. AstroFácil: (a) Protótipo do manete; (b) telescópio Orion EQ3 com

montagem equatorial a ser utilizado nos testes de campo

O protótipo do manete mostrado na Figura 8.a e o circuito de controle auxiliar já foram integrados ao telescópio para os primeiros testes de operação. Ainda não foram realizados os experimentos necessários à validação completa do sistema, o que será feito na próxima etapa do projeto.

6. Análise Comparativa O manete AstroFácil apresenta funcionalidades similares às dos modelos comerciais importados disponíveis no mercado, conforme o quadro comparativo da Tabela 3. Além disso, ele foi projetado para ser utilizado com telescópios de baixo custo para os quais esse tipo de manete não é usualmente disponibilizado. Por exemplo, o Meade #497 Autostar é direcionado a telescópios de nível intermediário com preço médio acima de R$ 4.000,00. Por exemplo, o preço do telescópio ETX-90PE da Meade, incluindo a montagem e o Autostar, é igual a R$ 4.600,00, sendo este o modelo automatizado de menor custo em um distribuidor nacional [Omnis Lux, 2006]. Uma vantagem evidente do AstroFácil em relação aos modelos importados está na flexibilidade e na possibilidade de expansão da sua funcionalidade e da sua capacidade. Com o conhecimento estabelecido a respeito da tecnologia e da área de aplicação, é possível desenvolver novas soluções que atendam a necessidades ainda não identificadas neste projeto.

Tabela 3. Comparativo de características: Autostar x AstroFácil

Características Meade #497 Autostar AstroFácil Preço R$ 690,00(1) R$ 350,00(2)

Idioma dos menus Inglês Português

Localização automática do objeto alvo SIM SIM

Acompanhamento automático SIM SIM

Display orientado a caracteres 2×16 4×16

Microcontroladores Atmel 89C451 PIC 16C57

PIC18F452 PIC16F628

(1) Preço no Brasil [Omnis Lux, 2006]. (2) Preço máximo estimado para comercialização, incluindo o manete, o circuito de controle auxiliar, motores,

cabos e manuais.

Com relação ao impacto regional deste projeto, devem ser destacados dois aspectos. Primeiramente, o trabalho está sendo desenvolvido em uma parceria entre uma universidade e uma empresa sediados na mesma cidade, o que fortalece o desenvolvimento da sua região. Em segundo lugar, a experiência na execução deste projeto, envolvendo alunos de graduação, tem propiciado a capacitação de recursos humanos qualificados na área de concepção de sistemas embarcados. Recursos este que poderão ingressar no mercado de trabalho regional com um diferencial em sua formação acadêmica.

7. Considerações Finais Este artigo apresentou o desenvolvimento de um sistema computacional embarcado, baseado em microcontrolador, para operação automática de telescópios de pequeno porte, visando, principalmente, facilitar a observação astronômica por astrônomos amadores. Foi apresentada a descrição da arquitetura de hardware e de software do sistema e informações sobre a implementação do seu protótipo.

Entre os trabalhos futuros, prevê-se a integração do manete com um sistema para acesso remoto ao telescópio via WWW, já desenvolvido em um trabalho de conclusão de graduação. Essa solução permitirá, por exemplo, que uma escola disponibilize um observatório de pequeno porte e de baixo custo a seus alunos para que eles possam realizar observações astronômica de suas próprias residências, ampliando, ainda mais, o acesso a esse tipo de infra-estrutura.

Agradecimentos Este trabalho foi apoiado pelo CNPq – Edital 14/2004 (Fomento Tecnológico) e conta com infra-estrutura prévia fomentada pela Petrobrás.

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