摘 要： 設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)的邁克爾遜干涉儀條紋的采集和波長(zhǎng)自動(dòng)測(cè)量裝置。該裝置通過(guò)光敏傳感模塊、旋轉(zhuǎn)編碼器和單片機(jī)處理顯示模塊實(shí)現(xiàn)，濾除了電路噪聲，同時(shí)可以適應(yīng)不同的背景光強(qiáng)，具有精確度高、操作簡(jiǎn)便且可靠等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 邁克爾遜干涉儀；單片機(jī)；旋轉(zhuǎn)編碼器；液晶顯示器
邁克爾遜干涉儀測(cè)激光波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中占有重要地位。然而，在此實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)者要目不轉(zhuǎn)睛地緊盯著觀測(cè)屏，記錄干涉條紋變化次數(shù)，這樣易造成視覺疲勞。為了減少測(cè)量誤差，分多組測(cè)量條紋數(shù)等數(shù)據(jù)，就會(huì)使操作繁瑣耗時(shí)，對(duì)眼睛造成一定程度的損傷[1]。因此，為了方便實(shí)驗(yàn)，提高波長(zhǎng)測(cè)量的精度，在原邁克爾遜干涉儀的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的裝置，該裝置不僅減少了實(shí)驗(yàn)者的手工化勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，減少了眼睛觀察明暗條紋的疲勞感和激光對(duì)眼睛的傷害，同時(shí)不影響學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)干涉原理的理解，使實(shí)驗(yàn)的計(jì)數(shù)和波長(zhǎng)的測(cè)量自動(dòng)化，更加準(zhǔn)確。
1 裝置設(shè)計(jì)
本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的邁克爾遜干涉儀的干涉條紋自動(dòng)計(jì)數(shù)和波長(zhǎng)的自動(dòng)測(cè)量。該裝置由邁氏干涉儀、光敏傳感單元、旋轉(zhuǎn)編碼器、單片機(jī)和LCD等組成，其工作流程如圖1所示。先利用光敏傳感單元采集變化的干涉條紋，產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)，同時(shí)旋轉(zhuǎn)編碼器可測(cè)出微調(diào)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)過(guò)的角位移，由單片機(jī)采集處理，設(shè)計(jì)程序計(jì)算出動(dòng)鏡移動(dòng)的距離，得出波長(zhǎng)，最后通過(guò)LCD顯示。
1.1 干涉條紋的采集
光敏傳感模塊由光敏電阻和閾值比較電路組成。將光敏電阻安置于觀察屏的干涉圓環(huán)中心[2]，探測(cè)圓心處光強(qiáng)的變化。然后接入閾值比較電路[3]，如圖2所示，干涉圓環(huán)中心的每一次明暗變化將被轉(zhuǎn)換為一個(gè)電脈沖。通過(guò)計(jì)數(shù)電脈沖，則得到變化的干涉環(huán)數(shù)N。
同時(shí)，R1、R2（單位：kΩ）為滑動(dòng)變阻器，可以根據(jù)周圍不同的背景光強(qiáng)，在滑動(dòng)變阻器允許的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)使其達(dá)到要求即可。
1.2 動(dòng)鏡移動(dòng)距離
角位移編碼器是根據(jù)光電計(jì)數(shù)的原理，將轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)化為電脈沖個(gè)數(shù)的傳感器件。將其通過(guò)聯(lián)軸器固定在邁克爾遜干涉儀的微調(diào)轉(zhuǎn)輪上。當(dāng)實(shí)驗(yàn)者轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)轉(zhuǎn)輪時(shí)，角位移編碼器隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)，并傳入單片機(jī)進(jìn)行處理，得出動(dòng)鏡移動(dòng)的距離。具體轉(zhuǎn)化處理過(guò)程如下。
液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口簡(jiǎn)單可靠，操作方便。
1.5 軟件設(shè)計(jì)
該裝置要求設(shè)計(jì)完善的軟件程序，完成包含自檢、計(jì)數(shù)、顯示、鍵盤響應(yīng)、數(shù)據(jù)處理和中斷處理等在內(nèi)的功能，整個(gè)軟件流程如圖3所示。
軟件設(shè)計(jì)中，首先檢測(cè)小鍵盤上清零鍵是否被按下，控制單片機(jī)將各數(shù)據(jù)清零，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)分組多次測(cè)量。
比較器輸出端產(chǎn)生的高低變化的脈沖被送到單片機(jī)P1.4端口，干涉環(huán)數(shù)增1。同時(shí)，單片機(jī)P3.2端口引入外部中斷INT0，檢測(cè)來(lái)自旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號(hào)，低電平或下降沿有效，產(chǎn)生的脈沖自增1。數(shù)據(jù)處理過(guò)后，計(jì)算出波長(zhǎng)，發(fā)送到LCD顯示。
軟件中使用了延時(shí)技術(shù)，確保傳入單片機(jī)的信號(hào)是有用信號(hào)，然后才自增1，有效地濾除電路噪聲產(chǎn)生的干擾脈沖，提高計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。
2 實(shí)驗(yàn)效果與分析
表1所示的數(shù)據(jù)便是利用本裝置在原邁克遜干涉儀的基礎(chǔ)上測(cè)出來(lái)的，分度值為納米級(jí)，可見確實(shí)提高了實(shí)驗(yàn)的精確性[5]。為了便于比較，實(shí)驗(yàn)同時(shí)計(jì)算出了其百分誤差。
一般而言，此實(shí)驗(yàn)人工計(jì)數(shù)并測(cè)量出的波長(zhǎng)誤差較大，而利用本裝置所測(cè)得的數(shù)據(jù)百分誤差只有0.5%~1.7%，精確度較高。而且，隨著測(cè)量環(huán)數(shù)的增加，誤差逐漸減小。
本裝置簡(jiǎn)易便捷，其中光敏傳感模塊的設(shè)計(jì)亦可用于其他有關(guān)光電轉(zhuǎn)化的領(lǐng)域，用途廣泛。而且運(yùn)用該裝置提高了實(shí)驗(yàn)精度，彌補(bǔ)了邁克爾遜干涉儀的弊端，可以廣泛應(yīng)用于改進(jìn)現(xiàn)有的邁克爾遜干涉儀裝置，提高了教學(xué)質(zhì)量。
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