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自動測量裝置,。該裝置通過光敏傳感模塊、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
邁克爾遜干涉儀測激光波長實(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。為了減少測量誤差,，分多組測量條紋數(shù)等數(shù)據(jù),，就會使操作繁瑣耗時(shí)，對眼睛造成一定程度的損傷[1],。因此,，為了方便實(shí)驗(yàn)，提高波長測量的精度,，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)簡單的裝置,，該裝置不僅減少了實(shí)驗(yàn)者的手工化勞動強(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眼睛的傷害,，同時(shí)不影響學(xué)生對實(shí)驗(yàn)干涉原理的理解，使實(shí)驗(yàn)的計(jì)數(shù)和波長的測量自動化,，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計(jì)數(shù)和波長的自動測量。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)生與之對應(yīng)的電脈沖信號,，同時(shí)旋轉(zhuǎn)編碼器可測出微調(diào)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)過的角位移,，由單片機(jī)采集處理，設(shè)計(jì)程序計(jì)算出動鏡移動的距離,，得出波長,，最后通過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）為滑動變阻器,，可以根據(jù)周圍不同的背景光強(qiáng)，在滑動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 動鏡移動距離
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)動微調(diào)轉(zhuǎn)輪時(shí),，角位移編碼器隨之轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生脈沖信號,，并傳入單片機(jī)進(jìn)行處理,，得出動鏡移動的距離。具體轉(zhuǎn)化處理過程如下,。
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、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,，檢測來自旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號,，低電平或下降沿有效，產(chǎn)生的脈沖自增1,。數(shù)據(jù)處理過后,，計(jì)算出波長，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)的信號是有用信號,，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)上測出來的，分度值為納米級,，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)并測量出的波長誤差較大，而利用本裝置所測得的數(shù)據(jù)百分誤差只有0.5%~1.7%,，精確度較高,。而且，隨著測量環(huán)數(shù)的增加,，誤差逐漸減小,。
本裝置簡易便捷，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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