摘 要： 設計了一套基于單片機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、旋轉編碼器和單片機處理顯示模塊實現(xiàn)，濾除了電路噪聲，同時可以適應不同的背景光強，具有精確度高、操作簡便且可靠等優(yōu)點。
關鍵詞： 邁克爾遜干涉儀；單片機；旋轉編碼器；液晶顯示器
邁克爾遜干涉儀測激光波長實驗在大學物理實驗中占有重要地位。然而，在此實驗中實驗者要目不轉睛地緊盯著觀測屏，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，對眼睛造成一定程度的損傷[1]。因此，為了方便實驗，提高波長測量的精度，在原邁克爾遜干涉儀的基礎上設計了一套結構簡單的裝置，該裝置不僅減少了實驗者的手工化勞動強度，節(jié)省實驗時間，減少了眼睛觀察明暗條紋的疲勞感和激光對眼睛的傷害，同時不影響學生對實驗干涉原理的理解，使實驗的計數(shù)和波長的測量自動化，更加準確。
1 裝置設計
本實驗創(chuàng)新地實現(xiàn)了基于單片機的邁克爾遜干涉儀的干涉條紋自動計數(shù)和波長的自動測量。該裝置由邁氏干涉儀、光敏傳感單元、旋轉編碼器、單片機和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)生與之對應的電脈沖信號，同時旋轉編碼器可測出微調轉輪轉過的角位移，由單片機采集處理，設計程序計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換為一個電脈沖。通過計數(shù)電脈沖，則得到變化的干涉環(huán)數(shù)N。
同時，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，在滑動變阻器允許的范圍內調節(jié)使其達到要求即可。
1.2 動鏡移動距離
角位移編碼器是根據(jù)光電計數(shù)的原理，將轉軸的旋轉角位移轉化為電脈沖個數(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轉輪上。當實驗者轉動微調轉輪時，角位移編碼器隨之轉動，產(chǎn)生脈沖信號，并傳入單片機進行處理，得出動鏡移動的距離。具體轉化處理過程如下。
液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，和單片機系統(tǒng)的接口簡單可靠，操作方便。
1.5 軟件設計
該裝置要求設計完善的軟件程序，完成包含自檢、計數(shù)、顯示、鍵盤響應、數(shù)據(jù)處理和中斷處理等在內的功能，整個軟件流程如圖3所示。
軟件設計中，首先檢測小鍵盤上清零鍵是否被按下，控制單片機將各數(shù)據(jù)清零，重新進行實驗，實現(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P1.4端口，干涉環(huán)數(shù)增1。同時，單片機P3.2端口引入外部中斷INT0，檢測來自旋轉編碼器的脈沖信號，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，計算出波長，發(fā)送到LCD顯示。
軟件中使用了延時技術，確保傳入單片機的信號是有用信號，然后才自增1，有效地濾除電路噪聲產(chǎn)生的干擾脈沖，提高計數(shù)的準確性。
2 實驗效果與分析
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上測出來的，分度值為納米級，可見確實提高了實驗的精確性[5]。為了便于比較，實驗同時計算出了其百分誤差。
一般而言，此實驗人工計數(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計亦可用于其他有關光電轉化的領域，用途廣泛。而且運用該裝置提高了實驗精度，彌補了邁克爾遜干涉儀的弊端，可以廣泛應用于改進現(xiàn)有的邁克爾遜干涉儀裝置，提高了教學質量。
參考文獻
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