新型干涉条纹计数器的设计与应用

彭 琴，方 旺，杨晓卫，潘 宇，党富裕，周 亮，刘 欢，杨达晓

(重庆科技学院，重庆 401331)

迈克尔逊干涉仪的调整与使用是一个非常重要的大学物理实验。该实验可以通过记录干涉条纹变化的数目和对应距离的变化，测量激光波长。但记录干涉条纹变化的数目时，需要人工数出几百个从中心向外涌出或吞入的条纹，这种人工记数方法不仅花费较长时间，而且需要长时间集中精力盯着变化的干涉条纹，容易导致头晕，还容易数错，产生较大误差。与此同时减少实验乐趣和进一步降低学生学习积极性，也减少了学生思考并获取知识的时间。

因此，不少文章探索了条纹计数系统的设计［1-10］。设计中对光电信号采集和转换多数采用光敏电阻，也有采用CCD的。而对明暗条纹信号处理多数基于硬件，采用施密特触发电路把光强变化信号转换成矩形波，再经单片机进行计数［1-8］;也有基于虚拟仪器与计算机采集处理相结合的［9-11］。前者虽使用方便，但不能体现条纹明暗的变化具体过程，精度较低。后者虽然处理数据比较方便，但必须使用计算机，成本较高。

针对上述干涉条纹计数器设计的不足，本文探讨用单片机研制一种新型迈克尔逊干涉条纹自动计数器。

1 计数器系统设计

1.1 计数器总体结构

计数器采用光电探测器将条纹光强信号转变为电压信号，然后将电压信号进行放大等处理，再把模拟信号转成微处理器可以识别的数字信号，经单片机进一步处理实现计数功能并显示条纹的变化数目或者显示不同光强对应电压值。计数器结构图见图1。

图1 计数器结构图

1.2 硬件设计

计数器电路可分为以下几部分:光电信号采集、放大、滤波、信号模数转换、单片机、数据显示。详细电路图见图2～3。

光电信号采集部分采用具有精确、线性和可重复的电流转换功能，对紫外和红外波段的光有抑制作用的光敏电阻。当照射到光敏电阻的光强发生变化，光敏电阻的阻值发生变化。因此，在光电信号采集部分通过一稳压芯片提供恒压源，把光敏电阻和一限流电阻串联在电路中，采集光敏电阻上电压的变化。

放大电路部分为了简单稳定采用一仪表放大器进行差分放大。为了使计数器能在不同背景光强环境条件下使用，电路中设计有调零功能。通过调节调零电位器，可使实验时条纹最亮时对应输出光电信号值为零。而为了使计数器能在不同光源光强条件下使用，电路中设计有电压放大功能。在条纹最暗时调节电压放大电位器，可实现差分电压放大，使输出光电信号为另一设定数值。这样，在实验时，可以观测到条纹明暗变化时光电信号值发生相应变化，另外通过程序控制可实现计数功能。

图2 计数器主电路

图3 显示电路

放大电路输出的是模拟信号，而单片机处理 只能处理数字信号。因此，需要将模拟信号转换成数字信号。模数转换选择一常用八位模数转换芯片即可，当然也可选择自带模数转换功能的单片机。为了使系统结构直观、简单，分别采用ADC0832模数转换芯片和国产STC89C52单片机进行模数转换和后续处理。此外，为了排除其它无用信号的干扰，在将光电信号进行模数转换之前要对信号进行滤波处理。而数据显示采用四位数码管。这样，显示数字范围可从0到9999，能满足实验时记录数据量为几百个的要求，同时可以显示一位小数。

另外，考虑到计数器实际使用时的需求，增加了系统复位、条纹数目清零和暂停计数功能按键，以及显示光电信号值和显示条纹数目功能选择按键。同时，为了使用方便还增加了几个工作状态指示灯。

1.3 软件设计

为了实现预定功能，该计数器程序包括自检、模数转换采集，计数、显示、按键响应、数值设置、数值比较、中断处理等模块，见图4～5。

图4 程序流程图

为了使计数器能更加清楚的体现条纹光强的变化，当计数器显示光电信号强度时，经程序处理使显示值大小保留至一位小数。而当计数器显示条纹计数值时，在程序中设定干涉条纹即从最亮变为最暗，计数值增加0.5;从最暗变为最亮，计数值也增加0.5。从亮纹变为暗纹再变为亮纹，条纹计数值增加1.0。即该计数器检测的条纹变化数目，显示精度为0.5。当然，也可以使精度为0.1，但从实际使用角度考虑，计数值能体现条纹明暗的变化就可以了。

2 计数器应用

图5 计数器应用图

计数器应用时，先把迈克尔逊干涉仪调整好，再把光敏电阻紧贴光屏上的干涉圆环中心。为了准确探测光强明暗的变化，迈克尔逊干涉仪调整时要求干涉圆环条纹中心为暗纹时，暗纹的大小要比光敏电阻探头略大。然后根据要求调节电压调零和放大电位器达到设定值后，再选择计数功能即可进行计数。使用时，在观察记录迈克尔逊干涉仪位置读数时，可以暂停计数，记录好位置后继续计数。经多次实际测试，该计数器在不同仪器和背景光强条件下，自动计数值和人工记录的完全一致。需要注意的是，虽然光敏电阻反应非常灵敏，但在实验过程中，干涉条纹明暗的变化不能太快，以防数目漏计导致实验产生较大误差。此外，如果使用时由于仪器抖动或其它原因，导致干涉条纹中心位置或明暗纹亮度发生明显变化不能继续正确计数时，则需要重新调整该计数器满足使用条件，重新开始计数。

3 结论

干涉条纹计数器既可以记录条纹变化数目，又能观察光电信号变化。具有结构简单，使用方便，计数准确的特点。能够节约实验时间，降低实验难度，避免人为因素造成的误差。同时，拓展了光学和电学知识的应用，使学生对物理实验有更加深刻的认识。此外，该计数器还可以应用在需要探测光强变化的光学实验及光学科学研究中。

［1］史立生，贾彦枝，左俊玲.迈克尔逊干涉仪干涉条纹计数器［J］.河北师范大学学报:自然科学版，1996，20(3):48-51.

［2］邱红，李成仁.电子计数器在迈克耳逊干涉仪测波长实验中的应用［J］.辽宁师范大学学报:自然科学版，1999，22(4):300-302.

［3］王守权，张绍良，张薇.干涉条纹计数器的研制［J］.长春邮电学院学报，2000，18(2):55-58.

［4］敖天勇，向兵.新型迈克尔逊干涉仪条纹计数器的设计［J］.郑州大学学报:工学版，2008，29(1):52-55.

［5］陈业仙，周党培，关小泉，等.一种新型迈克尔逊干涉仪条纹计数器的设计［J］.大学物理实验，2009，22(30):64-67.

［6］汤正新，赵巍，杨开帅，等.干涉条纹计数器的设计与应用［J］.实验室科学，2011，14(4):185-187.

［7］邓敏，李林，何兴，等.干涉条纹计数电路设计及应用［J］.实验技术与管理，2012，29(8):51-54.

［8］白炳良，周锦荣.基于单片机的开关电源并联供电系统的设计［J］.大学物理实验，2013，6:43-45.

［9］彭华厦，吴舒辞，龙巧云.基于虚拟仪器的条纹计数器的设计［J］.湖南冶金职业技术学院学报，2007，7(4):126-129.

［10］鲁晓东.迈克尔逊干涉条纹的计算机采集与处理［J］.实验室研究与探索，2009，28(11):47-49.

［11］徐富新，申冬玲，杨春艳等.条纹计数器的光电转换模块设计［J］.实验室研究与探索，2007，26(6):64-67.