迈克尔孙干涉仪自动计数电路的设计*

陶苗苗， 王爱红， 薛同莲， 曹 敏

(南通大学 理学院，江苏 南通226000)



迈克尔孙干涉仪自动计数电路的设计*

陶苗苗*， 王爱红， 薛同莲， 曹 敏

(南通大学 理学院，江苏 南通226000)

设计了一种用于迈克尔孙干涉仪实验的自动计数电路.该电路采用单片机控制，可对“冒出”或者“吞入”的干涉条纹自动计数.电路结构简单、操作方便，应用于迈克尔孙干涉仪实验中，有良好的效果.

迈克尔孙干涉仪；自动计数电路；单片机

迈克尔孙干涉仪实验是物理光学实验中一个重要的实验项目，可用于观察光的干涉现象、测量波长等[1].实验时仪器调整好后，一边转动微调手轮，一边数出由圆心“冒出”或者“吞入”的条纹数，一般要连续测量几百个条纹.长时间操作，人眼容易疲劳，导致计数错误，引起较大的实验误差，实验时需要多次重复测量.因此有不少单位做过条纹计数器方面的研究工作[2-4]，但是存在效率低或者要求配置高等不足.为此本文设计了一种基于单片机控制的自动计数电路，该电路操作简单、精确度高.

1 硬件设计

计数电路的设计思路是先将光信号转换成电信号，再计数并显示.采用模块化的方法来设计硬件电路，电路主要分为以下四个模块：信号采集模块、计数模块、电源模块、显示模块.

1.1 信号采集模块

利用光电二极管将光信号转换成电信号.光电二极管核心是PN结，在反向电压作用下工作，没有光照时，反向电流极其微弱；有光照时，反向电流迅速增大，光的变化引起光电二极管电流的变化，这样就将光信号转换成电信号[5-7].

电路中光电二极管串联1个可调电阻，可根据实际光强调节电阻大小以调节输出电压；输出电压接入LM393组成的比较器负端，比较器正端接2个串联的电阻.如图1所示，LM393的正端输入电压是2.5 V.若负端输入电压高于2.5 V，则输出低电平；否则输出高电平.所以当检测到明条纹时，输出低电平；检测到暗条纹时，输出高电平.

1.2 计数模块

采用STC89C52单片机[8]为主控芯片，信号采集模块的输出接到单片机的P1.0口；P1.1口接双路开关K1；P3.2口接开关K2.用K1控制选择明、暗条纹，当K1是低电平时，选择暗条纹；当K1是高电平时，选择明条纹.K2作为清零键.单片机也设置复位按钮K3.

1.3 电源模块

采用三端集成稳压芯片LM7805设计的电源模块为整个电路提供+5 V的电源，输入端和输出端均加滤波电容以滤除纹波.用一个发光二极管来指示电源模块是否正常工作.

1.4 显示模块

采用LCD1602液晶显示屏显示测量结果，单片机P2.1～P2.3为LCD控制端口，P0.0～P0.7串联1个10K的排阻后接LCD输入端.测量结果直接显示在LCD屏上.

根据上面的几个模块，proteus软件[9]设计出的电路图如图1所示.

2 软件设计

采用Keil C51集成开发软件编写计数电路程序[10].单片机的P1.1为控制端，P1.0为信号端.首先由控制端确定明、暗条纹，然后由信号端确定计数还是程序等待.计数时，若P1.1拨到高电平，对明条纹计数，反之对暗条纹计数.计数采用中断方法，条纹变化一次，计数加1.明条纹计数时，若P1.0是高电平计数加1，若是低电平则程序等待，直到下一个明条纹使得低电平变成高电平；暗条纹计数时，若P1.0是低电平计数加1，若是高电平则程序等待，直到下一个暗条纹使得高电平变成低电平.如此循环反复.程序流程图如图2所示.

3 结果分析

电路设计制作好后，用WSM-200型迈克尔孙干涉仪和JMW型半导体激光器测试其性能.为了防止环境中杂散光的干扰，计数电路放在屏蔽盒中，屏蔽盒顶端开个小孔露出光电二极管.调整好迈克尔孙干涉仪的光路，使干涉条纹清晰可见，接入计数电路，光电二极管对准条纹，沿一个方向转动微调手轮，按下计数器的清零按钮，沿同一方向转动微调手轮测量计数.计数电路测量结果明显比眼睛观察准确度高.

4 结 论

本文设计的自动计数电路，结构简单、操作方便、性能稳定，应用于迈克尔孙干涉仪实验能很好地减少学生实验时的读数误差，且不影响学生对实验原理的理解与掌握.实验直观、方便，还大大增加了学生实验的兴趣.

[1] 董正超, 方靖淮, 朱兆青，等. 大学物理实验[M]. 苏州: 苏州大学出版社, 2015.

[2] 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): 126-129.

[3] 申冬玲. 基于labview的条纹采集系统设计[J]. 四川兵工学报, 2009, 30(7): 58-60.

[4] 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.

[5] 徐贵力, 陈智军, 郭瑞鹏, 等. 光电检测技术与系统设计[M]. 北京: 国防工业出版社, 2013.

[6] 宋涛, 张斌, 罗倩倩. 光电转换电路的设计与优化[J]. 光电技术应用, 2010, 25(6): 46-48.

[7] 朱珠. 光电检测前置放大电路设计及稳定性分析[J]. 现代电子技术, 2014, 37(17): 137-139.

[8] 金建设, 于晓海. 单片机原理及应用技术[M]. 北京: 清华大学出版社, 2014.

[9] 张稳稳,严学文. Proteus仿真软件在“显示器件驱动技术”教学中的应用[J]. 现代电子技术, 2015, 38(14): 124-126.

[10] 祁红岩, 冯丽媛, 景维鹏. MCS51单片机实践与应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2014.

责任编辑：龙顺潮

Design of Automatic Counter Electric Circuit Used for Michelso Interferometer

TAOMiao-miao*,WANGAi-hong,XUETong-lian,CAOMin

(School of Science, Nantong University, Nantong 226000 China)

An automatic counter electric circuit used for Michelso interferometer is designed. The circuit is controlled by single chip microcomputer. It can automatically count the “out” or “ingested” interference fringes. The circuit is of simple structure, easy operation. It has a good effect for Michelson interferometer experiment.

Michelso interferometer; automatic counter electric circuit; single chip microcomputer

2016-03-16

江苏省高校自然科学研究课题(13KJB140013);南通大学实验教学改革科研基金

陶苗苗(1985-)，女，江苏 南通人，实验师. E-mail:taomiaomiao317@ntu.edu.cn

TP342；O436.1

A

1000-5900(2016)03-0105-03