基于單片機的邁克耳孫干涉儀自動計數裝置

付喜錦 李本印

(隴東學院 物理與電子工程學院 甘肅 慶陽 745000)

邁克耳孫干涉儀是根據光的干涉原理制成的近代精密儀器之一[1]，可用來觀察各種干涉現象(等傾、等厚和白光干涉等) ,測定單色光波長、鈉黃光的雙線波長差、透明介質薄片或空氣的折射率及鍍膜厚度等.在多年的實驗教學中發現, 當用(WSM-100型)邁克耳孫干涉儀觀察等傾干涉條紋，測量激光波長時，需要記錄500個條紋，才能滿足實驗要求.這樣長時間注視激光干涉條紋，使實驗者感到眼花繚亂，不能清晰準確看到條紋“涌出”或“陷入”.針對此問題，很有必要為邁克耳孫干涉儀設計一種能夠記錄條紋“涌出”或“陷入”個數的自動計數裝置.

1 干涉條紋計數原理及設計方案

以(WSM-100型)邁克耳孫干涉儀觀察等傾干涉條紋并測量激光波長實驗為例，先調整好邁克耳孫干涉儀，再通過轉動邁克耳孫干涉儀的“微調手輪”，改變動鏡M1的移動距離d，記錄在動鏡M1改變量Δd內“涌出”或“陷入”的干涉條紋個數N，就能計算出單色光波長λ[2]

2 硬件系統設計

2.1 硬件結構

硬件部分由主控模塊、光電轉換器模塊、顯示模塊、鍵盤模塊及步進電動機模塊組成，如圖1所示.

圖1 硬件系統框圖

2.2 功能分析與實現

主控模塊采用AT89C51型單片機[3].單片機P0、P1、P2、P3口(除P3.2外)作為基本輸入/輸出，完成鍵盤輸入、顯示輸出、電機控制輸出等功能.各部分功能如下.

顯示模塊顯示計數器狀態和計數值，采用4個八段數碼管[4].一個用于顯示計數狀態，由AT89C51的P2.0口控制，1為計數狀態，0為非計數狀態，其他三位用于計數值顯示，由AT89C51的P2.1～P2.3口控制，采用動態顯示模式.

鍵盤模塊采用非編碼獨立鍵盤.其中，“計數”、“后退”、“前進”和“復位”開關均采用輕觸按鈕，集中安裝于主機控制箱面板之上.“檢測1”和“檢測2”開關采用輕觸開關，分別安裝于動鏡M1的起始和終止位置，防止動鏡M1移動超出許可范圍.它們將指令信息輸入到AT89C51的P3.3～P3.7口，為主控模塊發送指令.

步進電機選用SH系列二相步距角為0.9°/1.8°的恒流電機，驅動模塊采用NJM6219.驅動器輸入由AT89C51的P1(除P1.3, P1.6, P1.7)口提供.其中，P1.2口控制電機正轉、反轉，P1.0～P1.1和P1.4～P1.5口控制電機功率.所以，步進電機模塊接受主控模塊指令，控制M1鏡前進、后退和停止等操作.

3 軟件設計

3.1 軟件結構

軟件采用匯編語言編寫[5]，包含初始化模塊、顯示模塊、鍵盤掃描模塊、中斷服務模塊等.均固化在AT89C51片內ROM中.主程序流程如圖2所示.

圖2 主程序流程圖

3.2 軟件功能與實現

初始化部分提供中斷設置、計數器緩存、顯示緩存清零等功能.

顯示模塊采用動態掃描把顯示緩存中的數據顯示于數碼管.

圖3 中斷服務程序流程圖

鍵盤掃描模塊逐個判斷按鍵狀態，并依據鍵位控制電機作預定動作.中斷服務模塊用于處理接收到的中斷請求信號.在動鏡M1移動過程中，“涌出”或“陷入”一個條紋，即一個中斷請求脈沖到來，中斷服務程序依據計數狀態F0(1為計數狀態，0為非計數狀態)確定計數或修改顯示緩存有關位，用于狀態顯示.中斷服務程序流程如圖3所示.

4 結論

經過實驗測試，該計數裝置和WSM-100型邁克耳孫干涉儀配合使用，系統運行正常，測量方便可靠，過程簡單迅速，適用于相關實驗.

參考文獻

1 程守洙，江之永.普通物理學 3.北京：高等教育出版社，2003.198

2 李高清,張廣平,李本印.物理實驗.蘭州：甘肅科技出版社，2003. 262

3 李玉梅.基于MCS-51系列單片機原理的應用設計.北京:國防工業出版社，2006.75

4 康華光.電子技術基礎 數字部分(第五版),北京：高等教育出版社，2006

5 尹建華，張惠群，劉魯源，劉迎澍.微型計算機原理與接口技術. 北京:高等教育出版社,2003.219