邁克耳孫干涉條紋移動(dòng)計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)及仿真

穆萬(wàn)軍，朱 俊，于白茹，胡再?lài)?guó)

(四川大學(xué) 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中心，四川 成都 610065)

邁克耳孫干涉條紋移動(dòng)計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)及仿真

穆萬(wàn)軍，朱 俊，于白茹，胡再?lài)?guó)

(四川大學(xué) 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中心，四川 成都 610065)

利用3DU5C光敏三極管作為傳感器，在干涉條紋移動(dòng)時(shí)，光強(qiáng)度的周期性變化在光敏三極管的集電極(或發(fā)射極)電流隨之跟著周期性變化；這種周期性的電量變化次數(shù)可以通過(guò)單片機(jī)程序和驅(qū)動(dòng)電路在4位數(shù)碼管上顯示出干涉條紋的移動(dòng)條數(shù). 這避免了學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間觀察激光數(shù)干涉條紋對(duì)眼睛造成的不良影響.

邁克耳孫干涉;3DU5C光敏三極管;AT89C51;4位數(shù)碼管

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)中，為了計(jì)算激光波長(zhǎng)λ(λ=2Δd/Δk，其中，Δd是平面鏡M1和M2′的距離d的微小變化，Δk是對(duì)應(yīng)Δd的干涉條紋級(jí)差[1]),學(xué)生需直接數(shù)干涉條紋的移動(dòng)數(shù)目Δk，而干涉條紋移動(dòng)數(shù)有幾百條(一般是數(shù)干涉圓環(huán)冒出或縮進(jìn)的圓心個(gè)數(shù))，學(xué)生的眼睛很不舒服，并且經(jīng)常數(shù)花眼而記錯(cuò)，數(shù)據(jù)偏差較大. 為此，本文設(shè)計(jì)了干涉條紋計(jì)數(shù)器.

1 由3DU5C光敏三極管組成的測(cè)量及波形整形電路

3DU5C硅光敏三極管適用于激光接收電路、近紅外光探測(cè)器、光耦合、編碼器、特性識(shí)別電路及過(guò)程控制電路等，在其頂面上有對(duì)光敏感的PN結(jié)作為感光面，當(dāng)光照射到PN結(jié)上時(shí)吸收光能并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)的強(qiáng)弱與光強(qiáng)成正比. 本文以邁克耳孫圓形激光干涉條紋作為3DU5C的照射光源. 當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)邁克耳孫干涉儀右側(cè)的微調(diào)轉(zhuǎn)輪使d改變時(shí)，圓心處的干涉條紋不斷“冒出”或“縮進(jìn)”，“冒出”或“縮進(jìn)”的圓心數(shù)就是干涉條紋的移動(dòng)條數(shù). 圓心處的激光亮度變化是：亮—暗(激光消失)—亮—暗—……把3DU5C的感光面定位在干涉條紋的圓心，因條紋的亮暗變化而產(chǎn)生大小不同的電流，通過(guò)設(shè)計(jì)的電路(如圖1所示)可以測(cè)量該電流. 由于3DU5C在干涉條紋的照射下集電極產(chǎn)生的光電流在μA級(jí)， 需要經(jīng)過(guò)放大才可測(cè)量，為了提高抗干擾能力，還需對(duì)輸出波進(jìn)行整形，這都是利用三極管的放大特性和開(kāi)關(guān)(飽和與截止)特性實(shí)現(xiàn)的. 在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)圓心縮進(jìn)消失時(shí)，在圖1中三極管Q2的發(fā)射極測(cè)得電流小于1 mA,在圓心冒出到很亮?xí)r，電流大于4 mA. 在Q2的發(fā)射極接1.2 kΩ的電阻，可測(cè)得其電壓(圓心消失時(shí)小于1 V,圓心冒出到明亮?xí)r接近5 V). 電路輸出的放大整形波形如圖2所示. 當(dāng)教室的光變亮或變暗時(shí)，測(cè)得的電流有所上升或下降，但輸出的整形波形與圖2相同，表明該電路具有抗干擾性.

圖1 3DU5C放大整形電路

圖2 3DU5C放大整形電路波形

2 干涉條紋計(jì)數(shù)電路

通過(guò)對(duì)AT89C51單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)和編程實(shí)現(xiàn)干涉條紋的計(jì)數(shù)，并通過(guò)4位LCD數(shù)碼管顯示. 所需的元件包括：AT89C51D單片機(jī)、負(fù)載(數(shù)碼管)驅(qū)動(dòng)器74HC573，3/8譯碼器/多路選通(分配)器74HC138、4位7段碼共陰極數(shù)碼管7seg mp×4 cc以及2個(gè)排阻、1個(gè)12 MHz的晶振和一些電容電阻等，計(jì)數(shù)電路如圖3所示.

要計(jì)0 ～9 999范圍的數(shù)，需用16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作模式1，其C語(yǔ)言[2]程序如下：

#include "reg51.h"

unsigned char code led_num[11]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00};

unsigned char code led_bit[4]={0xf8,0xf9,0xfa,0xfb};

void delay(unsigned int dat)

{

unsigned int k,j;

for(k=0;k

{

for(j=0;j<2000;j++);

}

}

void init_timer1(void) ?/初始化定時(shí)器1

{

TMOD=0x50;

TH1=0x00;

TL1=0x00;

TR1=1;

}

void main(void)

{ unsigned char i,j; unsigned int temp; unsigned char led[4]; init_timer1(); while(1) { if((TH1==27)&&(TL1==0f)) { TH1=0x00; TL1=0x00; } temp=TH1; temp=temp<<8; temp=temp|TL1;

led[0]=temp%10; //存?zhèn)€位數(shù)

led[1]=temp%100/10; //存十位數(shù)

led[2]=temp%1000/100; //存百位數(shù)

led[3]=temp/1000; //存千位數(shù)

if (P3^2==0)

{

P0=0xc0;

}

for(j=0;j<10;j++) //在數(shù)碼管上顯示條紋移動(dòng)數(shù)

{

for(i=0;i<4;i++)

{

P2=led_bit[i];

P0=led_num[led[i]];

delay(1);

}

}

}

}

在Protues[3]中的仿真結(jié)果如圖4所示.

圖3 干涉條紋移動(dòng)計(jì)數(shù)電路

圖4 邁克耳孫干涉條紋計(jì)數(shù)電路仿真

3 結(jié)束語(yǔ)

利用光敏三極管3DU5C采集邁克耳孫激光干涉條紋移動(dòng)時(shí)的信息，設(shè)計(jì)出抗干擾性的放大整形電路，利用AT89C51單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器功能，將反應(yīng)條紋移動(dòng)數(shù)目的整形電路產(chǎn)生的方波序列輸入單片機(jī)的定時(shí)器，編寫(xiě)程序進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)四位數(shù)碼管顯示. 該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔實(shí)用，避免激光數(shù)干涉條紋移動(dòng)對(duì)學(xué)生眼睛造成不良影響.

[1] 王植恒，何原，朱駿. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M]. 北京：高等教育出版社，2008.

[2] 梁小沖，穆萬(wàn)軍,汪仕元,等. 邁克耳孫干涉儀圓心位置微調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2015,35(1):27-29.

[3] 黃麗,方光宇,宋云飛,等. 邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)條紋計(jì)數(shù)方法的改進(jìn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2013,33(11):41-46.

[4] 譚浩強(qiáng). C程序設(shè)計(jì)[M]. 3版. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[5] 周靈彬，任開(kāi)杰. 基于Proteus的電路與PCB設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Design and simulation of Michelson interference fringe movement counter

MU Wan-jun, ZHU Jun, YU Bai-ru, HU Zai-guo

(Basic Physical Experiment Center, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Using 3DU5C photosensitive triode as sensors, the variation of the light intensity caused by the movement of the interference fringes was detected by following the periodical changes of the photosensitive transistor’s collector (or emitter) current. The cycles of the current were counted by a single-chip computer and showed on a four-digit tube article, reflecting the movement of the interference fringes. The eyestrain caused by the long-time staring at the laser interference pattern was avoided.

Michelson interference; 3DU5-NPN; AT89C51; four-digit tube

2016-05-31

四川大學(xué)教改基金(No.SCUY7045)

穆萬(wàn)軍(1963-)，男，四川滎經(jīng)人，四川大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中心副教授，碩士，從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究.

O4-39;O436.1

A

1005-4642(2017)02-0020-04

“第9屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文