邁克耳孫干涉條紋移動計數器的設計及仿真

穆萬軍，朱 俊，于白茹，胡再國

(四川大學 基礎物理實驗中心，四川 成都 610065)

邁克耳孫干涉條紋移動計數器的設計及仿真

穆萬軍，朱 俊，于白茹，胡再國

(四川大學 基礎物理實驗中心，四川 成都 610065)

利用3DU5C光敏三極管作為傳感器，在干涉條紋移動時，光強度的周期性變化在光敏三極管的集電極(或發射極)電流隨之跟著周期性變化；這種周期性的電量變化次數可以通過單片機程序和驅動電路在4位數碼管上顯示出干涉條紋的移動條數. 這避免了學生長時間觀察激光數干涉條紋對眼睛造成的不良影響.

邁克耳孫干涉;3DU5C光敏三極管;AT89C51;4位數碼管

在大學物理實驗的邁克耳孫干涉實驗中，為了計算激光波長λ(λ=2Δd/Δk，其中，Δd是平面鏡M1和M2′的距離d的微小變化，Δk是對應Δd的干涉條紋級差[1]),學生需直接數干涉條紋的移動數目Δk，而干涉條紋移動數有幾百條(一般是數干涉圓環冒出或縮進的圓心個數)，學生的眼睛很不舒服，并且經常數花眼而記錯，數據偏差較大. 為此，本文設計了干涉條紋計數器.

1 由3DU5C光敏三極管組成的測量及波形整形電路

3DU5C硅光敏三極管適用于激光接收電路、近紅外光探測器、光耦合、編碼器、特性識別電路及過程控制電路等，在其頂面上有對光敏感的PN結作為感光面，當光照射到PN結上時吸收光能并轉換為電信號，電信號的強弱與光強成正比. 本文以邁克耳孫圓形激光干涉條紋作為3DU5C的照射光源. 當轉動邁克耳孫干涉儀右側的微調轉輪使d改變時，圓心處的干涉條紋不斷“冒出”或“縮進”，“冒出”或“縮進”的圓心數就是干涉條紋的移動條數. 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生大小不同的電流，通過設計的電路(如圖1所示)可以測量該電流. 由于3DU5C在干涉條紋的照射下集電極產生的光電流在μA級， 需要經過放大才可測量，為了提高抗干擾能力，還需對輸出波進行整形，這都是利用三極管的放大特性和開關(飽和與截止)特性實現的. 在實驗中，當圓心縮進消失時，在圖1中三極管Q2的發射極測得電流小于1 mA,在圓心冒出到很亮時，電流大于4 mA. 在Q2的發射極接1.2 kΩ的電阻，可測得其電壓(圓心消失時小于1 V,圓心冒出到明亮時接近5 V). 電路輸出的放大整形波形如圖2所示. 當教室的光變亮或變暗時，測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 干涉條紋計數電路

通過對AT89C51單片機電路的設計和編程實現干涉條紋的計數，并通過4位LCD數碼管顯示. 所需的元件包括：AT89C51D單片機、負載(數碼管)驅動器74HC573，3/8譯碼器/多路選通(分配)器74HC138、4位7段碼共陰極數碼管7seg mp×4 cc以及2個排阻、1個12 MHz的晶振和一些電容電阻等，計數電路如圖3所示.

要計0 ～9 999范圍的數，需用16位的定時器/計數器工作模式1，其C語言[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; //存個位數

led[1]=temp%100/10; //存十位數

led[2]=temp%1000/100; //存百位數

led[3]=temp/1000; //存千位數

if (P3^2==0)

{

P0=0xc0;

}

for(j=0;j<10;j++) //在數碼管上顯示條紋移動數

{

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

{

P2=led_bit[i];

P0=led_num[led[i]];

delay(1);

}

}

}

}

在Protues[3]中的仿真結果如圖4所示.

圖3 干涉條紋移動計數電路

圖4 邁克耳孫干涉條紋計數電路仿真

3 結束語

利用光敏三極管3DU5C采集邁克耳孫激光干涉條紋移動時的信息，設計出抗干擾性的放大整形電路，利用AT89C51單片機的定時器/計數器功能，將反應條紋移動數目的整形電路產生的方波序列輸入單片機的定時器，編寫程序進行計數，通過四位數碼管顯示. 該設計簡潔實用，避免激光數干涉條紋移動對學生眼睛造成不良影響.

[1] 王植恒，何原，朱駿. 大學物理實驗[M]. 北京：高等教育出版社，2008.

[2] 梁小沖，穆萬軍,汪仕元,等. 邁克耳孫干涉儀圓心位置微調系統的設計[J]. 物理實驗，2015,35(1):27-29.

[3] 黃麗,方光宇,宋云飛,等. 邁克耳孫干涉實驗條紋計數方法的改進[J]. 物理實驗,2013,33(11):41-46.

[4] 譚浩強. C程序設計[M]. 3版. 北京：清華大學出版社，2005.

[5] 周靈彬，任開杰. 基于Proteus的電路與PCB設計[M]. 北京：電子工業出版社，2010.

[責任編輯：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

四川大學教改基金(No.SCUY7045)

穆萬軍(1963-)，男，四川滎經人，四川大學基礎物理實驗中心副教授，碩士，從事物理實驗教學和研究.

O4-39;O436.1

A

1005-4642(2017)02-0020-04

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文