基于單片機(jī)的邁克耳孫干涉儀自動(dòng)計(jì)數(shù)裝置

付喜錦 李本印

(隴東學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院 甘肅 慶陽(yáng) 745000)

邁克耳孫干涉儀是根據(jù)光的干涉原理制成的近代精密儀器之一[1]，可用來(lái)觀察各種干涉現(xiàn)象(等傾、等厚和白光干涉等) ,測(cè)定單色光波長(zhǎng)、鈉黃光的雙線波長(zhǎng)差、透明介質(zhì)薄片或空氣的折射率及鍍膜厚度等.在多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn), 當(dāng)用(WSM-100型)邁克耳孫干涉儀觀察等傾干涉條紋，測(cè)量激光波長(zhǎng)時(shí)，需要記錄500個(gè)條紋，才能滿足實(shí)驗(yàn)要求.這樣長(zhǎng)時(shí)間注視激光干涉條紋，使實(shí)驗(yàn)者感到眼花繚亂，不能清晰準(zhǔn)確看到條紋“涌出”或“陷入”.針對(duì)此問(wèn)題，很有必要為邁克耳孫干涉儀設(shè)計(jì)一種能夠記錄條紋“涌出”或“陷入”個(gè)數(shù)的自動(dòng)計(jì)數(shù)裝置.

1 干涉條紋計(jì)數(shù)原理及設(shè)計(jì)方案

以(WSM-100型)邁克耳孫干涉儀觀察等傾干涉條紋并測(cè)量激光波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)為例，先調(diào)整好邁克耳孫干涉儀，再通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)邁克耳孫干涉儀的“微調(diào)手輪”，改變動(dòng)鏡M1的移動(dòng)距離d，記錄在動(dòng)鏡M1改變量Δd內(nèi)“涌出”或“陷入”的干涉條紋個(gè)數(shù)N，就能計(jì)算出單色光波長(zhǎng)λ[2]

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

硬件部分由主控模塊、光電轉(zhuǎn)換器模塊、顯示模塊、鍵盤(pán)模塊及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模塊組成，如圖1所示.

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

2.2 功能分析與實(shí)現(xiàn)

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

顯示模塊顯示計(jì)數(shù)器狀態(tài)和計(jì)數(shù)值，采用4個(gè)八段數(shù)碼管[4].一個(gè)用于顯示計(jì)數(shù)狀態(tài)，由AT89C51的P2.0口控制，1為計(jì)數(shù)狀態(tài)，0為非計(jì)數(shù)狀態(tài)，其他三位用于計(jì)數(shù)值顯示，由AT89C51的P2.1～P2.3口控制，采用動(dòng)態(tài)顯示模式.

鍵盤(pán)模塊采用非編碼獨(dú)立鍵盤(pán).其中，“計(jì)數(shù)”、“后退”、“前進(jìn)”和“復(fù)位”開(kāi)關(guān)均采用輕觸按鈕，集中安裝于主機(jī)控制箱面板之上.“檢測(cè)1”和“檢測(cè)2”開(kāi)關(guān)采用輕觸開(kāi)關(guān)，分別安裝于動(dòng)鏡M1的起始和終止位置，防止動(dòng)鏡M1移動(dòng)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(fā)送指令.

步進(jìn)電機(jī)選用SH系列二相步距角為0.9°/1.8°的恒流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)模塊采用NJM6219.驅(qū)動(dòng)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(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，P1.0～P1.1和P1.4～P1.5口控制電機(jī)功率.所以，步進(jìn)電機(jī)模塊接受主控模塊指令，控制M1鏡前進(jìn)、后退和停止等操作.

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

軟件采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)[5]，包含初始化模塊、顯示模塊、鍵盤(pán)掃描模塊、中斷服務(wù)模塊等.均固化在AT89C51片內(nèi)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(shí)現(xiàn)

初始化部分提供中斷設(shè)置、計(jì)數(shù)器緩存、顯示緩存清零等功能.

顯示模塊采用動(dòng)態(tài)掃描把顯示緩存中的數(shù)據(jù)顯示于數(shù)碼管.

圖3 中斷服務(wù)程序流程圖

鍵盤(pán)掃描模塊逐個(gè)判斷按鍵狀態(tài)，并依據(jù)鍵位控制電機(jī)作預(yù)定動(dòng)作.中斷服務(wù)模塊用于處理接收到的中斷請(qǐng)求信號(hào).在動(dòng)鏡M1移動(dòng)過(guò)程中，“涌出”或“陷入”一個(gè)條紋，即一個(gè)中斷請(qǐng)求脈沖到來(lái)，中斷服務(wù)程序依據(jù)計(jì)數(shù)狀態(tài)F0(1為計(jì)數(shù)狀態(tài)，0為非計(jì)數(shù)狀態(tài))確定計(jì)數(shù)或修改顯示緩存有關(guān)位，用于狀態(tài)顯示.中斷服務(wù)程序流程如圖3所示.

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該計(jì)數(shù)裝置和WSM-100型邁克耳孫干涉儀配合使用，系統(tǒng)運(yùn)行正常，測(cè)量方便可靠，過(guò)程簡(jiǎn)單迅速，適用于相關(guān)實(shí)驗(yàn).

參考文獻(xiàn)

1 程守洙，江之永.普通物理學(xué) 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(shí)驗(yàn).蘭州：甘肅科技出版社，2003. 262

3 李玉梅.基于MCS-51系列單片機(jī)原理的應(yīng)用設(shè)計(jì).北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006.75

4 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)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(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù). 北京:高等教育出版社,2003.219