基于51单片机的迈克尔逊干涉仪自动检测装置_翟宇豪

-18-基于51单片机的迈克尔逊干涉仪自动检测装置
南京邮电大学　翟宇豪　马　军
【摘要】本文基于微处理器的数字信号处理技术，设计制作了一种利用单片机收集并处理实验信息的仪器。

针对人工实验需要收集的2组数据，设计了相应的传感器设备，通过将本由人工完成的大量计数工作和计算交由单片机直接处理。

【关键词】51单片机；数字信号处理；传感器；迈克尔逊干涉仪
Abstract：This paper based on microprocessor and digital signal processing technology，designed to make a use of some sensor device with C8951 MCU to collect and process experimental information.For artifi cial experiments need to collect two sets of data，design the corresponding sensor device to sensor these hand counting and calculate result by the microprocessor directly.
Keywords：STC8951 MCU；digital signal processing；sensor device；Michelson interferometer
1.作品背景介绍及简介
迈克尔逊干涉仪是光学干涉仪中最常见的一种，原理是一束入射光分为两束后各自被对应的平面镜反射回来，这两束光从而能够发生干涉。

干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改变质的折射率来实现，从而能够形成不同的干涉图样。

该实验作为经典物理实验，在大多数高校物理实验课中都占有一席之地，实验采集的数据主要有两个：手轮转动造成的动镜的移动距离，因动镜移动导致的干涉条纹变化环数。

但由于实验所采集的数据数值较大，耗时较长，在操作不熟练或精神不集中的情况下都会导致数据错误，使得此实验让很多同学认为难度较高。

针对以上问题，作品装置基于STC89C 51单片机设计检测微调手轮转动的角位移编码器结构和检测干涉条纹变化环数的光敏电阻电路，将原本由人工完成的复杂繁琐的计数测量工作交由单片机进行。

2.作品硬件结构与设计
角位移编码器(原理图中8)与微调手轮相连。

根据光电计数原理，将转轴的旋转角度转化为电脉冲个数，设编码器的分辨率为x个电脉冲每转(pulse per revolution，简称PPR)，即每转一周产生x个电脉冲，而干涉仪微调手轮每转一周动镜移动0.01mm，则角位移编码器每个脉冲对应的动镜移动距离为0.01/xmm。

本装置使用的角位移编码器分辨率为500PPR。

即每产生一个电脉冲动镜对应移动距离为d=0nm。

作品采用光敏电阻(原理图中3)检测干涉条纹变化环数。

光敏电阻贴近光屏。

当调手轮转动时，光屏上出现呈涟漪状扩散的干涉条纹，每当一条明纹经过光敏电阻感应处时，光敏电阻阻值变小，比较器(原理图中6)中正输入端(3号端口)电位变
高，大于负输入端(3号端口)的电位，输
出高电平；每当一条暗纹经过光敏电阻感
应处时，输出低电平。

即每一次明暗条纹
变化，将转换成一个电脉冲信号，通过检
测电脉冲，得到移动的干涉条纹环数。

原
理图中4，5为滑动变阻器，当激光强度不
同，或周围环境光线强弱不同时，为保证
光屏上干涉条纹明暗变化能准确被光敏电
阻采集，那么可以调节R1或R2使屏中干涉
条纹明暗亮度符合条件，从而及时准确地
读数。

图1为51单片机原理图。

最终将利用光敏电阻采集的光信号，
即干涉条纹明暗变化转换成相应的电脉冲信
号，由单片机采集信号记录并显示到LCD液晶
上；并且将连接在迈克尔逊干涉仪微调手轮
上的角位移编码器的计数脉冲传入单片机，
由单片机对数据进行计算处理。

同时可以利
用按键实现数码管的自动清零功能，通过程
序设计使相应数据显示在LCD液晶显示屏上，
包括干涉条纹数目、动镜移动距离和所计算
的波长。

至此，迈克尔逊干涉实验完成。

3.实验结果及讨论
我们取波长为632.8nmHe-Ne激光发射
器，以每记100个条纹为一个区间，将本作
品与人工进行对比：
手动测试如表1，装置测试如表2。

对于表中的数据，利用逐差法处理手
动测试数据：
△D1=D0-D3，△D2=D1-D4，△D3=D2-
D5，则平均△D=(△D1+△D2+△D3)/3，代
入波长=2*△D/N(其中N=3*100=300)，得
其波长为607.33nm，而装置检测得波长为
633.42nm。

可以看出，人工测量的误差在4%，而
装置仅为0.1%。

在耗时方面，普通教学中
可能由于周边环境及他人干扰需要1个半小
时以上，即使熟练人员无干扰测量，也需
半小时；而装置测量共用时5分钟。

同时，
我们可以推断如果测量继续，人工测量很
有可能由于疲劳导致误差进一步扩大，而
装置则无需考虑以上情况。

4.总结与展望
本装置利用了光敏电阻对光线亮度强
弱变化的感应，角位移编码器，单片机的数
字记录存储功能及其它元件的功效，设计电
路完成了信号的采集、传输、处理、显示等
功能，质轻便携，成本较小，性价比高，可
以广泛应用于改进现有的迈克尔逊干涉仪装
置。

此装置可以减少由于视觉疲劳产生的误
差，提高测试精确度；虽然采用了自动检测
装置，但还保留了读数装置，可以锻炼学生
的基本读数能力；同时采用本装置可以在不
降低实验目的的情况下有效节约学生检测时
间，从而将大量的时间用对迈克尔逊干涉仪
工作原理和其基本物理原理的理解掌握。

基
于本装置的设计原理，我们认为也可应用于
牛顿环等有关光的干涉类型的实验检测，相
信效果也会很好。

参考文献
[1]雷晓平,李晓东,罗海天.单片机原理及应用[M].机械
工业出版社,2007:1.
[2]郭天祥.51单片机C语言教程[M].电子工业出版
社,2009.
[3]黄楚云,贺华.大学物理实验报告学习指导[M].科学
出版社,2012.
作者简介：翟宇豪（1992—），男，江苏扬州人，
现就读于南京邮电大学。

图1 51单片机原理图
表1 手动测试
消失条纹数0100200300400500
M1位置(mm)D0=50.42510D1=50.45545D2=50.49210D3=50.51630D4=50.54650D5=50.58315
表2 装置测试
LED显示消失
干涉条纹数
0100200300400500 LED显示动镜
移动距离(mm)
D0=0D1=0.03164D2=0.06362D3=0.09510D4=0.12674D5=0.15846。