迈克耳孙干涉条纹移动计数器的设计及仿真

穆万军，朱 俊，于白茹，胡再国

(四川大学 基础物理实验中心，四川 成都 610065)

迈克耳孙干涉条纹移动计数器的设计及仿真

穆万军，朱 俊，于白茹，胡再国

(四川大学 基础物理实验中心，四川 成都 610065)

利用3DU5C光敏三极管作为传感器，在干涉条纹移动时，光强度的周期性变化在光敏三极管的集电极(或发射极)电流随之跟着周期性变化；这种周期性的电量变化次数可以通过单片机程序和驱动电路在4位数码管上显示出干涉条纹的移动条数. 这避免了学生长时间观察激光数干涉条纹对眼睛造成的不良影响.

迈克耳孙干涉;3DU5C光敏三极管;AT89C51;4位数码管

在大学物理实验的迈克耳孙干涉实验中，为了计算激光波长λ(λ=2Δd/Δk，其中，Δd是平面镜M1和M2′的距离d的微小变化，Δk是对应Δd的干涉条纹级差[1]),学生需直接数干涉条纹的移动数目Δk，而干涉条纹移动数有几百条(一般是数干涉圆环冒出或缩进的圆心个数)，学生的眼睛很不舒服，并且经常数花眼而记错，数据偏差较大. 为此，本文设计了干涉条纹计数器.

1 由3DU5C光敏三极管组成的测量及波形整形电路

3DU5C硅光敏三极管适用于激光接收电路、近红外光探测器、光耦合、编码器、特性识别电路及过程控制电路等，在其顶面上有对光敏感的PN结作为感光面，当光照射到PN结上时吸收光能并转换为电信号，电信号的强弱与光强成正比. 本文以迈克耳孙圆形激光干涉条纹作为3DU5C的照射光源. 当转动迈克耳孙干涉仪右侧的微调转轮使d改变时，圆心处的干涉条纹不断“冒出”或“缩进”，“冒出”或“缩进”的圆心数就是干涉条纹的移动条数. 圆心处的激光亮度变化是：亮—暗(激光消失)—亮—暗—……把3DU5C的感光面定位在干涉条纹的圆心，因条纹的亮暗变化而产生大小不同的电流，通过设计的电路(如图1所示)可以测量该电流. 由于3DU5C在干涉条纹的照射下集电极产生的光电流在μA级， 需要经过放大才可测量，为了提高抗干扰能力，还需对输出波进行整形，这都是利用三极管的放大特性和开关(饱和与截止)特性实现的. 在实验中，当圆心缩进消失时，在图1中三极管Q2的发射极测得电流小于1 mA,在圆心冒出到很亮时，电流大于4 mA. 在Q2的发射极接1.2 kΩ的电阻，可测得其电压(圆心消失时小于1 V,圆心冒出到明亮时接近5 V). 电路输出的放大整形波形如图2所示. 当教室的光变亮或变暗时，测得的电流有所上升或下降，但输出的整形波形与图2相同，表明该电路具有抗干扰性.

图1 3DU5C放大整形电路

图2 3DU5C放大整形电路波形

2 干涉条纹计数电路

通过对AT89C51单片机电路的设计和编程实现干涉条纹的计数，并通过4位LCD数码管显示. 所需的元件包括：AT89C51D单片机、负载(数码管)驱动器74HC573，3/8译码器/多路选通(分配)器74HC138、4位7段码共阴极数码管7seg mp×4 cc以及2个排阻、1个12 MHz的晶振和一些电容电阻等，计数电路如图3所示.

要计0 ～9 999范围的数，需用16位的定时器/计数器工作模式1，其C语言[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) ?/初始化定时器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; //存个位数

led[1]=temp%100/10; //存十位数

led[2]=temp%1000/100; //存百位数

led[3]=temp/1000; //存千位数

if (P3^2==0)

{

P0=0xc0;

}

for(j=0;j<10;j++) //在数码管上显示条纹移动数

{

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

{

P2=led_bit[i];

P0=led_num[led[i]];

delay(1);

}

}

}

}

在Protues[3]中的仿真结果如图4所示.

图3 干涉条纹移动计数电路

图4 迈克耳孙干涉条纹计数电路仿真

3 结束语

利用光敏三极管3DU5C采集迈克耳孙激光干涉条纹移动时的信息，设计出抗干扰性的放大整形电路，利用AT89C51单片机的定时器/计数器功能，将反应条纹移动数目的整形电路产生的方波序列输入单片机的定时器，编写程序进行计数，通过四位数码管显示. 该设计简洁实用，避免激光数干涉条纹移动对学生眼睛造成不良影响.

[1] 王植恒，何原，朱骏. 大学物理实验[M]. 北京：高等教育出版社，2008.

[2] 梁小冲，穆万军,汪仕元,等. 迈克耳孙干涉仪圆心位置微调系统的设计[J]. 物理实验，2015,35(1):27-29.

[3] 黄丽,方光宇,宋云飞,等. 迈克耳孙干涉实验条纹计数方法的改进[J]. 物理实验,2013,33(11):41-46.

[4] 谭浩强. C程序设计[M]. 3版. 北京：清华大学出版社，2005.

[5] 周灵彬，任开杰. 基于Proteus的电路与PCB设计[M]. 北京：电子工业出版社，2010.

[责任编辑：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

四川大学教改基金(No.SCUY7045)

穆万军(1963-)，男，四川荥经人，四川大学基础物理实验中心副教授，硕士，从事物理实验教学和研究.

O4-39;O436.1

A

1005-4642(2017)02-0020-04

“第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文