本文作者：邓敏 李林 何兴 陈林飞 王康 姜春波 王永建 单位：长沙理工大学 物理与电子科学学院

迈克耳孙干涉仪测激光波长实验是大学物理实验中一个重要实验项目，实验中的关键是要准确读出光的干涉条纹的数量，要求连续数几百个“冒出”或“缩进”的干涉条纹，在做实验时因长时间用眼紧紧盯住细小的干涉条纹而感到相当吃力，有时因眼睛疲劳而发生计数错误，导致较大的实验误差，甚至要重做，既费时又费力。因此不少单位不断探索条纹计数器的设计［１－７］。基于芯片设计的计数器精度、效率较高，操作也简便，成本也较低，但是制作后灵活性低，且硬件调试麻烦，不易更改，出现问题后难以解决［８－９］。基于虚拟仪器与计算机采集处理相结合的计数器，虽然处理数据比较灵活，但精度一般，且都要求有计算机等高级配置，花费比较大，有点得不偿失［１０－１２］。针对上述的干涉条纹计数器设计的不足，本设计着重探讨用单片机来设计迈克耳孙干涉条纹自动计数电路，实现了快捷、方便的高精度的条纹计数。

１设计方案

迈克耳孙计数器设计方法有多种，但基本思路都是通过信号转换，将光信号转换成电信号（脉冲信号），再对脉冲进行计数，并显示计数结果。系统框图如图１所示，主要分为光电转换模块、信号整形模块、计数模块、显示模块。光电转换模块主要是利用光电二极管在光照下阻值迅速变小的特性［１３］，串联１个电位器分压。电压信号的变化反映出明暗条纹的变化情况；信号整形模块主要是将不规则的电压信号整形为高低电平，可达到易于识别和抗干扰的作用；计数模块主要实现条纹计数，包括清零、控制电路；显示模块利用数码管显示出条纹数。

１．１光电转换模块要将光信号转变为电信号就得借助光电二极管或者光敏电阻。光电二极管正向接、无光时电阻可达１０ｋΩ左右，而在有光的条件下，电阻可迅速降到１００Ω左右。而且反应速度可达到纳秒级别，选取一个好的光电转换元件是设计的保证。光敏电阻又称光导管，具有在特定波长的光照射下，其阻值具有迅速减小的特性。入射光变强，光敏电阻阻值减小，入射光变弱，光敏电阻阻值增大。在无光条件下光敏电阻阻值在１０ｋΩ～６０ｋΩ之间不等（型号不同，阻值也不同），有光时阻值可降到１ｋΩ左右，反应速度在毫秒级别。光电二极管与光敏电阻相比，阻值变化更明显，频率变化更快，可以更方便地实现光信号对电信号转换。本设计利用光电二极管在强光下电阻迅速变小的特性，来实现光电信号转换，电路实现方案如下：在外电路上接上负载电阻（图２中的Ｒ０１），并与光电二极管相连，负载上的电压信号随着二极管的阻值变化而变化，设计中选用合适的电位器作负载，既可以起分压作用，又可以起调节作用。在电位器和光电二极管之间引出一条信号线，从信号线上采取电压值，作为光信号转换的标志，即可达到光电转换的目的。

１．２信号调制模块由光电转换模块输出的信号由于光电二极管的阻值不是突变的，所以得到的波形也不是高低电平，单片机难以识别。因此，该信号必须经过整形，而整形的好坏关系到计数的准确与否。整形电路主要是由施密特图２光电转换模块与信号调制模块触发器构成，施密特触发器由５５５定时器的２脚和６

１．３控制电路模块控制电路模块主要实现对各功能模块信号的控制，用一个单刀双掷开关来对暗条纹或明条纹计数的选择，实现对暗条纹进行计数。本设计中选用单片机（图３中的ＳＩＣＳ９Ｃ５２）为控制芯片，当选择明条纹计数时，将单刀双掷开关拨到低电平位置；选择暗条纹计数时，将开光拨到高电平位置。若以迈克耳孙干涉仪毛玻璃上的中心条纹为基准进行计数，则调零后对计数器进行复位清零，若计数器显示为零，则可以直接开始计数；若显示为１，那么拨动单刀双掷开光（高电平拨到低电平，低电平拨到高电平），复位清零后，即可开始计数。具体电路如图计数器显示为０，则可以沿调零的方向旋转迈克耳孙干涉仪的微调旋钮开始计数；如果显示为１，则拨动控制键，再按复位按钮，显示为０，则按照“调零”时的转动方向，始终往一个方向转动微调手轮，观察屏上的干涉条纹中心处会有一个个圆环“冒出”（或“缩进”）。干涉圆环每“冒出”（或“缩进”）５０、１００、１５０、５００条条纹，记录移动镜Ｍ１相应位置的读数，每种情况连续测量１０组数据，用逐差法计算Ｍ１位置变化值，各得到５组位置变化值Δｄ后，求出其平均值为Δｄ，由λ＝２Δｄ／ｋ（ｋ为移动条纹数）计算波长值λ，并与标准值（６３２．８ｎｍ）相比，计算相对误差Ｅｒ。实验数据见表１，表１为每次条纹变化５００条时的记录的原始数据。

１．４电源模块５Ｖ电源模块采用三端集成稳压芯片ＬＭ７８０５，输入端和输出端均加滤波电容。为防止电源反接，输出电路使用１个发光二极管和１个１ｋΩ限流电阻显示电源状态，如果发光二极管亮说明电源正常。

１．５显示模块数码管采用四段八位的共阴极数码管，共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极的数码管。显示方式采用数码管的动态显示。动态驱动是将所有数码管的８个显示笔划“ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｄｐ”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极增加位选通控制电路，位选通由各自独立的Ｉ／Ｏ线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的Ｉ／Ｏ端口，而且功耗更低。单片机的Ｐ２．０—Ｐ２．３为数码管片选，接三极管（９０１３）作为片选开关，Ｐ０口为数码管段选，串联１ｋΩ电阻，并联１个４．７ｋΩ排阻来拉高电压。Ｐ１．０口为信号输入端，从信号调制模块得到的脉冲从此送入单片机；将Ｐ１．１作为信号控制端，由１个单刀双掷开关来控制，其一端接地，一端串联１个１ｋΩ电阻接高电平，由此来实现高低电平的输入，并控制单片机是对高电平计数还是对低电平计数（高低电平对应于迈克耳孙干涉仪上的明暗条纹）。

１．６软件设计根据硬件的制作情况，单片机的Ｐ０．０为信号端，Ｐ０．１为信号控制端。计数时，若控制端Ｐ０．１拨到高电平位置，且迈克耳孙干涉仪上毛玻璃的中心条纹为暗纹，则从信号端Ｐ０．０输出的电平为高电平，计数加１；若迈克耳孙干涉仪毛玻璃上为明条纹，则对应的信号端Ｐ０．０为低电平，则程序等待，直到迈克耳孙干涉仪上的中心条纹变为暗条纹，信号端Ｐ０．０从低电平变为高电平，计数加１。反之，若控制端Ｐ０．１在低电平时，若迈克耳孙干涉毛玻璃上的中心条纹为明条纹，信号端Ｐ０．０为低电平，计数加１，若中心条纹为暗条纹，则程序等待，直到下一个明条纹到来，使信号端Ｐ０．０从高电平变为低电平，依此循环。程序流程如图４所示。

２实验测量与结果分析将设计好的电路应用于迈克耳孙干涉条纹计数器。调好迈克耳孙干涉仪的光路系统，使中心环的明暗变化明显，计数器接５Ｖ直流稳压电源，光电二极管的探头对准条纹的中心环，对迈克耳孙干涉仪进行读数系统调零后，按下计数器的复位按钮，如个输入端连在一起作为信号输入端，调节电位器Ｒ０１上电压信号，经施密特触发器调制后得到脉冲信号作为单片机的输入信号，由单片机读取脉冲个数实现计数功能。由表１数据可以得出：每间隔５个位置变化值的平均值Δｄ为０．７９６３２ｍｍ，由λ＝２Δｄ／ｋ算出波长的平均值λ为６３７．１ｎｍ，与标准值相比，相对误差为０．６７％，误差很小。如果用人工的办法数这么多条纹数是相当困难的，且误计率会很大。表２是条纹移动数为５０、１００、１５０、５００时的数据。从表２可以看出：条纹数间隔越大，波长的实验值越接近理论值，相应的误差也越小。但总体来说，实验值还是大于理论值，可能原因是直接将光电二极管压在毛玻璃上，导致激光强度被毛玻璃削弱，使光电二极管的感光能力下降造成的。用该计数器测得的波长误差在３％以内（要求在５％以内），能够达到实验要求，表明该条纹计数电路能满足功能要求。

３结束语用单片机设计干涉条纹自动计数电路，原理简单，成本低，易于制作。本文设计的条纹计数电路能实现快速、稳定的计数，具有清零和选择明、暗条纹计数的功能，应用于迈克耳孙干涉实验可以减少人为读数误差，实验误差在３％以内，较好地满足了实验要求。

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