基于單片機改造邁氏干涉儀自動測量微小長度

下面對程序的關鍵部分進行說明。
3．1 光電轉換部分的脈沖計數程序設計
用單片機的外部中斷INT0腳檢測光電轉換得到的脈沖信號。當有一個脈沖的下降沿到來時，外部中斷服務程序執行一次。在中斷服務程序中設置記錄脈沖個數的變量mai_chong_ji_shu。在兩次脈沖間隔超過50 ms的情況下，每進入中斷服務程序一次，mai_chong_ji_shu加1。如果兩次脈沖間隔不超過50 ms，說明出現了毛刺信號，mai_chong_ji_shu不會加1，這樣設計可以除去毛刺信號。
3．2 步進電機驅動及自動調速程序設計
驅動步進電機轉動的脈沖信號頻率越大，電機轉速越高，但頻率不能過大也不能過小，否則電機都不會轉動。通過軟件延時或定時器中斷的方法可以控制電機的轉速。軟件延時會大量浪費CPU資源，所以采用單片機的定時器0中斷來驅動28BYJ-48型步進電機轉動，給定時器0賦不同的初值對應步進電機不同的轉動速度。若四向八拍運行方式A-AB-B-BC-C-CD-D-DA為電機的正轉，則運行方式DA-D-CD-C-BC-B-AB-A為
電機反轉，每運行完一個八拍相當于電機走一步，設計變量motor_step專門記錄電機的步數，電機正轉變量motor_step加，電機反轉變量motor_step減。motor_step值乘以電機的步長值即得到步進電機帶動邁克爾干涉儀微調旋鈕轉過的長度。

4 實驗結果與精度分析
4．1 He-Ne激光波長測量
采用波長為632．8 nm的He-Ne激光器作為光源。在一般實驗環境下，經過大量測試，系統均能準確、快速測量出波長長度，表1是系統一次測量的數據。

系統自動測量的最終結果為多次測量的平均值，由表1可以看出，與理論值非常接近，平均誤差為0．06％，遠低于手動測量產生的誤差。
測量誤差主要來源于△d的測量和條紋計數N。步進電機的步進值為19．53nm，它比微調旋鈕的最小刻度100nm還要小80．47nm，提高了對△d測量的準確度，因此誤差較小。實驗過程中，空氣擾動、實驗桌的碰撞、外界振動都會產生毛刺信號影響光敏二極管對干涉條紋的檢測，產生計數錯誤，從而產生測量誤差。對于較小的毛刺信號，通過編程進行處理，不會對條紋計數產生大的影響，但對于嚴重的干擾信號，系統無法處理。系統會根據測量的結果自動判斷實驗誤差是否在允許范圍內，若不在，將提示重新測量。
4．2 透明薄膜厚度測量
實驗選用標準厚度為80μm的透明薄膜作為測試品，用阿貝折射儀測出此薄膜的折射率n=1．429 4，在一般實驗環境下，對薄膜厚度進行了大量的測量，表2所示為測量的一部分數據，其中d1為未插薄膜前彩色條紋出現時動鏡的位置，d2為插入薄膜后彩色條紋出現時動鏡的位置。

從表2數據可以算出，測試薄膜厚度的平均值為81．600 1 μm，精度較高(測量薄膜厚度精確到了0．1 nm級)。測量薄膜厚度的誤差主要來源于兩個方面，△和n的測量。雖然步進電機的步進值較小，但并不能完全消除對△測量的誤差，而是將其大大減小了。薄膜上的灰塵不可避免地影響薄膜的折射率n。實驗過程中，外界的干擾以及儀器本身因素都會影響測量結果。

5 結語
基于單片機改造后的邁克爾遜干涉儀可以精確、快速、自動測量激光波長和薄膜厚度。采用非接觸法測量薄膜厚度，不會對薄膜造成破壞，擴展了邁克爾遜干涉儀的使用范圍，提高了實用性。改裝電路元器件價格低廉，組裝簡單，對邁克爾遜干涉儀的手動測量與外觀沒有任何影響，促進了光學教學實驗儀器的發展，具有一定的市場前景。
本研究在湖北師范學院物理與電子科學學院劉興云老師的指導下，由光學實驗室與電子電工實驗室提供實驗器材，經過小組成員的共同努力完成。在此特別感謝劉老師的指導，同時對湖北師范學院物理與電子科學學院和提供過幫助的老師與同學致以深切的謝意與祝福。