徐博洋　童艷榮　程麗媛　王吉寧

【摘 要】本文研究的內(nèi)容是遠(yuǎn)程智能光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的自動(dòng)化、高精度、和無(wú)線傳輸功能，我們利用STC89C52單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)光強(qiáng)檢測(cè)芯片移動(dòng)，并通過(guò)無(wú)線傳輸模塊，串口傳輸數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)。結(jié)合VB繪圖功能實(shí)現(xiàn)各種光強(qiáng)的實(shí)時(shí)顯示，從而繪出光強(qiáng)分布圖像。從單縫衍射的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，由VB圖像可得到主極強(qiáng)到第一極弱的距離，通過(guò)公式算出光柵常數(shù)。與原手動(dòng)實(shí)驗(yàn)相比，我們的儀器不僅能直觀地看到單縫衍射條紋的光強(qiáng)分布情況，同時(shí)減少了手動(dòng)操作帶來(lái)的誤差，使得計(jì)算結(jié)果更精確。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);智能光強(qiáng)檢測(cè);光柵常數(shù);單縫衍射

中圖分類(lèi)號(hào)： TK513.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）32-0169-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.079

Investigating of a Remote Intelligent Light Intensity Detector

XU Bo-yang TONG Yan-rong CHENG Li-yuan WANG Ji-ning

（College of physical science and technology，University of Jinan，Jinan Shandong 250022，China）

【Abstract】The purpose of this study is to investigate the remote intelligent light intensity detection system.In order to achieve automation，high precision，and wireless transmission function of experimental measurements，we utilized STC89C52 single-chip microcomputer to control the motor rotation and drive the light intensity detection chip to transmitting data to a computer through the wireless transmission module and serial port.By combining the real-time display of various light intensities and VB drawing function，the light intensity distribution image can be drawn.Based on the experiment results of single slit diffraction，the distance from the main pole to the first pole can be obtained from the VB image，and the grating constant can be calculated by the formula.Compared with the original manual experiment， our device can not only intuitively observe the light intensity distribution of single slit diffraction fringe，but also reduce the manual operation error and make the calculation result more accurate.

【Key words】Single chip microcomputer;Intelligent light intensity detection;Grating constant;Single slit diffraction

0 前言

單縫衍射實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理中光學(xué)方面重要的實(shí)驗(yàn)之一，利用單縫衍射條紋來(lái)計(jì)算光柵常數(shù)。目前實(shí)驗(yàn)室中所用的測(cè)量?jī)x器為數(shù)字檢流計(jì)，利用光電探頭檢測(cè)光強(qiáng)分布，將各個(gè)位置的光強(qiáng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為不同大小的電流顯示在數(shù)字檢流計(jì)上。人工轉(zhuǎn)動(dòng)手輪每隔0.5mm記錄一次數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算和畫(huà)圖得出單縫衍射圖像。為了使實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單化和自動(dòng)化，我們研制了遠(yuǎn)程智能光強(qiáng)檢測(cè)儀器。利用STC89C52單片機(jī)作為控制系統(tǒng)[1]，將光強(qiáng)檢測(cè)芯片GY-30固定在螺桿上，并由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使得芯片勻速移動(dòng)，自動(dòng)等間隔的記錄光強(qiáng)數(shù)據(jù)[2]。對(duì)于遠(yuǎn)程智能光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)，首先由光強(qiáng)檢測(cè)模塊GY-30對(duì)光強(qiáng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并在模塊內(nèi)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出，接著由單片機(jī)接收并對(duì)所測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。然后通過(guò)nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至接收方單片機(jī)[3]。最后由單片機(jī)控制LCD1604液晶顯示屏顯示光強(qiáng)數(shù)據(jù)，同時(shí)單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行光強(qiáng)的圖像繪制[4]。我們研發(fā)的儀器，使得單縫衍射實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加簡(jiǎn)潔和自動(dòng)化，使學(xué)生更加直觀的理解單縫衍射現(xiàn)象，而不是得到很多抽象的數(shù)據(jù)。從而讓學(xué)生更加直觀的觀察整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，在觀察的過(guò)程中對(duì)單縫衍射實(shí)驗(yàn)有更深刻的理解，激發(fā)更深入探究實(shí)驗(yàn)的興趣。

圖1 光路系統(tǒng)圖

1 研究方法和儀器設(shè)計(jì)

1.1 整體光路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖1顯示了我們的光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)。最左側(cè)為氦氖激光發(fā)射源，是整個(gè)光路的光源;中間裝置為狹縫，分為三種類(lèi)型：0.1mm，0.2mm，0.3mm;最右側(cè)為遠(yuǎn)程智能光強(qiáng)檢測(cè)儀。當(dāng)氦氖激光源發(fā)射激光后，光束將通過(guò)狹縫產(chǎn)生衍射，使衍射光投射到遠(yuǎn)程智能光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)中開(kāi)始進(jìn)行光強(qiáng)檢測(cè)，數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，圖像繪制等工作。

1.2 遠(yuǎn)程智能光強(qiáng)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

圖2 遠(yuǎn)程智能光強(qiáng)檢測(cè)儀圖

圖2顯示了遠(yuǎn)程智能光強(qiáng)檢測(cè)儀示意圖。a為光強(qiáng)檢測(cè)芯片，用于將檢測(cè)到的光強(qiáng)以電流值的形式傳輸?shù)桨l(fā)送端單片機(jī);b為移動(dòng)裝置部分，用于控制和穩(wěn)定芯片的運(yùn)動(dòng)：其中b1為步進(jìn)電機(jī)，用于為光強(qiáng)檢測(cè)芯片的橫向移動(dòng)提供動(dòng)力;b2為螺桿，光強(qiáng)檢測(cè)芯片會(huì)在螺桿上做橫向的平動(dòng);b3為螺母，用于固定光強(qiáng)檢測(cè)芯片;c為固定裝置部分，用于固定儀器的架構(gòu)：其中c1為支撐板，c2為固定耳，用于固定螺桿的兩端，防止因儀器的震動(dòng)，晃動(dòng)或者芯片的移動(dòng)而產(chǎn)生的螺桿的偏移或抖動(dòng)，他們共同作為全套裝置的骨架。隨著步進(jìn)電機(jī)b1的轉(zhuǎn)動(dòng)，將帶動(dòng)光強(qiáng)檢測(cè)芯片a在螺桿上平移。在每一點(diǎn)處，光強(qiáng)檢測(cè)芯片將接收到的光強(qiáng)傳輸給單片機(jī)的處理端以便進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸和計(jì)算機(jī)繪圖任務(wù)。

1.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STC89C52，LCD1602，GY-30和ULN2003電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成。利用C語(yǔ)言程序編寫(xiě)程序，以單片機(jī)為核心，將各個(gè)模塊連接起來(lái)。通過(guò)nRF24L01無(wú)線傳輸模塊將測(cè)得光強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，再利用VB制作的繪圖軟件實(shí)時(shí)繪出數(shù)據(jù)曲線。整體設(shè)計(jì)請(qǐng)看流程圖3。

圖3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)圖

2 結(jié)果與分析

2.1 傳統(tǒng)光強(qiáng)檢測(cè)儀所測(cè)光柵常數(shù)的數(shù)據(jù)

用傳統(tǒng)光強(qiáng)檢測(cè)儀去測(cè)得單縫衍射裝置的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，需手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使接收裝置發(fā)生移動(dòng)來(lái)接收到各點(diǎn)的光強(qiáng)。散點(diǎn)圖4顯示了用光波長(zhǎng)度為λ=632.8nm和狹縫0.1mm做的典型測(cè)試結(jié)果。從測(cè)量的數(shù)據(jù)中得到兩相鄰暗條紋間距Xk+1-Xk，進(jìn)而根據(jù)光柵常數(shù)公式d=Lλ/（Xk+1-Xk）算出光柵常數(shù)d為0.702mm。這個(gè)結(jié)果和理論值（d=0.1mm）相比，相對(duì)誤差高達(dá)29%。所以，手動(dòng)實(shí)驗(yàn)不僅耗費(fèi)時(shí)間而且會(huì)增加測(cè)量過(guò)程中因人為轉(zhuǎn)動(dòng)的不精準(zhǔn)而產(chǎn)生的誤差，從而使光強(qiáng)分布圖像不準(zhǔn)確，光柵常數(shù)計(jì)算誤差增大。

圖4 傳統(tǒng)光強(qiáng)檢測(cè)儀數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖

圖5 VB圖顯示的測(cè)量結(jié)果。（a）是狹縫寬度0.1mm;（b）是狹縫寬度0.2mm;（c）是狹縫寬度0.3mm

2.2 遠(yuǎn)程智能光強(qiáng)檢測(cè)儀所測(cè)光柵常數(shù)的數(shù)據(jù)

利用我們研發(fā)的儀器做相同于上面的試驗(yàn)，測(cè)得的結(jié)果顯示在圖5。針對(duì)狹縫寬度0.1mm，0.2mm，和0.3mm，我們測(cè)得的光柵常數(shù)為分別為0.100052mm，0.198mm，和0.244mm;相對(duì)誤差分別為0.05%，1%和18%。

3 討論

我們比較了用傳統(tǒng)手動(dòng)和我們的儀器來(lái)做單縫衍射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。從比較的結(jié)果看，我們的儀器精度比手動(dòng)好百倍。當(dāng)狹縫變寬時(shí)，儀器測(cè)量由主極強(qiáng)到次極強(qiáng)的光強(qiáng)強(qiáng)度范圍更加廣泛，但是計(jì)算所得的狹縫寬度值的精確度有所下降。這是因?yàn)殡S著狹縫寬度的增加，衍射光強(qiáng)的分布更加趨向于緊湊。在這種情況下，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)稍微移動(dòng)一點(diǎn)的距離，光強(qiáng)檢測(cè)芯片就有可能錯(cuò)過(guò)光的極強(qiáng)位置，進(jìn)而產(chǎn)生誤差。由于本裝置由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使光強(qiáng)接收模塊發(fā)生位移，不僅減少了操作過(guò)程中所需要的時(shí)間，而且確保了光強(qiáng)采取點(diǎn)的準(zhǔn)確。同時(shí)，本裝置使用無(wú)線接收模塊傳遞光強(qiáng)信息，利用串口通信將信息實(shí)時(shí)傳遞給遠(yuǎn)方的計(jì)算機(jī)使信息處理更加及時(shí)，不受地域的影響。最后通過(guò)VB軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)的繪圖，減少了實(shí)驗(yàn)者的繪圖負(fù)擔(dān)，同時(shí)讓光強(qiáng)分布更加直觀，有益于加深對(duì)單縫衍射實(shí)驗(yàn)的理解。

我們的儀器可以在軟件和硬件上進(jìn)一步改進(jìn)，比如：在軟件中調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)距離，使其盡可能小幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使光強(qiáng)檢測(cè)芯片更加全面的巡查每一個(gè)檢測(cè)點(diǎn);或者在程序中令步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一次，單片機(jī)多次檢測(cè)同一位置光強(qiáng)，進(jìn)而輸出平均光強(qiáng)以提高檢測(cè)精確度。在硬件中盡量控制光強(qiáng)檢測(cè)芯片移動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定性，使光均勻照射到芯片中。若采取上述方法，誤差就可以進(jìn)一步減少。

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