遠程智能光強度檢測器的研究

徐博洋　童艷榮　程麗媛　王吉寧

【摘 要】本文研究的內容是遠程智能光強檢測系統。為了實現實驗測量的自動化、高精度、和無線傳輸功能，我們利用STC89C52單片機控制電機轉動來帶動光強檢測芯片移動，并通過無線傳輸模塊，串口傳輸數據至計算機。結合VB繪圖功能實現各種光強的實時顯示，從而繪出光強分布圖像。從單縫衍射的實驗測量結果，由VB圖像可得到主極強到第一極弱的距離，通過公式算出光柵常數。與原手動實驗相比，我們的儀器不僅能直觀地看到單縫衍射條紋的光強分布情況，同時減少了手動操作帶來的誤差，使得計算結果更精確。

【關鍵詞】單片機;智能光強檢測;光柵常數;單縫衍射

中圖分類號： TK513.4文獻標識碼： A文章編號： 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

單縫衍射實驗是大學物理中光學方面重要的實驗之一，利用單縫衍射條紋來計算光柵常數。目前實驗室中所用的測量儀器為數字檢流計，利用光電探頭檢測光強分布，將各個位置的光強數據轉換為不同大小的電流顯示在數字檢流計上。人工轉動手輪每隔0.5mm記錄一次數據，然后經過計算和畫圖得出單縫衍射圖像。為了使實驗過程簡單化和自動化，我們研制了遠程智能光強檢測儀器。利用STC89C52單片機作為控制系統[1]，將光強檢測芯片GY-30固定在螺桿上，并由步進電機驅動螺桿轉動，使得芯片勻速移動，自動等間隔的記錄光強數據[2]。對于遠程智能光強檢測系統，首先由光強檢測模塊GY-30對光強信息進行實時采集并在模塊內轉化為數字信號輸出，接著由單片機接收并對所測得數據進行處理。然后通過nRF24L01無線收發模塊將數據無線傳輸至接收方單片機[3]。最后由單片機控制LCD1604液晶顯示屏顯示光強數據，同時單片機傳輸數據至計算機內實時進行光強的圖像繪制[4]。我們研發的儀器，使得單縫衍射實驗過程更加簡潔和自動化，使學生更加直觀的理解單縫衍射現象，而不是得到很多抽象的數據。從而讓學生更加直觀的觀察整個實驗過程，在觀察的過程中對單縫衍射實驗有更深刻的理解，激發更深入探究實驗的興趣。

圖1 光路系統圖

1 研究方法和儀器設計

1.1 整體光路系統的設計

圖1顯示了我們的光路系統設計。最左側為氦氖激光發射源，是整個光路的光源;中間裝置為狹縫，分為三種類型：0.1mm，0.2mm，0.3mm;最右側為遠程智能光強檢測儀。當氦氖激光源發射激光后，光束將通過狹縫產生衍射，使衍射光投射到遠程智能光強檢測系統中開始進行光強檢測，數據無線傳輸，圖像繪制等工作。

1.2 遠程智能光強檢測儀的設計

圖2 遠程智能光強檢測儀圖

圖2顯示了遠程智能光強檢測儀示意圖。a為光強檢測芯片，用于將檢測到的光強以電流值的形式傳輸到發送端單片機;b為移動裝置部分，用于控制和穩定芯片的運動：其中b1為步進電機，用于為光強檢測芯片的橫向移動提供動力;b2為螺桿，光強檢測芯片會在螺桿上做橫向的平動;b3為螺母，用于固定光強檢測芯片;c為固定裝置部分，用于固定儀器的架構：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，晃動或者芯片的移動而產生的螺桿的偏移或抖動，他們共同作為全套裝置的骨架。隨著步進電機b1的轉動，將帶動光強檢測芯片a在螺桿上平移。在每一點處，光強檢測芯片將接收到的光強傳輸給單片機的處理端以便進行后續的數據無線傳輸和計算機繪圖任務。

1.3 系統的軟件設計

本設計采用STC89C52，LCD1602，GY-30和ULN2003電機驅動模塊構成。利用C語言程序編寫程序，以單片機為核心，將各個模塊連接起來。通過nRF24L01無線傳輸模塊將測得光強數據傳輸給計算機，再利用VB制作的繪圖軟件實時繪出數據曲線。整體設計請看流程圖3。

圖3 系統的軟件設計圖

2 結果與分析

2.1 傳統光強檢測儀所測光柵常數的數據

用傳統光強檢測儀去測得單縫衍射裝置的光強數據，需手動轉動手輪使接收裝置發生移動來接收到各點的光強。散點圖4顯示了用光波長度為λ=632.8nm和狹縫0.1mm做的典型測試結果。從測量的數據中得到兩相鄰暗條紋間距Xk+1-Xk，進而根據光柵常數公式d=Lλ/（Xk+1-Xk）算出光柵常數d為0.702mm。這個結果和理論值（d=0.1mm）相比，相對誤差高達29%。所以，手動實驗不僅耗費時間而且會增加測量過程中因人為轉動的不精準而產生的誤差，從而使光強分布圖像不準確，光柵常數計算誤差增大。

圖4 傳統光強檢測儀數據的散點圖

圖5 VB圖顯示的測量結果。（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 遠程智能光強檢測儀所測光柵常數的數據

利用我們研發的儀器做相同于上面的試驗，測得的結果顯示在圖5。針對狹縫寬度0.1mm，0.2mm，和0.3mm，我們測得的光柵常數為分別為0.100052mm，0.198mm，和0.244mm;相對誤差分別為0.05%，1%和18%。

3 討論

我們比較了用傳統手動和我們的儀器來做單縫衍射實驗的結果。從比較的結果看，我們的儀器精度比手動好百倍。當狹縫變寬時，儀器測量由主極強到次極強的光強強度范圍更加廣泛，但是計算所得的狹縫寬度值的精確度有所下降。這是因為隨著狹縫寬度的增加，衍射光強的分布更加趨向于緊湊。在這種情況下，當步進電機稍微移動一點的距離，光強檢測芯片就有可能錯過光的極強位置，進而產生誤差。由于本裝置由單片機控制步進電機的勻速轉動，從而使光強接收模塊發生位移，不僅減少了操作過程中所需要的時間，而且確保了光強采取點的準確。同時，本裝置使用無線接收模塊傳遞光強信息，利用串口通信將信息實時傳遞給遠方的計算機使信息處理更加及時，不受地域的影響。最后通過VB軟件進行實時的繪圖，減少了實驗者的繪圖負擔，同時讓光強分布更加直觀，有益于加深對單縫衍射實驗的理解。

我們的儀器可以在軟件和硬件上進一步改進，比如：在軟件中調整步進電機的移動距離，使其盡可能小幅度的轉動，進而使光強檢測芯片更加全面的巡查每一個檢測點;或者在程序中令步進電機每轉動一次，單片機多次檢測同一位置光強，進而輸出平均光強以提高檢測精確度。在硬件中盡量控制光強檢測芯片移動過程的穩定性，使光均勻照射到芯片中。若采取上述方法，誤差就可以進一步減少。

【參考文獻】

[1]郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京：電子工業出版社，2009.12：8-12.

[2]黃華飛.基于單片機的步進電機控制器制作[J].科技風， 2016（12）：4-4.

[3]劉志平，趙國良.基于nRF24L01的近距離無線數據傳輸[J].應用科技，2008，35（3）：55-58.

[4]覃釗.基于.NET的MATLAB與Visual-Basic混合編程的研究[J].城市勘測，2012（6）：107-112.