基于Matlab GUI構(gòu)建惠斯頓電橋虛擬仿真

張冬梅，黃 勇，高興斌

（青島遠洋船員職業(yè)學(xué)院 機電系，山東青島 266071）

基于Matlab GUI構(gòu)建惠斯頓電橋虛擬仿真

張冬梅，黃 勇，高興斌

（青島遠洋船員職業(yè)學(xué)院 機電系，山東青島 266071）

以惠斯頓電橋電路為例，利用Matlab函數(shù)編程和GUI開發(fā)虛擬實驗兩種方法，構(gòu)建電路虛擬仿真實驗。結(jié)果表明，利用Matlab函數(shù)編程，可以避免電路繁瑣的計算，利于學(xué)生定量計算、定性分析，加深對理論知識的理解。利用GUI構(gòu)建虛擬實驗平臺，可以進行元件參數(shù)設(shè)置、對應(yīng)結(jié)果的變化觀察并仿真波形，提高學(xué)生工程應(yīng)用分析能力。

Matlab GUI 構(gòu)建 惠斯頓電橋

1 惠斯頓電橋電路

惠斯頓電橋主要由四個首尾相連的電阻構(gòu)成，其每條邊被稱為橋臂，如圖1所示。用于把橋臂上不易檢測的非電量信號轉(zhuǎn)換為容易檢測的電信號，起著信號轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)淖饔肹1]。在船舶隨動舵、自動舵控制系統(tǒng)、電阻應(yīng)變儀系統(tǒng)中廣泛使用。

在電阻應(yīng)變儀中，設(shè)電橋各橋臂電阻分別為Rx、R1、R2、R3，其中任何一個橋臂電阻都可以是應(yīng)變片電阻。電橋的A、C為輸入端，接直流電源，輸入電壓為U；而B、D為輸出端，輸出信號的電壓為U0。本例中，Rx是電阻應(yīng)變片，粘附在被測零件上。當(dāng)零件發(fā)生變形（伸長或縮短）時，Rx的值隨之改變，這反映在輸出信號U0的變化上。在測量前，如果把各個電阻調(diào)節(jié)到Rx=100 Ω，R1=R2=200 Ω，R3=100Ω，這時滿足R1R3=R2Rx的電橋平衡條件，U0=0V。在進行測量時，如果測出（1）U0=1 mV，（2）U0=-1 mV，試計算兩種情況下 ΔRx，即是根據(jù)已知值實現(xiàn)對未知量的測量。分析U0極性的改變反映了什么？設(shè)電源電壓U是直流電壓3 V[2]。

解：Rx變化時，輸出信號U0的大小改變，根據(jù)KVL定理，從ADC半個電橋來看，R1兩端的電壓降為

同理，Rx兩端的電壓降為

故可得到電橋輸出電壓為

由上式可知，要使電橋平衡，即要使電橋輸出電壓U0為零，則橋臂電阻必須滿足

從以上計算可以看出，滿足R1R3=R2Rx時，U0=0V，電橋處于平衡狀態(tài)。當(dāng)橋臂電阻Rx發(fā)生變化時，電橋就有輸出電壓U0。

設(shè)電橋的輸出電壓U0變化時，橋臂電阻Rx相應(yīng)發(fā)生了變化ΔRx，

電橋中只有一個橋臂接入被測量，其它三個臂采用固定電阻，是單臂工作模式。如果電橋兩個臂接入被測量，另兩個為固定電阻就稱為雙臂工作電橋，又稱為半橋形式。如果四個橋臂都接入被測量則稱為全橋形式。

2 虛擬實驗構(gòu)建流程

在虛擬實驗構(gòu)建過程中，分成兩個步驟，利用Matlab函數(shù)編程和GUI開發(fā)虛擬實驗兩種方法，構(gòu)建電路虛擬實驗。如右圖2虛擬實驗構(gòu)建流程所示[3]。利用Matlab函數(shù)編程，其強大的運算功能可以避免電路參數(shù)多次變化而需要的頻繁繁瑣的計算，編程效率高，減少航海類高職院校學(xué)生計算量，規(guī)避高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不牢的劣勢，有利于學(xué)生進行定量計算、定性分析，計算各種可能已知參數(shù)改變情況下的未知量的變化趨勢，加深對電路基礎(chǔ)理論知識的觀察與理解。而不是陷入循環(huán)計算的電路分析前期的工作之中，使處于信息多元化時代的學(xué)生感到枯燥、乏味、抽象[4-6]。

利用GUI構(gòu)建虛擬實驗平臺，包含電橋電路及其原理、設(shè)置元件參數(shù)、動態(tài)觀察對應(yīng)結(jié)果的改變并仿真波形，具有強大的交互性和可操作性。將抽象的理論知識形象、生動、具體的展示出來，促進教與學(xué)的雙向過程，提高電路教學(xué)的完整性，加深對電路特點的把握，促進學(xué)生工程應(yīng)用分析能力[7-8]。

圖2 虛擬實驗構(gòu)建流程

2.1 Matlab函數(shù)編程

1)已知量U0，未知量Rx

在MATLAB 軟件環(huán)境中新建M 文件，編程實現(xiàn)計算：

程序運行結(jié)果如下：

2)已知量Rx，未知量U0，并畫出U0隨Rx變化的曲線

程序運行結(jié)果如圖3所示。

圖3 U0隨Rx變化的曲線

從圖3曲線可以看出：

Rx=100Ω，滿足電橋平衡的條件，U0=0。當(dāng)Rx減小時，U0增加；當(dāng)Rx增加時，U0減小。而且Rx有微小變化，就會引起的直流電壓U0的顯著變化。在本文的電路應(yīng)用中，Rx變化范圍極小，可以反映出零件發(fā)生變形（伸長或縮短）的狀態(tài)，分辨力強，靈敏度高。

此計算結(jié)果與[2]中給出的結(jié)果相同，驗證了用Matlab函數(shù)編程的正確性，而且計算速度快，不需反復(fù)的手工計算，利于學(xué)生觀察計算結(jié)果和實驗現(xiàn)象，整體掌握電橋電路的使用特點。生成仿真波形，利于觀察電路的功能特點，從電路構(gòu)成、參數(shù)改變到結(jié)果分析，形成宏觀的認識，彌補了實驗室實驗數(shù)據(jù)可觀察性差、時空性及可擴展性差等不足。

2.2 虛擬實驗的構(gòu)建

當(dāng)前，基于圖形界面的人機交互模式應(yīng)用廣泛，幾乎所有應(yīng)用程序都是在GUI下運行的。用戶通過鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，可以方便地與計算機進行信息交流[9]。利用圖形用戶界面接口開發(fā)環(huán)境GUIDE，方便、快捷地創(chuàng)建自己的 GUI。使用GUIDE可完成兩項工作：(1) GUI圖形界面布局；(2) GUI編程[10]。

本虛擬實驗平臺采用 GUIDE構(gòu)建，既能在GUI界面中嵌入仿真程序、設(shè)置變量參數(shù)，又能將計算的數(shù)值結(jié)果、仿真的圖形結(jié)果在GUI界面上以人機交互的動態(tài)實時方式顯示出來。圖4給出了虛擬實驗的結(jié)構(gòu)框圖。

2.2.1 界面設(shè)計

在界面的設(shè)計中，主要采用了8個觸控按鈕、4個可編輯文本框、3個靜態(tài)文本框、2個坐標(biāo)軸等控件來實現(xiàn)其功能，在布局編輯器中布置控件，并對控件的排列位置進行調(diào)整；然后通過編寫控件的回調(diào)函數(shù)來實現(xiàn)控件的功能。其界面布局如圖5所示。

圖4 GUI設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

圖5 界面布局

1) 坐標(biāo)軸控件（axes）：axes用于數(shù)據(jù)的可視化，即顯示圖形或圖像，是核心圖形對象的容器。用2個坐標(biāo)軸控件形成顯示區(qū)，用來顯示電路原理圖和仿真波形。用觸控按鈕“載入電路”加載仿真實驗的電路。用觸控按鈕“變化曲線”加載仿真實驗的變化曲線。設(shè)置坐標(biāo)軸控件、觸控按鈕的“Tag”、“FontSize”等屬性。編寫觸控按鈕的回調(diào)函數(shù)。

觸控按鈕“載入電路”的回調(diào)函數(shù)如下：

2) 靜態(tài)文本框（Static Text）：通常用于顯示其他對象的數(shù)值、狀態(tài)等。文中采用3個靜態(tài)文本框標(biāo)注相應(yīng)控件的提示信息。

3) 可編輯文本框（Edit Text）：Edit Text允許用戶修改文本內(nèi)容，用于數(shù)據(jù)的輸入與顯示。采用4個可編輯文本框作為可變電阻Rx、輸出電壓U0等參數(shù)設(shè)置的輸入?yún)^(qū)。參數(shù)設(shè)置后以后，點擊“U0(mv)”按鈕、“ΔRx”按鈕，理論計算值的結(jié)果就會自動顯示在對應(yīng)的可編輯文本框內(nèi)。完成參數(shù)設(shè)置和計算結(jié)果顯示功能。

4) 按鈕（PushButton）：

“載入電路”按鈕載入計算采用的電路?！半娐方Y(jié)構(gòu)”按鈕調(diào)用子界面，介紹計算電路的特點，元件?！按髥栴}”按鈕調(diào)用子界面，顯示待求解的問題?！敖忸}步驟”調(diào)用子界面，介紹計算電路的解題步驟、參數(shù)設(shè)置問題?！白兓€”按鈕使計算結(jié)果的變化趨勢顯示在 axes2，直觀地觀察計算結(jié)果?！癠0(mv)”按鈕計算在參數(shù)可變電阻Rx變化對應(yīng)的輸出電壓值U0?！唉x”按鈕計算在參數(shù)輸出電壓值U0變化時對應(yīng)的可變電阻ΔRx。

2.2.2 仿真實驗的測試

點擊“載入電路”按鈕載入計算采用的電路。如圖6所示。

圖6 載入電路

圖7 可變電阻Rx變化對應(yīng)的輸出電壓值U0

點擊“U0(mv)”按鈕計算在參數(shù)可變電阻Rx變化對應(yīng)的輸出電壓值U0。如圖7所示。

點擊“變化曲線”按鈕使計算結(jié)果的變化趨勢顯示在axes2，直觀地觀察計算結(jié)果。如圖8所示。

圖8 變化曲線

3 結(jié)論

通過本文運算仿真，顯示編程進行運算，計算結(jié)果準(zhǔn)確率高，減少運算的枯燥性和時間，激發(fā)并提高了航海類職業(yè)院校學(xué)生計算機編程軟件方面的興趣與能力；虛擬仿真界面友好，使用簡單，覆蓋范圍廣，參數(shù)可變，測試結(jié)果正確，各模塊間邏輯結(jié)構(gòu)清晰，整體運行穩(wěn)定，更有利于教師的授課講解和學(xué)生的學(xué)習(xí)理解。是混合式課程改革的一部分。

[1]李育德. 解析惠斯頓電橋在直流測量電路中的應(yīng)用方程[J]. 測控技術(shù)，2009，第28卷第5期：94-97

[2]秦曾煌. 電工學(xué)(上冊) 電工技術(shù)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006: 27.

[3]張 鳴, 閆紅梅. 基于Matlab GUI的信號與系統(tǒng)實驗平臺設(shè)計.

[4]黎霞, 毛一之, 李華.Matlab軟件在電工學(xué)輔助教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010.9，第32卷

[5]劉同娟,馬向國.MATLAB在電工電路基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2009.2

[6]易靈芝,王根平,李衛(wèi)平，彭寒梅. MATLAB在電工學(xué)CAI中的應(yīng)用[J]. 計量與測試技術(shù)，2008.第 35卷第5期

[7]常青美,王惠斌,朱忠義,周長林.基于 MATLAB的大規(guī)模電路分析[J].繼電器，2002.

[8]田銘興，楊雪凇，顧生杰，原東昇. 基于MATLAB的磁飽和式可控電抗器的仿真模型參數(shù)及過渡時間分析[J].自動化設(shè)備.Jun.2013,Vol.33 No.6.

[9]劉芳,吳成就,潘俊濤. 基于MATLAB/GUI的電力電子電路仿真平臺構(gòu)建[J].實驗技術(shù)與管理,2016,Vol.33 No.1:107-110,126.

[10]羅華飛.MATLAB GUI設(shè)計學(xué)習(xí)手記(第三版).[M]北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014:354.

Virtual Simulation of Wheatstone Bridge Based on Matlab GUI

Zhang Dongmei, Huang Yong, Gao Xingbin
(Department of Marine Engineering,Qingdao Ocean Shipping Mariners College,Qingdao 266071, China)

Taking wheatstone bridge as an example, a virtual circuit experiment is modeled by using two methods of the functions of Matlab programming and GUI development virtual experiment. The results show that it can avoid complicated calculation, quantitative calculation and qualitative analysis and conducive to the students, deepen the understanding of theoretical knowledge based on Matlab programming. The virtual experiment platform is constructed for GUI component parameter settings, the change of corresponding results observation and simulation waveform and improvements of students’ ability in engineering analysis by using GUI.

Matlab; GUI; modeling; Wheatstone bridge

TM938

A

1003-4862（2017）10-0077-04

2017-08-21

張冬梅（1978-），女，講師。研究方向：機電。E-mail: zhangdm@coscoqmc.com.cn