基于Matlab GUI構建惠斯頓電橋虛擬仿真

張冬梅，黃 勇，高興斌

（青島遠洋船員職業學院 機電系，山東青島 266071）

基于Matlab GUI構建惠斯頓電橋虛擬仿真

張冬梅，黃 勇，高興斌

（青島遠洋船員職業學院 機電系，山東青島 266071）

以惠斯頓電橋電路為例，利用Matlab函數編程和GUI開發虛擬實驗兩種方法，構建電路虛擬仿真實驗。結果表明，利用Matlab函數編程，可以避免電路繁瑣的計算，利于學生定量計算、定性分析，加深對理論知識的理解。利用GUI構建虛擬實驗平臺，可以進行元件參數設置、對應結果的變化觀察并仿真波形，提高學生工程應用分析能力。

Matlab GUI 構建 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換為容易檢測的電信號，起著信號轉換、傳輸的作用[1]。在船舶隨動舵、自動舵控制系統、電阻應變儀系統中廣泛使用。

在電阻應變儀中，設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是電阻應變片，粘附在被測零件上。當零件發生變形（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，如果把各個電阻調節到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，即是根據已知值實現對未知量的測量。分析U0極性的改變反映了什么？設電源電壓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。當橋臂電阻Rx發生變化時，電橋就有輸出電壓U0。

設電橋的輸出電壓U0變化時，橋臂電阻Rx相應發生了變化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 虛擬實驗構建流程

在虛擬實驗構建過程中，分成兩個步驟，利用Matlab函數編程和GUI開發虛擬實驗兩種方法，構建電路虛擬實驗。如右圖2虛擬實驗構建流程所示[3]。利用Matlab函數編程，其強大的運算功能可以避免電路參數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生計算量，規避高等數學基礎不牢的劣勢，有利于學生進行定量計算、定性分析，計算各種可能已知參數改變情況下的未知量的變化趨勢，加深對電路基礎理論知識的觀察與理解。而不是陷入循環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生感到枯燥、乏味、抽象[4-6]。

利用GUI構建虛擬實驗平臺，包含電橋電路及其原理、設置元件參數、動態觀察對應結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，促進教與學的雙向過程，提高電路教學的完整性，加深對電路特點的把握，促進學生工程應用分析能力[7-8]。

圖2 虛擬實驗構建流程

2.1 Matlab函數編程

1)已知量U0，未知量Rx

在MATLAB 軟件環境中新建M 文件，編程實現計算：

程序運行結果如下：

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Rx減小時，U0增加；當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。在本文的電路應用中，Rx變化范圍極小，可以反映出零件發生變形（伸長或縮短）的狀態，分辨力強，靈敏度高。

此計算結果與[2]中給出的結果相同，驗證了用Matlab函數編程的正確性，而且計算速度快，不需反復的手工計算，利于學生觀察計算結果和實驗現象，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，從電路構成、參數改變到結果分析，形成宏觀的認識，彌補了實驗室實驗數據可觀察性差、時空性及可擴展性差等不足。

2.2 虛擬實驗的構建

當前，基于圖形界面的人機交互模式應用廣泛，幾乎所有應用程序都是在GUI下運行的。用戶通過鼠標等輸入設備，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環境GUIDE，方便、快捷地創建自己的 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構建，既能在GUI界面中嵌入仿真程序、設置變量參數，又能將計算的數值結果、仿真的圖形結果在GUI界面上以人機交互的動態實時方式顯示出來。圖4給出了虛擬實驗的結構框圖。

2.2.1 界面設計

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

圖4 GUI設計結構框圖

圖5 界面布局

1) 坐標軸控件（axes）：axes用于數據的可視化，即顯示圖形或圖像，是核心圖形對象的容器。用2個坐標軸控件形成顯示區，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。設置坐標軸控件、觸控按鈕的“Tag”、“FontSize”等屬性。編寫觸控按鈕的回調函數。

觸控按鈕“載入電路”的回調函數如下：

2) 靜態文本框（Static Text）：通常用于顯示其他對象的數值、狀態等。文中采用3個靜態文本框標注相應控件的提示信息。

3) 可編輯文本框（Edit Text）：Edit Text允許用戶修改文本內容，用于數據的輸入與顯示。采用4個可編輯文本框作為可變電阻Rx、輸出電壓U0等參數設置的輸入區。參數設置后以后，點擊“U0(mv)”按鈕、“ΔRx”按鈕，理論計算值的結果就會自動顯示在對應的可編輯文本框內。完成參數設置和計算結果顯示功能。

4) 按鈕（PushButton）：

“載入電路”按鈕載入計算采用的電路。“電路結構”按鈕調用子界面，介紹計算電路的特點，元件。“待求問題”按鈕調用子界面，顯示待求解的問題。“解題步驟”調用子界面，介紹計算電路的解題步驟、參數設置問題。“變化曲線”按鈕使計算結果的變化趨勢顯示在 axes2，直觀地觀察計算結果。“U0(mv)”按鈕計算在參數可變電阻Rx變化對應的輸出電壓值U0。“ΔRx”按鈕計算在參數輸出電壓值U0變化時對應的可變電阻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變化對應的輸出電壓值U0

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

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

圖8 變化曲線

3 結論

通過本文運算仿真，顯示編程進行運算，計算結果準確率高，減少運算的枯燥性和時間，激發并提高了航海類職業院校學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，參數可變，測試結果正確，各模塊間邏輯結構清晰，整體運行穩定，更有利于教師的授課講解和學生的學習理解。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用方程[J]. 測控技術，2009，第28卷第5期：94-97

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

[3]張 鳴, 閆紅梅. 基于Matlab GUI的信號與系統實驗平臺設計.

[4]黎霞, 毛一之, 李華.Matlab軟件在電工學輔助教學中的應用[J].電氣電子教學學報，2010.9，第32卷

[5]劉同娟,馬向國.MATLAB在電工電路基礎教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2009.2

[6]易靈芝,王根平,李衛平，彭寒梅. MATLAB在電工學CAI中的應用[J]. 計量與測試技術，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及過渡時間分析[J].自動化設備.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建[J].實驗技術與管理,2016,Vol.33 No.1:107-110,126.

[10]羅華飛.MATLAB GUI設計學習手記(第三版).[M]北京：北京航空航天大學出版社，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