基于Matlab GUI构建惠斯顿电桥虚拟仿真

张冬梅，黄 勇，高兴斌

（青岛远洋船员职业学院 机电系，山东青岛 266071）

基于Matlab GUI构建惠斯顿电桥虚拟仿真

张冬梅，黄 勇，高兴斌

（青岛远洋船员职业学院 机电系，山东青岛 266071）

以惠斯顿电桥电路为例，利用Matlab函数编程和GUI开发虚拟实验两种方法，构建电路虚拟仿真实验。结果表明，利用Matlab函数编程，可以避免电路繁琐的计算，利于学生定量计算、定性分析，加深对理论知识的理解。利用GUI构建虚拟实验平台，可以进行元件参数设置、对应结果的变化观察并仿真波形，提高学生工程应用分析能力。

Matlab GUI 构建 惠斯顿电桥

1 惠斯顿电桥电路

惠斯顿电桥主要由四个首尾相连的电阻构成，其每条边被称为桥臂，如图1所示。用于把桥臂上不易检测的非电量信号转换为容易检测的电信号，起着信号转换、传输的作用[1]。在船舶随动舵、自动舵控制系统、电阻应变仪系统中广泛使用。

在电阻应变仪中，设电桥各桥臂电阻分别为Rx、R1、R2、R3，其中任何一个桥臂电阻都可以是应变片电阻。电桥的A、C为输入端，接直流电源，输入电压为U；而B、D为输出端，输出信号的电压为U0。本例中，Rx是电阻应变片，粘附在被测零件上。当零件发生变形（伸长或缩短）时，Rx的值随之改变，这反映在输出信号U0的变化上。在测量前，如果把各个电阻调节到Rx=100 Ω，R1=R2=200 Ω，R3=100Ω，这时满足R1R3=R2Rx的电桥平衡条件，U0=0V。在进行测量时，如果测出（1）U0=1 mV，（2）U0=-1 mV，试计算两种情况下 ΔRx，即是根据已知值实现对未知量的测量。分析U0极性的改变反映了什么？设电源电压U是直流电压3 V[2]。

解：Rx变化时，输出信号U0的大小改变，根据KVL定理，从ADC半个电桥来看，R1两端的电压降为

同理，Rx两端的电压降为

故可得到电桥输出电压为

由上式可知，要使电桥平衡，即要使电桥输出电压U0为零，则桥臂电阻必须满足

从以上计算可以看出，满足R1R3=R2Rx时，U0=0V，电桥处于平衡状态。当桥臂电阻Rx发生变化时，电桥就有输出电压U0。

设电桥的输出电压U0变化时，桥臂电阻Rx相应发生了变化ΔRx，

电桥中只有一个桥臂接入被测量，其它三个臂采用固定电阻，是单臂工作模式。如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式。如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。

2 虚拟实验构建流程

在虚拟实验构建过程中，分成两个步骤，利用Matlab函数编程和GUI开发虚拟实验两种方法，构建电路虚拟实验。如右图2虚拟实验构建流程所示[3]。利用Matlab函数编程，其强大的运算功能可以避免电路参数多次变化而需要的频繁繁琐的计算，编程效率高，减少航海类高职院校学生计算量，规避高等数学基础不牢的劣势，有利于学生进行定量计算、定性分析，计算各种可能已知参数改变情况下的未知量的变化趋势，加深对电路基础理论知识的观察与理解。而不是陷入循环计算的电路分析前期的工作之中，使处于信息多元化时代的学生感到枯燥、乏味、抽象[4-6]。

利用GUI构建虚拟实验平台，包含电桥电路及其原理、设置元件参数、动态观察对应结果的改变并仿真波形，具有强大的交互性和可操作性。将抽象的理论知识形象、生动、具体的展示出来，促进教与学的双向过程，提高电路教学的完整性，加深对电路特点的把握，促进学生工程应用分析能力[7-8]。

图2 虚拟实验构建流程

2.1 Matlab函数编程

1)已知量U0，未知量Rx

在MATLAB 软件环境中新建M 文件，编程实现计算：

程序运行结果如下：

2)已知量Rx，未知量U0，并画出U0随Rx变化的曲线

程序运行结果如图3所示。

图3 U0随Rx变化的曲线

从图3曲线可以看出：

Rx=100Ω，满足电桥平衡的条件，U0=0。当Rx减小时，U0增加；当Rx增加时，U0减小。而且Rx有微小变化，就会引起的直流电压U0的显著变化。在本文的电路应用中，Rx变化范围极小，可以反映出零件发生变形（伸长或缩短）的状态，分辨力强，灵敏度高。

此计算结果与[2]中给出的结果相同，验证了用Matlab函数编程的正确性，而且计算速度快，不需反复的手工计算，利于学生观察计算结果和实验现象，整体掌握电桥电路的使用特点。生成仿真波形，利于观察电路的功能特点，从电路构成、参数改变到结果分析，形成宏观的认识，弥补了实验室实验数据可观察性差、时空性及可扩展性差等不足。

2.2 虚拟实验的构建

当前，基于图形界面的人机交互模式应用广泛，几乎所有应用程序都是在GUI下运行的。用户通过鼠标等输入设备，可以方便地与计算机进行信息交流[9]。利用图形用户界面接口开发环境GUIDE，方便、快捷地创建自己的 GUI。使用GUIDE可完成两项工作：(1) GUI图形界面布局；(2) GUI编程[10]。

本虚拟实验平台采用 GUIDE构建，既能在GUI界面中嵌入仿真程序、设置变量参数，又能将计算的数值结果、仿真的图形结果在GUI界面上以人机交互的动态实时方式显示出来。图4给出了虚拟实验的结构框图。

2.2.1 界面设计

在界面的设计中，主要采用了8个触控按钮、4个可编辑文本框、3个静态文本框、2个坐标轴等控件来实现其功能，在布局编辑器中布置控件，并对控件的排列位置进行调整；然后通过编写控件的回调函数来实现控件的功能。其界面布局如图5所示。

图4 GUI设计结构框图

图5 界面布局

1) 坐标轴控件（axes）：axes用于数据的可视化，即显示图形或图像，是核心图形对象的容器。用2个坐标轴控件形成显示区，用来显示电路原理图和仿真波形。用触控按钮“载入电路”加载仿真实验的电路。用触控按钮“变化曲线”加载仿真实验的变化曲线。设置坐标轴控件、触控按钮的“Tag”、“FontSize”等属性。编写触控按钮的回调函数。

触控按钮“载入电路”的回调函数如下：

2) 静态文本框（Static Text）：通常用于显示其他对象的数值、状态等。文中采用3个静态文本框标注相应控件的提示信息。

3) 可编辑文本框（Edit Text）：Edit Text允许用户修改文本内容，用于数据的输入与显示。采用4个可编辑文本框作为可变电阻Rx、输出电压U0等参数设置的输入区。参数设置后以后，点击“U0(mv)”按钮、“ΔRx”按钮，理论计算值的结果就会自动显示在对应的可编辑文本框内。完成参数设置和计算结果显示功能。

4) 按钮（PushButton）：

“载入电路”按钮载入计算采用的电路。“电路结构”按钮调用子界面，介绍计算电路的特点，元件。“待求问题”按钮调用子界面，显示待求解的问题。“解题步骤”调用子界面，介绍计算电路的解题步骤、参数设置问题。“变化曲线”按钮使计算结果的变化趋势显示在 axes2，直观地观察计算结果。“U0(mv)”按钮计算在参数可变电阻Rx变化对应的输出电压值U0。“ΔRx”按钮计算在参数输出电压值U0变化时对应的可变电阻ΔRx。

2.2.2 仿真实验的测试

点击“载入电路”按钮载入计算采用的电路。如图6所示。

图6 载入电路

图7 可变电阻Rx变化对应的输出电压值U0

点击“U0(mv)”按钮计算在参数可变电阻Rx变化对应的输出电压值U0。如图7所示。

点击“变化曲线”按钮使计算结果的变化趋势显示在axes2，直观地观察计算结果。如图8所示。

图8 变化曲线

3 结论

通过本文运算仿真，显示编程进行运算，计算结果准确率高，减少运算的枯燥性和时间，激发并提高了航海类职业院校学生计算机编程软件方面的兴趣与能力；虚拟仿真界面友好，使用简单，覆盖范围广，参数可变，测试结果正确，各模块间逻辑结构清晰，整体运行稳定，更有利于教师的授课讲解和学生的学习理解。是混合式课程改革的一部分。

[1]李育德. 解析惠斯顿电桥在直流测量电路中的应用方程[J]. 测控技术，2009，第28卷第5期：94-97

[2]秦曾煌. 电工学(上册) 电工技术[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006: 27.

[3]张 鸣, 闫红梅. 基于Matlab GUI的信号与系统实验平台设计.

[4]黎霞, 毛一之, 李华.Matlab软件在电工学辅助教学中的应用[J].电气电子教学学报，2010.9，第32卷

[5]刘同娟,马向国.MATLAB在电工电路基础教学中的应用[J].中国现代教育装备，2009.2

[6]易灵芝,王根平,李卫平，彭寒梅. MATLAB在电工学CAI中的应用[J]. 计量与测试技术，2008.第 35卷第5期

[7]常青美,王惠斌,朱忠义,周长林.基于 MATLAB的大规模电路分析[J].继电器，2002.

[8]田铭兴，杨雪凇，顾生杰，原东昇. 基于MATLAB的磁饱和式可控电抗器的仿真模型参数及过渡时间分析[J].自动化设备.Jun.2013,Vol.33 No.6.

[9]刘芳,吴成就,潘俊涛. 基于MATLAB/GUI的电力电子电路仿真平台构建[J].实验技术与管理,2016,Vol.33 No.1:107-110,126.

[10]罗华飞.MATLAB GUI设计学习手记(第三版).[M]北京：北京航空航天大学出版社，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

张冬梅（1978-），女，讲师。研究方向：机电。E-mail: zhangdm@coscoqmc.com.cn