測控技術(shù)與儀器課程設(shè)計(jì)-電流環(huán)磁場的分布

1、測試與光電工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 測控技術(shù)與儀器 系 090812 班 學(xué)號(hào) 09081209 姓名 王若玨 課題名稱： 電流環(huán)磁場的分布 課題要求：1. 建立電流環(huán)磁場模型2. 掌握?qǐng)D形的繪制3. 編寫圖形顯示界面4. 顯示電流環(huán)磁場分布圖課題進(jìn)程：第一周：確定使用哪種計(jì)算機(jī)語言編程； 編寫主要功能。第二周：程序的完善、運(yùn)行與調(diào)試；撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。 指導(dǎo)教師： 袁麗華 第14頁（共13頁）【摘要】 MATLAB是由美國MathWorks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成

2、在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。 本課程設(shè)計(jì)根據(jù)畢奧一薩伐爾定律推導(dǎo)出圓環(huán)電流磁場分布的積分表示，利用MATLAB的符號(hào)積分得出計(jì)算結(jié)果，并繪制磁場分布曲線。并通過GUI制作可交互式界面進(jìn)行仿真與演示。本課程設(shè)計(jì)選用MATLAB R2008a軟件。 關(guān)鍵詞： 圓環(huán)電流；磁場；MATLAB；符號(hào)積分；GUI 目錄一 引言11.1 課題簡介11.2 課題制作要點(diǎn)11.3 MATLAB軟件1二 理論分析2

3、2.1 畢奧一薩伐爾定律22.2 電流元在圓環(huán)外的磁場22.3 電流元在圓環(huán)內(nèi)的磁場32.4 距離圓心z處的磁感應(yīng)強(qiáng)度3三 程序設(shè)計(jì)43.1 GUI界面設(shè)計(jì)43.1.1 創(chuàng)建GUI文件43.1.2 GUI布局與控件設(shè)計(jì)43.1.3 GUI菜單欄設(shè)計(jì)63.2 功能實(shí)現(xiàn)63.2.1 菜單功能63.2.2 繪圖設(shè)置相關(guān)控件功能實(shí)現(xiàn)7四 GUI運(yùn)行效果114.1 GUI初始化效果114.2 菜單欄效果114.3 繪圖效果12五 心得體會(huì) 13六 參考文獻(xiàn)131 引言1.1 課題簡介圓電流是一個(gè)經(jīng)典的物理模型。對(duì)圓電流內(nèi)磁場分布特性的研究，在宏觀上可以改善線圈繞組在電機(jī)中的應(yīng)用。微觀上。可以給分子電流提

4、供理論基礎(chǔ)，對(duì)進(jìn)一步研究磁介質(zhì)的磁性特征也有重要參考價(jià)值。本課題主要著重于對(duì)電流環(huán)磁場進(jìn)行建模與仿真，根據(jù)畢奧一薩伐爾定律通過設(shè)定電流環(huán)半徑、電流強(qiáng)度，模擬不同情況下磁場與磁感線的分布情況，并繪制成圖像。 1.2 課題制作要點(diǎn) 電流環(huán)磁場參數(shù)的設(shè)定 電流環(huán)磁場的建模與仿真 可交互式GUI界面的設(shè)計(jì)1.3 MATLAB軟件簡介MATLAB是由美國MathWorks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科

5、學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB是一個(gè)高級(jí)的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運(yùn)行。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLAB能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。MATLAB是一個(gè)包含大量計(jì)算算法的集合。其擁有600多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用

6、的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C和C+ 。在計(jì)算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會(huì)大大減少。MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。新版本的MATLAB對(duì)整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能而且對(duì)于一些其他軟件所沒有的功能，MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時(shí)對(duì)一些特殊的可視化要求，另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對(duì)這方面有特殊要求

7、的用戶也可以得到滿足。 2 理論分析2.1 畢奧一薩伐爾定律畢奧一薩伐爾定律是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)經(jīng)過科學(xué)抽象而得到的，描述的是電流元在空間任一點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。原則上利用畢奧一薩伐爾定律并結(jié)合磁感應(yīng)強(qiáng)度疊加原理，可以計(jì)算任意形狀的電流所產(chǎn)生的磁場。 畢奧薩伐爾定律指出：載流導(dǎo)線上的電流元在真空中某點(diǎn)P的磁感度dB的大小與電流元的大小成正比，與電流元和從電流元到P點(diǎn)的位矢r之間的夾角 的正弦成正比，與位矢r的大小的平方成反比，即： 上式中，為位矢的單位矢量。此即畢奧薩伐爾定律的公式表述。2.2 電流元在圓環(huán)外的磁場 圖1 電流元在電流環(huán)外的磁場如圖1所示，根據(jù)畢奧一薩伐爾定律，任一電流元在P點(diǎn)產(chǎn)生的

8、磁感應(yīng)強(qiáng)度 ，考慮到，, 有（1）。2.3 電流元在圓環(huán)內(nèi)的磁場 圖2 電流元在電流環(huán)內(nèi)的磁場 如圖2所示，電流元在P點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即（2）。2.4 距離圓心z處的磁感應(yīng)強(qiáng)度比較電流元在圓環(huán)內(nèi)、外的磁場表達(dá)式，兩式僅相差一個(gè)負(fù)號(hào)。該負(fù)號(hào)體現(xiàn)了兩種情況下磁場方向正好相反。若規(guī)定垂直紙面向外為磁感應(yīng)強(qiáng)度的正方向，則電流元在圓環(huán)內(nèi)、外產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度可統(tǒng)一表示為( 2 )式的形式。結(jié)合磁感應(yīng)強(qiáng)度疊加原理，整個(gè)圓環(huán)電流在距圓心處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為： 3 程序設(shè)計(jì)3.1 GUI界面設(shè)計(jì)3.1.1 創(chuàng)建GUI文件打開MATLAB軟件后，點(diǎn)擊菜單欄中的“GUIDE”按鈕，進(jìn)入“GUIDE quick

9、 start”，選擇“Create New GUI”選項(xiàng)卡，選擇“Blank GUI（default）”創(chuàng)建一空白GUI文檔。并命名為“cichang1.fig”如圖3所示。圖3 創(chuàng)建一空白GUI3.1.2 GUI布局與控件設(shè)計(jì) GUI布局如圖4，所用控件羅列于表1。圖4 GUI布局控件名稱控件屬性控件用途FontSizeString（Title）TagPanel15繪圖設(shè)置uipanel4放置繪圖設(shè)置的其他控件Panel15視角切換uipanel3放置用于視角切換的控件Axesaxes1顯示磁場及磁感線分布圖像Static Text25帶電電流環(huán)周圍空間的磁場分布text1標(biāo)題Static

10、Text15電流值text3顯示Static Text15Atext4電流值單位Static Text15環(huán)半徑text5顯示Static Text15mtext6環(huán)半徑單位Listbox15電流環(huán)的磁場分布圖;電流環(huán)的磁感線分布圖listbox1選擇繪圖類型Push Button15繪制圖像pushbutton2繪制圖像Push Button15重置參數(shù)pushbutton7重置參數(shù)Edit Text15edit3設(shè)置電流參數(shù)值Edit Text15edit4設(shè)置環(huán)半徑數(shù)值Edit Text15測試圖edit1顯示圖像名稱Radio Button12自由視角radiobutton1開啟三維圖

11、像自由視角Radio Button12鎖定視角radiobutton1關(guān)閉三維圖像自由視角表1 所用控件3.1.3 GUI菜單欄設(shè)計(jì)為使用戶獲得更方便的使用體驗(yàn)，故增加菜單欄。點(diǎn)擊“Menu Editor”進(jìn)行制作。如圖5。圖5 菜單欄編輯3.2 功能實(shí)現(xiàn)GUI界面設(shè)計(jì)過后，對(duì)相關(guān)控件的“View Callbacks”中的函數(shù)進(jìn)行編輯，以實(shí)現(xiàn)既定功能。3.2.1 菜單功能（1） 菜單欄中的退出功能 點(diǎn)擊“Menu Editor”中的“退出”選項(xiàng)，設(shè)置Tag屬性為“Untitled_1”，并對(duì)回調(diào)函數(shù)進(jìn)行編輯。如圖6.圖6 退出功能編輯程序代碼如下：function Untitled_1_Cal

12、lback(hObject, eventdata, handles)selection=questdlg('是否關(guān)閉',get(gcf,'Name'),'窗口？', . 'Close ',get(gcf,'Name'),'.','是','否','是');if strcmp(selection,'否') return; else clc;%當(dāng)選擇關(guān)閉時(shí)，清空所有matla輸入面上的所有錯(cuò)誤信息，同時(shí)關(guān)閉圖像窗口 clear all;del

13、ete(gcf); End（2） 菜單欄中的說明功能 點(diǎn)擊“Menu Editor”中的“說明”選項(xiàng)，設(shè)置Tag屬性為“Untitled_2”，并對(duì)回調(diào)函數(shù)進(jìn)行編輯。程序代碼如下：function Untitled_2_Callback(hObject, eventdata, handles)msgbox('利用畢奧薩伐爾定律作圖','說明')3.2.2 繪圖設(shè)置相關(guān)控件功能實(shí)現(xiàn) （1） 選擇繪制圖像類型 當(dāng)選擇“l(fā)istbox1”中的某一選項(xiàng)時(shí)，坐標(biāo)軸下方的“EditText”也顯示相應(yīng)的文字說明。鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊“l(fā)istbox1”選擇“View Callbac

14、ks”中的“Callback”進(jìn)行編輯。如圖7。圖7 程序代碼如下：function listbox1_Callback(hObject, eventdata, handles)selected.index=get(handles.listbox1,'value');str=get(handles.listbox1,'string');set(handles.edit1,'string',strselected.index);（2） 繪制圖像按鈕功能實(shí)現(xiàn) 當(dāng)使用者選擇好所要繪制的圖像類型后，點(diǎn)擊“繪制圖像”按鈕，則在坐標(biāo)軸中出現(xiàn)相應(yīng)的圖像。圖像下

15、方的文本框中顯示圖像名稱。對(duì)“PushButton 2”的回調(diào)函數(shù)進(jìn)行編輯。程序代碼如下：function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)axes(handles.axes1);cla;popup_sel_index = get(handles.listbox1, 'Value');Rh=str2double(get(handles.edit4, 'String'); %通過edit4輸入環(huán)半徑值I0=str2double(get(handles.edit3, 'String')

16、; %通過edit3輸入電流值switch popup_sel_index case 1mu0=4*pi*1e-7; c0=mu0/(4*pi)*I0; Nh=40; %將電流分段為40段x=linspace(-3,3,Nh);y=x; %確定觀察點(diǎn)的范圍 thta0=linspace(0,2*pi,Nh+1); %環(huán)周的分段數(shù) thta1=thta0(1:Nh);y1=Rh*cos(thta1); %環(huán)各段矢量的起點(diǎn)坐標(biāo)y1,z1;z1=Rh*sin(thta1);thta2=thta0(2:Nh+1); y2=Rh*cos(thta2); %環(huán)各段矢量的起點(diǎn)坐標(biāo)y2,z2; z2=Rh*s

17、in(thta2); xc=0;yc=(y2+y1)/2;zc=(z2+z1)/2; %計(jì)算環(huán)各段矢量中點(diǎn)的3個(gè)坐標(biāo)分量 dlx=0;dly=y2-y1;dlz=z2-z1; %計(jì)算環(huán)各段矢量dl的3個(gè)長度分量 NGx=Nh;NGy=NGx; %確定網(wǎng)格數(shù)for i=1:NGy %循環(huán)計(jì)算各網(wǎng)格點(diǎn)上的B(x,y)值 for j=1:NGx rx=x(j)-xc;ry=y(i)-yc;rz=0-zc; r3=sqrt(rx.2+ry.2+rz.2).3; dlxr_x=dly.*rz-dlz.*ry; dlxr_y=dly.*rx-dlx.*rz; Bx(i,j)=sum(c0*dlxr_x./

18、r3); %把環(huán)各段產(chǎn)生的磁場分量累加 By(i,j)=sum(c0*dlxr_y./r3); B=(Bx.2+By.2).0.5; %計(jì)算B的大小 endendsurf(x,y,B); %繪制磁場分布圖像shading interpgrid on case 2mu0=4*pi*1e-7; c0=mu0/(4*pi)*I0;Nh=40; x=linspace(-3,3,Nh);y=x; thta0=linspace(0,2*pi,Nh+1); thta1=thta0(1:Nh); y1=Rh*cos(thta1); z1=Rh*sin(thta1); thta2=thta0(2:Nh+1);y

19、2=Rh*cos(thta2); z2=Rh*sin(thta2); xc=0;yc=(y2+y1)/2;zc=(z2+z1)/2; dlx=0;dly=y2-y1;dlz=z2-z1; NGx=Nh;NGy=NGx; for i=1:NGy for j=1:NGx rx=x(j)-xc;ry=y(i)-yc;rz=0-zc; r3=sqrt(rx.2+ry.2+rz.2).3; dlxr_x=dly.*rz-dlz.*ry; dlxr_y=dly.*rx-dlx.*rz; Bx(i,j)=sum(c0*dlxr_x./r3); By(i,j)=sum(c0*dlxr_y./r3); B=(B

20、x.2+By.2).0.5; end end quiver(x,y,Bx,By,0.5,'LineWidth',1); %繪制磁感線圖線 grid on end（3） 重置參數(shù)按鈕功能實(shí)現(xiàn) 初始化GUI圖形界面：坐標(biāo)軸中的圖像還原為初始時(shí)的“測試圖”，坐標(biāo)軸下方的文本框顯示文字“測試圖”，EditText3、EditText4無顯示，Listbox1中選項(xiàng)顯示為“電流環(huán)的磁場分布圖”，視角切換中的單選框選中“視角鎖定”。首先對(duì)cichang1.fig中的“OpenFunction”進(jìn)行編輯。程序代碼如下：function cichang1_OpeningFcn(hObject,

21、 eventdata, handles, varargin)guidata(hObject, handles); if strcmp(get(hObject,'Visible'),'off') surf(peaks); rotate3d off;end然后對(duì)PushButton7的回調(diào)函數(shù)進(jìn)行編輯。程序代碼如下：function pushbutton7_Callback(hObject, eventdata, handles)cla;surf(peaks);rotate3d off;set(handles.radiobutton2,'value'

22、,1);set(handles.radiobutton1,'value',0);set(handles.edit3,'string',' ');set(handles.listbox1,'value',1);set(handles.edit4,'string',' ' );set(handles.edit1,'string','測試圖');（4） 視角切換功能實(shí)現(xiàn) 當(dāng)選擇“自由視角”時(shí)，用戶可通過鼠標(biāo)自由旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸中的圖像；當(dāng)選擇“鎖定視角”時(shí)，用戶可以鎖定任意視角時(shí)

23、的圖像。 首先對(duì)RadioButton2的回調(diào)函數(shù)進(jìn)行編輯。程序代碼如下：function radiobutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)rotate3d off; 然后對(duì)RadioButton1的回調(diào)函數(shù)進(jìn)行編輯。程序代碼如下：function radiobutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)rotate3d on; 最后再保存一次“cichang1.fig”。4 GUI運(yùn)行效果4.1 GUI初始化效果打開“cichang1.fig ”，顯示如圖8效果。圖84.2 菜單欄效果點(diǎn)擊菜單欄“

24、退出”選項(xiàng)，顯示一對(duì)話框，如點(diǎn)擊“是”則關(guān)閉GUI，如選擇“否”則返回GUI界面。如圖9效果。圖9點(diǎn)擊菜單欄“說明”選項(xiàng)，顯示一對(duì)話框，如圖10效果。圖104.3 繪圖效果首先分別輸入電流值和環(huán)半徑值兩個(gè)參數(shù)，例如80A，1.5m；之后選擇“電流環(huán)的磁場分布圖”選項(xiàng)，點(diǎn)擊“繪制圖像”則出現(xiàn)如圖11效果。當(dāng)選擇“自由視角”時(shí)，可以通過鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)圖像，選定“鎖定視角”可以鎖定該角度圖像，如圖12。擇“電流環(huán)的磁感線分布圖”選項(xiàng)，點(diǎn)擊“繪制圖像”則出現(xiàn)如圖13效果。當(dāng)點(diǎn)擊“重置參數(shù)”按鈕時(shí)，出現(xiàn)如圖14效果。 圖11 圖12 圖14圖135 心得體會(huì) 通過此次課程設(shè)計(jì)，使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)MATL

25、AB GUI、圖像處理方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識(shí)欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。實(shí)踐出真知，通過親自動(dòng)手制作，使我們掌握的知識(shí)不再是紙上談兵。過而能改，善莫大焉。在課程設(shè)計(jì)過程中，我不斷發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。從初次接觸MATLAB GUI編程，到運(yùn)用物理知識(shí)分析電流環(huán)磁場的模型，我經(jīng)歷了知識(shí)接觸、學(xué)習(xí)到吸收的過程，這使我收獲頗多。雖然在設(shè)計(jì)中遇到了很多問題，但在自己的努力下，還是游逆而解。正所謂“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”在今后的學(xué)習(xí)實(shí)踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到

26、要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進(jìn)行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退。6 參考文獻(xiàn)1 孫慶龍.利用 MATLAB分析圓環(huán)電流在其平面內(nèi)的磁場分布,20092 陳懷琛.MATLAB及其在理工課程中的應(yīng)用指南.西安電子科技大學(xué)出版 社,2004tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQ