基于proteus仿真的数字滤器波器设计.docx

智能仪器基础与设计课程设计设计报告（部分）智能仪器基础与设计课程设计基于单片机C语言编程及LCD液晶显示器的数字滤波显示系统设计Design of Digital Filter and Display System Based on C language Programming and Single-Chip Computers基于单片机C语言编程及LCD液晶显示器的数字滤波显示系统设计摘 要本次实验设计的主要内容是在Proteus仿真环境下，借助单片机和c语言编程，实现对模拟信号的采集、滤波以及对滤波后信号的LCD动态显示。本次设计主要采用了三中滤波方式：平均值滤波、中位置滤波、递推平均滤波。应用的主要器件有：MCS-51单片机，TLC549 8位串行AD，KS0108控制的12864 LCD ADC0808 DAC0832。通过对叠加了噪声信号的模拟信号的模数转换实现信号采集，在单片机内部采用函数滤波滤出信号上面叠加的高频噪声，最后通过单片机控制两个LCD分别示波器输出采集到的叠有噪声的信号和滤波后的结果。关键字数字滤波 LCD动态显示 MCS-51 TLC549 KS0108 12864 ADC0808 DAC0832AbstractThis experiment design is mainly based on the environment of Proteus 8.0, single-chip computer and C language programming. This design managed to collect analog signal, filter signal and dynamic display signal on LCD. In this design, we used 3 diffident filter methods: mean filter; medium filter; recursive average filtering. The devices we used are: MCS-51 single-chip computer; 8-bit serial ADC TLC549; LCD 12864 with its driver KS0108 ADC0808 DAC0832.KeywordDigital filtering LCD dynamic display MCS-51 TLC549 KS0108 12864 ADC0808 DAC0832目 录1 引言51.1课题背景介绍52 各部分器件简单介绍42.1 MCS-51单片机 42.2 AD转换器ADC0808 52.3 DA转换器DAC0832 73 数字滤波器设计83.1 数字滤波原理介绍83.2 信号发生电路163.3 单片机电路163.4 数据采集电路173.5 DA转换电路183.6 总电路194 程序设计204.1程序流程图204.2 主程序21参考文献25附录252 各部分器件功能及使用方法介绍：2.1 MCS-51单片机：图2.1-2在HMOS技术大发展的背景下，Intel公司在MCS-48系列的基础上MCS-51 系列单片机1，于1980年推出了8位MCS-51系列单片机。它与以前的机型相比，功能增强了许多，就其指令和运行速度而言，超过了INTEL8085的CPU和Z80的CPU，成为工业控制系统中较为理想的机种。较早的MCS-51典型时钟为12MHz，而目前与MCS-51单片机兼容的一些单片机的时钟频率达到40MHz甚至更高，现在已有400MHz的单片机问世。图2.1-151系列是基本型，包括8051、8751、8031、8951.这四个机种区别，仅在于片内程序储存器。8051为4KBROM，8751为4KBEPROM，8031片内无程序储存器，8951为4KBEEPROM。其他性能结构一样，有片内128B RAM，2个16位定时器/计数器，5个中断源。其中，8031性价比较高，又易于开发，目前应用面广泛。51系列单片机的特点-8位cpu-片内带振荡器，频率范围为1.2MHz12MHz-片内带128B的数据存储器-片内带4KB的程序存储器-程序存储器的寻址空间为64KB-片外数据存储器的寻址空间为64KB-128个用户位寻址空间-21个字节特殊功能寄存器-4个8位的I/O并行接口：P0、P1、P2、P3-两个16位定时、计数器-两个优先级别的五个中断源-一个全双工的串行I/O接口，可多机通信-111条指令，包含乘法指令和除法指令-片内采用单总线结构-有较强的位处理能力-采用单一+5V电源2.2 AD转换器ADC0808：ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。转换电压 -0.3VVcc+0.3V电源电压6.5V控制端电压 -0.3V15VADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如右图所示。各引脚功能如下：15和2628（IN0IN7）：8路模拟量输入端。8、14、15和1721：8位数字量输出端。22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。6（START）： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。7（EOC）： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。9（OE）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。10（CLK）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。12（VREF（+）和16（VREF（-）：参考电压输入端11（Vcc）：主电源输入端。13（GND）：地。2325（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路图2.2-2图2.2-12.3 DAC 0832： DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。图2.3-1* D0D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)；* ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；* CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；* WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；* XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；* WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。* IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；* IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；* Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；* Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V；* VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V；* AGND：模拟信号地；* DGND：数字信号地。3 数字滤波原理介绍介绍：数字滤波方法有很多种，如中值滤波、算术平均滤波、加权平均滤波，限幅滤波等等。本次课程设计我选用的是限幅滤波方法和中位值滤波法3.1.1限副滤波A、方法： 根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为A） 每次检测到新值时判断： 如果本次值与上次值之差A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值 B、优点： 能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰 C、缺点 无法抑制那种周期性的干扰 平滑度差程序：/* A值可根据实际情况调整 value为有效值，new_value为当前采样值 滤波程序返回有效的实际值 */ #define A 10char value;char filter() char new_value; new_value = get_ad(); if ( ( new_value - value A ) | ( value - new_value A ) )return value; elsereturn new_value; 3.1.2中位值滤波法 A、方法： 连续采样N次（N取奇数），把N次采样值按大小排列 ，取中间值为本次有效值 B、优点： 能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果 C、缺点： 对流量、速度等快速变化的参数不宜程序：/* N值可根据实际情况调整 排序采用冒泡法*/ #define N 11char filter() char value_bufN; char count,i,j,temp; for ( count=0;countN;count+) value_bufcount = get_ad(); delay(); for (j=0;jN-1;j+) for (i=0;ivalue_bufi+1 ) temp = value_bufi; value_bufi = value_bufi+1; value_bufi+1 = temp; return value_buf(N-1)/2; 3.1.3算术平均滤波法 A、方法： 连续取N个采样值进行算术平均运算 N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低 N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高 N值的选取：一般流量，N=12；压力：N=4 B、优点： 适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波 这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动 C、缺点： 对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用 比较浪费RAM 程序：#define N 12char filter() int sum = 0; for ( count=0;countN;count+) sum + = get_ad(); delay(); return (char)(sum/N); 3.1.4递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法） (FIR前身)A、方法： 把连续取N个采样值看成一个队列 队列的长度固定为N 每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一次数据.(先进先出原则) 把队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果 N值的选取：流量，N=12；压力：N=4；液面，N=412；温度，N=14 B、优点： 对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高 适用于高频振荡的系统 C、缺点： 灵敏度低 对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差 不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差 不适用于脉冲干扰比较严重的场合 比较浪费RAM程序：#define N 12char value_bufN; char i=0;char filter() char count; int sum=0; value_bufi+ = get_ad(); if ( i = N ) i = 0; for ( count=0;countN,count+) sum+ = value_bufcount; return (char)(sum/N); 3.1.5中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法） A、方法： 相当于“中位值滤波法”+“算术平均滤波法” 连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值 然后计算N-2个数据的算术平均值 N值的选取：314 B、优点： 融合了两种滤波法的优点 对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差 C、缺点： 测量速度较慢，和算术平均滤波法一样 比较浪费RAM程序：#define N 12char filter() char count,i,j; char value_bufN; int sum=0; for (count=0;countN;count+) value_bufcount = get_ad(); delay(); for (j=0;jN-1;j+) for (i=0;ivalue_bufi+1 ) temp = value_bufi; value_bufi = value_bufi+1; value_bufi+1 = temp; for(count=1;countN-1;count+) sum += valuecount; return (char)(sum/(N-2); 3.1.6限幅平均滤波法 A、方法： 相当于“限幅滤波法”+“递推平均滤波法” 每次采样到的新数据先进行限幅处理， 再送入队列进行递推平均滤波处理 B、优点： 融合了两种滤波法的优点 对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差 C、缺点： 比较浪费RAM 程序略 参考子程序1、33.1.7一阶滞后滤波法 A、方法： 取a=01 本次滤波结果=（1-a）*本次采样值+a*上次滤波结果 B、优点： 对周期性干扰具有良好的抑制作用 适用于波动频率较高的场合 C、缺点： 相位滞后，灵敏度低 滞后程度取决于a值大小 不能消除滤波频率高于采样频率的1/2的干扰信号程序：/* 为加快程序处理速度假定基数为100，a=0100 */#define a 50char value;char filter() char new_value; new_value = get_ad(); return (100-a)*value + a*new_value); 3.1.8加权递推平均滤波法 A、方法： 是对递推平均滤波法的改进，即不同时刻的数据加以不同的权 通常是，越接近现时刻的数据，权取得越大。 给予新采样值的权系数越大，则灵敏度越高，但信号平滑度越低 B、优点： 适用于有较大纯滞后时间常数的对象 和采样周期较短的系统 C、缺点： 对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，变化缓慢的信号 不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果差程序：/* coe数组为加权系数表，存在程序存储区。*/#define N 12char code coeN = 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12; char code sum_coe = 1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12;char filter() char count; char value_bufN; int sum=0; for (count=0,countN;count+) value_bufcount = get_ad(); delay(); for (count=0,countN;count+) sum += value_bufcount*coecount; return (char)(sum/sum_coe); 3.2 信号发生电路：使用proteus8.0提供的信号发生器和加法器实现信号发生，SUM1（B）为低频原始信号，SUM1（A）为高频噪声信号3.3 单片机电路：使用51系列单片机AT89C51，利用这个单片机进行编程，实现对输入信号的滤波。使用P0作为接受AD转换器ADC0808的结果的端口，P1.0 - P1.2、P1.4连接四个开关控制滤波算法选择。P2口输出数字数据给DAC0832，P3作为控制端控制ADC0808。DAC0832选择为直通工作方式，不需要控制端。图3.3-13.4 数据采集电路：ADC0808是8位并行输出AD转换器，由于只有一路信号输入，A、B、C三个选择端接地选择IN0输入端。模拟量从IN0输入后，电压值在+REF和-REF之间的输入信号会被转换成数字量从OUT0 - OUT7输出给P0口。START为启动转换信号，由单片机程序控制。CLOCK是ADC0808转换时钟信号，由单片机内部定时器T0中断控制。EOC为输出准备就绪信号，连接单片机外部中断0，单片机以中断方式接收ADC转换信号。引脚连线如图图3.4-13.5 DAC输出电路：单片机P2输出滤波后的数字信号给DAC0832。DAC0832工作在直通方式，不需要控制信号。DAC0832输出为电流信号，采用运算放大器UA741转换成电压信号引脚连接图如下：图 3.5-13.6 总电路：图3.6-14 程序设计：4.1 程序流程图：4.2 主程序：#include #define uchar unsigned char#define A 0.002#define N 11sbit con1=P10;/滤波方式选择sbit con2=P11;sbit con3=P12;sbit key=P14;/控制是否滤波sbit led=P15;/DAC转换指示灯sbit OE=P30;/DAC使能信号sbit START=P31;/DAC转换启动信号sbit EOC = P32;/DAC输出准备信号sbit CLOCK=P34;/DAC转换时钟uchar a;uchar res;uchar bufN =0;void ADC0808();void change();/数值更新uchar get_data(n);/获取数据uchar filter1();/平均值滤波uchar filter2();/中位值滤波uchar filter3();/递推平均滤波void delay(uchar z);void inint();/单片机定时器及终端初始化void main()while(1)inint();ADC0808();P2=res;void inint() TMOD=0x11; TH0=(65536-2)/256;TL0=(65536-2)%256;TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;ET1=1; TR1=1;EX0=1; IT0=1;void ADC0808()START = 0; START = 1; START = 0;led=0;EOC=EOC;delay(1);if(key=0) if(con1=0)res=filter1(); if(con2=0) res=filter2();if(con3=0)res=filter3();else res=a;void change()uchar i;for(i=0;iN-1;i+)bufi=bufi+1; bufN-1=a;uchar get_data(n)change();return bufn;uchar filter1() char count; int sum=0; for(count=0;countN;count+) bufcount=get_data(count); sum=sum+bufcount; return (char)(sum/N); uchar filter2()int count,i,j;uchar temp;for(count=0;countN;count+) bufcount=get_data(count);for(j=0;jN-1;j+) for(i=0;ibufi+1)temp=bufi;bufi=bufi+1;bufi+1=temp;return buf(N-1)/2;uchar filter3()int sum = 0,count; for (count=0;count0;x-)for(y=110;y0;y-);参考文献：单片机原理及应用 机械工业出版社基于C单片机的数字滤波 湖北师范学院附录：滤波结果：1、输入原始信号： 频率1hz 矩形波，幅值1-3V干扰信号： 频率10hz 三角波 幅值0-1v滤波方式：中位值滤波示波器显示：