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 DAC0832

［Abstract］This 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.

［Keyword］Digital filtering LCD dynamic display MCS-51 TLC549 KS0108 12864 ADC0808 DAC0832

目 录
1 引言 5
1.1课题背景介绍 5
2 各部分器件简单介绍 4
2.1 MCS-51单片机 4
2.2 AD转换器ADC0808 5
2.3 DA转换器DAC0832 7
3 数字滤波器设计 8
3.1 数字滤波原理介绍 8
3.2 信号发生电路 16
3.3 单片机电路 16
3.4 数据采集电路 17
3.5 DA转换电路 18
3.6 总电路 19
4 程序设计 20
4.1程序流程图 20
4.2 主程序 21

参考文献 25
附录 25

2 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2.1-1

51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1.2MHz~12MHz
-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 -0.3V～Vcc+0.3V
电源电压6.5V
控制端电压 -0.3V～15V

ADC0808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：
1～5和26～28（IN0～IN7）：8路模拟量输入端。
8、14、15和17～21：8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。
23～25（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2.2-1

2.3 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

* D0～D7：8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,则本次值有效
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 10
char value;
char filter()
{
char new_value;
new_value = get_ad();
if ( ( new_value - value > A ) || ( value - new_value > A ) )
return value;
else
return 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 11
char filter()
{
char value_buf[N];
char count,i,j,temp;
for ( count=0;count<N;count++)
{
value_buf[count] = get_ad();
delay();
}
for (j=0;j<N-1;j++)
{
for (i=0;i<N-j－1;i++)
{
if ( value_buf[i]>value_buf[i+1] )
{
temp = value_buf[i];
value_buf[i] = value_buf[i+1];
value_buf[i+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 12
char filter()
{
int sum = 0;
for ( count=0;count<N;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=4~12；温度，N=1~4
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 12
char value_buf[N];
char i=0;
char filter()
{
char count;
int sum=0;
value_buf[i++] = get_ad();
if ( i == N ) i = 0;
for ( count=0;count<N,count++)
sum+ = value_buf[count];
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：3~14
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 12
char filter()
{
char count,i,j;
char value_buf[N];
int sum=0;
for (count=0;count<N;count++)
{
value_buf[count] = get_ad();
delay();
}
for (j=0;j<N-1;j++)
{
for (i=0;i<N-j-1;i++)
{
if ( value_buf[i]>value_buf[i+1] )
{
temp = value_buf[i];
value_buf[i] = value_buf[i+1];
value_buf[i+1] = temp;
}
}
}
for(count=1;count<N-1;count++)
sum += value[count];
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、3

3.1.7一阶滞后滤波法
A、方法：
取a=0~1
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=0~100 */
#define a 50
char 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 12
char code coe[N] = {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_buf[N];
int sum=0;
for (count=0,count<N;count++)
{
value_buf[count] = get_ad();
delay();
}
for (count=0,count<N;count++)
sum += value_buf[count]*coe[count];
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3.3-1

3.4 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3.4-1

3.5 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 3.5-1

3.6 总电路：
图3.6-1

4 程序设计：
4.1 程序流程图：

4.2 主程序：
#include <reg51.h>
#define uchar unsigned char
#define A 0.002
#define N 11
sbit con1=P1^0; //滤波方式选择
sbit con2=P1^1;
sbit con3=P1^2;
sbit key=P1^4; //控制是否滤波
sbit led=P1^5; //DAC转换指示灯
sbit OE=P3^0; //DAC使能信号
sbit START=P3^1; //DAC转换启动信号
sbit EOC = P3^2; //DAC输出准备信号
sbit CLOCK=P3^4; //DAC转换时钟

uchar a;
uchar res;
uchar buf[N] ={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;i<N-1;i++)
buf[i]=buf[i+1];
buf[N-1]=a;
}

uchar get_data(n)
{
change();
return buf[n];
}

uchar filter1()
{
char count;
int sum=0;
for(count=0;count<N;count++)
{
buf[count]=get_data(count);
sum=sum+buf[count];
}
return (char)(sum/N);
}

uchar filter2()
{
int count,i,j;
uchar temp;
for(count=0;count<N;count++)
{ buf[count]=get_data(count);}
for(j=0;j<N-1;j++)
{
for(i=0;i<N-j;i++)
if(buf[i]>buf[i+1])
{
temp=buf[i];
buf[i]=buf[i+1];
buf[i+1]=temp;
}
}
return buf[(N-1)/2];
}

uchar filter3()
{
int sum = 0,count;
for (count=0;count<N;count++)
{
sum = sum + get_data(count);
}
return (char)(sum/N);
}

void exter0() interrupt 0
{ led=1;
P0=0xff;
OE=1;
a=P0;
OE=0;
}

void timer0() interrupt 1
{
TH0=(65536-2)/256;
TL0=(65536-2)%256;
CLOCK=~CLOCK;
}

void timer1() interrupt 3
{
TH1=(65536-50000)/256;
TL1=(65536-50000)%256;
a = P0;
}

void delay(uchar z)
{
uchar x,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=110;y>0;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：