基于proteus仿真的数字滤器波器设计Word格式.docx
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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。
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128BRAM，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
2.2AD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
2.3DAC0832：
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*/
#defineA10
charvalue;
charfilter（）
{
charnew_value;
new_value=get_ad（）;
if（（new_value-value>
A）||（value-new_value>
A））
returnvalue;
else
returnnew_value;
}
3.1.2中位值滤波法
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
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
/*N值可根据实际情况调整
排序采用冒泡法*/
#defineN11
charvalue_buf[N];
charcount,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;
returnvalue_buf[（N-1）/2];
3.1.3算术平均滤波法
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
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
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
#defineN12
intsum=0;
sum+=get_ad（）;
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）
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
流量，N=12；
N=4；
液面，N=4~12；
温度，N=1~4
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
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
chari=0;
charcount;
intsum=0;
value_buf[i++]=get_ad（）;
if（i==N）i=0;
N,count++）
sum+=value_buf[count];
3.1.5中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法）
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
3~14
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
测量速度较慢，和算术平均滤波法一样
charcount,i,j;
for（count=0;
N-j-1;
i++）
for（count=1;
sum+=value[count];
return（char）（sum/（N-2））;
}
3.1.6限幅平均滤波法
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
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
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
取a=0~1
本次滤波结果=（1-a）*本次采样值+a*上次滤波结果
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
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
/*为加快程序处理速度假定基数为100，a=0~100*/
#definea50
return（（100-a）*value+a*new_value）;
3.1.8加权递推平均滤波法
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
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
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
/*coe数组为加权系数表，存在程序存储区。
*/
charcodecoe[N]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12};
charcodesum_coe=1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12;
{
for（count=0,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
3.5DAC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：
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>
#defineucharunsignedchar
#defineA0.002
sbitcon1=P1^0;
//滤波方式选择
sbitcon2=P1^1;
sbitcon3=P1^2;
sbitkey=P1^4;
//控制是否滤波
sbitled=P1^5;
//DAC转换指示灯
sbitOE=P3^0;
//DAC使能信号
sbitSTART=P3^1;
//DAC转换启动信号
sbitEOC=P3^2;
//DAC输出准备信号
sbitCLOCK=P3^4;
//DAC转换时钟
uchara;
ucharres;
ucharbuf[N]={0};
voidADC0808（）;
voidchange（）;
//数值更新
ucharget_data（n）;
//获取数据
ucharfilter1（）;
//平均值滤波
ucharfilter2（）;
//中位值滤波
ucharfilter3（）;
//递推平均滤波
voiddelay（ucharz）;
voidinint（）;
//单片机定时器及终端初始化
voidmain（）
while
（1）
{
inint（）;
ADC0808（）;
P2=res;
}
voidinint（）
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;
voidADC0808（）
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（）;
elseres=a;
voidchange（）
uchari;
for（i=0;
buf[i]=buf[i+1];
buf[N-1]=a;
ucharget_data（n）
change（）;
returnbuf[n];
ucharfilter1（）
charcount;
intsum=0;
for（count=0;
{
buf[count]=get_data（count）;
sum=sum+buf[count];
return（char）（sum/N）;
ucharfilter2（）
intcount,i,j;
uchartemp;
{buf[count]=get_data（count）;
for（j=0;
for（i=0;
N-j;
if（buf[i]>
buf[i+1]）
{
temp=buf[i];
buf[i]=buf[i+1];
buf[i+1]=temp;
}
returnbuf[（N-1）/2];
ucharfilter3（）
intsum=0,count;
for（count=0;
sum=sum+get_data（count）;
}
voidexter0（）interrupt0
{led=1;
P0=0xff;
OE=1;
a=P0;
OE=0;
voidtimer0（）interrupt1
TL0=（65536-2）%256;
CLOCK=~CLOCK;
voidtime
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