基于proteus仿真的数字滤器波器设计.docx

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基于proteus仿真的数字滤器波器设计

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

DesignofDigitalFilterandDisplaySystemBasedonClanguageProgrammingandSingle-ChipComputers

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，TLC5498位串行AD，KS0108控制的12864LCDADC0808DAC0832。

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-51TLC549KS010812864ADC0808DAC0832

［Abstract］ThisexperimentdesignismainlybasedontheenvironmentofProteus8.0,single-chipcomputerandClanguageprogramming.Thisdesignmanagedtocollectanalogsignal,filtersignalanddynamicdisplaysignalonLCD.Inthisdesign,weused3diffidentfiltermethods:

meanfilter;mediumfilter;recursiveaveragefiltering.Thedevicesweusedare:

MCS-51single-chipcomputer;8-bitserialADCTLC549;LCD12864withitsdriverKS0108ADC0808DAC0832.

［Keyword］DigitalfilteringLCDdynamicdisplayMCS-51TLC549KS010812864ADC0808DAC0832

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

2.1MCS-51单片机4

2.2AD转换器ADC08085

2.3DA转换器DAC08327

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

3.5DA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：

2.1MCS-51单片机：

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

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*/

#defineN11

charfilter（）

{

charvalue_buf[N];

charcount,i,j,temp;

for（count=0;count

{

value_buf[count]=get_ad（）;

delay（）;

}

for（j=0;j

{

for（i=0;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

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：

#defineN12

charfilter（）

{

intsum=0;

for（count=0;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：

#defineN12

charvalue_buf[N];

chari=0;

charfilter（）

{

charcount;

intsum=0;

value_buf[i++]=get_ad（）;

if（i==N）i=0;

for（count=0;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：

#defineN12

charfilter（）

{

charcount,i,j;

charvalue_buf[N];

intsum=0;

for（count=0;count

{

value_buf[count]=get_ad（）;

delay（）;

}

for（j=0;j

{

for（i=0;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

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*/

#definea50

charvalue;

charfilter（）

{

charnew_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。

*/

#defineN12

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;

charfilter（）

{

charcount;

charvalue_buf[N];

intsum=0;

for（count=0,count

{

value_buf[count]=get_ad（）;

delay（）;

}

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

#defineucharunsignedchar

#defineA0.002

#defineN11

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;i

buf[i]=buf[i+1];

buf[N-1]=a;

}

ucharget_data（n）

{

change（）;

returnbuf[n];

}

ucharfilter1（）

{

charcount;

intsum=0;

for（count=0;count

{

buf[count]=get_data（count）;

sum=sum+buf[count];

}

return（char）（sum/N）;

}

ucharfilter2（）

{

intcount,i,j;

uchartemp;

for（count=0;count

{buf[count]=get_data（count）;}

for（j=0;j

{

for（i=0;i

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;count

{

sum=sum+get_data（count）;

}

return（char）（sum/N）;

}

voidexter0（）interrupt0

{led=1;

P0=0xff;

OE=1;

a=P0;

OE=0;

}

voidtimer0（）interrupt1

{

TH0=（65536-2）/256;

TL0=（65536-2）%256;

CLOCK=~CLOCK;

}

voidtime