基于c单片机的数字滤波

1、hubei normal university综合课程设计所在院系教育信息与技术学院专业名称信息工程班级1005题目基于单片机的数字滤波器指导教师成员完成时间2013. 1. 7任务分工：尤杉：整体系统设计及编程调试。柯俊：进行资料的查询。钱德超：辅助编程，及proteus电路图的绘制。 陈小浩：完成word文档的编辑。摘耍 11绪论11.1仿真软件介绍11.2数字滤波器介绍12单片机和ad/da相关知识22.1 51单片机相关知识22.2 ad转换器相关知识32.3 da转换器相关知识43数字滤波器设计错误！未定义书签。3数字滤波器系统设计43.1数字滤波器理论分析设计53.2单片机电路 6

2、3.3数据采集电路错误！未定义书签。3.4数模转换输出电路7 3.5数字电压表系统电路原理图84程序设计8 4. 1程序流程图84. 2 ad转换器程序错误！未定义书签。4.3程序代码9 6心得与体会20 参考文献 211绪论1.1仿真软件介绍现代工业控制系统中，电路系统越来越复杂，因而带来的相互干扰也越来越强烈, 模拟滤波电路已经不能满足要求，数字滤波应运而生。数字滤波器的实现过程的 实现过程是把输入的模拟信号数字化，也就是由采样器对输入的模拟信号进行周 期性的采样，并对每个样本进行量化和编码，即模数转换。从adc输出的数字信 号送入到数字倍号处理器进行处理变化，处理器输出的数字信号再通过数

3、模转换 为模拟信号，这个过程要用到dac来转换实现模拟信号的输出。1.2数字滤波器介绍proteus isis是英同labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。仑运行于 windows操作系统上，可以仿真、分析(spice)各种模拟器件和集成电路，该软件 的牛寺点是：(1) 现y单片机仿真和spice电路仿真相结合。具奋模拟电路仿真、数字电路仿真、 单片机及其外围电路组成的系统的仿真、rs232动态仿真、i2c调试器、spi调试 器、键盘和lcd系统仿真的功能；宥各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信 号发生器等。(2) 支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列

4、、8051 系列、avr系列、pic12系列、pic16系列、pic18系列、z80系列、hc11系列以及各种外闱芯片。(3) 提供软件调试功能。在硬件仿真系统屮具有全速、单步、设置断点等调试功 能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中， 也必须具有这些功能；同吋支持第三方的软件编译和调试环境，如keil c51 uvision2等软件。其宥强大的原理图绘制功能。可以仿真51系列、avr、pic、arm、等常用主流单片机。还可以直接在基于原 理图的虚拟原型上编程，再配合敁示及输出，能看到运行后输入输出的效果。 配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，proteus建

5、立y完备的电子设计开 发环境。在proteus绘制好原理图盾，调入已编译好的目标代码文件：*.hex,可以在 proteus的原理阁屮看到模拟的实物运行状态和过程。proteus是单片机课堂 教学的先进助手。proteus不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程 形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验 难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的笮片机实验硬件高度对应。这在相当程度上 替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、 电路修改、软件调试、运行结來等。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重耍实践环节。由

6、于proteus提供了实 验室无法和比的大量的元器件庳，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室 在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供y培奍学生实践精神、 创造精神的平台。2单什机和ad/da相关知识2.1 51单片机相关知识51单片机是对目前所宥兼容intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机 的始祖是intel的8031单片机，后来随着技术的发展，成为目前广泛应用的8为 单片机之一。单片机是在一块芯片内集成了 cpu、ram、rom、定时器/计数器 和多功能i/o u等计算机所需要的基木功能部件的大规模集成电路，又称为mcu。51系列单片机内包含以卜*几个部件：一

7、个8位cpu; 个片内振荡器及时钟电路；4kb的rom程序存储器；个128b的ram数据存储器；寻址64kb外部数据存储器和64kb外部程序存储空间的控制电路; 32条可编程的1/0 口线；两个16位定时/计数器；一个可编程全双工串行口；5个屮断源、两个优先级嵌套屮断结构。51系列单片机如下图：xtai.ixial220rstha/vpppsinaeep3.0/rxdp3.indp3.2/1ntdp3.3z1vtii«4<rob3,5/nr3.6/wrp3.7/rdvss<s9vccpo.op0.1h0.2h).310.4po.5po.6p0.7pi.0n n 1- 1*

8、 n ppp pp.1.2.3.4.5.6.712.0/asp2.1/a9p2.2/a1o p2.3/ai 1 p2.4/a12 p2.5/ai3 p2.6/a14 e2.7/a15409 8-7-6 5 4 3 2 3 3 3 3 3. 3 3 3< 9 v s v v v12345678v v 7 v s m12 3 4 5 6-7 8 22222222图1 51单片机引脚图2.2 ad转换器相关知识adc0808是美ww家半导体公司生产的cmos工艺8通道，8位逐次逼近式a d 转换器。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路模拟输入信号屮的一个进

9、行a/d转换。（1）主要特性：1）8路输入通道，8位a/d转换器，即分辨率为8位。2）具冇转换起停控制端。3）转换时间为loops（时钟为640khz时），130ps （时钟为500khz时）4）率个+5v电源供电5）模拟输入电压围0+5v，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-40+85摄氏度7）低功耗，约15mw。（2）内部结构adc0808是cmos单片型逐次逼近式a/d转换器，内部结构如图13. 22所示， 它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型a/d转换器、逐 次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。u?cc2627282345o>ot>13start

10、ob1n0iniin2in3in4in5in6in7addaaddbaddcalegnddo5sssd6s1cs1wril 2agnd1di41th51di6jdo71uref8广z*rf92dgnd1020 |ucc 19 |lle 13 iwr 17 1xfer16 1d<15 |e>514 de13 id? l71lo211 lotadc0809n图2 adc0808引脚2.3 da转换器相关知识根据对dac0832的数据锁存器和dac寄存器的不同的控制方式，dac0832冇 三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。主要性能如下：(1)分辨率为8位；(2)电流稳定时问

11、ins;(3) 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；(4) 只需在满量程下调整其线性度；(5) 单一电源供电(+5v+ 15v);(6) 低功耗，20mwodac0832引脚功能电路应用原理图dac0832是采样频率为八位的d/a转换芯 片，集成电路内有两级输入寄存器，使dac0832芯片具备双缓冲、单缓冲和 直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路d/a异步输入、同 步转换等)。所以这个芯片的应用很广泛，关于dac0832应用的一些重要资料 见下阁：d/a转换结果采用电流形式输出。若需耍相应的模拟电压信号， 可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。运放的反馈电限可通过rfb 端引用

12、片内固有电阻，也可外接。dac0832逻辑输入满足ttl电平，可直接 与ttl电路或微机电路连接。图2 adc0809引脚 图2 adc0809引脚 图3 dac0832引脚3数字滤波器系统设计3.1数字滤波器理论分析设计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。木次课程设计我选用的是限幅滤波方法和屮位值滤波法 限幅滤波的基本原理是把两次相邻吋刻(n和n-l)的采样值yn和yn-1相减， 求出其差值，以绝对值表示，然后将这个差值与两次采样允许的最大偏差值zw 比较，如果两次采样值的差值超过了允许的最大偏差值/w,则认为发生了随机 干扰，并认为最后一次采样值y

13、n非法，应予剔除。剔除yn后，可用丫n-l代替 yn；若米超过允许的最大偏差值范岡，则认为木次采样值奋效。可用如下公式表 示：|yn-yn-l|<ay；则丫n 宥效|yn-yn-l|/丫；则 yn-1 有效此算法的样例子程序如下：#define a 11/a值可根据实际情况调整char data;/上一次的数据char filter_l()char datanew; /新数据变量data new=get_d ata ();/获符新数据/滤波算法uchar filterl() uchar new_value,value;value=get_data(n-2); /把第十个值给 valuen

14、ew_value = get_data(n-l); / 第h个值给new_value/如來差值大if ( ( new_value - value > a ) 11 ( value - new一value > a ) 于 0.002return value;return new_value;/中位值滤&算法void filter2()int count,i,j;/定义存储数据的数组uchar temp;/定义存储数据的数组for(count=0;count<n;count+)/获取数据bufcount=get_data(count);for(j=0;j<n-l;j

15、+)/用r池法对数据进行排序，当然最好用其他排序方法for(i=0;i<n-j;i+)if(bufi>bufi+l)temp=bufi】；bufi=bufi+l;bufi+l=temp;res=buf(n-l)/2; /ll个数排序as取中间的数值该算法主要用于处理变化比较缓慢的数据，如温度、物体的位置等。使用时关键 在于最大偏差值的ay的选择，通常可根据经验获得，也可按照输出参数可能的 最大变化速度vmax及采样周期t来决定丫的值，即丫=vmaxt。3.2整体框架整体框架图如下：3.1单片机最小系统如下:c130pf?text c2-hli crystal | text，. 圮一

16、丄 i :xtal230pf<text>rst1r<text>ri:2k.<text>22_21aleeap1.0/12 p1 1/t2ex p1.2 p1.3 p1.4 pis p1.6 p1.7poo/ado p0.1/ad1 p0 2/ad2 p0 3/ad3 p0.4/ad4 po.s/ads p0.6/ad6 p0.7/ad7p2.0/a8p2.1/a9r2.2/a10p2.3/a11p2.4/a12p2.5/a13p2.6/a14r2.7/a15p3.(m?xd p3.dtxd p3.2xntct p3.3 焖 t1 p3.4/t0 p3.s/t

17、1 r3.6/wr" p3.7/rd"38373635343332392122232425262728iq111214图4单片机最小系统使用51系列单片机一一at89c51,利用这个单片机进行编程，实现对输入信号的 滤波。我使用丫 p0 u作为接受ad转换的结果的端口，而pl u则输出数据到da转换 器。另外还利用了 p2作为控制端口，p2.0-p2.2用来控制ad转换器，而p1.0-p1.3 外接四个开关，用来实现滤波方式的选择。3.3数据采集电路由于adc0809是带地址锁存的模数转换器件，adda、addb、addc为模拟通道选择，编码为000111分别选中in0in

18、7。ale为地址锁存信号，其上升沿锁存 adda、addb、addc的信号，译码后控制模拟丌关，接通八路模拟输入屮相应 的一路。clk为输入时钟，为ad转换器提供转换的时钟信号，典型工作频率为 500khz-600khz。start为ad转换扃动信号，正脉冲启动addaaddc选屮的一 路模拟信号开始转换。oe为输出允许信号，高电平吋候打开三态输出缓存器， 是转换盾的数字量从d0d7输出。eoc为转换结束信号，启动转换后eoc变为 低电平，转换完成后eoc编程高电平。图5 adc模数转换3.4数模转换输出电路这里我用了 da0832来进行数模转换<text>da0832的引脚图如下

19、图所示p2p2p2p210u3gndiout1rfbiout2vrefdi7diodi6di1di5di2dmdi3xfer"gndwr2胃t ile(by1®y2) csvcc1113p2j14p315p2316p2l417-1218192023ua741 -<text>-dac0832<text>图6 dac数校转换da0832有三种数模转换方法，直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式，因为单片 机输出肜可以直接进行数模转换，所以这里我采用了不需要单片机控制的最为简 单的直通方式，但是da0832若用于直通方式。若用于直通方式下，则gnd均接地，而vc

20、c和ile则接正也源。vref是参考电 源。i0ut1、i0ut2是两个输出端。da0832输出的是电流，要利用运算放大器转换成电压信号。3.5数字电压表系统电路原理如下是此次设计仿真的数字滤波器电路总原理图。此图总共分为三个部分， 分别是采用电路adc,处理分析部分单片机，调理信号输出部分dac。图8数字滤波器设计总原理图4程序设计4.1程序流程图开始初始化1ad采样量化1单片机处理1da转换输;li结束图9程序流积图4.2程序代码/include <reg51.h>#define uchar unsigned char/define a 0.002/define n 11sbi

21、t conl=pla0; /滤波方法选择sbit con2=plal;sbit key=pla4; /控制是否滤波sbit led=pla5;sbit oe=p3a0;sbit start=p3a1;sbit eoc= p3a2;sbit clock=p3 八 4;uchar a;uchar res;uchar bufn =0;void adc0808();/模数转换函数声明 void change(); /数值更新函数声明 uchar get_data(n);uchar filterl(); /限幅滤波函数声明 void filter2(); /中值滤波函数声明 void delay(uch

22、ar z);void inint();void main()/主函数while inint();adc0808();p2=res; void adc0808()start = 0;start = 1;start = 0; led=o;eoc= eoc;/取反负跳变进入外部中断delay ；if(key=o)if(conl=0) /选择限幅滤波 res=filterl();if(con2=0)/选择中值滤波filter2();else res=a;void change()uchar i;for(i=0;i<n-l;i+)bufi=bufi+l;bufn-l=a;uchar get_dat

23、a(n)/数掘更新change();return bufn;/限幅滤波uchar filterl()uchar new_value,value;value=get_data(n-2); /把第十个值给 valuenew_value = get_data(n-l);/ 弟丨个ik给new_valueif ( ( new_value - value > a)|( value - new_value > a ) ) return value;return ne/v_valuej)/中值滤波法void filter2()fiint count,i,j;/定义存储数据的数组uchar tem

24、p;/定义存储数据的数组for(count=0;count<n;count+)i/获取数据bufcount=get_data(count);for(j=0;j<n-l;j+)/用冒泡法对数据进行排序，当然最好用其他排序方法for(i=0;i<n-j;i+)if(bufi>bufi+l)temp=bufi;bufi=bufi+l;bufi+l=temp;res=buf(n-l);/ll个数排序后取中问的数值void extero() interrupt 0 led=l;po=oxff;/po端口作为输入预先置1oe = 1;/使能输出置1a = po;oe=0;/使能输出

25、关闭void timero() interrupt 1/产生 500khz 提供给 adc0808tho=(65536-2)/256;tl0=(65536-2)%256;clock=clock; 一void timerl() interrupt 3/ 采样频率 2ohzthl=(65536-5oooo)/256;tll=(65536-50000)%256; a = po;void inint()tmod=oxll;/设置定时器工作方式tho=(65536-2)/256; /装初值 tl0=(65536-2)%256;thl=(65536-50000)/56;tll=(65536-50000)%

26、256;ea=1;/开总屮断eto=1;/开定时器0中断tro=1;/扁动定吋器0屮断et1=1;/开定时器1,启动定吋器1tr1=1;exo=1;/丌外部屮断ito=1;/外部中断触发方式void delay(uchar z) /延时函数 uchar x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);5仿真及结果分析通过i卜:确的编写程序和不断调试发现，比较理想的滤波效來是中位值滤波，先幅 滤波效果不太理想，下而给出两种滤波阁型：限幅滤波中位值滤波：当噪声信兮的频率为1，幅度为4时，冇效信兮频率为5,幅度为1事，出现严重失真，图 形如卜：当噪声信号的频率为

27、50,幅度为1时，有效信号频率为5,幅度为2,滤波比较理想，图形 如下：clniuiel (postonpositionacocgnooffclinifeiiel do皿invert结果分析：限幅滤波的效采是和a值宥关的，一般情况k，a值越小，则代表允许的噪声要 越小，限幅滤波很适用于使幅值突变的噪声。限幅滤波适用于变化缓慢的场合， 比如主要用于处理变化比较缓慢的数据，如温度、物体的位置等。使用时关键在 于最大偏差值的ay的选择，通常可根据经验获得。而11通过仿真过程中不断修改a的值，滤波效果会明显发生变化，通过改变信号 的频率，滤波的结果也会发生明显变化，当信号的频率过高时，滤波效粜会使最 终的波形发生明显的失真现象。巾位值滤波和噪声信号的频率及幅度有一定关系，当噪声频率较小