数字滤波系统设计课程设计报告

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1、北 华 航 天 工 业 学 院课程设计报告（论文）设计课题： 数字滤波系统设计 专业班级： B12222 学生姓名： 张超 李永猛 指导教师： 齐建玲 设计时间： 2015 年 7 月 1 号 北华航天工业学院AA工AA计算机控制技术课程设计任务书姓 名： 张超李永猛专 业： 自动化 班 级： B12222指导教师： 齐建玲 职 称： 教 授课程设计题目：数字滤波系统设计已知技术参数和设计要求：1利用 MATLAB 生成一个含随机扰动的正弦信号，在一个周期内采集 256 个点 ，并存在 RAM 里。也可通过 ADC 模块进行数据采集获得。2对上述信号进行数字滤波处理，可以采用下述滤波算法：（1

2、） 加权平均值滤波 （2） 中位值滤波法（3） 限幅滤波（4） 惯性滤波3用虚拟示波器现实滤波前后的波形，分析滤波算法的特点。4用单片机做控制微机；5完成设计报告所需软件和硬件器件：keil uVision 编程仿真软件，Proteus Pro7.8 仿真软件，单片机 AT89C51，AD 转换器 ADC0808，数模转换器 DAC0832，运算放大器UA741，开关，示波器，信号发生器。成果验收形式：验收结果，答辩原理，改进方案。参考文献：计算机控制技术 （机械工业出版社 于海生等编著）C 语言程序设计（第 2 版 清华大学出版社 谭浩强主编）单片机原理及应用（机械工业出版社 第二版）时间安

3、排2015 年 7 月 1 日开始2015 年 7 月 3 日验收答辩指导教师：齐建玲 教研室主任： 2015 年 7 月 3 日内 容 摘 要数据采集，又称 数据获取 ，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口 。数据采集技术广泛引用在各个领域。比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具。被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。在互联网行业快速发展的今天，数据采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域，数据采集领域已经发生了重要的变化。而在数据采集中存在着各种噪声。滤除噪声的方法有很多种，既有数字滤波器，也有模拟滤波器。这

4、里我们采用了基于单片机和 C语言来设计并开发数字滤波系统。我们针对于单片机数据采集系统中经常出现的随机干扰，通过手动输入来模拟数据采集过程，验证了几种使用较为普遍的克服随机干扰的单片机数字滤波算法，并给出了相应的 C 程序，同时也对这几种滤波算法进行了比较，并指出了每一种算法的具体适用范围和注意事项。另外我们使用了 proteus 进行仿真验证这几种滤波方法。另外我们还使用了 AD 和 DA来采集及输出数据。目 录一 概 述 二 方案设计三 单元电路设计与参数计算 四 总原理图及元器件清单五 滤波算法介绍及程序六 仿真结果及分析七 结论八 心得体会九 参考文献一、概述 我们针对于单片机数据采集

5、系统中经常出现的随机干扰，通过手动输入来模拟数据采集过程，验证了几种使用较为普遍的克服随机干扰的单片机数字滤波算法，并给出了相应的 C 程序。同时也对这几种滤波算法进行了比较，并指出了每一种算法的具体适用范围和注意事项。另外我们使用了 proteus 进行仿真验证这几种滤波方法。另外我们还使用了 AD 和 DA 来采集及输出数据。二、方案设计生活中数字滤波方法有很多种，在这次设计中我们用了四种，分别为：限速滤波、中值滤波、算动平均值滤波和加权平均滤波。通过 C 语言编程实现滤波算法。硬件上我们用 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，并实现控制。另外我们

6、还使用了 ADC0808 进行数据采集，这里 AD0808 是并联 AD 转换器，输入信号由时钟信号和正弦信号通过加法器合成输入到 AD 转换器。然后用 DAC0832 来进行数模转换，DAC0832 输出的是电流，要利用运算放大器转换成电压，通过示波器显示出波形。此外，我们让单片机外接四个开关，通过程序用开关控制具体使用哪种滤波方式。三、单元电路设计与参数计算1. 单片机 AT89C51我们使用了 P0 口作为接受 AD 转换的结果的端口，而 P1 口则输出数据到 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 P2.3-P2.6 外接四个开关，

7、用来实现滤波方式的选择。. 数据采集图1 ADC0808的引脚图数据采集用的是 ADC0808，引脚图如上所示。其中 IN0-IN8是八个模拟量输入端口，AD0808可以一次对八个模拟量进行模数转换，但是在这里我们只使用了其中的一个输入端 IN0，所以ADDDA、ADDB、ADDC 都应为0，所以我让它们都接地。它的八个输出端接在单片机上，CLOCK 接数据采样时钟，它可以接在单片机上由单片机控制，也可接在另外的数字时钟上，这里我选用外接别的时钟。START 为转换启动信号，在其上跳变时，所有内部寄存器清零，在其下调变时，开始进行 AD 转换。ALE 是地址锁存信号。这里我让START 和 A

8、LE 均接在单片机的同一个端口上，即 P2.1，让单片机实现程序控制 AD 的转换。OE 是输出允许信号，OE=1时，才能允许输出，这里我让它也接在单片机的端口 P2.1上，也是为了让单片机实现程序控制 AD0808的输出。EOC 是转换结束信号，EOC=1时，表示转换结束。这个信号可以用来提醒单片机 AD 已经转换完毕，程序中即可以用查询方式，也可以用中断方式，这里我使用查询方式，所以把它接在 P2.2上。VREF(+)和 VREF(-)都是参考电压信号端口，这里我 让 VREF(-)的参考电压为零，VREF(+)的参考 电压为+3V。. 数模转换输出。DAC0832的引脚图如图所示我们用了

9、 DAC0832 来进行数模转换。DAC0832 有三种数模转换方法，直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式，因为单片机输出后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，则在接单片机的输出端口之间还要接一个缓冲器件，如 74LS373。但是我们并没有加这个锁存器，信号一直输入，导致滤波效果有些差。用于直通方式下，则 WR1、WR2、CS 和 GND 均接地，而 VCC 和 ILE 则接正电源。VREF是参考电源。IOUT1、IOUT2 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。数模转换输出电路如下图所示：

10、四、总原理图及元器件清单1总原理图2元件清单元件序号 型号 主要参数 数量备注单片机 AT 89C51 1AD 转换器 ADC0808 1DA 转换器 DAC0832 1运算放大器 UA741 1开关 SWSPST 4电阻 RES10k 4示波器 1加法器 OP：ADD 1五、算法程序及总程序1.限速滤波限速滤波的基本原理是把两次相邻时刻（n 和 n-1）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 Y 比较，如果两次采样值的差值超过了允许的最大偏差值 Y，则认为发生了随机干扰，并认为最后一次采样值 Yn 非法，应予剔除。剔除 Yn 后，

11、可用 Yn-1 代替 Yn；若未超过允许的最大偏差值范围，则认为本次采样值有效。可用如下公式表示：|Yn-Yn-1|Y；则 Yn 有效|Yn-Yn-1|Y；则 Yn-1 有效此算法的样例子程序如下：#define A 10 /A 值可根据实际情况调整uchar filter1() uchar new_value,value; /新的数据和上一次的数据value=get_data(N-2); new_value = get_data(N-1); /获得新数据if ( ( new_value - value A ) | ( value - new_value A ) )return value;

12、return new_value; 2.中值滤波中位值滤波是先对某一参数连续采样 N 次（一般 N 取奇数） ，然后把 N 次采样值按从小到大排列，取中间值为本次采样值。该滤波方法实际上是一种排序方法，我在此采用的是冒泡法排序。由于在冒泡法排序中，每出现一次前者数据大于后者数据，就要进行二者数据的交换。此算法的样例子程序如下uchar filter2()uchar value_buffN,temp; /定义存储数据的数组int count,i,j,k;for(count=0;count#include #define uchar unsigned char#define A 0.93#defi

13、ne N 30sbit con1 = P23;sbit con2 = P24;sbit con3 = P25;sbit con4 = P26;sbit OE = P20;sbit START = P21;sbit EOC = P22;uchar a;uchar bufN =0;void change()int i;for(i=0;i A ) | ( value - new_value A ) )return value; return new_value; /中值滤波uchar filter2()uchar value_buffN,temp; /定义存储数据的数组int count,i,j,k

14、;for(count=0;countN;count+) /获取数据value_buffcount=get_data(count);for(j=0;jN-1;j+) /用冒泡法对数据进行排序，当然最好用其他排序方法 k=j;for(j=i+1;jN;j+)if(value_buffjvalue_buffk) k=j;temp=value_buffk;value_buffk=value_buffi; value_buffi=temp;return value_buff(N-1)/2;/算数平均滤波uchar filter3()uchar value_buffN;int i=0;int count;

15、int sum=0;value_buffi+=get_data(count);if(i=N)i=0;for(count=0;countN;count+)sum+=value_buffcount;return (uchar)(sum/N);/加权递推平均滤波uchar filte4() uchar code coeN = 1,1,1,20,20,20,40,40,40,40,200; uchar code sum_coe = 1+1+1+20+20+20+40+40+40+40+200; uchar count; uchar value_bufN; int sum=0; for (count=0;countN;count+) value_bufcount = get_data(count); for (count=0;countN;count+) sum += value_bufcount*coecount; return (uchar)(sum/sum_coe); uchar ADC0808_READ(void)uchar res;START = 0