基于单片机控制的滤波器设计

第 1 章概论
1.1 课题研究的背景
随代现代技术的发展，各种新型的大规模和超大规模集成电路不断涌 现集成电路技术与计算机技术结合在一起，使得对数字信号处理系统功能 的要求越来越强。DSP 技术已在通信、控制、信号处理、仪器仪表、医疗、 家电等很多领域得到了越来越广泛的应用.在数字信号处理中数字滤波占 有极其重要的地位。数字滤波在语音信号、图象处理模式识别和谱分析等 领域中的一个基本的处理技术。数字滤波与模拟滤波相比数字滤波具有很 多突出的优点，主要是因为数字滤波器是过滤时间离散信号的数字系统， 它可以用软件（计算机程序）或用硬件来实现，而且在两种情况下都可以 用来过滤实时信号或非实时信号。尽管数字滤波器这个名称一直到六十年 代中期才出现，但是随着科学技术的发展及计算机的更新普及，数字滤波 器有着很好的发展前景。
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第 1 章 概论.....................................................................................................4
我国在 DSP 技术起步较早，产品的研究开发成绩斐然，基本上与国外 同步发展，而在 FPGA 方面起步较晚。全国有 100 来所高等院校从事 DSP&FPGA 的教学和科研，除了一部分 DSP 芯片需要从国外进口外，在 信号处理理论和算法方面，与国外处于同等水平.而在 FPGA 信号处理和系 统方面，有了喜人的进展，正在进行与世界先进国家同样的研究.西北工业 大学和国防科学技术大学的 ATR 实验室采用了 FPGA 可重构计算系统进行 机载图像处理和自动目标识别，主要是利用该系统进行复杂的卷积运算， 同时利用它的可变柔性来达到自适应的目的。
目前，国外有许多院校和科研机构在研究基于 FPGA 的 DSP 应用，比 较突出的有 Denmark 大学的研究小组正在从事 FPGA 实现数字滤波器的研 究。加州大学洛杉矶分校的研究小组采用运行时重构技术开发了一种视频 通讯系统，该系统用一片 FPGA 可每帧重构四次完成视频图像压缩和传送 的操作。此外，他们还在进行 Mojave 项目的开发工作，力图采用运行时重 构技术来实现自动目标识别应用。
20 世纪 60 年代起，由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展， 滤波器的发展上了一个新台阶，朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、 稳定可靠和价廉等方向努力，其中高精度、小体积、多功能、稳定可靠成 为 70 年代以后的主攻方向，导致数字滤波器、RC 有源滤波器、开关电容 滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展。到 70 年代后期，上述几种 滤波器的单片集成己被研制出来并得到应用，90 年代至现在主要致力于把
关键词：单片机、proteus、C 语言、数字滤波。
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1.1 课题研究的背景........................................................................................4
1.2 数字滤波器研究意义.....................................................Biblioteka .................5
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。
滤波器在数值信号处理中有广泛的应用，为此我首先将滤波器作简单 介绍，达到温故而知新的作用。 滤波器早被公认为各种电子产品的重要 部件，其主要功能是作为各种电信号的提取、分隔、抑止干扰，随着电子 技术的飞速发展，电子产品的应用领域发生日新月异的变化：从家用的收
音机、电视机到航天用的测控设备；从矿井用的通信机到巡航导弹；从超 市用的报警器到日常生活的手机，由于电子产品门类及使用频段的不断扩 展，各种电子设备之间的干扰也日趋严重，因而滤波器不但是确保电子产 品本身正常可靠工作的重要部件，而且是减少相互影响、确保正常工作环 境的重要器件，因而，可以毫不夸张地说，在具有特定功能的电子产品中 均有滤波器的踪迹可寻......
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。这里我们采用了基于单片机来设计并开发数 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，尤其对中位值滤波和中位值平 均滤波算法程序进行了改进。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。另外我们还使用了 AD 和 DA 来采集及输出数据。传统的模拟滤波器在精度方面无法与数字滤波器相比, 尤其在多阻带多通带滤波器设计方面，模拟滤波器更是无能为力。本文主 要就是我对数字滤波器当前的发展及应用现况的一点小小见解。随着集成 电路技术的发展，各种新型的大规模和超大规模集成电路不断涌现集成电 路技术与计算机技术结合在一起，使得对数字信号处理系统功能的要求越 来越强。在数字信号处理中数字滤波占有极其重要的地位。数字滤波在语 音信号、图象处理模式识别和谱分析等领域中的一个基本的处理技术。
1.3 设计目的与难点................................................................................5 第2章 单片机 8031 和数字滤波器的介绍.....................................................6
2.1 对 8031 的介绍..........................................................................................6 2.2 对数字滤波器的简单介绍........................................................................7 第 3 章 数字滤波设计原理........................................................................................7 3.1 中值滤波........................................................................................................8 3.2 算术平均滤波...............................................................................................8 3.3 加权平均滤波...............................................................................................8 3.4 中位值平均滤波...........................................................................................8 3.5 限幅滤波.........................................................................................................9 第 4 章理图设计..............................................................................................................9 4.1 单片机 MCS51..................................................................................................9 4.2 数据采用..........................................................................................................9 4.3 数模转换输出...............................................................................................11 第 5 章设计......................................................................................................................14 5.1 滤波算法设计...............................................................................................14 5.2 AD 转换器.......................................................................................................14 5.3 滤波算法的选择...........................................................................................15 5.4 程序流程图....................................................................................................16 结论....................................................................................................................................17