基于单片机的数字滤波器设计

基于单片机数字滤波器设计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。

数据采集技术广泛应用在各个领域。

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重要变化。

而在数据采集中存在各种噪声。

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。

本文采用了基于单片机和c语言来设计并开发数字滤波系统。

针对于单片机数据采集系统中经常出现的随机干扰，通过交流信号发生器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，并指出每一种算法具体适用范围和注意事项。

另外本文使用了proteus进行仿真验证这几种滤波方法，用了AD和DA来采集及输出数据。

关键词单片机/proteus/数字滤波。

BASED ON SCM DIGITALFILTER DESIGNABSTRACTData acquisition, also called data acquisition is the use of a device from the system input to external data collection and an interface that internal system. Data collection technology is widely quoted in various fields. Such as cameras, microphones, are data acquisition tools. Are collected data has been converted to telecommunications number of various physical quantities such as temperature, pressure, water, wind speed, etc, can be analogue, also can be the digital quantity. In the Internet industry fast development today, data acquisition has been widely used in Internet and distributed field, data acquisition field has changed in important changes. And in data acquisition exist in all sorts of noise. Filter out the noise a variety of ways, both digital filters, also have simulation filter. Here we adopted based on SCM and C language to design and develop digital filtering system. We based on single-chip microcomputer data acquisition system often appears in the random disturbance, through the manual input to simulate data acquisition process, and verifies the several use common overcome random disturbance single-chip digital filtering algorithm, and presents the corresponding C program, especially for the median value filter and the median value average filtering algorithm procedures were improved. Also on this compares several filtering algorithm, and points out the concrete each kind of algorithm is applicable range and precautions. In addition we use the simulation test this proteus several filtering method. In addition we still use the AD and DA to harvest and output data.KEY WORDS microcontroller, proteus, digital filter目录摘要 ................................................................................................................................................... I ABSTRACT...................................................................................................................................... II 1 绪论 (1)1.1数字滤波器特点 (1)1.2数字滤波器的设计 (2)2 数字滤波设计原理 (3)2.1中值滤波 (3)2.2算数平均滤波 (4)2.3 加权平均滤波 (5)2.4 中位值平均滤波 (6)2.5限幅滤波 (7)3 滤波器硬件设计 (8)3.1 单片机AT89C51 (8)3.2 数据采集 (9)3.3 数模转换输出 (10)3.4 总体电路图 (10)4 程序设计 (11)4.1 滤波算法设计 (11)4.2 AD转换器 (12)4.3 滤波算法的选择 (12)4.4 总体程序 (13)4.5 程序流程图 (13)5 仿真结果和分析 (14)6 数字滤波器新算法分析 (18)6.1 滑动平均滤波 (18)6.2 一阶滞后滤波 (18)6.3加权递推平均滤波 (19)6.4 消抖滤波 (20)7 总结 (22)致谢 (23)参考文献 (24)附录A (25)附录B (26)1 绪 论1.1 数字滤波器特点现在工业控制系统中，电路系统变得越来越复杂，因而带来的相互干扰也越来越强烈，模拟滤波电路已不能满足要求，数字滤波应运而生。

数字滤波器是数字信号处理器的一种，在进行数据采集和数据传输过程中，经常会受到各种外界干扰，当干扰严重时，可导致系统的测控精度降低甚至无法正常工作，数字滤波器则通过计算机执行一段相应的程序来滤除夹杂在数字信号中的干扰信号。

它所处理的对象是用序列表示的离散信号或是数字信号，因而可以实现一些高难度的复杂处理，而且具有工作稳定，受环境因素小，抗干扰性能强精度可控等优点。

因而现阶段被广泛应用，而用单片机实现数字滤波器与广泛应用的DSP 处理器相比，具有成本低，体积小，可靠性强等优点，因而在一定场合也有一定的实用价值。

【9】从时间上看，数字信号是离散的，从幅度上看，它又是量化的。

因此数字信号可用一个序列数来表示，而每个数又可表示成二进制码的形式。

数字滤波器的功能就是利用计算机软件对一组输入数字序列进行一定的运算，再变换成另一组输出数字序列。

对被测信号的处理，首先通过采样/保持电路，送至模/数转换器转换成数字量，然后通过数字滤波器滤除其中的干扰信号，最后通过模/数转换器获得模拟量输出。

根据所用数学模型的不同，数字滤波器可划分为两大类：一种是递归性滤波器，其特点是滤波器的输出不仅与输入信号有关，还与过去的输出值有关；另一种是非递归性滤波器，其特征是滤波器的输出仅与输入信号有关，而与过去输出值无关。

设数字滤波器的输入信号为()X n ，输出信号为()Y n ，则输入序列与输出序列之间的关系可用差分方程表示为公式一：01()()()N Nk k K K Y n b X n K a Y n K ===-+-∑∑ （1.1）输入信号()X n 可以是模拟信号经采样和ADC 变换后得到的数字序列，也可以是计算机的输出信号，k a ，k b 均为系数，由上述差分方程组组成的数字滤波器，称为递归性滤波器。

若将上述差分方程中系数k a 取做0，则得到公式二：0()()Nk K Y n b X n K ==-∑ （1.2）这种滤波器叫做非递归性滤波器。

选择不同的系数，则可以设计低通，高通或带通，带阻式数字滤波器。

【6】1.2 数字滤波器的设计1.设计数字滤波器时，一般按下面步骤进行：（1）根据干扰信号的特征来选择合适的滤波器。

（2）建立起典型的差分方程数学模型，并对差分方程进行Z 变换，写出其Z 传递函数。

（3）根据有用信号与干扰信号的频率特征，来确定系统期望的通频带。

（4）根据Z 传递函数，确定其幅频特性和相频特性，再对Z 进行反变换，求出滤波器的线性离散方程。

（5）按照线性差分方程来编制相应的软件，最终实现数字滤波的功能。

2. 数字滤波器的软件设计在测控系统中，由于各种参数的干扰成分不同，因而滤除这些干扰成分的方式也不同，本论文将用到中值滤波，算数平均滤波，加权平均滤波，中位值平均滤波，限幅滤波这五种方法，可根据具体情况加以选用。

2 数字滤波设计原理这里有很多种熟悉滤波方法，我们见选用其中几种来进行设计，如中值滤波，算数平均滤波，加权平均滤波等等。

所以下面我将详细介绍它们。

2.1中值位滤波是先对某中值滤波一参数连续采样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，没出现一次前者数据大于后者数据，就要进行两者数据的交换。

该算法样例子程序如下：#define N 11 //N值可根据实际情况调整char filter(){char value_buf[];char count,i,j,k,temp;for(count=0;count<N;count++) //获取数据{value_buf[count]=get_data();delay();}for(i=0;i<N-1;i++) //选择排序{k=i;for(j=i+1;j<N;j++)if(value_buf[j]<value_buf[k]) k=j;temp=value_buf[k];value_buf[k]=value_buf[i];value_buf[i]=temp;}return value_buf[(N-1)/2];}中位值滤波能有效地克服偶然因素引起的波动或采样器不稳定引起的误码等脉冲干扰。