第50節(jié):利用ADC0832采集電壓信號,用平均法和區(qū)間法進行軟件濾波處理
從業(yè)近十年!手把手教你單片機程序框架 第50講
開場白：
ADC0832是一款常用的8位AD采樣芯片，通過它可以把外部的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后給單片機進行換算，顯示等處理。
這一節(jié)要教會大家五個知識點：
第一個：分辨率的算法。有些書上說8位AD最高分辯可達到256級(0xff+1)，當輸入電壓是0---5V時，電壓精度為19.53mV(5000mV除以256)，我認為這種說法是錯誤的。8位AD的最高分辨率應該是255級(0xff)，當輸入電壓是0---5V時，電壓精度為19.61mV(5000mV除以255)。
第二個：用求平均值的濾波法，可以使AD采樣的數(shù)據(jù)更加圓滑，去除小毛刺。
第三個：用區(qū)間濾波法，在一些干擾很大的場合，可以避免末尾小數(shù)點的數(shù)據(jù)頻繁跳動。
第四個：如何使系統(tǒng)可以采集到更高的電壓。由于ADC0832直接采集的電壓最大不能超過5V，如果要采集的最大電壓是25V該怎么辦?我們只要在外部多增加1個10K的電阻和1個40K的電阻組成分壓電路，把25V分壓成5V，然后再讓ADC0832采樣，這時采樣到的數(shù)據(jù)只要乘以5的系數(shù)，就可以得到超過5V的實際電壓。選擇分壓電阻時，阻值盡量不要太小，一般要10K級別以上，阻值大一點，對被采樣的系統(tǒng)干擾影響就越小。
第五個：如何有效保護AD通道口。我在一些電壓不穩(wěn)定的工控場合，一般是在AD通道口對負極反接一個瞬變二極管SA5.0A。當電壓超過5V時，瞬變二極管會導通吸收掉多余的能量，把電壓降下來，避免AD通道口燒壞。
具體內(nèi)容，請看源代碼講解。
(1) 硬件平臺.
基于朱兆祺51單片機學習板。
(2)實現(xiàn)功能：
本程序有2個局部顯示。
第1個局部是第8,7,6,5位數(shù)碼管，顯示沒有經(jīng)過濾波處理的實際電壓值。此時能觀察到未經(jīng)濾波的數(shù)據(jù)不太穩(wěn)定，末尾小數(shù)點數(shù)據(jù)會有跳動的現(xiàn)象
第2個局部是第4,3,2,1位數(shù)碼管，顯示經(jīng)過平均法，區(qū)間法濾波的實際電壓值。此時能觀察到經(jīng)過濾波后的數(shù)據(jù)很穩(wěn)定，沒有跳動的現(xiàn)象
系統(tǒng)保留3位小數(shù)點。手動調(diào)節(jié)可調(diào)電阻時，可以看到顯示的數(shù)據(jù)在變化。
(3)源代碼講解如下：
#include "REG52.H"
#define const_voice_short 40 //蜂鳴器短叫的持續(xù)時間
void initial_myself(void);
void initial_peripheral(void);
void delay_short(unsigned int uiDelayShort);
void delay_long(unsigned int uiDelaylong);
//驅(qū)動數(shù)碼管的74HC595
void dig_hc595_drive(unsigned char ucDigStatusTemp16_09,unsigned char ucDigStatusTemp08_01);
void display_drive(void); //顯示數(shù)碼管字模的驅(qū)動函數(shù)
void display_service(void); //顯示的窗口菜單服務程序
//驅(qū)動LED的74HC595
void hc595_drive(unsigned char ucLedStatusTemp16_09,unsigned char ucLedStatusTemp08_01);
void T0_time(void); //定時中斷函數(shù)
void ad_sampling_service(void); //AD采樣與處理的服務程序
sbit led_dr=P3^5; //LED燈
sbit beep_dr=P2^7; //蜂鳴器的驅(qū)動IO口
sbit dig_hc595_sh_dr=P2^0; //數(shù)碼管的74HC595程序
sbit dig_hc595_st_dr=P2^1;
sbit dig_hc595_ds_dr=P2^2;
sbit hc595_sh_dr=P2^3; //LED燈的74HC595程序
sbit hc595_st_dr=P2^4;
sbit hc595_ds_dr=P2^5;
sbit adc0832_clk_dr = P1^2; // 定義adc0832的引腳
sbit adc0832_cs_dr = P1^0;
sbit adc0832_data_sr_dr = P1^1;
unsigned char ucDigShow8; //第8位數(shù)碼管要顯示的內(nèi)容
unsigned char ucDigShow7; //第7位數(shù)碼管要顯示的內(nèi)容
unsigned char ucDigShow6; //第6位數(shù)碼管要顯示的內(nèi)容
unsigned char ucDigShow5; //第5位數(shù)碼管要顯示的內(nèi)容
unsigned char ucDigShow4; //第4位數(shù)碼管要顯示的內(nèi)容
unsigned char ucDigShow3; //第3位數(shù)碼管要顯示的內(nèi)容
unsigned char ucDigShow2; //第2位數(shù)碼管要顯示的內(nèi)容
unsigned char ucDigShow1; //第1位數(shù)碼管要顯示的內(nèi)容
unsigned char ucDigDot8; //數(shù)碼管8的小數(shù)點是否顯示的標志
unsigned char ucDigDot7; //數(shù)碼管7的小數(shù)點是否顯示的標志
unsigned char ucDigDot6; //數(shù)碼管6的小數(shù)點是否顯示的標志
unsigned char ucDigDot5; //數(shù)碼管5的小數(shù)點是否顯示的標志
unsigned char ucDigDot4; //數(shù)碼管4的小數(shù)點是否顯示的標志
unsigned char ucDigDot3; //數(shù)碼管3的小數(shù)點是否顯示的標志
unsigned char ucDigDot2; //數(shù)碼管2的小數(shù)點是否顯示的標志
unsigned char ucDigDot1; //數(shù)碼管1的小數(shù)點是否顯示的標志
unsigned char ucDigShowTemp=0; //臨時中間變量
unsigned char ucDisplayDriveStep=1; //動態(tài)掃描數(shù)碼管的步驟變量
unsigned char ucWd1Part1Update=1; //在窗口1中，局部1的更新顯示標志
unsigned char ucWd1Part2Update=1; //在窗口1中，局部2的更新顯示標志
unsigned char ucTemp1=0; //中間過渡變量
unsigned char ucTemp2=0; //中間過渡變量
unsigned char ucTemp3=0; //中間過渡變量
unsigned char ucTemp4=0; //中間過渡變量
unsigned char ucTemp5=0; //中間過渡變量
unsigned char ucTemp6=0; //中間過渡變量
unsigned char ucTemp7=0; //中間過渡變量
unsigned char ucTemp8=0; //中間過渡變量
unsigned char ucAD=0; //AD值
unsigned char ucCheckAD=0; //用來做校驗對比的AD值
unsigned long ulTemp=0; //參與換算的中間變量
unsigned long ulTempFilterV=0; //參與換算的中間變量
unsigned long ulBackupFilterV=5000; //備份最新采樣數(shù)據(jù)的中間變量
unsigned char ucSamplingCnt=0; //統(tǒng)計采樣的次數(shù) 本程序采樣8次后求平均值
unsigned long ulV=0; //未經(jīng)濾波處理的實時電壓值
unsigned long ulFilterV=0; //經(jīng)過濾波后的實時電壓值
//根據(jù)原理圖得出的共陰數(shù)碼管字模表
code unsigned char dig_table[]=
{
0x3f, //0 序號0
0x06, //1 序號1
0x5b, //2 序號2
0x4f, //3 序號3
0x66, //4 序號4
0x6d, //5 序號5
0x7d, //6 序號6
0x07, //7 序號7
0x7f, //8 序號8
0x6f, //9 序號9
0x00, //無 序號10
0x40, //- 序號11
0x73, //P 序號12
};
void main()
{
initial_myself();
delay_long(100);
initial_peripheral();
while(1)
{
ad_sampling_service(); //AD采樣與處理的服務程序
display_service(); //顯示的窗口菜單服務程序
}
}
void ad_sampling_service(void) //AD采樣與處理的服務程序
{
unsigned char i;
ucAD=0; //AD值
ucCheckAD=0; //用來做校驗對比的AD值
/* 片選信號置為低電平 */
adc0832_cs_dr = 0;
/* 第一個脈沖，開始位 */
adc0832_data_sr_dr = 1;
adc0832_clk_dr = 0;
delay_short(1);
adc0832_clk_dr = 1;
/* 第二個脈沖，選擇通道 */
adc0832_data_sr_dr = 1;
adc0832_clk_dr = 0;
adc0832_clk_dr = 1;
/* 第三個脈沖，選擇通道 */
adc0832_data_sr_dr = 0;
adc0832_clk_dr = 0;
adc0832_clk_dr = 1;
/* 數(shù)據(jù)線輸出高電平 */
adc0832_data_sr_dr = 1;
delay_short(2);
/* 第一個下降沿 */
adc0832_clk_dr = 1;
adc0832_clk_dr = 0;
delay_short(1);
/* AD值開始送出 */
for (i = 0; i < 8; i++)
{
ucAD <<= 1;
adc0832_clk_dr = 1;
adc0832_clk_dr = 0;
if (adc0832_data_sr_dr==1)
{
ucAD |= 0x01;
}
}
/* 用于校驗的AD值開始送出 */
for (i = 0; i < 8; i++)
{
ucCheckAD >>= 1;
if (adc0832_data_sr_dr==1)
{
ucCheckAD |= 0x80;
}
adc0832_clk_dr = 1;
adc0832_clk_dr = 0;
}
/* 片選信號置為高電平 */
adc0832_cs_dr = 1;
if(ucCheckAD==ucAD) //檢驗相等
{
ulTemp=0; //把char類型數(shù)據(jù)賦值給long類型數(shù)據(jù)之前，必須先清零
ulTemp=ucAD; //把char類型數(shù)據(jù)賦值給long類型數(shù)據(jù),參與乘除法運算的數(shù)據(jù)，為了避免運算結(jié)果溢出，我都用long類型
/* 注釋一：
* 因為保留3為小數(shù)點，這里的5000代表5.000V。ulTemp/255代表分辨率.
* 有些書上說8位AD最高分辯可達到256級(0xff+1)，我認為這種說法是錯誤的。
* 8位AD最高分辯應該是255級(0xff)，所以這里除以255，而不是256.
*/
ulTemp=5000*ulTemp/255; //進行電壓換算
ulV=ulTemp; //得到未經(jīng)濾波處理的實時電壓值
ucWd1Part1Update=1; //局部更新顯示未經(jīng)濾波處理的電壓
ulTempFilterV=ulTempFilterV+ulTemp; //累加8次后求平均值
ucSamplingCnt++; //統(tǒng)計已經(jīng)采樣累計的次數(shù)
if(ucSamplingCnt>=8)
{
/* 注釋二：
* 求平均值濾波法，為了得到的數(shù)據(jù)更加圓滑，去除小毛刺。
* 向右邊移動3位相當于除以8。
*/
ulTempFilterV=ulTempFilterV>>3; //求平均值濾波法
/* 注釋三：
* 以下區(qū)間濾波法，為了避免末尾小數(shù)點的數(shù)據(jù)頻繁跳動。
* 這里的20用于區(qū)間濾波法的正負偏差，這里的20代表0.020V。
* 意思是只要最近采集到的數(shù)據(jù)在正負0.020V偏差范圍內(nèi)，就不更新。
*/
if(ulBackupFilterV>=20) //最近備份的上一次數(shù)據(jù)大于等于0.02V的情況下
{
if(ulTempFilterV<(ulBackupFilterV-20)||ulTempFilterV>(ulBackupFilterV+20)) //在正負0.020V偏差范圍外，更新
{
ulBackupFilterV=ulTempFilterV; //備份最新采樣的數(shù)據(jù),方便下一次對比判斷
ulFilterV=ulTempFilterV; //得到經(jīng)過濾波處理的實時電壓值
ucWd1Part2Update=1; //局部更新顯示經(jīng)過濾波處理的電壓
}
}
else //最近備份的上一次數(shù)據(jù)小于0.02V的情況下
{
if(ulTempFilterV>(ulBackupFilterV+20)) //在正0.020V偏差范圍外，更新
{
ulBackupFilterV=ulTempFilterV; //備份最新采樣的數(shù)據(jù),方便下一次對比判斷
ulFilterV=ulTempFilterV; //得到經(jīng)過濾波處理的實時電壓值
ucWd1Part2Update=1; //局部更新顯示經(jīng)過濾波處理的電壓
}
}
ucSamplingCnt=0; //清零，為下一輪采樣濾波作準備。
ulTempFilterV=0;
}
}
}
void display_service(void) //顯示的窗口菜單服務程序
{
if(ucWd1Part1Update==1)//未經(jīng)濾波處理的實時電壓更新顯示
{
ucWd1Part1Update=0;
ucTemp8=ulV%10000/1000; //顯示電壓值個位
ucTemp7=ulV%1000/100; //顯示電壓值小數(shù)點后第1位
ucTemp6=ulV%100/10; //顯示電壓值小數(shù)點后第2位
ucTemp5=ulV%10; //顯示電壓值小數(shù)點后第3位
ucDigShow8=ucTemp8; //數(shù)碼管顯示實際內(nèi)容
ucDigShow7=ucTemp7;
ucDigShow6=ucTemp6;
ucDigShow5=ucTemp5;
}
if(ucWd1Part2Update==1)//經(jīng)過濾波處理后的實時電壓更新顯示
{
ucWd1Part2Update=0;
ucTemp4=ulFilterV%10000/1000; //顯示電壓值個位
ucTemp3=ulFilterV%1000/100; //顯示電壓值小數(shù)點后第1位
ucTemp2=ulFilterV%100/10; //顯示電壓值小數(shù)點后第2位
ucTemp1=ulFilterV%10; //顯示電壓值小數(shù)點后第3位
ucDigShow4=ucTemp4; //數(shù)碼管顯示實際內(nèi)容
ucDigShow3=ucTemp3;
ucDigShow2=ucTemp2;
ucDigShow1=ucTemp1;
}
}
void display_drive(void)
{
//以下程序，如果加一些數(shù)組和移位的元素，還可以壓縮容量。但是鴻哥追求的不是容量，而是清晰的講解思路
switch(ucDisplayDriveStep)
{
case 1: //顯示第1位
ucDigShowTemp=dig_table[ucDigShow1];
if(ucDigDot1==1)
{
ucDigShowTemp=ucDigShowTemp|0x80; //顯示小數(shù)點
}
dig_hc595_drive(ucDigShowTemp,0xfe);
break;
case 2: //顯示第2位
ucDigShowTemp=dig_table[ucDigShow2];
if(ucDigDot2==1)
{
ucDigShowTemp=ucDigShowTemp|0x80; //顯示小數(shù)點
}
dig_hc595_drive(ucDigShowTemp,0xfd);
break;
case 3: //顯示第3位
ucDigShowTemp=dig_table[ucDigShow3];
if(ucDigDot3==1)
{
ucDigShowTemp=ucDigShowTemp|0x80; //顯示小數(shù)點
}
dig_hc595_drive(ucDigShowTemp,0xfb);
break;
case 4: //顯示第4位
ucDigShowTemp=dig_table[ucDigShow4];
if(ucDigDot4==1)
{
ucDigShowTemp=ucDigShowTemp|0x80; //顯示小數(shù)點
}
dig_hc595_drive(ucDigShowTemp,0xf7);
break;
case 5: //顯示第5位
ucDigShowTemp=dig_table[ucDigShow5];
if(ucDigDot5==1)
{
ucDigShowTemp=ucDigShowTemp|0x80; //顯示小數(shù)點
}
dig_hc595_drive(ucDigShowTemp,0xef);
break;
case 6: //顯示第6位
ucDigShowTemp=dig_table[ucDigShow6];
if(ucDigDot6==1)
{
ucDigShowTemp=ucDigShowTemp|0x80; //顯示小數(shù)點
}
dig_hc595_drive(ucDigShowTemp,0xdf);
break;
case 7: //顯示第7位
ucDigShowTemp=dig_table[ucDigShow7];
if(ucDigDot7==1)
{
ucDigShowTemp=ucDigShowTemp|0x80; //顯示小數(shù)點
}
dig_hc595_drive(ucDigShowTemp,0xbf);
break;
case 8: //顯示第8位
ucDigShowTemp=dig_table[ucDigShow8];
if(ucDigDot8==1)
{
ucDigShowTemp=ucDigShowTemp|0x80; //顯示小數(shù)點
}
dig_hc595_drive(ucDigShowTemp,0x7f);
break;
}
ucDisplayDriveStep++;
if(ucDisplayDriveStep>8) //掃描完8個數(shù)碼管后，重新從第一個開始掃描
{
ucDisplayDriveStep=1;
}
}
//數(shù)碼管的74HC595驅(qū)動函數(shù)
void dig_hc595_drive(unsigned char ucDigStatusTemp16_09,unsigned char ucDigStatusTemp08_01)
{
unsigned char i;
unsigned char ucTempData;
dig_hc595_sh_dr=0;
dig_hc595_st_dr=0;
ucTempData=ucDigStatusTemp16_09; //先送高8位
for(i=0;i<8;i++)
{
if(ucTempData>=0x80)dig_hc595_ds_dr=1;
else dig_hc595_ds_dr=0;
dig_hc595_sh_dr=0; //SH引腳的上升沿把數(shù)據(jù)送入寄存器
delay_short(1);
dig_hc595_sh_dr=1;
delay_short(1);
ucTempData=ucTempData<<1;
}
ucTempData=ucDigStatusTemp08_01; //再先送低8位
for(i=0;i<8;i++)
{
if(ucTempData>=0x80)dig_hc595_ds_dr=1;
else dig_hc595_ds_dr=0;
dig_hc595_sh_dr=0; //SH引腳的上升沿把數(shù)據(jù)送入寄存器
delay_short(1);
dig_hc595_sh_dr=1;
delay_short(1);
ucTempData=ucTempData<<1;
}
dig_hc595_st_dr=0; //ST引腳把兩個寄存器的數(shù)據(jù)更新輸出到74HC595的輸出引腳上并且鎖存起來
delay_short(1);
dig_hc595_st_dr=1;
delay_short(1);
dig_hc595_sh_dr=0; //拉低，抗干擾就增強
dig_hc595_st_dr=0;
dig_hc595_ds_dr=0;
}
//LED燈的74HC595驅(qū)動函數(shù)
void hc595_drive(unsigned char ucLedStatusTemp16_09,unsigned char ucLedStatusTemp08_01)
{
unsigned char i;
unsigned char ucTempData;
hc595_sh_dr=0;
hc595_st_dr=0;
ucTempData=ucLedStatusTemp16_09; //先送高8位
for(i=0;i<8;i++)
{
if(ucTempData>=0x80)hc595_ds_dr=1;
else hc595_ds_dr=0;
hc595_sh_dr=0; //SH引腳的上升沿把數(shù)據(jù)送入寄存器
delay_short(1);
hc595_sh_dr=1;
delay_short(1);
ucTempData=ucTempData<<1;
}
ucTempData=ucLedStatusTemp08_01; //再先送低8位
for(i=0;i<8;i++)
{
if(ucTempData>=0x80)hc595_ds_dr=1;
else hc595_ds_dr=0;
hc595_sh_dr=0; //SH引腳的上升沿把數(shù)據(jù)送入寄存器
delay_short(1);
hc595_sh_dr=1;
delay_short(1);
ucTempData=ucTempData<<1;
}
hc595_st_dr=0; //ST引腳把兩個寄存器的數(shù)據(jù)更新輸出到74HC595的輸出引腳上并且鎖存起來
delay_short(1);
hc595_st_dr=1;
delay_short(1);
hc595_sh_dr=0; //拉低，抗干擾就增強
hc595_st_dr=0;
hc595_ds_dr=0;
}
void T0_time(void) interrupt 1 //定時中斷
{
TF0=0; //清除中斷標志
TR0=0; //關中斷
display_drive(); //數(shù)碼管字模的驅(qū)動函數(shù)
TH0=0xfe; //重裝初始值(65535-500)=65035=0xfe0b
TL0=0x0b;
TR0=1; //開中斷
}
void delay_short(unsigned int uiDelayShort)
{
unsigned int i;
for(i=0;i
{
; //一個分號相當于執(zhí)行一條空語句
}
}
void delay_long(unsigned int uiDelayLong)
{
unsigned int i;
unsigned int j;
for(i=0;i
{
for(j=0;j<500;j++) //內(nèi)嵌循環(huán)的空指令數(shù)量
{
; //一個分號相當于執(zhí)行一條空語句
}
}
}
void initial_myself(void) //第一區(qū) 初始化單片機
{
led_dr=0;//LED燈默認關閉
beep_dr=1; //用PNP三極管控制蜂鳴器，輸出高電平時不叫。
hc595_drive(0x00,0x00); //關閉所有經(jīng)過另外兩個74HC595驅(qū)動的LED燈
TMOD=0x01; //設置定時器0為工作方式1
TH0=0xfe; //重裝初始值(65535-500)=65035=0xfe0b
TL0=0x0b;
}
void initial_peripheral(void) //第二區(qū) 初始化外圍
{
ucDigDot8=1; //顯示未經(jīng)過濾波電壓的小數(shù)點
ucDigDot7=0;
ucDigDot6=0;
ucDigDot5=0;
ucDigDot4=1; //顯示經(jīng)過濾波后電壓的小數(shù)點
ucDigDot3=0;
ucDigDot2=0;
ucDigDot1=0;
EA=1; //開總中斷
ET0=1; //允許定時中斷
TR0=1; //啟動定時中斷
}
總結(jié)陳詞：
這節(jié)用區(qū)間濾波法雖然可以解決小數(shù)點后面的數(shù)據(jù)出現(xiàn)頻繁跳動的現(xiàn)象，但是也存在一個小問題，就是精度受到了影響，比如我們設置的正負偏差是0.02V，那就意味著系統(tǒng)存在0.02V的誤差。有沒有更好的辦法解決這個問題?如果系統(tǒng)的末尾數(shù)據(jù)一直不斷處于頻繁跳動中，那么只能犧牲一點精度，我認為用區(qū)間法已經(jīng)是最好的解決辦法了，但是經(jīng)過本次實驗，我觀察到未經(jīng)過濾波處理的數(shù)據(jù)只是偶爾跳動，并非頻繁跳動，所以下一節(jié)我會給大家介紹一種不用犧牲精度，又可以很好濾波的方法。欲知詳情，請聽下回分解-----利用ADC0832采集電壓信號，用連續(xù)N次一致性的方法進行濾波處理。
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