单片机多功能台灯设计，单片机程控滤波器设计详解

很多朋友对单片机多功能台灯设计，单片机程控滤波器设计详解不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

设计要求当输入信号幅值变化时，通过前级可编程增益放大模块精确控制增益，最终输出信号幅值保持基本稳定；针对输入信号频率的变化，采用单片机的可编程滤波芯片同时进行，利用简单的外设周期辅助，利用编程数据完成RC网络的切换，通过单片机实现通和高通（对各种低频信号进行带通、带阻和全通）滤波处理，还可以根据不同的应用场景设置滤波器的特征参数，如中心频率、品质因数等，不仅提高了滤波器的性能和指标，而且有效避免了传统有源滤波器电路的滤波特性参数精度低、电路复杂、设计困难的问题。并且调试麻烦。它可以很好地应用于信号频率和幅度变化范围较大的地方。操作方便，性能优良。

这次我们设计了一个可编程滤波器，可以设置放大器增益，可以设置低通或高通滤波器的通带、截止频率等参数。该滤波器为有源滤波器，通带和截止频率可按一定程序设定。

设计方案（1）增益控制

使用精密数字电位器连接仪表放大器AD620，通过改变数字电位器的阻值来调节增益。增益可精确调节，精度高。该方案可以更精确地控制电压增益，方便单片机控制，减少干扰和噪声，满足设计要求，但成本较高。满足设计要求。

(2)过滤模块

本题的要求是通过现有的单片机截止频率可调的集成滤波器来实现的。实现精度高，易于调试。通过单片机控制MAX270（上行可编程滤波芯片）实现设计要求。

(3)椭圆滤波器模块

采用集成开关电容滤波芯片。由于该片式滤波器的截止频率是由外部时钟决定的，只要有稳定的外部时钟，滤波器的截止频率就能保证精度。同时，为了校准元件误差，可以通过微调时钟频率来改变滤波器。截止频率，使其能够准确地满足设计要求。

(4)幅频特性测试仪模块

采用DDS产生扫频信号，采用真有效值测量芯片AD637和A/D接口电路实现频率信号频率的步进调节和数字显示幅频特性。测试中的网络。 DDS产生的信号频率稳定性较高，信号频率步长和信号幅度的控制也比较方便。

(5)键盘控制及显示模块

利用按钮和液晶显示器实现系统增益和截止频率及操作界面的及时调整和显示。

最终的系统框图如图2-1所示：

理论分析与计算（一）AD620增益控制实现

可控增益放大器部分以AD620为核心器件，实现060dB之间的增益调节。 AD620是一款具有高温稳定性的低噪声精密可变增益放大器。它内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器组成。添加到梯形网络输入端的信号经过衰减后，由固定增益放大器输出。衰减量由增益控制接口加的参考电压决定；其增益与控制电压成线性关系，由单片机控制，D/A转换器产生精确的参考电压来控制增益，从而实现更精确的数控，减少干扰和噪声。可编程滤波器部分是使用开关电容滤波器实现的。开关电容滤波器是由MOS开关、MOS电容和MOS运算放大器组成的集成滤波器。在时钟频率驱动下，其开关电容组可等效为与时钟频率相关的等效电阻R=1/2C fc。其中C 是开关电容器组的电容，fc 是滤波器时钟频率。增益计算：

放大模块电路如图2-3所示。这部分由仪表放大器AD620和模拟开关CD4051组成的三级放大电路来实现。通过调节AD620的1、8脚之间的电阻值来改变电压。增益，电压增益为10dB至60dB。

式中，G为放大倍数，Gr为控制增益的电阻。

(2) MAX270滤波器截止频率的实现

本系统使用滤波器MAX270来实现低通滤波器。 MAX270包含两个二阶低通滤波器(带外频率响应斜率为-40dB/decade)，可单独编程。截止频率为1KHz-25KHz，动态范围为96dB。无需连接外部元件，可级联。具有低功耗关机模式。通过7位寄存器（D0-D6）发送的数据改变二阶低通滤波器的两个电容值，从而改变电路的截止频率fc（CutoffFrequency）。从1KHz到25KHz共有128个级别。

(3)椭圆滤波器的设计

四阶椭圆低通滤波器相当于两级二阶低通滤波器电路的组合。其传递函数为：

我们采用椭圆归一化LPF的设计方法，选择带内波动为1.0db。阻带频率是通带频率的4.0 倍。当带内波动为1db时，限波点位于阻带的椭圆归一化LPF的设计数据如表2-1所示。

(4)幅频特性测试模块

AD9851通过DDS产生0至200 kHz范围内的扫频信号。 DDS产生的信号频率稳定性高，信号的频率步长和信号幅度易于控制。 DDS基于奈奎斯特时域采样定理，在时域进行频率合成。 DDS的基本工作原理：当每个参考频率fs的上升沿到来时，N位相位累加器值根据频率控制字K的长度增加一次，输出所得相位值，并进行正弦查找表将相位信息转换为相应的正弦幅度值。当fs和N一定时，输出波形频率由频率控制字K决定。频率控制字K以一定步长循环递增，输出频率变化的扫频信号。

扫频信号通过被测网络后，由AD637检测有效值，即通过网络后各频点的有效值，在示波器上显示其幅频特性图。 AD637的外围电路简单，当输入峰峰值大于2 V时，其测量误差在100 Hz至1 MHz范围内可以忽略不计。

DDS原理框图和幅频特性测试模块原理框图如图2-2所示：

硬件设计系统主要采用精密放大器AD620和MAX270以及单片机控制来实现。

1、 功放模块

AD620特点： 放大倍数可设置11000倍，价格低廉，功耗低，高精度仪表放大器。体积小，为8引脚SOIC或DIP封装；供电范围2.3V18V；最大供电电流仅为1.3mA。 AD620具有良好的直流特性和交流特性。其最大输入失调电压为5OV，最大输入失调电压漂移为lV/。 C、最大输入偏置电流为2.0nA。当G=10时，其共模抑制比大于93dB。 1kHz时输入电压噪声为9nV/(Hz)1/2，0.1Hz~10Hz范围内输入电压噪声峰峰值为0.28V，输入电流噪声为0.1pA/( Hz)1/2 ，当G=l时，其增益带宽为120kHz，稳定时间为15s。

其引脚如图3-1所示：

放大模块电路如图3-2所示：

2、 单片机控制过滤模块

通过使用AT89S52单片机控制二阶低通可编程滤波器MAX270完成低通滤波器的设计。

A。 AT89S52单片机

AT89S52 是一款低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，具有8K 系统内可编程闪存。它采用Atmel 的高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品在指令和引脚上完全兼容。片上闪存允许程序存储器在系统中进行编程，也适用于传统编程器。在单芯片上，它具有智能8位CPU和系统内可编程Flash，使得AT89S52广泛应用于许多嵌入式控制应用系统。

引脚及功能：

P0 端口：P0 端口是一个8 位开漏双向I/O 端口。作为输出端口，每一位可以驱动8个TTL逻辑电平。当向P0口写“1”时，该引脚作为高阻输入。当访问外部程序和数据存储器时，端口0也用作低8位地址/数据复用。该模式下，P0 没有内部上拉电阻。 Flash编程时，P0口还用于接收指令字节；在程序验证期间，输出指令字节。程序验证时，需要外接上拉电阻。

P1 端口：P1 端口是一个8 位双向I/O 端口，内部有上拉电阻。 P1输出缓冲器可以驱动4个TTL逻辑电平。当向P1端口写入“1”时，内部上拉电阻将该端口拉高，可作为输入端口使用。当用作输入时，外部拉低的引脚将由于内阻而输出电流（IIL）。另外，P1.0 和P1.1 分别用作定时器/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX）。在闪存编程和验证期间，P1 端口接收低8 位地址字节。

引脚号的第二个功能：

P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入）时钟输出

P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕获/重载触发信号和方向控制）

P1.5 MOSI（用于系统内编程）

P1.6 MISO（用于系统内编程）

P1.7 SCK（系统内编程）

P2 端口：P2 端口是一个8 位双向I/O 端口，内部有上拉电阻。 P2输出缓冲器可以驱动4个TTL逻辑电平。当向P2端口写入“1”时，内部上拉电阻将该端口拉高，可作为输入端口使用。当用作输入时，外部拉低的引脚将由于内阻而输出电流（IIL）。当使用16 位地址访问外部程序存储器或读取外部数据存储器时（例如执行MOVX @DPTR），P2 端口发送该地址的高8 位。在此应用中，端口P2 使用强内部上拉来发送1。当使用8位地址（如MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2端口输出P2锁存器的内容。在闪存编程和验证期间，端口P2还接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3端口：P3端口是一个8位双向I/O端口，内部有上拉电阻。 P3输出缓冲器可以驱动4个TTL逻辑电平。当向P3端口写入“1”时，内部上拉电阻将该端口拉高，可作为输入端口使用。当用作输入时，外部拉低的引脚将由于内阻而输出电流（IIL）。 P3口还用作AT89S52的一个特殊功能（第二功能），如下表所示。在Flash编程和验证过程中，P3端口还接收一些控制信号。

端口引脚次要功能：

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 INTO（外部中断0）

P3.3 INT1（外部中断1）

P3.4 TO（定时器/计数器0）

P3.5 T1（定时器/计数器1）

P3.6 WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 RD（外部数据存储器读选通）

另外，P3口还接收一些控制信号，用于FLASH闪存编程和程序验证。

RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚上的高电平持续两个机器周期以上将使单片机复位。

ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存使能）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。正常情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定脉冲信号，因此可以对外输出时钟或用于计时目的。注：每当访问外部数据存储器时，ALE 脉冲都会被跳过。在FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可以通过设置特殊功能寄存器(SFR) 区域中位置8EH 中的D0 位来禁用ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC 指令可以激活ALE。此外，该引脚将被弱拉高。当微控制器执行外部程序时，ALE禁用位应设置为无效。

PSEN：程序存储使能（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号。当AT89S52从外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期PSEN有效两次，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，PSEN信号将被跳过两次。

EA/VPP：允许外部访问。为了使CPU只能访问外部程序存储器（地址0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需要注意的是，如果加密位LB1被编程，则EA端子状态将在复位期间被内部锁存。如果EA端为高电平（连接到Vcc端），则CPU执行内部程序存储器中的指令。当对FLASH存储器进行编程时，需在该引脚上加+12V编程许可电源Vpp。当然，这必须是器件使用12V编程电压Vpp。

XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2：振荡器反相放大器的输出。

b.MAX270

主要性能：内含两个二阶低通滤波器（带外频响斜率为-40dB/十倍频），可单独编程，截止频率为1KHz-25KHz，动态范围为96dB。无需连接外部元件且可调节连接，具有低功耗关断模式。通过7位寄存器（D0-D6）发送的数据改变二阶低通滤波器的两个电容值，从而改变电路的截止频率fc（CutoffFrequency）。从1KHz到25KHz共有128个级别。

引脚功能：

SHDN：关断控制，低电平时，OUTA、OUTB、OP OUT及配置驱动器全部关断； WR：写控制输入，低电平时，将数据D0-D6写入地址A0选择的程序存储器中，高电平时关闭数据；

CS：片选输入，低电平有效；

A0：三态地址输入逻辑高电平，选择滤波器A，逻辑低电平，选择滤波器B； D6-D7：7位数据输入。

滤波模块电路如图3-5所示。 74HC373 是一个八位锁存器。当LE为高电平时，单片机控制地址和数据信号被锁存在锁存器中。当LE变为低电平时，锁存器打开，同时WR变为低电平，向MAX270发送控制信号。通过控制MAX270的四根地址线A0-A3、两根数据线D0和D1以及允许控制线WR来控制MAX270。

引脚图如图3-4所示：

3、 操作显示模块

使用单片机控制键盘显示8279、可编程计数器8254、可编程有源滤波器MAX270。其中8254是3通道16位可编程计数器，计数时钟频率高达10 MHz，可以为MAX262提供精确的时钟频率fclkA和fclkB。

软件设计1、 开发软件及环境介绍

通过使用Keil软件进行前期仿真调试，测试通过后连接实际电路，进一步测试各个参数，并使用Proteus进行电路设计。 4.1.1 凯尔

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。与汇编相比，C语言在功能、结构、可读性、可维护性等方面具有明显的优势，易学易用。使用汇编语言之后再使用C进行开发，体验会更加深刻。

Keil C51软件提供丰富的库函数和强大的集成开发调试工具，具有完整的Windows界面。还有很重要的一点是，只要看编译后生成的汇编代码，就可以意识到keil C51生成的目标代码是非常高效的。大多数语句生成的汇编代码非常紧凑且易于理解。高级语言的优势在开发大型软件时更能体现出来。

凯尔的特点：

1）全功能的源代码编辑器

2）设备库用于配置开发工具设置

3）项目管理器用于创建和维护用户项目

4) 集成的MAKE工具可以组装、编译和连接用户嵌入式应用程序

5）所有开发工具设置均采用对话框形式

6) CPU和外围设备的真正源代码级调试器

7) 先进的GDI（AGDI）接口用于目标硬件上的软件调试以及与Monitor-51的通信。

本次设计的汇编语言编程环境为Keil，配合仿真软件Proteus对单片机进行仿真和调试。

变形杆菌

Proteus软件是英国Labcenter Electronics公司发布的一款EDA工具软件（该软件中国总代理为广州峰标电子科技有限公司）。它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还可以仿真微控制器及外围器件。它是目前模拟微控制器和外围设备的最佳工具。虽然国内推广刚刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 Proteus是世界著名的EDA工具（仿真软件）。从原理图布局、代码调试，到单片机与外围电路的协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现从概念到产品的完整设计。它是目前全球唯一集电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件于一体的设计平台。其处理器型号支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。2010年将增加Cortex和DSP系列处理器，其他系列处理器型号将持续添加。编译方面，还支持IAR、Keil、MPLAB等多种编译器。

Proteus软件具有其他EDA工具软件（例如：multisim）的功能。这些功能是：

1）原理布局

2）PCB自动或手动布线

3）SPICE电路仿真的革命性特点：

1. 交互式电路仿真

用户甚至可以实时使用RAM、ROM、键盘、电机、LED、LCD、AD/DA、一些SPI设备和一些IIC设备。

2、 模拟处理器及其外围电路

可模拟51系列、AVR、PIC、ARM等常用主流单片机。还可以直接根据原理图创建虚拟原型。

编程，结合显示和输出，运行后可以看到输入输出的效果。结合系统中配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完整的电子设计开发环境。

系统主程序

程序流程图如图4-1所示

(1)增益控制程序

以上知识分享希望能够帮助到大家！