1、 信息工程課程設計報告書課 程 名 稱 計算機控制技術課程設計課程設計總評成績 學生姓名、學 號 學 生 專 業 班級 自動化1092 指 導 教 師 姓名 課程設計起止日期 2012/1/72012/1/13 課程設計基本要求課程設計是工科學生十分重要的實踐教學環節，通過課程設計，培養學生綜合運用先修課程的理論知識和專業技能，解決工程領域某一方面實際問題的能力。課程設計報告是科學論文寫作的基礎，不僅可以培養和訓練學生的邏輯歸納能力、綜合分析能力和文字表達能力，也是規范課程設計教學要求、反映課程設計教學水平的重要依據。為了加強課程設計教學管理，提高課程設計教學質量，特擬定如下基本要求。1. 課

2、程設計教學一般可分為設計項目的選題、項目設計方案論證、項目設計結果分析、答辯等4個環節，每個環節都應有一定的考核要求和考核成績。2. 課程設計項目的選題要符合本課程設計教學大綱的要求，該項目應能突出學生實踐能力、設計能力和創新能力的培養；該項目有一定的實用性，且學生通過努力在規定的時間內是可以完成的。課程設計項目名稱、目的及技術要求記錄于課程設計報告書一、二項中，課程設計項目的選題考核成績占10%左右。3. 項目設計方案論證主要包括可行性設計方案論證、從可行性方案中確定最佳方案，實施最佳方案的軟件程序、硬件電路原理圖和pcb圖。項目設計方案論證內容記錄于課程設計報告書第三項中，項目設計方案論證

3、主要考核設計方案的正確性、可行性和創新性，考核成績占30%左右。4. 項目設計結果分析主要包括項目設計與制作結果的工藝水平，項目測試性能指標的正確性和完整性，項目測試中出現故障或錯誤原因的分析和處理方法。項目設計結果分析記錄于課程設計報告書第四項中，考核成績占25%左右。5. 學生在課程設計過程中應認真閱讀與本課程設計項目相關的文獻，培養自己的閱讀興趣和習慣，借以啟發自己的思維，提高綜合分和理解能力。文獻閱讀摘要記錄于課程設計報告書第五項中，考核成績占10%左右。6. 答辯是課程設計中十分重要的環節，由課程設計指導教師向答辯學生提出23個問題，通過答辯可進一步了解學生對課程設計中理論知識和實際

4、技能掌握的程度，以及對問題的理解、分析和判斷能力。答辯考核成績占25%左右。7.學生應在課程設計周內認真參加項目設計的各個環節，按時完成課程設計報告書交給課程設計指導教師評閱。課程設計指導教師應認真指導學生課程設計全過程，認真評閱學生的每一份課程設計報告，給出課程設計綜合評閱意見和每一個環節的評分成績（百分制），最后將百分制評分成績轉換為五級分制（優秀、良好、中等、及格、不及格）總評成績。8. 課程設計報告書是實踐教學水平評估的重要資料，應按課程、班級集成存檔交實驗室統一管理。一、課程設計項目名稱 數字濾波系統設計 二、項目設計目的及技術要求 初始條件：1用計算機模擬帶有干擾的正弦信號r（頻率

5、100hz）。首先計算機產生一個隨機信號，再與正弦信號疊加。2計算機對含有干擾的正弦信號進行數字濾波處理，保留正弦信號，去除干擾。3輸入為模擬電壓，輸入模擬電壓范圍為0+5v，最后濾波的結果用led顯示器顯示。要求完成的主要任務：1）分析數字濾波的常用方法，以及各自的優缺點； 2）采用一階慣性濾波器算法，設計算法程序； 3）在顯示器上顯示濾波前與濾波后的信號曲線； 4）通過數據分析采樣周期t對濾波效果的影響； 5）撰寫設計說明書。三、項目設計方案論證(可行性方案、最佳方案、軟件程序、硬件電路原理圖和pcb圖) 3.1分析數字濾波的常用方法下面給出幾種常用的作為參考，并進行比較。（1）限幅濾波法

6、（又稱程序判斷濾波法） a、方法：根據經驗判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設為a），每次檢測到新值時判斷：如果本次值與上次值之差a,則本次值無效,放棄本次值,用上次值代替本次值 b、優點：能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。 c、缺點：無法抑制那種周期性的干擾，平滑度差。（2）中位值濾波法 a、方法：連續采樣n次（n取奇數），把n次采樣值按大小排列，取中間值為本次有效值。 b、優點：能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，對溫度、液位的變化緩慢的被測參數有良好的濾波效果。c、缺點：對流量、速度等快速變化的參數不宜。（3）算術平均濾波法 a、方法：連續取n個采樣值進行算術平均運算。n值較大時：信

7、號平滑度較高，但靈敏度較低；n值較小時：信號平滑度較低，但靈敏度較高。n值的選取：一般流量，n=12；壓力：n=4 b、優點：適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波，這樣信號的特點是有一個平均值，信號在某一數值范圍附近上下波動。 c、缺點：對于測量速度較慢或要求數據計算速度較快的實時控制不適用，比較浪費ram。（4）遞推平均濾波法（又稱滑動平均濾波法） a、方法：把連續取n個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為n，每次采樣到一個新數據放入隊尾,并扔掉原來隊首的一次數據.(先進先出原則)，把隊列中的n個數據進行算術平均運算,就可獲得新的濾波結果。n值的選取：流量，n=12；壓力：n=4；液面，n

8、=412；溫度，n=14 b、優點：對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于高頻振蕩的系統。 c、缺點：靈敏度低 ，對偶然出現的脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，不適用于脈沖干擾比較嚴重的場合，比較浪費ram（5）中位值平均濾波法（又稱防脈沖干擾平均濾波法） a、方法：相當于“中位值濾波法”+“算術平均濾波法”。連續采樣n個數據，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算n-2個數據的算術平均值。n值的選取：314 b、優點：融合了兩種濾波法的優點，對于偶然出現的脈沖性干擾，的新數據先進行限幅處理，再送入隊列進行遞推平均濾波處理。 b、優點：融合了兩種濾波法的優

9、點，對于偶然出現的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。 c、缺點：比較浪費ram。（7）一階滯后濾波法 a、方法：取a=01，本次濾波結果=（1-a）*本次采樣值+a*上次濾波結果。 b、優點：對周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動頻率較高的場合。 c、缺點： 相位滯后，靈敏度低，滯后程度取決于a值大小，不能消除濾波頻率高于采樣頻率的1/2的干擾信號。（8）加權遞推平均濾波法 a、方法：是對遞推平均濾波法的改進，即不同時刻的數據加以不同的權。通常是，越接近現時刻的數據，權取得越大。給予新采樣值的權系數越大，則靈敏度越高，但信號平滑度越低。 b、優點：適用于有較大純滯后時間常數

10、的對象和采樣周期較短的系統。 c、缺點：對于純滯后時間常數較小，采樣周期較長，變化緩慢的信號不能迅速反應系統當前所受干擾的嚴重程度，濾波效果差。3.2 硬件電路設計3.2.1 主控電路atmega16是基于增強的avr risc結構的低功耗8 位cmos微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，atmega16 的數據吞吐率高達1 mips/mhz，從而可以減緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾。并且內部自帶8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(tqfp 封裝) 的adc 。圖1 主控電路圖3.2.2 數模轉換dac0832是8分辨率的d/a轉換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個d

11、a芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優點，在單片機應用系統中得到廣泛的應用。d/a轉換器由8位輸入鎖存器、8位dac寄存器、8位d/a轉換電路及轉換控制電路構成。圖2 數模轉換電路圖3.3 程序設計 3.3.1設計思路常用的rc濾波器的傳遞函數 其中tf=rc,它的濾波效果取決于濾波時間常數tf。因此，rc濾波器不可能對極低頻率的信號進行濾波。為此，人們模仿上式做成一階慣性濾波器亦稱低通濾波器。即將上式寫成差分方程稍加整理得其中，稱為濾波系數，且01，ts為采樣周期，tf為濾波器時間常數。 根據慣性濾波器的頻率特性，若濾波系數越大，則帶寬越窄，濾波頻率也越低。因此，需要根據實際情況，適

12、當選取值，使得被測參數既不出現明顯的紋波，反應又不太遲緩。3.3.2 一階慣性濾波器算法設計低通濾算法程序和加權平均濾波相似，但加權系統只有兩個：a和1-a，因為只有兩項，a和1-a均以立即數的形式編入程序中，不另設表格。雖然采樣值為單元字節，為保證運算精度，濾波輸出值用雙字節表示，其中一字節整數，一字節小數，否則有可能因為每次舍去尾數而使輸出不會變化。低通濾波的程序如下：/為加快程序處理速度，假定基數為100，/a=0100#define a 50char value;char filter_6()char new_value;new_value=get_data();return(100-

13、a)*value+a*new_value;一階低通濾波算法對周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動頻繁的參數濾波，其不足之處是帶來了相位滯后，靈敏度低。滯后的程度取決于a值的大小。同時，它不能濾除頻率高于采樣頻率1/2（奈奎斯特頻率）的干擾信號，對于高于奈奎斯特頻率的干擾信號，應該采用模擬濾波器。四、項目設計結果分析（分析試驗過程中獲得的數據、波形、現象或問題的正確性和必然性，分析產生不正確結果的原因和處理方法）改變一階慣性濾波器算法的采樣個數，運行后得到以下輸出波形。 圖3 改變采樣個數后的波形（n=10）圖4 改變采樣個數后的波形（n=30）圖5 改變采樣個數后的波形（n=60）通過以上

14、波形可以得出，改變采樣個數，的確會對濾波器的輸出產生影響。在前期，隨著n的增加，濾波效果會越來越明顯，這也正表明其適用于采樣周期較短的系統；但這一并不意味著n的取值盡可能大，如果n的取值偏大會對輸出造成負面的影響，使波形發生不必要的失真，使信號不能迅速反應系統當前所受的干擾程度，不能較好的實現濾波效果，并且增加了計算量，反而得不償失。五、參考文摘（相關文摘不少于5篇，記錄每篇文獻的作者姓名.文獻名稱.文獻發行城市：文獻出版社，出版年；文獻內容摘要, 每篇不少于100字）1于海生.計算機控制技術北京機械工業出版社2007摘要：工業控制是計算機的一個重要領域，計算機控制正是為了適應這個領域的需要而

15、發展起來的一個專業技術，它主要研究將計算機，通信技術和自動控制理論應運于工業生產過程，并設計出所需要的計算機控制系統。計算機控制技術是我國高等學校各類自動化，電力與電氣，計算機應用，機體一體化等專業的主干專業課程。2馮博琴，吳寧微型計算機原理與借口技術北京清華大學出版社2007摘要：本書以intel80x86系列微處理器作為平臺，介紹了8088，80386，pentium4的基本結構和工作原理。同時對包括微處理器，總線技術，存儲器系統等內容進行調整與補充，使其更能反映當前微機領域的新進展與技術。3張晉格計算機控制原理與應用 北京電子工業出版社 1995摘要：本書以計算機在系統控制中的應用為中心,以計算機控制系統為主線,涉及控制系統硬件、軟件、系統分析和應用等方面的問題,其實踐性和應用性較強。4于海生等微型計算機控制技術.北京清華大學出版社1999摘要：計算機控制系統在工業過程中的應用越來越普及，要求從事過程控制的工程技術人員必須掌握計算機控制技術的相關理論基礎、控制策略、數據通訊、網絡技術、硬件以及軟件等諸多方面的專門知識與技術。5何克忠，李偉計算機控制技術北京清華大學出版社1998摘要：計算機控制技術課程被許多高校的信息學科自動化、