基于STC89C52的超声波雷达系统 - 详细设计文档写在前面如果有实物制作交流诉求欢迎私聊文章目录基于STC89C52的超声波雷达系统 - 详细设计文档前言0.实物展示与运行演示0.1 系统整体实物0.2 传感云台与 OLED 显示特写0.3 单片机核心板与独立按键0.4 供电电源0.5 上位机运行界面0.6 运行演示视频1. 系统架构总览1.1 系统框图1.2 系统功能模块划分2. 硬件模块详细设计2.1 电源模块2.2 单片机最小系统引脚分配与当前代码一致定时器分配三定时器无冲突中断向量分配2.3 超声波模块 (HC-SR04)2.4 超声波滤波算法2.5 舵机云台单轴水平MG996R水平舵机当前唯一在用舵机DXW90俯仰舵机—— 已弃用2.6 独立按键模块已实现3. 软件模块详细设计3.1 主程序流程3.2 工作模式说明当前为两种模式3.3 OLED 显示设计3.4 串口通信协议上行数据单片机 → PC下行命令PC → 单片机3.5 PC 端上位机radar.html3.6 核心函数说明超声波模块hcsr04.c舵机模块servo.c串口模块uart.c按键模块key.c4. 模块实现进度已完成已硬件验证待开发 / 优化5. 硬件连接清单5.1 设备清单5.2 接线表当前在用6. 测试验证计划6.1 模块测试用例6.2 系统集成测试7. 代码文件结构7.1 文件功能说明8. 关键代码片段8.1 超声波中值平均滤波8.2 舵机 Timer2 相位法 PWM8.3 串口整合上报8.4 独立按键模式切换9. 参考资料前言本文档详细阐述了一个基于 STC89C52 单片机的超声波雷达系统的设计与实现。该系统旨在通过超声波测距与舵机云台扫描构建一个能够实时探测并可视化周围障碍物分布的嵌入式平台。项目源于本科毕业设计其核心目标是将理论知识与工程实践相结合完成一个功能完整、软硬件协同工作的实物系统。0.实物展示与运行演示本节为系统实物搭建与运行实拍所有素材位于工程根目录的展示图片视频/文件夹中。0.1 系统整体实物整机俯视全貌左侧为装在 MG996R 水平舵机上的 HC-SR04 超声波模块构成的扫描云台中部为 STC89C52 最小系统板40 脚 DIP 单片机、USB、电源开关、TX/RX 标识下方蓝色屏体为 0.96 寸 OLED右下角为 12V→5V/3.3V 电源模块。各模块通过面包板与杜邦线连接。接入 12V 锂电池组供电后的整机运行状态右侧为蓝色电池组通过桶形插座为系统供电此时 OLED 显示Mode: SCAN / Angle: 127 / Dist: 329 cm表明系统处于自动扫描模式并正常测距。0.2 传感云台与 OLED 显示特写HC-SR04 MG996R 扫描云台与 OLED 屏的特写。OLED 顶部显示标题ULTRASONIC RADAR模式行Mode: SCAN距离行Dist: 51 cm验证了 OLED 实时状态显示功能。另一时刻的显示Mode: SCAN / Angle: 64 / Dist: 98 cm右下角电源模块绿色指示灯常亮表示供电正常。随舵机扫描角度变化Angle 与 Dist 实时刷新。0.3 单片机核心板与独立按键STC89C52 最小系统板特写。板上可见 11.0592MHz 晶振、TX/RX 收发指示灯P3.0/P3.1以及底部一排独立按键标注INT0 / INT1 / USER1 / USER2其中 INT0(P3^2) 切换自动扫描模式、INT1(P3^3) 切换串口角度模式USER1/USER2 为后续扩展预留。0.4 供电电源系统电源采用 QISUO 12V / 9000mAh 锂电池组经 12V→5V/3.3V 模块降压后为单片机、舵机、超声波模块及 OLED 供电使系统可脱离 PC 独立运行。0.5 上位机运行界面PC 端radar.html雷达上位机实拍右上角显示串口已连接 9600右侧信息栏实时显示当前角度ANGLE 111°、距离DISTANCE 926cm、累计数据帧FRAMES 2580及原始数据A:111 D:926cm中央为绿色雷达扫描盘0°~180° 半圆、25/50/75/100cm 距离环障碍物以亮点标出扫描线在障碍处截断并保留已扫描轨迹。0.6 运行演示视频系统自动扫描与上位机联动的完整运行演示见视频文件超声波雷达运行视频1. 系统架构总览1.1 系统框图┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 雷达系统整体架构 │ ├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤ │ │ │ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ │ │ │ STC89C52 │◄───│ 电源模块 │───►│ 12V电池模组 │ │ │ │ 单片机 │ │ 12V→5V/3.3V │ │ │ │ │ └──────┬───────┘ └──────────────┘ └──────────────┘ │ │ │ │ │ ▼ │ │ ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ │ │ 外设模块连接 │ │ │ ├──────────────┬──────────────┬──────────────┬───────────┤ │ │ │ HC-SR04 │ OLED │ 水平舵机 │ 独立按键 │ │ │ │ 超声波模块 │ 0.96 IIC │ MG996R │ INT0/INT1 │ │ │ ├──────────────┼──────────────┼──────────────┼───────────┤ │ │ │ TRIG: P1^0 │ SDA: P2^0 │ 信号:P1^2 │ INT0:P3^2 │ │ │ │ ECHO: P1^1 │ SCL: P2^1 │ (Timer2 PWM)│ INT1:P3^3 │ │ │ │ Timer0测量 │ 软件IIC │ │ 下降沿 │ │ │ └──────────────┴──────────────┴──────────────┴───────────┘ │ │ │ │ │ ▼ │ │ ┌──────────────┐ ┌──────────────┴──────────────┐ │ │ │ UART串口 │───►│ PC端 HTML雷达上位机 │ │ │ │ 9600bps │◄───│ (Web Serial, 2D扫描盘) │ │ │ └──────────────┘ └─────────────────────────────┘ │ │ │ └─────────────────────────────────────────────────────────────────┘说明当前实物与代码采用单轴水平舵机方案仅做水平 0°~180° 扫描原计划的 DXW90 俯仰舵机已弃用双轴摇杆暂未接入模式切换改由独立按键完成。1.2 系统功能模块划分模块名称功能描述状态电源模块12V转5V/3.3V为系统供电待验证单片机核心STC89C52最小系统三个定时器分工串口/中断控制已验证超声波模块HC-SR04距离测量Timer0测脉宽中值平均滤波已验证水平舵机MG996RTimer2相位法生成50Hz PWM已验证OLED显示0.96寸IIC屏幕实时显示模式/角度/距离已验证独立按键INT0/INT1外部中断切换扫描/串口两种模式已验证串口通信与PC端双向交互9600波特率已验证PC端上位机radar.htmlWeb Serial实时绘制2D雷达扫描盘已验证俯仰舵机(DXW90)原俯仰轴方案已弃用双轴摇杆原手动控制方案暂未接入2. 硬件模块详细设计2.1 电源模块组件参数说明输入12V DC电池模组供电输出15V / 2A单片机、舵机、超声波模块输出23.3V / 1AOLED屏幕保护短路保护、过流保护自恢复保险丝接线方式VCC(12V) → 电源模块INGND → 电源模块IN-5V_OUT → 单片机VCC、舵机电源、HC-SR04 VCC3.3V_OUT → OLED VCC2.2 单片机最小系统晶振11.0592MHz标准 12T 模式1 机器周期 ≈ 1.0851us。引脚分配与当前代码一致引脚功能连接设备定义位置P1^0GPIO输出HC-SR04 TRIGhcsr04.hP1^1GPIO输入HC-SR04 ECHOhcsr04.hP1^2GPIO输出(PWM)MG996R 水平舵机信号servo.hP2^0IIC SDAOLED 数据oled.hP2^1IIC SCLOLED 时钟oled.hP3^0UART RXDPC串口TX—P3^1UART TXDPC串口RX—P3^2INT0 (外部中断0)独立按键切自动扫描模式key.cP3^3INT1 (外部中断1)独立按键切串口角度模式key.c备注P1^3原 DXW90 俯仰舵机、P14~P16原双轴摇杆在当前代码中未使用作为后续扩展预留。定时器分配三定时器无冲突定时器用途模式说明Timer0超声波 ECHO 脉宽测量模式116位轮询读取不占用中断Timer1串口波特率发生器模式28位自动重装TH1TL10xFD → 9600bpsTimer2舵机 PWM 生成16位自动重装相位法每帧2次中断中断向量分配中断源向量号用途INT0interrupt 0按键切换到自动扫描模式INT1interrupt 2按键切换到串口角度模式串口interrupt 4接收 PC 下发的角度数据Timer2interrupt 5维持舵机 50Hz PWM 相位2.3 超声波模块 (HC-SR04)参数规格量程2cm - 400cm精度±3mm触发信号10us TTL脉冲工作电压5V工作电流15mA工作原理单片机发送约10us高电平触发信号TRIG模块自动发送8个40kHz超声波脉冲检测反射信号通过ECHO引脚返回高电平ECHO高电平持续时间 声波往返时间距离 时间 × 声速(340m/s) / 2 时间(us) × 0.017cm脉宽测量方案使用 Timer016位模式1测量 ECHO 高电平时间ECHO 拉高后启动 Timer0拉低后停止并读取计数当前实现以轮询方式等待 ECHO 边沿while 死等不占用中断资源2.4 超声波滤波算法滤波方案中值平均滤波SAMPLE_COUNT 5步骤操作说明1采样5次每次触发测量采样间隔 delay_ms(10)2排序冒泡排序从小到大3去最值去掉最小值和最大值4取平均计算中间3个值的平均值算法流程触发→测脉宽×5 → 排序 → 去最值(min/max) → 中间3值取平均 → 输出滤波效果示例原始数据排序后去掉最值平均值10, 11, 10, 100, 1010, 10, 10, 11, 10010, 10, 1110.33 → 10cm性能说明单次测量需 5 次采样每次采样包含一次 ECHO 等待空旷/超量程时模块超时脉冲最长约 38ms与 10ms 采样间隔故单次完整测量耗时较长。后续可通过减少采样次数、缩短采样间隔、为 ECHO 等待添加超时等方式优化。2.5 舵机云台单轴水平MG996R水平舵机当前唯一在用舵机参数规格角度范围0° - 180°扭矩13kg·cm (6V)工作电压4.8V - 7.2VPWM频率50Hz (20ms周期)控制信号0.5ms(0°) - 2.5ms(180°)信号引脚P1^2PWM 生成方式Timer2 相位法一帧 20ms 拆成「高电平脉宽」「低电平剩余」两段Timer2 每段溢出触发一次中断在 ISR 中翻转电平并装载下一段重装值每帧仅 2 次中断开销小多字节重装值更新时关总中断保护避免半新半旧角度→脉宽映射servo_us 500 angle × 2000 / 180单位 usDXW90俯仰舵机—— 已弃用原计划用于俯仰轴构成二维云台现方案简化为单轴水平扫描代码中不再驱动。扫描范围当前方案水平扫描0° - 180° 往返步进角度1°/步步进间隔由 main.c 宏SCAN_STEP_MS控制当前为 1ms可调2.6 独立按键模块已实现按键名称引脚功能触发方式INT0P3^2切换到自动扫描模式外部中断0下降沿触发INT1P3^3切换到串口角度输入模式外部中断1下降沿触发按键功能说明INT0 按键将全局模式g_sysMode置为MODE_SCAN进入 0°→180°→0° 自动往返扫描INT1 按键将全局模式g_sysMode置为MODE_UART进入串口角度输入模式上电默认进入MODE_UART串口角度输入ISR 仅做模式标志位赋值具体动作在主循环按模式分支执行保证中断快进快出3. 软件模块详细设计3.1 主程序流程┌────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 主程序流程 │ ├────────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 上电初始化: OLED / UART / HCSR04 / Servo / Key │ │ 绘制OLED静态界面, 舵机回默认角度(90°) │ │ │ │ │ ▼ │ │ ┌──────── while(1) 主循环 ────────┐ │ │ │ 判断 g_sysMode (按键切换) │ │ │ └───────┬───────────────┬─────────┘ │ │ │MODE_SCAN │MODE_UART │ │ ▼ ▼ │ │ ┌────────────────────┐ ┌────────────────────────┐ │ │ │ 1.舵机转到scan_angle│ │ 1.UART_RxProcess解析角度│ │ │ │ 2.超声波测距 │ │ 2.超声波测距 │ │ │ │ 3.串口发送角度距离 │ │ 3.串口发送角度距离 │ │ │ │ 4.刷新OLED │ │ 4.刷新OLED │ │ │ │ 5.角度±1往返 │ │ 5.delay 100ms │ │ │ │ 6.delay SCAN_STEP_MS│ └────────────────────────┘ │ │ └────────────────────┘ │ └────────────────────────────────────────────────────────────┘3.2 工作模式说明当前为两种模式模式宏进入方式功能描述自动扫描MODE_SCAN按下 INT0 按键舵机 0°→180°→0° 往返每步1°逐点测距并上报串口角度输入MODE_UART按下 INT1 按键上电默认接收 PC 下发角度并定位舵机原地测距并上报3.3 OLED 显示设计静态界面上电绘制一次ULTRASONIC RADAR Mode: Angle: Dist: cm动态刷新Display_UpdateStatus仅在数值变化时重绘减少闪烁与IIC开销Mode:→SCAN/UARTAngle:→ 当前舵机角度3位定长空格补齐Dist:→ 当前距离3位定长单位 cm3.4 串口通信协议上行数据单片机 → PCA:XXX D:XXXcm\r\n字段说明格式示例A:XXX舵机角度3位十进制A:090(空格)分隔符固定’ ’D:XXXcm距离值3位十进制 单位D:045cm由UART_SendData(angle, distance)组装成完整字符串后一次性发送。下行命令PC → 单片机协议宽松UART_RxProcess()遍历接收缓冲区提取其中所有数字字符拼成角度值角度限幅到[SERVO_MIN_ANGLE, SERVO_MAX_ANGLE][0, 180]解析成功后立即Servo_SetHorizontal()定位并更新UART_TargetAngle以\r或\n作为一帧结束接收中断中判定示例PC 发送 “120\n” → 舵机转到 120°发送 “A:045\n” → 同样解析为 45°。3.5 PC 端上位机radar.html项目说明技术原生 HTML JavaScript Canvas串口Web Serial API仅 Chrome / Edge 支持波特率9600解析正则A:(\d{1,3})\DD:(\d{1,3})\s*cm显示风格雷达扫描盘半圆 0°~180°显示逻辑用长度 181 的数组保存每个角度的最新距离-1未扫描0已扫描无障碍0障碍距离(cm)扫描线在障碍物处截断并加亮扫描过的位置保留扫描线实时读数面板显示当前角度、当前距离、帧计数网格多个距离环 cm 刻度 每30°角度射线与标签提供「连接串口」「清除」按钮默认量程 100cm3.6 核心函数说明超声波模块hcsr04.c函数名功能返回值HCSR04_Init()初始化引脚与 Timer0模式1无HCSR04_Trig()发送约10us触发脉冲无HCSR04_GetDistance()5次采样中值平均滤波距离(cm)HCSR04_Measure()对外测量接口调用上者距离(cm)舵机模块servo.c函数名功能参数Servo_Init()初始化 Timer2输出默认90°PWM无Servo_SetHorizontal()按角度设置脉宽并重算重装值angle(0~180)Timer2_Servo_ISR()相位法维持PWMinterrupt 5无串口模块uart.c函数名功能参数UART_Init()初始化 Timer1 波特率与串口中断无UART_SendData()组装并发送「角度距离」一行angle, distanceUART_SendString()/UART_SendByte()发送字符串 / 字节str / datUART_RxProcess()解析下行角度并定位舵机无UART_ISR()接收中断按行缓存interrupt 4无按键模块key.c函数名功能Key_Init()配置 INT0/INT1 下降沿触发并使能INT0_ISR()interrupt 0置g_sysMode MODE_SCANINT1_ISR()interrupt 2置g_sysMode MODE_UART4. 模块实现进度已完成已硬件验证序号模块任务描述验证方式状态1OLED显示实时显示模式/角度/距离观察屏幕✅2串口通信双向收发整合一行上报PC收到 A:XXX D:XXXcm✅3超声波模块距离测量 中值平均滤波测量已知距离物体✅4水平舵机Timer2 相位法 PWM 控制观察舵机定位/扫描✅5独立按键INT0/INT1 切换两种模式按键切换并观察OLED✅6PC上位机HTML雷达扫描盘实时绘制浏览器显示障碍物✅待开发 / 优化序号项目说明状态7超声波测量提速减少采样/间隔、ECHO等待加超时⏳8摇杆控制可选重新接入双轴摇杆做手动控制⏳9上位机增强数据存储、量程切换、3D展示等⏳10论文撰写整理设计与测试数据⏳5. 硬件连接清单5.1 设备清单序号设备名称数量备注1STC89C52单片机1核心控制器2HC-SR04超声波模块1距离测量30.96寸OLED屏幕1IIC接口4MG996R舵机1水平转动在用5DXW90舵机1俯仰已弃用6独立按键2INT0/INT1 模式切换7双轴按键摇杆1暂未接入812V电池模组1电源输入912V转5V/3.3V模块1电源转换10杜邦线 / PCB板若干连接与搭建5.2 接线表当前在用单片机引脚连接设备设备引脚P1^0HC-SR04TRIGP1^1HC-SR04ECHOP1^2MG996RSIGNALP2^0OLEDSDAP2^1OLEDSCLP3^0串口模块TXP3^1串口模块RXP3^2独立按键1一端接地另一端接P3^2P3^3独立按键2一端接地另一端接P3^3VCC(5V)所有5V设备VCCGND所有设备GND6. 测试验证计划6.1 模块测试用例模块测试项预期结果OLED静态/动态显示正确显示模式、角度、距离串口上行数据PC端收到 “A:XXX D:XXXcm” 格式串口下行命令发送数字后舵机定位到对应角度超声波近距离测量(5cm)误差1cm超声波中距离测量(50cm)误差2cm超声波远距离测量(200cm)误差5cm超声波滤波效果异常值被有效过滤舵机角度控制0°/90°/180°定位准确舵机自动扫描0°→180°→0° 平滑往返按键INT0/INT1切换OLED的Mode在SCAN/UART间切换6.2 系统集成测试自动扫描测试按 INT0 进入扫描舵机往返上位机显示完整半圆扫描与障碍物串口控制测试按 INT1 进入串口模式PC 下发角度舵机定位并回传距离模式切换测试INT0/INT1 反复切换OLED 模式显示与行为一致上位机联调浏览器连接串口验证障碍物位置、扫描线截断与保留是否正确7. 代码文件结构RadarScanningSystem/ ├── SRC/ # 单片机源码目录 │ ├── hcsr04.h / hcsr04.c # 超声波模块Timer0测脉宽 中值平均滤波 │ ├── servo.h / servo.c # 水平舵机Timer2 相位法 PWM │ ├── uart.h / uart.c # 串口通信双向收发9600 │ ├── key.h / key.c # 独立按键INT0/INT1 模式切换 │ ├── oled.h / oled.c # OLED显示软件IIC │ ├── oledfont.h # OLED字库 │ ├── bmp.h # BMP图像定义 │ └── main.c # 主程序入口双模式主循环 OLED刷新 ├── radar.html # PC端HTML雷达上位机Web Serial ├── SYSTEM_DESIGN.md # 系统设计文档本文件 ├── RadarScanningSystem.uvproj # Keil5工程文件 ├── RadarScanningSystem.uvopt # Keil5配置文件 └── STARTUP.A51 # 启动代码7.1 文件功能说明文件功能描述hcsr04.c/.h超声波测量Timer0测脉宽中值平均滤波servo.c/.h单轴水平舵机Timer2相位法生成50Hz PWMuart.c/.h串口收发上行角度距离下行解析角度key.c/.hINT0/INT1外部中断切换扫描/串口模式oled.c/.hOLED驱动软件IIC与显示函数main.c初始化各模块双模式主循环OLED按需刷新radar.html上位机Web Serial接收数据绘制2D雷达8. 关键代码片段8.1 超声波中值平均滤波unsignedintHCSR04_GetDistance(void){unsignedintsamples[SAMPLE_COUNT];// SAMPLE_COUNT 5unsignedchari,j;unsignedinttemp,sum0;for(i0;iSAMPLE_COUNT;i)// 多次采样{HCSR04_Trig();samples[i]HCSR04_GetRawDistance();delay_ms(10);// 采样间隔}for(i0;iSAMPLE_COUNT-1;i)// 冒泡排序for(j0;jSAMPLE_COUNT-1-i;j)if(samples[j]samples[j1]){tempsamples[j];samples[j]samples[j1];samples[j1]temp;}sumsamples[1]samples[2]samples[3];// 去最值取中间3个平均returnsum/3;}8.2 舵机 Timer2 相位法 PWM// 每帧拆为「高电平脉宽」「低电平剩余」两段各占一次Timer2溢出中断voidTimer2_Servo_ISR(void)interrupt5{TF20;// Timer2溢出标志软件清零if(servo_phase0)// 脉冲结束→拉低装载低电平段{SERVO_HORIZ_PIN0;TH2rl_low_th;TL2rl_low_tl;servo_phase1;}else// 新帧开始→拉高装载脉宽段{SERVO_HORIZ_PIN1;TH2rl_high_th;TL2rl_high_tl;servo_phase0;}}8.3 串口整合上报// 组装 A:XXX D:XXXcm\r\n 一次性发送voidUART_SendData(unsignedcharangle,unsignedintdistance){unsignedcharbuf[20];unsignedchari0;buf[i]A;buf[i]:;buf[i](angle/100)0;buf[i](angle/10%10)0;buf[i](angle%10)0;buf[i] ;buf[i]D;buf[i]:;buf[i](distance/100)0;buf[i](distance/10%10)0;buf[i](distance%10)0;buf[i]c;buf[i]m;buf[i]\r;buf[i]\n;buf[i]\0;UART_SendString(buf);}8.4 独立按键模式切换unsignedcharg_sysModeMODE_UART;// 上电默认串口模式voidKey_Init(void){IT01;IT11;EX01;EX11;EA1;}// INT0/INT1 下降沿触发voidINT0_ISR(void)interrupt0{g_sysModeMODE_SCAN;}// 切自动扫描voidINT1_ISR(void)interrupt2{g_sysModeMODE_UART;}// 切串口角度9. 参考资料STC89C52RC 单片机数据手册HC-SR04 超声波模块说明书MG996R 舵机技术规格书0.96寸OLED SSD1306驱动芯片手册Web Serial API 规范W3C / Chrome版本: V3.0日期: 2026年6月作者: 本科毕业设计状态: 单轴水平扫描方案单片机端与HTML上位机均已硬件/浏览器验证持续优化中