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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

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

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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：

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

2. 硬件模块详细设计

2.1 电源模块

接线方式：

• VCC(12V+) → 电源模块IN+
• GND → 电源模块IN-
• 5V_OUT → 单片机VCC、舵机电源、HC-SR04 VCC
• 3.3V_OUT → OLED VCC

2.2 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）

备注：P1^3（原 DXW90 俯仰舵机）、P1^4~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）

中断向量分配

2.3 超声波模块 (HC-SR04)

工作原理：

1. 单片机发送约10us高电平触发信号（TRIG）
2. 模块自动发送8个40kHz超声波脉冲
3. 检测反射信号，通过ECHO引脚返回高电平
4. ECHO高电平持续时间 = 声波往返时间
5. 距离 = 时间 × 声速(340m/s) / 2 = 时间(us) × 0.017cm

脉宽测量方案：

• 使用 Timer0（16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）

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：

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）

PWM 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 us）

DXW90（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）

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/UART
• Angle:→ 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 cm）

3.4 串口通信协议

上行数据（单片机 → PC）

A:XXX D:XXXcm\r\n

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）

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 100cm

3.6 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.c）

4. 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

1. 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
2. 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
3. 模式切换测试：INT0/INT1 反复切换，OLED 模式显示与行为一致
4. 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

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,sum=0;for(i=0;i<SAMPLE_COUNT;i++)// 多次采样{HCSR04_Trig();samples[i]=HCSR04_GetRawDistance();delay_ms(10);// 采样间隔}for(i=0;i<SAMPLE_COUNT-1;i++)// 冒泡排序for(j=0;j<SAMPLE_COUNT-1-i;j++)if(samples[j]>samples[j+1]){temp=samples[j];samples[j]=samples[j+1];samples[j+1]=temp;}sum=samples[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{TF2=0;// Timer2溢出标志软件清零if(servo_phase==0)// 脉冲结束→拉低，装载低电平段{SERVO_HORIZ_PIN=0;TH2=rl_low_th;TL2=rl_low_tl;servo_phase=1;}else// 新帧开始→拉高，装载脉宽段{SERVO_HORIZ_PIN=1;TH2=rl_high_th;TL2=rl_high_tl;servo_phase=0;}}

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];unsignedchari=0;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_sysMode=MODE_UART;// 上电默认串口模式voidKey_Init(void){IT0=1;IT1=1;EX0=1;EX1=1;EA=1;}// INT0/INT1 下降沿触发voidINT0_ISR(void)interrupt0{g_sysMode=MODE_SCAN;}// 切自动扫描voidINT1_ISR(void)interrupt2{g_sysMode=MODE_UART;}// 切串口角度

9. 参考资料

1. STC89C52RC 单片机数据手册
2. HC-SR04 超声波模块说明书
3. MG996R 舵机技术规格书
4. 0.96寸OLED SSD1306驱动芯片手册
5. 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