1、基于单片机的条形码识别系统设计
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1.1、系统概述
条形码技术是一种经典而成熟的信息自动识别技术，被广泛应用于超市收银、仓储物流、图书管理、工业生产追溯、快递分拣等场景。条形码本质上是一种"编码规则+图形表示"的组合：通过黑白条纹的宽度与排列，将数字或字符映射成可被机器识别的编码信息。典型的一维条形码中，EAN13（European Article Number 13）是最常见的商品条码标准之一，能够表示13位数字，其中包含国家/地区前缀、厂商代码、商品代码以及校验位，具有广泛的现实应用基础。
传统条码识别多采用光电扫描枪实现：扫描枪发射光线照射条码，黑条吸收光、白条反射光，传感器采集反射强度变化后形成高低电平信号，再通过解码算法得到数字信息。然而在教学、实验或系统验证场景中，直接使用真实条码印刷与光电扫描可能会受到光线环境、印刷质量、扫描速度、传感器噪声等因素影响，导致实验可控性较差。因此，本设计采用"发射机模拟条形码编码"的方式：发射机端由单片机生成符合EAN13规则的编码信号，并通过无线/红外/射频/有线方式发送到接收机。接收机端单片机接收到编码信号后进行同步、采样与解码，并将识别得到的13位EAN条码数字显示出来。
为了增强系统可交互性与实验灵活性，本系统还提供"键盘输入编码并自由修改编码值"的功能：用户可在发射端通过键盘输入13位EAN编码（或输入12位自动计算校验位），系统将其转换为EAN13条码序列并发射；接收端则在显示模块上实时显示接收到的编码值，同时可显示校验结果（通过/失败），使用户能够直观观察编码---传输---解码---校验的完整过程。
该系统本质上是一个"数字条码编码与通信识别系统"，包含条码编码生成、数据调制发送、接收同步解码、校验验证、键盘输入交互与显示输出等多个模块。系统设计不仅能够帮助掌握EAN13标准编码规则与校验机制，还能综合训练单片机定时控制、外部中断采样、信号调制解调、状态机算法设计、键盘扫描与显示驱动等嵌入式综合能力，具有较强的学习价值与工程意义。
2、系统功能设计
2.1、发射机模拟条形码编码并通过单片机发射
发射机的核心任务是：根据用户输入的EAN13数字，生成对应条形码的"黑白条序列"，并将其转换为可传输的数字波形。由于本系统采用"模拟条形码编码"的方式，因此发射机不需要打印或绘制真实条纹，而是直接将条形码的条纹序列用0/1电平（或高/低脉冲）表示。例如：
- 黑条（Bar）表示逻辑0
- 白条（Space）表示逻辑1
或者反过来，这只影响解码逻辑的一致性。
为了使接收端可靠恢复信息，发射机需满足：
1）编码规则严格符合EAN13结构（起始符、左右数据区、中心符、终止符）
2）发射波形具有固定的"基本模块宽度"（即条码最小单位宽度），便于接收端按固定节拍采样
3）提供帧同步机制，确保接收端知道一帧条码数据何时开始、何时结束
4）具备可配置编码值输入接口（键盘输入）
发射机在实现上通常采用定时器产生固定周期（例如1ms、2ms、5ms作为一个模块宽度），在每个模块周期内输出一个高/低电平。整帧输出完成后，可加入帧间隔（空闲段），使接收端更容易分离多次传输。
2.2、接收机接收编码并显示识别结果
接收机的核心任务是：
1）从接收模块获取信号（可能带噪声、抖动、边沿误差）
2）完成信号整形与同步：识别起始符并对齐采样时钟
3）按EAN13规则将条纹序列解码为数字
4）对校验位进行校验
5）将13位数字显示出来，并提示校验是否通过
在显示方面，接收机可使用：
- LCD1602显示（两行显示13位数字+校验结果）
- 数码管显示（若位数不足可滚动显示）
- 串口上位机显示（扩展）
考虑到13位数字较长，LCD1602较适合：第一行显示13位EAN码，第二行显示"OK/ERR"与接收状态（READY/RECV/DECODE）。
2.3、键盘输入编码，自由修改编码值
键盘输入功能主要用于提高系统灵活性，使发射端不再局限于固定编码，而能够实时输入并修改EAN码。键盘形式可采用：
1）矩阵键盘（4×4或4×3）
2）独立按键（0~9 + 功能键）
3）外接串口输入（上位机输入，扩展）
本设计以矩阵键盘为典型实现，具备：
- 数字键：0~9
- 功能键：删除、确认、清空、自动校验位计算等
键盘输入逻辑应支持：
- 输入12位自动计算第13位校验码
- 或输入完整13位并进行校验提示
- 输入不足时提示"LEN ERR"
- 输入过程中可在显示端实时显示当前输入
通过键盘输入机制，用户可以快速测试不同EAN码的编码与识别效果，并验证校验位算法的正确性。
2.4、采用EAN13条码标准编码规则
EAN13条码由以下结构组成：
- 起始符（Start Guard）：
101 - 左侧6位数字编码（Left 6 digits）：每位7个模块，共42模块
- 中间分隔符（Center Guard）：
01010 - 右侧6位数字编码（Right 6 digits）：每位7模块，共42模块
- 终止符（End Guard）：
101
总模块数：3 + 42 + 5 + 42 + 3 = 95模块
因此只要定义一个"模块宽度"，例如2ms/模块，则一帧条码数据总时长约95×2ms=190ms（不含帧间隔）。
EAN13左侧6位的编码方式并不固定，它根据第1位数字决定左侧6位采用A/B编码的组合模式（奇偶校验模式）。右侧6位固定采用C编码。
因此EAN13编码过程的关键步骤包括：
1）得到13位数字
2）根据第1位确定左侧6位使用A/B编码模式
3）将第2~7位按A/B编码生成条纹
4）将第8~13位按C编码生成条纹
5）拼接起始符、中心符、终止符形成完整95位模块序列
6）输出脉冲序列
此外，EAN13第13位为校验位，用于检测输入或识别错误，其计算规则为：
- 从左到右（前12位），奇数位求和×1，偶数位求和×3
- 总和对10取模，校验位 = (10 - (mod值)) % 10
校验机制可以有效发现单个数字错误或部分交换错误，是条码系统可靠性的重要保证。
3、电路设计
3.1、系统硬件总体结构
系统由发射机与接收机两部分组成，均以单片机为核心。其主要模块如下：
发射机端模块：
1）单片机最小系统模块（52系列或其他）
2）键盘输入模块（矩阵键盘）
3）显示模块（可选：LCD/数码管显示输入编码）
4）EAN13编码生成模块（软件实现）
5）发射驱动模块（红外/射频/有线输出）
6）电源模块
接收机端模块：
1）单片机最小系统模块
2）接收模块（与发射匹配：红外接收头/射频接收模块/比较器输入）
3）信号整形与滤波模块（施密特触发、RC滤波）
4）解码处理模块（软件实现）
5）显示模块（LCD1602或串口）
6）蜂鸣器提示模块（可选）
7）电源模块
由于题目强调"发射机模拟编码并发送到接收机"，因此硬件重点在于发射与接收信号链路的设计。下面对每个模块进行详细说明。
3.2、单片机最小系统模块
发射机与接收机都需要稳定可靠的单片机最小系统。常用选择：
- STC89C52、AT89S52等52系列
- STC12系列（带更高性能与更丰富外设）
- 其他如STM32亦可
最小系统包含：
- 晶振电路（11.0592MHz或12MHz）
- 复位电路（上电复位+按键复位）
- 去耦电容（0.1uF+10uF）
- 下载接口（ISP）
设计要点：
- 发射端需要精准时序输出，建议使用定时器产生模块周期
- 接收端需要捕获边沿并精准采样，建议使用外部中断或定时器输入捕获（51可用INT0/INT1）
- 强烈建议在接收端输入加施密特触发整形，提高抗干扰能力
3.3、键盘输入模块（发射端）
键盘用于输入和修改EAN编码。推荐采用4×4矩阵键盘：
- 0~9数字输入
- A键：确认/发送
- B键：删除
- C键：清空
- D键：切换输入模式（12位自动校验/13位直接输入）
硬件连接方式：
- 4行输出、4列输入
- 列输入端上拉电阻（可用内部上拉）
- 行扫描输出逐行拉低，读取列状态判断按键
设计要点：
- 必须进行软件消抖（10~20ms）
- 支持按键长按重复输入（可选）
- 输入数字应显示在屏幕上，让用户确认无误
3.4、显示模块（发射端可选、接收端必选）
发射端显示模块可用于：
- 显示当前输入EAN码
- 显示校验位计算结果
- 显示"READY/SEND"等状态
接收端显示模块用于：
- 显示接收并解码后的EAN13数字
- 显示校验是否通过（OK/ERR）
- 显示接收状态（WAIT/RECV/DECODE）
显示模块可选：
- LCD1602：字符显示方便，适合13位数字
- OLED：显示更清晰
- 数码管：若仅4位需滚动显示，不如LCD直观
因此推荐接收机采用LCD1602；发射机可选LCD或数码管，若资源有限也可仅接收端显示即可。
3.5、发射驱动模块（条码编码信号发送）
发射模块用于将单片机输出的编码波形发送到接收端。可实现方式较多：
3.5.1、有线发送（最简单可靠）
单片机输出的编码信号通过导线直接送入接收端输入口。优点：
- 抗干扰强，误码率低
- 电路简单，便于验证EAN编码与解码算法
缺点： - 不具备无线特性，距离受限
3.5.2、红外发送（常用于遥控）
发射端用红外LED发射调制信号，接收端用红外接收头（如HS0038）接收。优点：
- 成本低、距离适中
- 抗可见光干扰能力较好（接收头自带滤波）
缺点： - 红外接收头通常要求38kHz载波调制，需要将条码序列再调制到38kHz载波上
- 解码更复杂，但更贴近实际通信应用
3.5.3、射频发送（433MHz ASK模块）
使用433MHz发射模块发送编码数据，接收端用433MHz接收模块。优点：
- 距离远
- 不需要严格对准
缺点： - 噪声大，需要软件同步与滤波
- 易受环境干扰，需要协议与校验
为了实现难度适中且符合"模拟条码编码发送"要求，本设计推荐：
- 教学实验：采用有线发送或433MHz RF模块发送
- 若要求更高可玩性：采用红外38k调制方式
无论采用哪种方式，核心思想是：将95模块条码序列转换为时间波形输出，并在接收端恢复该序列。
3.6、接收模块与信号整形
接收模块输出信号往往存在：
- 抖动（边沿漂移）
- 幅度不稳定
- 噪声毛刺
- 翻转延迟
因此需要信号整形：
1）RC滤波（抑制高频毛刺）
2）施密特触发器或带施密特输入的单片机IO（形成干净的数字边沿）
3）必要时采用比较器将模拟信号转换为数字信号
若使用433MHz接收模块，其输出常为带噪声的数字波形，建议加入：
- 施密特触发器（74HC14）
- 软件上增加多次采样判决（多数表决）
以提高可靠性。
3.7、报警与提示模块（可选）
接收端可加入蜂鸣器或指示灯用于提示：
- 接收完成提示
- 校验通过提示（短鸣）
- 校验失败提示（长鸣）
- 信号异常提示（闪烁）
该模块属于增强交互体验部分，可不影响核心功能实现。
4、程序设计
4.1、软件总体架构与流程
系统软件同样分为发射端程序与接收端程序。
发射端流程：
1）初始化：键盘、显示、定时器、发送IO
2）等待用户输入EAN码
3）用户确认后，若只输入12位则自动计算校验位形成13位
4）生成EAN13条码95模块序列（0/1数组）
5）按模块周期输出波形并发送
6）发送完成后进入空闲间隔，等待下一次发送
接收端流程：
1）初始化：接收IO、外部中断或定时器、显示
2）持续监听起始符并同步采样
3）采样95模块序列并缓存
4）按EAN13解码规则解析为13位数字
5）校验位验证
6）显示数字与校验结果
7）返回监听状态
为了提高可靠性，接收端可设计为"状态机"：
- WAIT_START：等待起始符
101 - RECV_BITS：接收95位模块序列
- DECODE：解码
- SHOW：显示
- ERROR：错误处理后回到WAIT_START
这样逻辑清晰，便于调试。
4.2、EAN13编码规则模块（发射端）
EAN13编码核心在于"左侧A/B编码表、右侧C编码表、首位决定左侧奇偶模式"。程序需要准备：
1）A编码表（L-code odd parity）
2）B编码表（L-code even parity）
3）C编码表（R-code）
4）首位对应的奇偶模式表（6位模式）
编码过程：
- 输入13位数字
d[0..12] - 根据
d[0]找到左侧6位奇偶模式，如ABBAAB等 - 对
d[1..6]逐位按模式选择A或B表转换成7位条纹 - 对
d[7..12]逐位按C表转换成7位条纹 - 拼接起始符、中心符、终止符得到95位序列
为了便于输出，可将95位序列存入数组 frame[95]，每个元素为0/1。
4.3、校验位计算模块（发射端与接收端共用）
校验位计算用于：
- 发射端：输入12位时自动生成校验位
- 接收端：接收解码后校验是否正确
校验算法（前12位）：
- 奇数位（1,3,5...11）求和 ×1
- 偶数位（2,4,6...12）求和 ×3
- sum = odd_sum + 3*even_sum
- check = (10 - (sum % 10)) % 10
接收端比较 check 与第13位是否相等即可判断正确性。
4.4、发送波形生成与输出模块（发射端）
发射端将95位序列转换为电平波形输出。关键点：
- 模块宽度固定（例如2ms）
- 每2ms输出frame[i]对应电平
- 输出完成后加入空闲间隔（例如100ms）作为帧分隔
输出方法：
- 使用定时器中断，每次中断输出下一位
- 或在主循环中延时输出（不推荐，会影响键盘与显示）
采用定时器中断方式更稳定，也更贴近实际通信系统。
4.5、接收采样与同步模块（接收端）
接收端的难点在于：如何确定模块边界并正确采样95位序列。为了简化实现，可采取以下策略：
1）发射端先发送"前导同步序列"（例如连续16个101010...），接收端通过检测该序列估算模块周期并同步
2）检测到起始符 101 后，在固定间隔内采样后续模块
3）采用多数表决采样：在一个模块周期中采样多次取多数值，提高抗噪声能力
由于题目未明确要求前导码，但在工程实现中加入前导码能大幅提高可靠性，因此建议设计为：
- 前导码（Preamble）：
101010...共32模块 - 正式条码帧：95模块
接收端检测到稳定前导码后进入正式接收，能显著降低起始同步失败概率。
4.6、EAN13解码模块（接收端）
接收端将95模块序列解码为数字，关键步骤：
1）验证起始符、中心符、终止符是否正确
2）提取左侧42模块和右侧42模块，每7模块为一组
3）对左侧6组，分别匹配A表或B表，得到数字并记录其属于A还是B
4）根据6位A/B模式反推首位数字（d0）
5）对右侧6组，匹配C表得到数字
6）组合为13位EAN码
其中第4步是EAN13解码特有的关键：首位数字不直接编码在条纹中，而是通过左侧奇偶模式隐含表示。因此解码端必须根据左侧6位的奇偶模式反查首位。
4.7、显示与键盘交互模块
接收端显示：
- 第一行显示EAN13数字
- 第二行显示状态与校验结果（OK/ERR）
发射端显示（可选）：
- 显示正在输入的数字与当前模式（12位/13位）
- 显示生成校验位与发送状态
键盘模块需包含：
- 扫描、消抖
- 输入缓冲区管理（最多13位）
- 删除、清空、确认逻辑
- 输入合法性检查（只能输入数字）
5、核心代码示例（关键模块）
5.1、EAN13编码表与奇偶模式表
c
// EAN13编码表：每个数字对应7位模块，字符'0'/'1'
const char *EAN_A[10] = {
"0001101","0011001","0010011","0111101","0100011",
"0110001","0101111","0111011","0110111","0001011"
};
const char *EAN_B[10] = {
"0100111","0110011","0011011","0100001","0011101",
"0111001","0000101","0010001","0001001","0010111"
};
const char *EAN_C[10] = {
"1110010","1100110","1101100","1000010","1011100",
"1001110","1010000","1000100","1001000","1110100"
};
// 首位数字决定左侧6位奇偶模式（A=0, B=1）
const char *EAN_PARITY[10] = {
"000000", // 0: AAAAAA
"001011", // 1: AABABB
"001101", // 2: AABBAB
"001110", // 3: AABBBA
"010011", // 4: ABAABB
"011001", // 5: ABBAAB
"011100", // 6: ABBBAA
"010101", // 7: ABABAB
"010110", // 8: ABABBA
"011010" // 9: ABBABA
};5.2、校验位计算函数
c
// 输入：12位数字字符串，如 "690123456789"
// 输出：校验位 0~9
u8 EAN13_CalcCheck(const char *d12)
{
u8 i;
u16 sum_odd = 0, sum_even = 0;
for(i = 0; i < 12; i++)
{
u8 v = d12[i] - '0';
if((i % 2) == 0) sum_odd += v; // 1,3,5...（下标0,2,4...）
else sum_even += v; // 2,4,6...
}
u16 sum = sum_odd + 3 * sum_even;
u8 mod = sum % 10;
return (10 - mod) % 10;
}5.3、生成95模块条码帧（发射端）
c
// 输入：13位EAN字符串，如 "6901234567892"
// 输出：frame[95]，每位为0/1
void EAN13_BuildFrame(const char *ean13, u8 frame[95])
{
u8 pos = 0;
u8 i;
// 起始符 101
frame[pos++] = 1; frame[pos++] = 0; frame[pos++] = 1;
// 左侧奇偶模式
u8 first = ean13[0] - '0';
const char *par = EAN_PARITY[first];
// 左侧6位：ean13[1..6]
for(i = 0; i < 6; i++)
{
u8 d = ean13[1+i] - '0';
const char *code = (par[i] == '0') ? EAN_A[d] : EAN_B[d];
u8 k;
for(k = 0; k < 7; k++)
frame[pos++] = (code[k] == '1') ? 1 : 0;
}
// 中间符 01010
frame[pos++] = 0; frame[pos++] = 1; frame[pos++] = 0; frame[pos++] = 1; frame[pos++] = 0;
// 右侧6位：ean13[7..12]（含校验位）
for(i = 0; i < 6; i++)
{
u8 d = ean13[7+i] - '0';
const char *code = EAN_C[d];
u8 k;
for(k = 0; k < 7; k++)
frame[pos++] = (code[k] == '1') ? 1 : 0;
}
// 终止符 101
frame[pos++] = 1; frame[pos++] = 0; frame[pos++] = 1;
}5.4、发送模块（定时器中断输出波形）
c
// 假设TX引脚输出条码模块（1=高电平 0=低电平）
sbit TX = P1^0;
volatile u8 tx_busy = 0;
volatile u8 tx_idx = 0;
u8 tx_frame[95];
void TX_Start(u8 frame[95])
{
u8 i;
for(i=0;i<95;i++) tx_frame[i]=frame[i];
tx_busy = 1;
tx_idx = 0;
}
// 定时器中断：每个模块周期触发一次（例如2ms）
void Timer1_ISR(void) interrupt 3
{
if(tx_busy)
{
TX = tx_frame[tx_idx];
tx_idx++;
if(tx_idx >= 95)
{
TX = 0;
tx_busy = 0;
}
}
}5.5、接收端帧采样与解码框架（简化示例）
c
sbit RX = P3^2;
u8 rx_frame[95];
u8 rx_idx = 0;
bit rx_collecting = 0;
void RX_Reset(void)
{
rx_idx = 0;
rx_collecting = 0;
}
// 简化：检测到起始符后按固定周期采样95位
// 实际工程可用外部中断检测边沿 + 定时器对齐采样
void RX_SampleBit(void)
{
if(rx_collecting)
{
rx_frame[rx_idx++] = RX ? 1 : 0;
if(rx_idx >= 95)
{
rx_collecting = 0;
// Decode_EAN13(rx_frame,...);
}
}
}
// 检测起始符101（需要缓存最近3位）
void RX_DetectStart(void)
{
static u8 sh = 0;
sh = ((sh << 1) | (RX ? 1 : 0)) & 0x07;
if(!rx_collecting && sh == 0x05) // 101
{
rx_collecting = 1;
rx_idx = 0;
rx_frame[rx_idx++] = 1;
rx_frame[rx_idx++] = 0;
rx_frame[rx_idx++] = 1;
}
}6、系统关键问题与工程优化
6.1、同步与采样精度对识别成功率的决定作用
条码识别的核心困难不是编码表，而是"采样时钟对齐"。若接收端采样点偏移一个模块宽度，就会造成整体错位，解码失败。因此工程中必须考虑：
- 前导码同步
- 起始符检测可靠性
- 模块周期稳定性
- 多次采样多数表决
在教学系统中，可通过降低传输速率（增大模块宽度），例如5ms/模块，显著降低时序误差，使识别更容易成功。
6.2、信号整形与抗干扰
无线模块（尤其433MHz接收模块）输出噪声较大，若直接接入单片机IO，可能产生大量毛刺导致起始符误触发。建议：
- 硬件加74HC14施密特触发整形
- 软件加滤波（例如在模块周期内采样3次取多数）
- 采用帧校验（起始符/中心符/终止符检查）排除错误帧
6.3、解码容错与错误处理机制
接收端解码应包含严格校验：
- 起始符、中心符、终止符必须匹配
- 左侧每组必须能匹配A或B表，否则判为无效
- 右侧每组必须能匹配C表，否则判为无效
- 校验位必须通过，否则显示ERR
当出现错误时应：
- 立即丢弃当前帧并返回WAIT_START
- 显示"ERR"并可蜂鸣提示
这样可避免错误数据影响后续帧识别。
6.4、键盘输入的用户体验与校验提示
键盘输入EAN码时，若用户输入12位应自动补齐校验位，并显示：
- "CHECK=2"
若用户输入13位，可提示： - "CHK OK"或"CHK ERR"
这样能帮助用户理解EAN13校验机制，也能增强系统可用性。
7、总结
基于单片机的条形码识别系统设计以EAN13标准为核心，采用发射机模拟条形码编码并通过单片机发送到接收机的方式，实现了条码编码生成、信号调制传输、接收同步采样、EAN13解码、校验位验证与显示输出等完整流程。系统支持通过键盘输入编码并自由修改EAN值，使发射端能够灵活发送不同条码数据，接收端能够实时显示接收到的编码并提示校验结果，形成一套可用于教学实验、算法验证与通信识别训练的完整平台。
在电路设计方面，系统包含发射端键盘输入与发射驱动模块、接收端信号整形与显示模块，并强调了同步与抗干扰的重要性；在程序设计方面，系统采用表驱动EAN编码与状态机解码策略，结合定时器完成稳定的模块输出与采样，能够可靠实现EAN13条码识别。通过进一步扩展，可增加真实光电扫描头、上位机串口显示、无线协议封装、数据存储与统计等功能，使系统更贴近实际商品条码识别应用场景。