红外通信的基本硬件原理

在家电遥控、近距离无线数据传输、体感交互这些嵌入式应用场景中，红外通信凭借成本低廉、实现简单、功耗低的优势，一直是单片机开发者的首选方案。从我们每天用的电视空调遥控器，到 Arduino 创客项目里的红外避障、红外数据传输，都离不开红外发射与接收的配合。很多初学者觉得红外通信只是“调对时序就能用”，但实际上从编码格式到硬件调试，都有不少值得深究的细节。本文就从硬件原理、编码协议到单片机开发实践，完整梳理红外发射与接收的实现逻辑，帮你理清开发中的要点与坑点。

一、红外通信的基本硬件原理

红外通信是利用波长在 850nm~940nm 之间的红外光作为信息载体，通过改变红外光的辐射强度传递数字信号的无线通信方式，和蓝牙、WiFi 等射频通信相比，它不需要复杂的射频电路，硬件成本不到一块钱就能实现，非常适合近距离单向通信场景。

核心硬件组件

一套完整的单片机红外通信系统，由红外发射二极管、红外接收头(或红外接收二极管)两个核心组件构成：

红外发射二极管：外形和普通 LED 类似，不同的是它发出的是不可见的红外光，一般正向压降在 1.2V~1.5V 之间，工作电流一般在 20mA~100mA 之间，电流越大发射功率越大，传输距离越远。单片机 IO 口直接驱动的话电流不够，一般会串一个 100Ω~220Ω 的限流电阻，再用一个三极管放大电流，才能让发射二极管达到足够的发射功率。

红外接收头：这是集成了接收二极管、放大电路、滤波电路、解调电路的一体化组件，市面上最常用的是 HS0038、VS1838B 这两款 3 脚直插接收头，输出就是解调后的数字信号，直接接单片机 IO 就能用，不需要额外的滤波放大电路，非常适合单片机开发使用。接收头一般都预设了固定的载波频率，最常用的是 38kHz，少数也有 36kHz、40kHz 的，使用的时候要保证发射端的载波频率和接收头匹配，否则接收不到信号。

如果对体积有要求，也可以用分离的红外接收二极管加运放解调，但电路复杂很多，调试难度大，一般项目直接用一体化接收头就足够了，性价比最高。

载波调制的意义

很多初学者会疑惑：为什么不直接用高低电平控制红外发光，还要额外加一个 38kHz 的载波?这里其实有两个关键原因： 第一，抗环境干扰能力更强。环境中的太阳光、室内灯光都含有大量红外成分，这些红外干扰一般是直流或者低频的，我们用 38kHz 载波传递信号，接收头只对 38kHz 的交流信号敏感，就能把直流的环境红外干扰过滤掉，大大降低误码率。 第二，提高发射效率。发射二极管持续发光的话功耗很高，用载波的方式是间歇发光，平均功耗更低，而且相同平均功耗下，峰值功率更高，传输距离更远。

简单来说，红外通信的基本逻辑就是：发射端用要发送的数字信号对 38kHz 载波进行调制，有载波代表一个电平，没有载波代表另一个电平;接收端过滤掉环境干扰，解调出原来的数字信号，单片机再解码就能得到原始数据。

二、主流红外编码协议分析

红外通信只是一个物理层的传输方式，具体数据怎么排列，怎么区分地址和命令，都要遵循统一的编码协议，现在市面上绝大多数消费电子的红外遥控，都用 NEC 协议，少数用 Philips RC-5 协议，我们重点讲最常用的 NEC 协议。

NEC 协议编码规则

NEC 协议的编码规则非常清晰，它的特点是用脉冲间隔来编码 0 和 1，也就是我们常说的 PPM 调制(脉冲位置调制)：

引导码：每帧数据的开头都会有一个引导码，用来告诉接收端“我要开始发数据了，准备接收”，NEC 引导码的格式是：9ms 高电平(发射载波)+ 4.5ms 低电平(不发射载波)。

数据编码：引导码之后一共发 4 个字节，32 位数据，顺序是：8 位地址码 + 8 位地址反码 + 8 位命令码 + 8 位命令反码。用反码的目的是校验，接收端可以通过地址码和反码、命令码和反码的异或校验判断数据是否出错，提高可靠性。

0 和 1 的编码：不管是 0 还是 1，开头都有一个 562.5μs 的高电平载波，然后跟着低电平：如果是 0，低电平持续时间是 562.5μs;如果是 1，低电平持续时间是 1687.5μs，刚好是 0 的三倍。所以接收端只需要测量高电平之后低电平的持续时间，就能区分出是 0 还是 1。

结束位：最后发一个 562.5μs 的高电平，代表一帧数据发送完成。

重复码：如果用户一直按住按键不放，发射端不会一直重复发送整帧数据，只会每隔 108ms 发一个重复码，重复码的格式是 9ms 高电平 + 2.25ms 低电平 + 562.5μs 高电平，接收端识别到重复码就知道按键还是按住状态。

标准 NEC 协议一帧完整数据的总时间大概在 67.5ms 左右，传输速率大概在 900bps 左右，足够满足遥控场景的需求，速度不快但抗干扰能力强。

除了标准 NEC，还有很多厂商会做自定义修改，比如有的把 32 位改成 16 位，只发 8 位地址 8 位命令，不发反码，减少传输时间，这种适配一下解码逻辑就能用，核心的脉冲间隔编码规则是一样的。

RC-5 协议简介

Philips 的 RC-5 协议用的是曼彻斯特编码，它和 NEC 不同，用脉冲边沿来编码，每个位都是 1.778ms，0 是先低后高，1 是先高后低，一帧数据一共 14 位，包含起始位、地址位、命令位，它的好处是可以识别按键按下和松开，编码更规范，缺点是解码比 NEC 复杂一点，现在用的不如 NEC 广泛。

三、单片机红外发射的实现方法

我们以最常用的 51 单片机和 STM32 为例，讲一下 NEC 协议红外发射的具体实现，核心逻辑其实所有单片机都通用。

硬件电路连接

红外发射的硬件电路非常简单：单片机的一个 IO 口连接到 NPN 三极管的基极，基极串一个 1kΩ 限流电阻，三极管集电极接红外发射二极管的负极，发射二极管正极串一个 100Ω 电阻接到 5V 电源，三极管发射极接地。当 IO 输出高电平时，三极管导通，红外发射二极管发光，输出低电平时三极管截止，二极管不发光，这样单片机就能控制红外发射的开关了。

如果你的单片机 IO 口电流足够，也可以直接串 220Ω 电阻接发射二极管，不用三极管，不过这样发射功率小，传输距离近，一般十米以内的使用场景没问题，想要更远距离还是加三极管放大。

38kHz 载波的产生

产生 38kHz 载波最常用的方法有两种：定时器中断翻转 IO 和 PWM 输出，显然 PWM 方法更简单，不需要占用 CPU 资源：

PWM 生成载波：大部分单片机都自带 PWM 外设，我们只需要配置 PWM 频率为 38kHz，占空比 50%，需要发射载波的时候就开启 PWM 输出，不需要的时候关闭 PWM 输出就行，硬件自动生成载波，CPU 只需要处理时序就行，非常方便。

定时器中断生成：如果没有 PWM 外设，比如早期的 51 单片机，可以开一个定时器中断，每隔约 13μs(38kHz 的周期就是 1/38000 ≈ 26.3μs，半周期就是 13μs)翻转一次 IO 电平，就能得到 38kHz 载波，缺点是需要频繁进中断，占用 CPU 资源，对于主频不高的单片机来说会影响其他任务。

按照 NEC 协议发送数据

产生载波之后，我们只需要按照 NEC 协议的时序，在对应的时间开启或者关闭载波就能发送数据了，发送一帧数据的流程：

发送引导码：开启载波，延时 9ms，关闭载波，延时 4.5ms。

依次发送 32 位数据，从低位开始发送(NEC 是低位先出)，每一位的发送规则：

发送当前位之前，先开载波，延时 562.5μs，关闭载波。

如果当前位是 0，延时 562.5μs;如果是 1，延时 1687.5μs。

发送完所有位之后，再开载波延时 562.5μs，关闭载波，一帧发送完成。

如果需要发送重复码，延时 108ms 之后，发送 9ms 载波 + 2.25ms 低电平 + 562.5μs 载波，就完成了一次重复码发送。

这里要注意延时的精度，NEC 协议对时间误差的容忍度大概在 10% 左右，只要误差不超过 100μs，一般都能正常接收，如果用定时器延时精度会更高，不要用空循环延时，空循环延时会因为编译器优化导致时间不准，很容易接收失败。

四、单片机红外接收的实现方法

红外接收比发射稍微复杂一点，因为需要测量脉冲宽度，解码出 0 和 1，现在常用的方法有两种：外部中断捕获和定时器输入捕获，我们分别来讲。

硬件连接

一体化红外接收头的连接非常简单：VCC 接 3.3V 或者 5V(大部分接收头都支持)，GND 接地，OUT 引脚直接接单片机的外部中断 IO 就行，不需要额外元件，接收头内部已经做好了所有解调，输出的就是我们需要的数字电平，空闲的时候 OUT 引脚是高电平，收到载波之后会拉低，正好符合 NEC 协议的电平逻辑。

外部中断解码法

外部中断解码是最常用的方法，不需要单片机有输入捕获外设，几乎所有单片机都支持：

我们开启外部中断，设置为双边沿触发，也就是不管电平从高变低还是低变高，都会触发中断。

中断触发的时候，记录两次相邻边沿之间的时间间隔，根据时间间隔判断是什么脉冲。

具体解码流程：

初始状态等待引导码：当检测到一个长度大于 9ms 的低电平(引导码的 9ms 高电平对应接收端输出 9ms 低电平，因为接收头输出反相)，之后再检测到一个 4.5ms 左右的高电平，就认为引导码接收完成，准备开始接收数据。

接收 32 位数据：每接收一位，测量低电平之后高电平的持续时间，如果持续时间在 562μs 左右，就是 0，如果在 1687μs 左右，就是 1，依次把 32 位存起来。

校验数据：把地址码和地址反码异或，命令码和命令反码异或，如果结果都是 0xFF，说明校验通过，数据有效，否则丢弃这帧数据。

重复码处理：如果检测到低电平 9ms，之后高电平 2.25ms 左右，说明是重复码，直接上报按键按住状态就行。

这种方法的优点是实现简单，不需要特殊外设，缺点是所有边沿都触发中断，频繁进中断会占用一定 CPU 资源，不过对于红外遥控这种低速率场景，完全够用，STC51、STM32、GD32 都能轻松处理。

输入捕获解码法

如果单片机有定时器输入捕获外设，可以用输入捕获的方法，这种方法更省 CPU 资源：我们配置定时器输入捕获，自动捕获脉冲宽度，捕获完成之后触发一次中断，CPU 只需要在捕获完成后处理数据就行，不需要每个边沿都进中断。比如 STM32 的定时器输入捕获模式，可以配置为自动测量脉宽，测量完成后触发中断，直接读取测量好的宽度就行，代码更简洁，CPU 占用更低，是比较推荐的方法。

五、开发实践中的常见技巧与坑点

很多初学者做红外收发的时候，经常遇到接收不到、误码率高、距离近的问题，大部分都是下面这些常见问题导致的：

1. 载波频率不匹配

这是最常见的问题，接收头是 38kHz，发射端发成了 40kHz，虽然也能偶尔收到，但灵敏度会大大下降，距离稍微远一点就收不到，所以一定要保证发射端载波频率和接收头频率一致，误差最好控制在 1kHz 以内。用 PWM 生成载波的时候一定要算对分频系数，保证频率准确。

2. 发射功率不够导致距离近

如果传输距离只有一两米，稍微远一点就收不到，大部分是发射电流不够，没有加三极管放大，或者限流电阻太大，把电流限制住了。红外发射二极管正常工作峰值电流可以到 100mA，限流电阻用 100Ω 就足够，不要用太大的电阻，想要更远距离可以加一个更大功率的三极管，或者用两个发射二极管并联，增加发射功率，传输距离可以做到十米以上。

3. 时序误差太大导致解码失败

很多初学者用空循环延时，不同编译器优化等级不一样，延时时间差很多，导致时序不对，解码失败。尽量用定时器延时或者 PWM 硬件定时，保证时序准确，NEC 的时间误差容忍度虽然不低，但误差超过 20% 肯定解不出来。

4. 消抖与抗干扰处理

环境中的红外干扰偶尔会导致误触发，我们可以在解码的时候加一个简单的过滤：如果脉冲宽度不在合理范围内，直接丢弃这帧数据，比如 0 的脉宽是 562μs，如果测出来是 200μs 或者 1000μs，直接认为是干扰，重新开始等待引导码，这样能大大降低误码率。另外，接收头电源前面加一个 100nF 的滤波电容，滤除电源噪声，也能提高接收稳定性。

5. 按键重复发送处理

按照 NEC 协议，按住按键只发一次全帧，之后发重复码，所以单片机做遥控的时候，不要每次重复码都发一次全帧，只需要发重复码就行，否则会导致码率太高，接收端容易乱码，遵循标准协议才能和通用红外接收兼容。

6. 电平反相问题

很多初学者搞不清接收端的电平反相：发射端开载波是高电平，经过接收头解调之后，输出是低电平，所以我们测量到的脉冲宽度和发射端是反的，解码的时候不要搞反高低电平的时间，否则解码肯定出错。

六、红外收发的常见应用场景

红外收发在单片机项目中的应用非常广泛，最常见的有这么几类：

红外遥控：这是最常见的应用，用单片机做万能遥控，学习家电遥控器的码值，然后通过蓝牙或者 WiFi 联网，就能做成手机控制的万能红外遥控器，现在很多智能家居产品都是这么做的。

近距离双向数据传输：两个单片机之间，用红外收发做双向数据传输，不需要接线，传输速率虽然不高，但传几字节的控制数据完全足够，适合低速率的无线控制场景。

红外测距避障：通过发射红外脉冲，测量反射回来的脉冲强度，估算障碍物距离，很多小车避障项目都是用这种方案，成本非常低。

心率检测：在可穿戴项目中，用红外发射二极管照射手指，接收透射的红外光，通过光强变化检测脉搏跳动，这也是红外收发的一个常见应用。

单片机红外发射与接收是一个非常经典的嵌入式入门项目，它的硬件简单，代码量不大，但能练习到定时器、中断、PWM、编码解码这些核心的单片机知识点，非常适合初学者练手。从原理上来说，红外通信的核心就是载波调制和脉冲间隔编码，只要理清编码规则，保证时序和频率准确，就能轻松实现稳定的收发。

现在虽然蓝牙、zigbee 等无线技术越来越普及，但红外通信凭借成本低、实现简单、不占用射频带宽的优势，依然在遥控、近距离传输这些场景中不可替代，掌握红外收发的开发，是每个嵌入式开发者必备的基础技能。只要避开本文说的这些常见坑点，你就能快速实现稳定的红外通信，做出各种各样有意思的单片机项目。