一、串转并操作简介

由于单片机的I/O资源有限，在进行一些外围设备通讯时，如LED点阵、数码管操作，需要大量的I/O资源，为了减少单片机的资源占用，可以使用串转并的操作，通过引入专用芯片，用较少的单片机I/O引脚，控制大量的外围I/O引脚设备。

在串转并操作中，串行数据首先经过一个串行转并行转换器，该转换器将串行数据拆分为多个并行数据。
这些并行数据同时传输到并行数据接收器，每个并行数据接收器负责接收并处理其中的一部分数据。
最后，这些处理后的并行数据再通过并行数据输出端口一起输出，形成并行数据流。

二、74HC595介绍

74HC595是一种串行输入/并行输出（SIPO）移位寄存器，常用于扩展微控制器的输出端口：

1. 功能：

• 74HC595具有8位并行输出端口，可以同时控制8个输出设备，如LED、数码管等。
• 它具有串行输入端口，可以通过串行输入将数据加载到内部寄存器中。
• 74HC595还具有控制引脚，用于控制数据的加载和输出使能。
• 74HC595的并行输出为三态输出：高电平、低电平

2. 引脚：

• DS（串行数据输入）：用于接收串行输入数据。
• SH_CP（时钟输入）：用于接收时钟脉冲，控制数据的移位。
• ST_CP（存储时钟输入）：用于接收存储时钟脉冲，控制数据的加载到寄存器中。
• OE（输出使能）：用于控制输出端口的使能状态。
• Q7’（串行输出）：输出从DS端输入的数据，用于级联多个74HC595。
• Q0-Q7（并行输出）：8位并行输出端口。

其中Q7’可以级联下一个74HC595，这样通过3个单片机的IO口，可以控制更多的外设IO。

3. 工作原理：

• 74HC595的工作过程分为两个阶段：移位阶段和存储阶段。
• 移位阶段：在时钟信号的作用下，串行输入的数据从DS端依次移位到寄存器中。
• 存储阶段：当存储时钟信号触发时，寄存器中的数据被加载到并行输出端口，并同时输出到外部设备。

4. 开发板原理图

（1）8*8 LED点阵：

• 通过P0 端口控制列是否有效，设置P0=0，可以启用全部列。
• 通过 DPa~DPh控制每一行是否有效，行的数值通过 74HC595传过来。

（2）74HC595 串转并：

传送一个数据的过程：

1. OE 置低使能芯片；
2. SER传一个BIT数据；
3. 给SR_CLK 一个上升沿，将SER的数据移到QA；
4. 重复第2步，更多数据移入寄存器，先移入的数据放入A，其它B、C、D…依次向后移动；
5. 传完8个bit数据，给 R_CLK一个上升沿，将数据推到DPn的并口输出。

三、代码示例

1. LED 滚动显示程序

本代码实验现象是： LED 点阵从最下行向上，每次滚动显示一行。
显示到第一行后，改从最右列向左，每次滚动显示一列。

（1）led_matrix_utils.c

#include "led_matrix_utils.h"
#include "common_utils.h"

// 时钟输入引脚，用于控制数据的移位操作
sbit SR_CLK = P3^6;
// 数据数据推到输出寄存器的引脚
sbit R_CLK = P3^5;
// 串行数据输入
sbit SER = P3^4;

u8 gc595_buf[8] = {0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80};

// 低电平有效，开启列
#define LED_MATRIX_PORT P0

void hc595_show_data(u8 show_data)
{
    u8 i = 0;
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        SER = show_data >> 7 ;
        show_data <<= 1;
        // 移位寄存器时钟上升沿,进行移位操作
        SR_CLK = 0;
        delay_10us(1);
        SR_CLK = 1;
        delay_10us(1);
    }
    // 输出寄存器时钟上升沿,将移位寄存器的数据复制到输出寄存器
    R_CLK = 0;
    delay_10us(1);
    R_CLK = 1;
    delay_10us(1);
}
void hc595_show_row(void){
    u8 i=0;
    LED_MATRIX_PORT = 0;
    for(i=0;i<8;i++){
        hc595_show_data(0x00);
        hc595_show_data(gc595_buf[i]);
        delay_ms(500);
    }
}
void hc595_show_column(void){
    u8 i=0;
    hc595_show_data(0xFF);
    for(i=0;i<8;i++){
        LED_MATRIX_PORT = ~gc595_buf[i];
        delay_ms(500);
    }
}

（2）main.c

#include <reg52.h>
#include "led_utils.h"
#include "common_utils.h"
#include "led_matrix_utils.h"

/**
* @brief 主函数
*/
main()
{
	// 关闭所有led
	led_all_off();

	while(1)
	{
		hc595_show_row();
		hc595_show_column();
	}
}

2. 显示一个点

void hc595_show_point(u8 x, u8 y){
    // 把 LED_MATRIX_PORT 对应的x位置设置为0
    x = 8-x;
    y = 8-y;
    LED_MATRIX_PORT = ~(0x01 << x);

    hc595_show_data(gc595_buf[x]);
    delay_ms(1000);
}

3. 显示字符程序

（1） led_matrix_utils.c

#include "led_matrix_utils.h"
#include "common_utils.h"
#include <reg52.h>

// 时钟输入引脚，用于控制数据的移位操作
sbit SR_CLK = P3^6;
// 数据数据推到输出寄存器的引脚
sbit R_CLK = P3^5;
// 串行数据输入
sbit SER = P3^4;

u8 gled_column[8] = {0x7f, 0xbf, 0xdf, 0xef, 0xf7, 0xfb, 0xfd, 0xfe};

// 低电平有效，开启列
#define LED_MATRIX_PORT P0

void led_matrix_init(void){
    LED_MATRIX_PORT = 0x00;
}
void hc595_show_data(u8 show_data)
{
    u8 i = 0;
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        SER = show_data >> 7 ;
        show_data <<= 1;
        // 移位寄存器时钟上升沿,进行移位操作
        SR_CLK = 0;
        delay_10us(1);
        SR_CLK = 1;
    }
    // 输出寄存器时钟上升沿,将移位寄存器的数据复制到输出寄存器
    R_CLK = 0;
    delay_10us(1);
    R_CLK = 1;
}
void hc595_show_char(u8* gled_row){
    u8 i =0;
    for(i=0;i<8;i++){
        LED_MATRIX_PORT = gled_column[i];
        hc595_show_data(gled_row[i]);
        delay_10us(280);
        hc595_show_data(0x00);
    }
}

（2）main.c

#include <reg52.h>
#include "led_utils.h"
#include "common_utils.h"
#include "led_matrix_utils.h"
#include "types.h"
// 数据0
u8 gled_row[8] = {0x00, 0x7c, 0x82, 0x82, 0x82, 0x7c, 0x00, 0x00};
/**
* @brief 主函数
*/
main()
{
	// 关闭所有led
	led_all_off();

	led_matrix_init();
	while(1)
	{
		hc595_show_char(gled_row);
	}
}

本文开源地址：https://gitee.com/xundh/learn51