51单片机——IO拓展（串转并）-74HC595 小白详解

74HC595 芯片介绍

74HC595 是一个 8 位串行输入、并行输出的位移缓存器，其中并行输出为三态输出（即高电平、低电平和高阻抗）。芯片管脚及功能说明如下：图1

上面两张都是 74HC595 芯片管脚图，细心的朋友就会发现左侧的 1 脚是 QB，而右侧芯片的 1 脚是 Q1，左侧芯片的 11 脚是 SCK，而右侧芯片的 11 脚是 SH_CP，还有很多其他管脚不一样，其实这个都没有什么，每个人在绘制芯片管脚图时命名可能不一样而已，看一个芯片重点是管脚功能。（小白学习小计：刚开始学习的时候，以为上面两张图是一起的，搞得纠结了好久，才明白这是两张独立的4HC595 芯片管脚图，只是名称不一样，管脚，功能是一样的）

15 和 1 到 7 脚 QA--QH：并行数据输出

9 脚 QH 非：串行数据输出

10 脚 SCLK 非（ MR）：低电平复位引脚

11 脚 SCK（ SHCP）：移位寄存器时钟输入

12 脚 RCK（ STCP）：存储寄存器时钟输入

13 脚 G 非（ OE）：输出有效

14 脚 SER（ DS）：串行数据输入

74HC595 是具有 8 位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。移位寄存器和存储器是单独的时钟。数据在 SCK 的上升沿输入，在 RCK 的上升沿进入到存储器中。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行输入（DS），和一个串行输出（Q7 非），和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行 8 位的，具有三态的总线输出，当 MR 为高电平，OE 为低电平时，数据在 SHCP 上升沿进入移位寄存器，在 STCP 上升沿输出到并行端口。

硬件设计：

本实验使用到硬件资源如下：

（1）8*8LED 点阵模块

（2）74HC595 模块

开发板上的 74HC595 模块电路如下图所示：图2（1）74HC595 模块）（2）8*8LED 点阵模块

从上图中可以看出，74HC595 需要用到的控制管脚 SER、RCLK、SRCLK 直接连接到 51 单片机的 P3.4-P3.6 IO 口上，输出端则是直接连接到 LED 点阵模块的行端口上，即为 LED 发光二极管的阳极，LED 点阵的列则为发光二极管的阴极。

要想控制 LED 点阵，可以将单片机管脚按照 74HC595 芯片的通信时序要求来传输数据，这样即可控制 LED 点阵的行数据。根据 LED 发光二极管导通原理，当阳极为高电平，阴极为低电平则点亮，否则熄灭。因此通过单片机 P0 口可控制点阵列，74HC595 可控制点阵行。

小白学习小计：
1，图2先刨开点阵的图不管，只看74HC595图，从图1我们得知，15 和 1 到 7 脚 QA--QH：并行数据输出，对应图2的5 和 1 到 7 脚，就是QA---AH是并行输出数据，
2，对应图1我们就可以知道：11 脚 SRCLK ：移位寄存器时钟输入。12 脚 RCLK ：存储寄存器时钟输入。13 脚 G 非（ OE）：输出有效。14 脚 SER（ DS）: 串行数据输入
3，此时得知14 脚 SER（ DS）：串行数据输入，7/Q7(QH)是一个串行输出。意思就是从 14 脚输入，到1脚输出.
4，SER输入的数据在 SHCP 上升沿进入移位寄存器，在 STCP 上升沿才能输出输出到并行端口7脚（QH）。
5，输入输出逻辑就是，从14 脚 SER输入数据，储存到移位寄存器11 脚 SRCLK ，在通过移位寄存器传输到存储寄存器12 脚 RCLK，在通过存储寄存器传输给QH
6，从图2，15 和 1 到 7 脚连接到LED的DPa--DPh，所用通过控制15 和 1 到 7 脚就可以控制LED灯
7，这里把QA--QH看成一个字节八位的二进制（0000 0000），芯片工作时候通过向SER传入这个二进制数据来控制QA--QH，QA到QH输出SER的八位。QA为最低位，QH为最高位，例如我们给QH传入高电平就是10000000（0x80）、SER数据的每一位在SRCLK的时钟脉冲上升沿每上升一次存储一位数据在寄存器SCK中，在RCLK上升沿时一次性传输到存储器RCK中（这里怎么看QA为最低位，QH为最高位，我还不知道，哪位知道怎么看留言哈）

软件设计：

通过 74HC595 模块控制 LED 点阵以一行循环滚动显示。代码如下：每行根据自己的理解都写了解释，请仔细阅读，不对的地方请指出。谢谢

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****************** 实验名称：IO 扩展(串转并)实验-74HC595
接线说明
实验现象：下载程序后，8*8LED 点阵以一行循环滚动显示
注意事项：LED 点阵旁的 J24 黄色跳线帽短接到 GND 一端
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******************/
#include "reg52.h"
typedef unsigned int u16; //对系统默认数据类型进行重定义
typedef unsigned char u8;
//定义 74HC595 控制管脚
sbit SRCLK=P3^6; //移位寄存器时钟输入
sbit rCLK=P3^5; //存储寄存器时钟输入
sbit SER=P3^4; //串行数据输入
#define LEDDZ_COL_PORT P0 //宏定义LED点阵列控制端口
//定义ghc595_buf[]数组把每次输出的数据储存在里面，传入到hc595_write_data函数
u8 ghc595_buf[8]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80};
/********************************************************************
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* 函 数 名 : delay_10us
* 函数功能 : 延时函数，ten_us=1 时，大约延时 10us
* 输 入 : ten_us
* 输 出 : 无
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**********/
void delay_10us(u16 ten_us)
{
    while(ten_us--);
}
/********************************************************************
***********
* 函 数 名 : delay_ms
* 函数功能 : ms 延时函数，ms=1 时，大约延时 1ms
* 输 入 : ten_us
* 输 出 : 无
* for(j=110;j>0;j--)在for(i=ms;i>0;i--)嵌套这，delay_ms(500)，
* 时候ms=500,i=ms 所以i=500,进入for(i=ms;i>0;i--)，
* 然后在执行for(j=110;j>0;j--)，进行循环110次一直到j=0，
* 在退出for(j=110;j>0;j--),
* 在重新执行for(i=ms;i>0;i--)，一直到到i=0时候，退出for(i=ms;i>0;i--)
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**********/
void delay_ms(u16 ms)
{
    u16 i,j;
    for(i=ms;i>0;i--)
        for(j=110;j>0;j--);
}
/********************************************************************
***********
* 函 数 名 : hc595_write_data(u8 dat)
* 函数功能 : 向 74HC595 写入一个字节的数据
* 输 入 : dat：数据
* 输 出 : 无
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**********/

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*******************SER=dat>>7(dat向右移7位后赋值给SER)详解*************
dat是后面要输入的一个字节的数据，hc595_write_data(0x00)如后面的
hc595_write_data(0x01)，这时候dat就是(0x01)当dat=00000001(0x01)时候，
高位是0，低位是1 ，对应按照QH-QA，就是QH低电平，QA高电平，但是74HC595的传输
规律是先从高位在到低位的传输，左移1就传给了QH，这样QH高电平，QA为低电平，我们
想要QH输入低电平怎么办呢？就用把dat>>7，按照右移的规则（对于不带字符的数值，
向右移位时，会在左边的空位填充0。）那(0x01)就变成0(0X00)一个字节八位都是0
这样传输给QH就是低电平，
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**********/
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*******************dat<<=1（dat向左移一位后在赋值给dat）详解*************
但是for(i=0;i<8;i++)循环8次，八位就都是0，QH-QA都是低电平，这样是不对的，
我们是要QA输入高电平，这时候就需要每次循环的时候dat<<=1，每次SER=dat>>7;
执行完dat<<=1，例如开始dat=(0x01)，执行完SER=dat>>7后，在把dat<<=1（dat向
左移一位后在赋值给dat）,这样下次在进入SER=dat>>7时候，dat就是dat<<=1（0X02）
一直倒循环到第7次时候dat也左移了7位，dat变成了10000000（0x80）,这时候在进入
SER=dat>>7时候，SER就等于1，对应QA传输，就按照hc595_write_data(0x01)的一样
低位1，其余都是0的输入。
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**********/
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*******************SRCLK=0，SRCLK=1详解*******************************
74HC595芯片的传输规则，SER写入数据后，要移位寄存器(SRCLK)时钟上升沿，才能把
数据送到存储寄存器进行输出，所有我们要先给SRCLK一个低电平，在给一个高电平，就产
生了上升沿，那我们就先SRCLK=0送入低电平;中间延时下，在SRCLK=1送入高电平，
一低一高，这样就产生时钟上升沿，就把数据送入到存储寄存器，每次循环都送入存储寄存器，
循环8次，就把8位的数据都送到存储寄存器中了。
中间的delay_10us(1);这里的延时，不要也可以，但是以防出错这里延时下
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**********/
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*******************rCLK=0，rCLK=1详解*******************************
74HC595芯片的传输规则，如果将前面写入存储寄存器数据输出，那存储寄存器时钟要
上升沿才能输出，那我们就先rCLK=0送入低电平;中间延时下，在rCLK=1送入高电平，
一低一高，这样产生时钟上升沿，就将前面写入到寄存器的数据输出了。
中间的delay_10us(1);这里的延时，不要也可以，但是以防出错这里延时下
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**********/
void hc595_write_data(u8 dat)
{
    u8 i=0;
    for(i=0;i<8;i++)//循环 8 次即可将一个字节写入寄存器中
    {
        SER=dat>>7;//优先传输一个字节中的高位
        dat<<=1;//将低位移动到高位        
        SRCLK=0;
        delay_10us(1);
        SRCLK=1;
        delay_10us(1);//移位寄存器时钟上升沿将端口数据送入寄存器中
    }
    rCLK=0;
    delay_10us(1);
    rCLK=1;//存储寄存器时钟上升沿将前面写入到寄存器的数据输出
}
/********************************************************************
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* 函 数 名 : main
* 函数功能 : 主函数
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
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**********/
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*******************LEDDZ_COL_PORT=0x00详解*******************************
我们在DPa---DPh输入的是高电平，如果我们要将LED灯点亮，我们要把P0端口全部设为低电
平，即 LED 阴极为低电平，前面我们宏定义了P0端口，所以这里LEDDZ_COL_PORT=0x00就可以
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**********/
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*******************hc595_write_data(ghc595_buf[i])详解***************
我们定义了，数组ghc595_buf[]，把每次输出的数据储存在里面，通过for循环，依次
输出，每次写入新数据之前，要先消除前面输出数据点亮LED进行消影，所以每次在输入
数据之前，我们先把所有DPa---DPh输入低电平，来消除前面寄存器缓存数据，之后在
在写入新的数据：这样就产生了，LED点阵，从下到上，每行依次点亮
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**********/
void main()
{
    u8 i=0;
    LEDDZ_COL_PORT=0x00;//将 LED 点阵列全部设置为 0，即 LED 阴极为低电平
    while(1)
    {
        for(i=0;i<8;i++)
        {
            hc595_write_data(0x00);//消除前面寄存器缓存数据
            hc595_write_data(ghc595_buf[i]);//写入新的数据
            delay_ms(500);//延时 500ms
        }
    }
}

代码还是比较简单易懂的，首先定义好 74HC595 控制管脚，以及点阵列控制口，代码中重新定义了一个 ms 级延时函数 delay_ms，该函数与前面 delay_10us 类似，都是利用循环占用 CPU 起到延时效果。然后又定义了 74HC595 的控制函数 hc595_write_data，该函数完全按照 74HC595 的通信时序要求编写，主要要注意的是 74HC595 是先传输字节的高位后传输低位，所以需要将字节低位移动到高位传输，在传输数据时，要注意移位寄存器时钟和存储寄存器时钟的先后顺序，将要写入的数据先传输到 74HC595 寄存器中，即在准备好每位数据时要将 SRCLK 进行一个上升沿变化，此时即可将数据传输到寄存器内，待循环 8 次即一个字节传输到寄存器中时，就可以来一个存储时钟上升沿，此时就可以将 74HC595 寄存器中的数据全部一次传输到 595 端口输出。最后就是在 main 函数中调用 74HC595 的控制函数，将实验中要实现的效果数据写入进去，从而控制 LED 点阵的阳极，而阴极由 P0 口控制，默认初始化时已经设置为 0，也就是说只要 595 输出高电平，那么对应的行就会点亮。