Mixly開源項目設(shè)計26： 移位寄存器（一）——將LED點亮

隋杰峰

流水燈項目是我們在開源硬件學(xué)習(xí)項目中很常見的一個項目。實驗中，我們常用一個管腳控制一個LED，這樣我們做一個8位流水燈，就需要占用8個管腳，而常用的Arduino UNO R3開發(fā)板只有20個管腳，如果要做一個30位流水燈，如果依然讓一個管腳控制一個LED，那么UNO上的管腳顯然是不夠的，這時，我們應(yīng)該怎么辦呢？換成管腳更多的Mega2560嗎？同樣，如果我們要做64位流水燈，Mega2560的管腳也是不夠的，所以，我們換個角度來想，不如想辦法用少量的管腳控制多個LED，74HC595移位寄存器這個小小的芯片就能夠幫我們實現(xiàn)這種想法。

74HC595是一塊8位串行輸入、并行輸出（也可以串行輸出）的芯片，我們使用它，只需要UNO的3個管腳即可控制8個獨立的LED（如圖1）。

網(wǎng)絡(luò)上介紹74HC595的文章很多，但采用的全是代碼編程，讓很多不懂代碼的初學(xué)者望而生畏，實際上，在圖形化編程軟件Mixly中有一個模塊是與它相關(guān)的。因此，本文中將用Mixly輕松玩轉(zhuǎn)74HC595，力圖讓初學(xué)者也能秒懂。

如圖2所示，74HC595共有16只腳，下面我們就來認識一下它的各個引腳。

在74HC595芯片上有個小凹口，只要與圖上引腳的小凹口對應(yīng)，即可知道它的各個引腳。

VCC和GND自不必說，分別接UNO的5V和GND即可；

Q0～Q7是并行輸出，本文中我們接8個LED；

DS、SHCP（下面簡稱SH）、STCP（下面簡稱ST）是輸入端；

DS是串行數(shù)據(jù)輸入端（一般Arduino的代碼里會定義一下引腳，74HC595的案例中，dataPin指的是接這個腳）；

SH是串行時鐘輸入端（clockPin指的是接這個腳）；

ST是鎖存端（latchPin指的是接這個腳）；

OE是輸出使能引腳，低電平時輸出，高電平時不輸出，所以，直接接在GND上使其一直保持低電平輸出數(shù)據(jù)；

MR是用來重置內(nèi)部寄存器的引腳，低電平時重置內(nèi)部寄存器，所以，直接連接在VCC上一直保持高電平；

Q7S是串行輸出（可以接下一個74HC595的DS，數(shù)據(jù)可作為串行輸入，這就是74HC595的級聯(lián)，也就是說，此時3個輸入控制16個輸出），此引腳不用可以空置。

需要的元件（如下頁表所示）

電路連接

電路連接如下頁圖3所示，8個LED的負極（短腳）分別通過一個220Ω電阻與GND連接；74HC595有小凹口的一面向左，VCC接5V，VCC與GND之間接一個104電容，GND接GND；DS接管腳2，ST接管腳3，SH接管腳4，OE接GND，MR接VCC，Q7S空置。

程序設(shè)計

應(yīng)用74HC595做流水燈，在Arduino IDE中我們會用到shiftOut這個函數(shù)，在Mixly中也有對應(yīng)的模塊，如圖4所示。

首先，我們通過一個程序來了解一下74HC595串行輸入、并行輸出的過程。將圖5程序上傳，我們會發(fā)現(xiàn)Q7腳接的燈是亮的，如圖6所示。

下面，我們來解釋一下這個過程：

首先，管腳3給了鎖存端（ST）一個低電平，意思是說“嗨，74HC595，開始干活了”，然后，管腳2給了數(shù)據(jù)（DS）一個十進制數(shù)1，關(guān)鍵是74HC595不認識它，所以，就需要轉(zhuǎn)換成8位的二進制數(shù)00000001，不足8位的，前面加0補足8位，為啥是8位的？因為，74HC595是8位移位寄存器，有8個輸出（如圖7）。

這時候，時鐘（SH）開始干活了，管腳4每制造一次上升沿（先拉低電平再拉高電平），這一串?dāng)?shù)就進去一個，8次之后，都進去了，每個數(shù)就都有自己的一個位置了，即每個動作只操作一位數(shù)據(jù)，這就叫串行輸入（如圖8）。

至于誰先進去，進去之后，每一個數(shù)字都在哪個位置，這得看是低位先入還是高位先入，什么意思呢？我們先要弄明白低位和高位，以二進制數(shù)00000001為例，左邊0這一端是高位，右邊1這一端是低位，所以，低位先入的意思就是從最右邊的1（低位）開始依次進入，直到最左邊的0（高位）進去；高位先入的則剛好相反，從最左邊的0（高位）開始依次進入，直到最右邊的1（低位）進去。

下面我們以低位先入為例，用上大巴車做個比方：在二進制數(shù)00000001中，低位先入，給SH腳制造一次上升沿（我們可以理解為檢票），那第一個上大巴車的肯定是最右邊的1，它上去了之后，就占據(jù)了第一排的位置（如圖9）。

繼續(xù)給SH腳制造一次上升沿之后，1左邊的0，開始上車，然后，它并不是走向第二排座位，而是讓1往后挪一個，它坐第一排（如圖10）。

繼續(xù)給SH腳制造一次上升沿，已經(jīng)上車的1和0繼續(xù)往后挪，新上車的0占據(jù)第一排座位（如圖11）。

如此繼續(xù)給SH腳制造上升沿，高位的0，繼續(xù)上車，車上的數(shù)繼續(xù)往后排順延，直到發(fā)生第8次上升沿，所有的數(shù)字都上車了（如圖12）。

然后，管腳3給了鎖存端（ST）一個高電平，讓每個數(shù)都記住自己的位置，在自己的位置坐著（絕對不允許換座位）（如圖13）。

最后，每個數(shù)掌管一個輸出，即每個動作操作多位（這里是8位）數(shù)據(jù)，這就是并行輸出。這樣，Q0～Q6腳都得到了一個0（低電平），Q7腳得到一個1（高電平），所以，Q0～Q6腳接的燈都是滅的，Q7腳接的燈是亮的。

同樣的道理，將數(shù)據(jù)輸入改為3，程序如圖14所示。這時候，我們把十進制數(shù)2變?yōu)?位二進制就是00000011，采用低位先入，按照我們上面的推算方法，應(yīng)該是Q6、Q7高電平，其余低電平，Q6腳和Q7腳接的LED亮，實驗結(jié)果也是如此（如圖15）。

下面，我們再看高位先入，輸入數(shù)據(jù)1，將程序繼續(xù)改動（如圖16），我們會發(fā)現(xiàn)，結(jié)果正好與程序1低位先入相反。這是因為，將十進制1轉(zhuǎn)換為8位二進制為00000001，高位先入，即從左邊的0依次進入移位寄存器。最終，Q0對應(yīng)的是1，高電平，其他腳對應(yīng)的是0，低電平，所以，Q0接的LED亮，其他腳接的LED滅（如圖17）。

同樣，我們也可以繼續(xù)改變輸入的數(shù)值，設(shè)置低位先入或高位先入，控制這8個LED的亮滅，不過，我們輸入的數(shù)值盡量不要超過255。當(dāng)我們輸入255，上傳程序后，燈是全部都亮的，我們把十進制的255轉(zhuǎn)換為二進制為11111111，這已經(jīng)是8位二進制最大的數(shù)了，所以，0到255這總共256個數(shù)值就已經(jīng)能全部體現(xiàn)出8個LED亮滅的所有情形。