Mixly开源项目设计26： 移位寄存器（一）——将LED点亮

隋杰峰

流水灯项目是我们在开源硬件学习项目中很常见的一个项目。实验中，我们常用一个管脚控制一个LED，这样我们做一个8位流水灯，就需要占用8个管脚，而常用的Arduino UNO R3开发板只有20个管脚，如果要做一个30位流水灯，如果依然让一个管脚控制一个LED，那么UNO上的管脚显然是不够的，这时，我们应该怎么办呢？换成管脚更多的Mega2560吗？同样，如果我们要做64位流水灯，Mega2560的管脚也是不够的，所以，我们换个角度来想，不如想办法用少量的管脚控制多个LED，74HC595移位寄存器这个小小的芯片就能够帮我们实现这种想法。

74HC595是一块8位串行输入、并行输出（也可以串行输出）的芯片，我们使用它，只需要UNO的3个管脚即可控制8个独立的LED（如图1）。

网络上介绍74HC595的文章很多，但采用的全是代码编程，让很多不懂代码的初学者望而生畏，实际上，在图形化编程软件Mixly中有一个模块是与它相关的。因此，本文中将用Mixly轻松玩转74HC595，力图让初学者也能秒懂。

如图2所示，74HC595共有16只脚，下面我们就来认识一下它的各个引脚。

在74HC595芯片上有个小凹口，只要与图上引脚的小凹口对应，即可知道它的各个引脚。

VCC和GND自不必说，分别接UNO的5V和GND即可；

Q0～Q7是并行输出，本文中我们接8个LED；

DS、SHCP（下面简称SH）、STCP（下面简称ST）是输入端；

DS是串行数据输入端（一般Arduino的代码里会定义一下引脚，74HC595的案例中，dataPin指的是接这个脚）；

SH是串行时钟输入端（clockPin指的是接这个脚）；

ST是锁存端（latchPin指的是接这个脚）；

OE是输出使能引脚，低电平时输出，高电平时不输出，所以，直接接在GND上使其一直保持低电平输出数据；

MR是用来重置内部寄存器的引脚，低电平时重置内部寄存器，所以，直接连接在VCC上一直保持高电平；

Q7S是串行输出（可以接下一个74HC595的DS，数据可作为串行输入，这就是74HC595的级联，也就是说，此时3个输入控制16个输出），此引脚不用可以空置。

需要的元件（如下页表所示）

电路连接

电路连接如下页图3所示，8个LED的负极（短脚）分别通过一个220Ω电阻与GND连接；74HC595有小凹口的一面向左，VCC接5V，VCC与GND之间接一个104电容，GND接GND；DS接管脚2，ST接管脚3，SH接管脚4，OE接GND，MR接VCC，Q7S空置。

程序设计

应用74HC595做流水灯，在Arduino IDE中我们会用到shiftOut这个函数，在Mixly中也有对应的模块，如图4所示。

首先，我们通过一个程序来了解一下74HC595串行输入、并行输出的过程。将图5程序上传，我们会发现Q7脚接的灯是亮的，如图6所示。

下面，我们来解释一下这个过程：

首先，管腳3给了锁存端（ST）一个低电平，意思是说“嗨，74HC595，开始干活了”，然后，管脚2给了数据（DS）一个十进制数1，关键是74HC595不认识它，所以，就需要转换成8位的二进制数00000001，不足8位的，前面加0补足8位，为啥是8位的？因为，74HC595是8位移位寄存器，有8个输出（如图7）。

这时候，时钟（SH）开始干活了，管脚4每制造一次上升沿（先拉低电平再拉高电平），这一串数就进去一个，8次之后，都进去了，每个数就都有自己的一个位置了，即每个动作只操作一位数据，这就叫串行输入（如图8）。

至于谁先进去，进去之后，每一个数字都在哪个位置，这得看是低位先入还是高位先入，什么意思呢？我们先要弄明白低位和高位，以二进制数00000001为例，左边0这一端是高位，右边1这一端是低位，所以，低位先入的意思就是从最右边的1（低位）开始依次进入，直到最左边的0（高位）进去；高位先入的则刚好相反，从最左边的0（高位）开始依次进入，直到最右边的1（低位）进去。

下面我们以低位先入为例，用上大巴车做个比方：在二进制数00000001中，低位先入，给SH脚制造一次上升沿（我们可以理解为检票），那第一个上大巴车的肯定是最右边的1，它上去了之后，就占据了第一排的位置（如图9）。

继续给SH脚制造一次上升沿之后，1左边的0，开始上车，然后，它并不是走向第二排座位，而是让1往后挪一个，它坐第一排（如图10）。

继续给SH脚制造一次上升沿，已经上车的1和0继续往后挪，新上车的0占据第一排座位（如图11）。

如此继续给SH脚制造上升沿，高位的0，继续上车，车上的数继续往后排顺延，直到发生第8次上升沿，所有的数字都上车了（如图12）。

然后，管脚3给了锁存端（ST）一个高电平，让每个数都记住自己的位置，在自己的位置坐着（绝对不允许换座位）（如图13）。

最后，每个数掌管一个输出，即每个动作操作多位（这里是8位）数据，这就是并行输出。这样，Q0～Q6脚都得到了一个0（低电平），Q7脚得到一个1（高电平），所以，Q0～Q6脚接的灯都是灭的，Q7脚接的灯是亮的。

同样的道理，将数据输入改为3，程序如图14所示。这时候，我们把十进制数2变为8位二进制就是00000011，采用低位先入，按照我们上面的推算方法，应该是Q6、Q7高电平，其余低电平，Q6脚和Q7脚接的LED亮，实验结果也是如此（如图15）。

下面，我们再看高位先入，输入数据1，将程序继续改动（如图16），我们会发现，结果正好与程序1低位先入相反。这是因为，将十进制1转换为8位二进制为00000001，高位先入，即从左边的0依次进入移位寄存器。最终，Q0对应的是1，高电平，其他脚对应的是0，低电平，所以，Q0接的LED亮，其他脚接的LED灭（如图17）。

同样，我们也可以继续改变输入的数值，设置低位先入或高位先入，控制这8个LED的亮灭，不过，我们输入的数值尽量不要超过255。当我们输入255，上传程序后，灯是全部都亮的，我们把十进制的255转换为二进制为11111111，这已经是8位二进制最大的数了，所以，0到255这总共256个数值就已经能全部体现出8个LED亮灭的所有情形。