11.10.2020

Андрей Смирнов

Время чтения: ~15 мин.

Сдвиговый регистр 74HC595 и семисегментный индикатор

Цена: $1,62 за 20 штук

Этот обзор посвящен, собственно, начинающим пользователям Arduino или желающим приобщиться к этому делу. Речь пойдёт об увеличении количества выходов микроконтроллера при помощи сдвигового регистра, причём что это не требует больших затрат (по сравнению с покупкой Arduino Mega, например). Самое простое применение — помигать светодиодами, вот и попробуем это на практике. Когда начинал знакомство с микроконтроллерами (собственно и сейчас всё ещё продолжаю «начинать знакомиться»), один из первых вопросов был: как же имея всего десяток выходов на контроллере управлять той же сотней, тысячей светодиодов? Да, можно использовать мультиплексирование сигнала, встречное включение и множество других ухищрений, но всё равно максимальное количество подключаемых светодиодов ограничено, и необходимо искать другое решение. И подсказали мне один из вариантов — «возьми одну, две, десяток микросхем сдвиговых регистров и развлекайся». Было решено сразу же их заказать, а в перспективе даже собрать светодиодный куб с их применением. От последнего правда пришлось отказаться, нашёл более простой вариант, но это — тема другого обзора. Заказал сразу 20 штук 74HC595N, благо стоят сущие копейки. Буква N в конце маркировки обозначает, что микросхема в корпусе DIP-16, очень удобно для экспериментов на макетной плате, ничего даже паять не надо. Выглядит вот так:

Что же собой представляет эта микросхема? Это восьмиразрядный сдвиговый регистр с последовательным вводом, последовательным или параллельным выводом информации, с триггером-защелкой и тремя состояниями на выходе. Проще говоря, используя всего 3 выхода контроллера можно управлять 8 выходами сдвигового регистра. А если микросхемы соединить последовательно друг за другом, то количество контролируемых выходов можно наращивать до любого разумного предела (не нашёл предельного количества, но сотнями вроде как объединяются без проблем; если кто знает, от чего зависит предельное количество включенных в каскад микросхем — интересно было бы узнать в комментариях). Данные к микросхеме передаются последовательно. Биты 0 и 1 передаются в регистр друг за другом, считывание битов происходит при поступлении синхроимпульса. Передал 8 бит — получил 8 выходных состояний на выходах регистра. При каскадном включении 74HC595 (при необходимости получения 16, 24 и т.д. выходов) данные от первого регистра передаются к следующему. Выход регистра может находиться не только в состоянии логических 0 или 1, но и быть в высокоимпедансном состоянии, когда выход отключен от схемы. В это состояние могут быть переведены только все выходы сразу. Это редко используется, но может быть полезно при переключении управления на другой контроллер, например. Распиновка входов/выходов

Q0…Q7 – выходы регистра, могут быть в состоянии 0, 1 или высокоимпедансном GND – земля Q7′ – выход для последовательного соединения регистров. MR – сброс значений регистра SH_CP – вход тактовых импульсов ST_CP – вход «защёлкивающий» данные OE – вход переводящий выходы из высокоимпедансного в рабочее состояние DS – вход данных VCC – питание 2-6 вольт Остаётся проверить работу, для этого соберем популярную среди новичков схему. GND (пин 8) подключаем на землю, Vcc (пин 16) к питанию 5В, OE (пин 13) на землю, MR (пин 10) к питанию 5В. Теперь к сдвиговому регистру подключено питание и все выходы активны. Теперь время подключить микросхему к Arduino: вход данных DS (пин 14) подключим к 9-ому цифровому выходу ардуино, вход тактовых импульсов SH_CP (пин 11) к 10-ому цифровому выходу, вход-защелку ST_CP (пин 12) к 8-ому пину ардуино. Между землёй и защелкой рекомендуется поставить конденсатор на 0,1 мкФ для минимизации шумов. Осталось подключить светодиоды — через резисторы 150-300 Ом подключаем их от выходов регистра к земле. Собственно и всё. Вот нашёл схему, кто любит наглядные материалы (обратите внимание, распиновка реальной микросхемы и схематическое изображение на данной схеме различаются!) Собрал схему на макетной плате, у меня получилось вот так.собранная схема

В ардуино удобно воспользоваться функцией shiftOut(), которая выводит байт информации на порт вход/выхода последовательно (побитно). Почитать можно тут. Загружаем тестовый код в Arduino и получаем счётчик от 0 до 255 в двоичном виде: Вот так получилось у меня, всё работает как положено: Таким образом, при минимальном использовании пинов контроллера можно управлять большим количеством светодиодов (или ещё чем-нибудь). Всё бы хорошо, но расскажу и о недостатках. Как видим, ток для каждого светодиода необходимо ограничивать резистором, и при построении больших светодиодных матриц это становится достаточно трудоёмко. Есть более интересное решение для управления светодиодами — драйвер DM13A, который представляет собой сдвиговый регистр, при этом ещё и ограничивает ток на каждом выходе. Про него расскажу в следующий раз, а в качестве бонуса — тот самый мой первый LED куб, 5x5x5, собранный на упрощенной элементной базе, уже без применения 74HC595.

Преимущества использования сдвигового регистра 74HC595:

не требует никакой обвязки кроме конденсатора по питанию;
работает через широкораспостраненный интерфейс SPI;
для самого простого включения достаточно двух выходов микроконтроллера;
возможность практически неограниченного расширения количества выходов без увеличения занятых выходов микроконтроллера;
частота работы до 100 МГц;
напряжение питания от 2 В до 6 В;
дешевый — стоит менее 5 центов;
выпускается как в планарных корпусах (74HC595D удобен для производства), так и в DIP16 (74HC595N удобен для радиолюбителей и макетирования).

Для понимания работы регистра стоит взглянуть на функциональную схему. Она состоит из:

8-битного регистра сдвига,
8-битного регистра хранения,
8-битного выходного регистра.

Рассмотрим какие выводы есть у сдвигового регистра 74hc595.

Общего вывод и вывод питания объяснений не требуют.

GND — земля
VCC — питание 5 вольт

Входы 74HC595:

OE

MR — сброс регистра

DS – вход данных

Последовательно подаваемые сюда данные будут появляются на 8-ми выходах регистра в параллельной форме.

SHCP – вход для тактовых импульсов

Когда на тактовом входе SHCP появляется логическая единица, бит находящийся на входе данных DS считывается и записывается в самый младший разряд сдвигового регистра. При поступлении на тактовый вход следующего импульса высокого уровня, в сдвиговый регистр записывается следующий бит со входа данных. Тот бит который был записан ранее сдвигается на один разряд (из Q0 в Q1) , а его место занимает вновь пришедший бит. И так далее по цепочке.

STCP – вход «защёлкивающий» данные

Что бы данные появились на выходах Q0…Q7 нужно подать логическую единицу на вход STCP. Данные поступают в параллельный регистр который сохряняет их до следующего импульса STCP.

Выходы 74HC595

Q0…Q7 – выходы которыми будем управлять. Могут находится в трёх состояниях: логическая единица, логический ноль и высокоимпедансное состояние
Q7′ – выход предназначенный для последовательного соединения регистров.

Временная диаграмма на которой показано движение логической единицы по всем выходам регистра.

Умный дом на базе Ардуино: пошаговая инструкция по сборке

Как говориться лучше один раз увидеть, чем семь раз услышать. Я сам впервые применяя регистр 74HC595 не до конца понимал его работу и чтобы понять смоделировал нужную схему в Proteus.

Вот такая схема подключения семисегментных индикаторов к микроконтроллеру ATMega48 по SPI получилась:

В какой-то момент времени вы неизбежно столкнетесь с проблемой отсутствия достаточного количества контактов на вашем ардуино для удовлетворения потребностей вашего проекта или прототипа. Решение этой проблемы? Сдвиговый регистр, а точнее Arduino сдвиговый регистр 74hc595.

Каждый кто делал проекты на Ардуино, где использовал много светодиодов, понимал, что в значительной степени ограничен контактами Arduino и не может создавать огромные проекты, требующие большого количества контактов. В нашем конкретном проекте 16 светодиодов управляются всего лишь тремя контактами Arduino. Ключевым элементом является arduino сдвиговый регистр 74hc595. Каждый сдвиговый регистр 74HC595 может принимать до 8 светодиодов, а с помощью последовательных цепочек регистров можно увеличить контакты платы от условных 3-х до бесконечного числа.

Как работает регистр сдвига?

Прежде чем мы начнем подключать чип, давайте рассмотрим, как этот процесс работает.

Первое, что нужно прояснить, — это понятие «биты» для тех из вас, кто не знаком с двоичным кодом. Когда мы говорим о «битах», мы имеем в виду одно из чисел, составляющих двоичное значение. В отличие от обычных чисел, мы обычно считаем, что первый бит является самым большим. Итак, если мы берем двоичное значение 10100010, первый бит на самом деле равен 0, а восьмой бит равен 1. Следует также отметить, если это не подразумевалось, каждый бит может быть только 0 или 1.

Чип содержит восемь контактов, которые мы можем использовать для вывода, каждый из которых связан с битом в регистре. В случае сдвигового регистра 74HC595 мы рассматриваем их от QA до QH.

Видео и фото обзор стартового набора Arduino для UNO R3 из посылки на Aliexpress

Чтобы записать эти выходы через Arduino, мы должны отправить двоичное значение в регистр сдвига, и из этого числа сдвиговый регистр может определить, какие выходы использовать. Например, если мы отправили двоичное значение 10100010, контакты, выделенные зеленым цветом на изображении выше, будут активными, а выделенные красным цветом будут неактивными.

Это означает, что самый правый бит сопоставляется как QH, а левый бит сопоставляется с QA. Выход считается активным, когда бит, сопоставленный с ним, установлен на 1. Важно помнить об этом, так как иначе вам будет очень сложно узнать, какие контакты вы используете.

Теперь, когда у нас есть основное понимание того, как мы используем смещение битов, чтобы указать, какие контакты использовать, мы можем начать подключать его к нашему Arduino.

Начинаем с 8 светодиодов

Для первой части урока нам понадобятся следующие комплектующие:

Arduino Uno
Макетная плата
Ардуино сдвиговый регистр 74HC595
8 светодиодов
8 резисторов – 220 ом должно хватить
Провода/перемычки

Начните с размещения сдвигового регистра на вашем макете, гарантируя, что каждая сторона находится на отдельной стороне макета, как показано ниже.

С надписью, направленной вверх, штифты 1-8 с левой стороны сверху вниз и 16 — 9 с правой стороны сверху вниз, как показано на рисунке ниже.

Собираем схему

Для начала подключим контакты 16 (VCC) и 10 (SRCLR) к выходу 5v на Arduino и соединяем выводы 8 (GND) и 13 (OE) с выводом Gnd на Arduino. Pin 13 (OE) используется для включения выходов, так как это активный низкий контакт, который мы можем подключить непосредственно к земле.

7 сегментный индикатор на MAX7219 - подключение и модернизация

Затем нам нужно соединить три контакта, которыми мы будем управлять сдвиговым регистром:

Pin 11 (SRCLK) сдвигового регистра 74HC595 на пин 11 на Arduino — это будет называться «синхронизирующим пином»,
Pin 12 (RCLK) сдвигового регистра на пин 12 на Arduino — это будет обозначаться как «пин защелка»,
Pin 14 (SER) сдвигового регистра на пин 13 на Arduino — это будет называться «пином данных»,

Все три этих контакта используются для выполнения сдвига битов, упомянутого ранее в этом руководстве. К счастью, ардуино предоставляет вспомогательную функцию специально для регистров сдвига, называемую shiftOut, которая будет обрабатывать почти все для нас, но мы вернемся к этому при просмотре кода.

Теперь нам просто нужно подключить все выходные выводы к нашим светодиодам, гарантируя, что резистор размещается перед светодиодами, чтобы уменьшить ток и что катоды светодиодов направлены на землю.

Чтобы уменьшить нагромождение проводов до минимума, мы поместили резисторы и светодиоды на отдельный макет, однако, вы можете воспользоваться одной макетной платой.

При размещении светодиодов убедитесь, что они подключены по порядку, так что QA подключен к первому светодиоду, а QH подключен к последнему светодиоду, так как иначе наш код не включит светодиоды в правильном порядке. Когда вы закончите, у вас должно получится что-то вроде этого:

Скетч для ардуино

Теперь мы готовы загрузить код. Подключите свой Arduino к компьютеру и загрузите на него следующий эскиз для 74hc595 Arduino:

int latchPin = 12;  int clockPin = 11;  int dataPin = 13;  byte leds = 0;  int currentLED = 0;    void setup()  {      pinMode(latchPin, OUTPUT);      pinMode(dataPin, OUTPUT);      pinMode(clockPin, OUTPUT);        leds = 0;  }    void loop()  {      leds = 0;        if (currentLED == 7)      {          currentLED = 0;      }      else      {          currentLED++;      }        bitSet(leds, currentLED);        digitalWrite(latchPin, LOW);      shiftOut(dataPin, clockPin, LSBFIRST, leds);      digitalWrite(latchPin, HIGH);        delay(250);  }

Для начала определим в верхней части эскиза следующее:

Расположение пинов: синхронизатора, защелки и данных
Байт, который будет хранить биты, которые указывают сдвиговому регистру, какой вывод использовать
Переменную, которая будет отслеживать, какой светодиод мы должны включить

В методе setup мы просто инициализируем режимы пинов и переменную светодиодов.

В методе loop (цикл) мы очищаем биты в переменной leds в начале каждой итерации, так что все биты устанавливаются в 0, так как мы хотим только включать один светодиод за раз. После этого мы увеличиваем или перезапускаем текущую переменную currentLED, чтобы затем опять включать правильный светодиод.

После этих двух операций мы переходим к более важной части — смещению бит. Сначала мы начинаем с вызова метода bitSet. Мы передаем методу bitSet байт, что хранит биты, и переменную currentLED.

Этот метод позволяет нам установить отдельные биты байта, указав их положение. Например, если мы хотим вручную установить байт в 10010, мы могли бы использовать следующие вызовы, поскольку биты, которые нам нужно установить в 1, являются вторыми справа (это позиция 1, когда мы начинаем в позиции 0) и пятый справа, который находится в положении 4:

bitSet(leds, 1);  bitSet(leds, 4);

Таким образом, каждый раз, когда мы увеличиваем текущую переменную currentLED и передаем ее методу bitSet, мы каждый раз устанавливаем бит слева от предыдущего до 1 и, таким образом сообщаем сдвиговому регистру активировать вывод слева от предыдущего.

После установки бит мы записываем на контакт защелки указание сдвиговому регистру, что собираемся отправить ему данные. Как только мы это сделаем, мы вызываем метод shiftOut, который есть Arduino. Этот метод разработан специально для использования сдвиговых регистров и позволяет просто сдвигать биты за один вызов. Для этого мы передаем данные и синхронизацию в качестве первых двух параметров, затем передаем константу LSBFIRST, которая сообщает методу, что первый бит должен быть наименее значимым, а затем мы проходим через байт, содержащий биты, которые мы действительно хотим перенести в регистр сдвига.

Как только мы закончим смещение битов, мы снова обращаемся на контакт защелки (используя HIGH в этот раз), чтобы указать, что мы отправили все данные. После того, как операция записи будет завершена, загорится соответствующий светодиодный индикатор, а затем задержится на 250 миллисекунд, прежде чем всё повторится.

16 светодиодов

Теперь перейдем к более сложной схеме используем 74hc595 Arduino для 16 светодиодов.

Детали

По большому счету в данном случае количество всех комплектующих увеличиваем вдвое, кроме, конечно, Ардуино Уно:

Arduino UNO (x1)
74HC595 сдвиговый регистр (x2)
Светодиоды (x16)
220 ом резисторы (x16)
Провода/перемычки
Две макетные платы (одна с 400 пинами, вторая с 830 пинами)
Потенциометр для контроля яркости (по желанию)

Схема соединения

Схема соединения получилась уже больше, чем при 8 светодиодах и одном регистре сдвига 74HC595.

Соберите схему как на рисунке выше и подключите первый регистр сдвига следующим образом:

GND (контакт 8) на землю
Vcc (контакт 16) — 5В
OE (контакт 13) на землю (GND)
MR (контакт 10) — 5 В
DS (контакт 14) — пин 11 Arduino
SH_CP (контакт 11) на контакт Arduino 12
ST_CP (контакт 12) к контакту 8 Arduino

Подключите второй регистр сдвига точно так же, но подключите DS (контакт 14) к первому выходу 9 регистра. После этого соедините контакты 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 15 из обоих регистров и светодиоды. Это соединение делает все контакты всегда активными и адресными, однако при включении Arduino некоторые из светодиодов могут быть включены. Решение для этого — подключить MR (контакт 10) и OE (контакт 13) к Arduino напрямую, но таким образом вы должны пожертвовать 2 выводами ардуины.

Чтобы добавить больше регистров сдвига, соедините их, как второй регистр. Всегда подключайте контакты MR и OE непосредственно к контакту Arduino и DS к предыдущему регистру. Если вы хотите отрегулировать яркость светодиодов, подключите потенциометр, как показано на рисунке выше, для управления сопротивлением для всех светодиодов. Однако это необязательно, и вы можете обойтись без него.

Скетч для ардуино

Варианты скетчей обычно предназначены для ограниченного числа регистров сдвига, т.к. для этого нет универсальной функции/метода. Данный код ниже переработан так, чтобы вы могли использовать неограниченное количество регистров сдвига:

Скачать 74hc595 .ino

int latchPin = 8;  int clockPin = 12;  int dataPin = 11;    int numOfRegisters = 2;  byte* registerState;    long effectId = 0;  long prevEffect = 0;  long effectRepeat = 0;  long effectSpeed = 30;    void setup() {  //Initialize array  registerState = new byte[numOfRegisters];  for (size_t i = 0; i < numOfRegisters; i++) {  registerState[i] = 0;  }    //set pins to output so you can control the shift register  pinMode(latchPin, OUTPUT);  pinMode(clockPin, OUTPUT);  pinMode(dataPin, OUTPUT);  }    void loop() {  do{  effectId = random(6);  } while (effectId == prevEffect);  prevEffect = effectId;    switch (effectId)  {  case 0:  effectRepeat = random(1, 2);  break;  case 1:  effectRepeat = random(1, 2);  break;  case 3:  effectRepeat = random(1, 5);  break;  case 4:  effectRepeat = random(1, 2);  break;  case 5:  effectRepeat = random(1, 2);  break;  }    for (int i = 0; i < effectRepeat; i++) {  effectSpeed = random(10, 90);    switch (effectId)  {  case 0:  effectA(effectSpeed);  break;  case 1:  effectB(effectSpeed);  break;  case 3:  effectC(effectSpeed);  break;  case 4:  effectD(effectSpeed);  break;  case 6:  effectE(effectSpeed);  break;  }  }  }    void effectA(int speed){  for (int i = 0; i < 16; i++){  for (int k = i; k < 16; k++){  regWrite(k, HIGH);  delay(speed);  regWrite(k, LOW);  }    regWrite(i, HIGH);  }  }    void effectB(int speed){  for (int i = 15; i >= 0; i--){  for (int k = 0; k < i; k++){  regWrite(k, HIGH);  delay(speed);  regWrite(k, LOW);  }    regWrite(i, HIGH);  }  }    void effectC(int speed){  int prevI = 0;  for (int i = 0; i < 16; i++){  regWrite(prevI, LOW);  regWrite(i, HIGH);  prevI = i;    delay(speed);  }    for (int i = 15; i >= 0; i--){  regWrite(prevI, LOW);  regWrite(i, HIGH);  prevI = i;    delay(speed);  }  }    void effectD(int speed){  for (int i = 0; i < 8; i++){  for (int k = i; k < 8; k++)  {  regWrite(k, HIGH);  regWrite(15 - k, HIGH);  delay(speed);  regWrite(k, LOW);  regWrite(15 - k, LOW);  }    regWrite(i, HIGH);  regWrite(15 - i, HIGH);  }  }    void effectE(int speed){  for (int i = 7; i >= 0; i--){  for (int k = 0; k <= i; k++)  {  regWrite(k, HIGH);  regWrite(15 - k, HIGH);  delay(speed);  regWrite(k, LOW);  regWrite(15 - k, LOW);  }    regWrite(i, HIGH);  regWrite(15 - i, HIGH);  }  }    void regWrite(int pin, bool state){  //Determines register  int reg = pin / 8;  //Determines pin for actual register  int actualPin = pin - (8 * reg);    //Begin session  digitalWrite(latchPin, LOW);    for (int i = 0; i < numOfRegisters; i++){  //Get actual states for register  byte* states = &registerState[i];    //Update state  if (i == reg){  bitWrite(*states, actualPin, state);  }    //Write  shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, *states);  }    //End session  digitalWrite(latchPin, HIGH);  }

В коде добавлено несколько эффектов для этих 16 светодиодов. Если вы хотите добавить больше светодиодов, подключите больше регистров сдвига по примеру выше и измените значение numOfRegisters в коде.

Вы также можете использовать этот код не только для светодиодов, если вам просто нужно больше контактов для вашего Arduino, используйте функцию regWrite (int pin, bool state) для записи состояния любого вывода. И нет предела, сколько сдвиговых регистров вы используете, просто измените значение numOfRegisters, а все остальное уже втоматизировано.

Используемые источники: