使用74HC595实现IO口的扩展

使用74HC595实现I/O口的扩展
一、实验目的
1. 了解74HC595（串入并出）基本原理和使用
2. 了解数码管的基本原理和驱动方式
3. 学会使用74HC595来驱动静态数码管
二、实验器材
C51单片机开发板（含74HC595芯片，静态数码管）1块
8PIN排线1根
数据线1根
三、实验原理
1. 数码管
数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管（还有一种“米”字型的数码管，其段数更多），八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示），其基本原理是：将所有LED的一端（正极、负极均可）连在一起作为一个公共端，然后通过分别控制这组LED的另一个端口来使部分LED点亮，从而达到显示一定字形的目的。

（1）数码管的分类
按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。

共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。

共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

我们在实际使用中一定要搞清楚数码管是共阴极的还是共阳极的。

（2）数码管段、位引脚的确定（以4位8段数码管为例）
数码管引脚测量分三步：极性判断（共阳极还是共阴极）、公共端判断（位选端口）、段码端判断（段选端口）。

首先要确定数码管是共阴极还是共阳极的：找一个3到5V的直流电源，准备几个1K或者几百欧姆的电阻。

将电源的正极串接一个电阻后连在数码管的任意一个脚上，然后将电源的负极逐个接到数码管的其余引脚上，观察数码管的某一段是否会点亮，如果全部引脚试过都没有亮的，那么将电源正极（串电阻）换一个引脚再试，直到有一个LED发光，这时固定电源负极不动，电源正极（串电阻）逐个接到数码管的其余引脚上，如果有8段LED都亮，说明该数码管是共阴极的。

相反，按住电源正极不动，电
源负极逐个接到数码管的其余引脚上，如果有8个数码管全亮，那么该数码管是共阳极的。

确定了数码管的极性后，下面该确定数码管的位选端口了。

仍旧按照第一步的测量方法，如果测量过程中发现当一个引脚固定后，逐个连接到其余端口上的时候，会有一个数码管的所有段都被点亮了，那么这个固定端就是一个位选端。

依照这种方法依次找出其余的3个位选端即可。

最后确定段选端口，根据数码管的极性将电源正极（串电阻）或负极固定在一个位选端上，然后将电源的另一端逐个连接数码管的位选端口以外的引脚，当接到一个引脚上数码管的哪一段点亮，就能够确定该引脚对应那一段了，依次量出全部8段分别对应那个引脚。

经过上面的步骤后，我们就完成了数码管引脚的确定，其实在实际使用过程中，操作熟练的话是不必经过这么繁琐的步骤来确定数码管的引脚的。

（3）数码管的驱动方式：
数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

①静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。

静态驱动是指将公共端接到电源正极或者电源地上，每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

②动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

在实际使用中，通常都是采用动态显示驱动的方法。

在本实例中我们采用的静态驱动的方法。

2. 74HC595功能描述
在本实例中我们使用了一片74HC595来驱动8位数码管的位选端口，下面就简单介绍一下74HC595的功能。

74HC595是带锁存功能的三态输出的8位串行输入/并行输出的移位寄存器。

由于它自带锁存器，所以其数据在移位寄存器中的移位与锁存器的输出是独立的，当数据移位时，可以保持锁存器输出的数据不改变，等所有8位数据全部串入完成移位操作后，一次性的将数据打入锁存器中，从而实现了并行输出的同步改变。

另外该芯片可以进行级联，能够实现8Xn个并口扩展。

下图是74HC595的逻辑功能表
74HC595管脚描述：
QA--QH: 八位并行输出端，可以直接控制数码管的8个段。

QH': 级联输出端。

我将它接下一个595的SI端。

SI: 串行数据输入端。

74595的控制端说明：
/SCLR(10脚): 复位引脚，低电平时将移位寄存器的数据清零。

一般情况下接Vcc。

SCK(11脚)：时钟引脚，上升沿时数据寄存器的数据移位。

QA-->QB-->QC-->...-->QH；下降沿移位寄存器数据不变。

（脉冲宽度：5V时，大于几十纳秒就行了。

RCK(12脚)：锁存引脚，上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。

通常将RCK置为低电平，当移位结束后，在RCK端产生一个正脉冲（5V时，大于几十纳秒就行了），更新显示数据。

/G(13脚): 使能引脚。

高电平时禁止输出（高阻态）。

如果单片机的引脚不紧张，用一个引脚控制它，可以方便地产生闪烁和熄灭效果。

比通过数据端移位控制要省时省力，通常可以直接接地GND。

A（14脚）：数据串入引脚。

74595的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。

这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。

74HC595还具有SPI功能，但在本例中我们先不使用，我们直接用单片机的普通I/O口模拟74HC595的时序来实现数据的串入并出功能。

从74HC595的逻辑功能表中我们可以分析出74HC595的工作过程：数据的串入和内部数据移位的操作由SCLK控制。

SCLK 的上升沿将移位寄存器中的数据由Qa向Qh依次移动一位，同时将数据线上的电平打入Qa，而最高位的数据Qh从SQh端移出。

如果把SQh与另一片74HC595的数据端连接，那么SQh的串行输出就是第2片74HC595的串行数据输入，从而实现级联。

74HC595在移位的过程中并不影响其锁存器的输出，移位寄存器中的数据是通过锁存端的上升沿打入到锁存器中的。

正是由于74HC595具备了锁存功能，因而可以保证并行输出数据的稳定和数据同步改变的功能。

经过以上分析我们可以得出74HC595控制数据输入输出的实现步骤：1、在SCLK上升沿期间将数据端串入的数据经过发送到移位寄存器中，如果需要
发送8位的数据，则需要8个SCLK上升沿才能将8位数据全部输入到移位寄存器中。

2、使锁存端产生一个上升沿，从而将移位寄存器中的数据打入到锁存器中并输出。

本实例中8位数码管显示电路的工作原理：8位数码管的8个段选端口全部并联接到单片机的PB口上。

74HC595控制8位数码管的8个位选端，当某位选通后，点亮该位的数码管，使它显示相应的数字。

3. 实验原理图（Protues仿真图）
四、实验操作步骤
1. JP595用跳线冒短接，JP1302跳线帽断接或取下，JP3和JP2 用8PIN排线连接。

2.用数据线将单片机开发板与PC机连接好。

3.打开Keil软件，新建一个工程（记住工程所保存的位置），将所给HC595_LED.c(或HC595_LED.asm)文件添加到这个工程中，然后进行编译，编译完成后，打开工程所保存的文件夹，可以看到此工程中生成了一个HC595_LED.hex的文件。

4.打开烧录软件，单击窗口中的“打开文件”，选中上述生成的HC595_LED.hex的文件，然后打开单片机开发板的电源，再单击烧录软件窗口中的“下载程序”，当窗口中出现“文件下载完毕，数据下载成功”字样后，程序下载成功。

5.程序下载成功后，观察单片机开发板上静态数码管的现象：最开始静态数码管会显示数字2，然后依次跳变为3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F。

显示F后会跳变为0，再依次增加，循环显示0-F。

如果想再次从头观察现象可以按复位键RSTK。

6.实验完成后，先关闭单片机开发板的电源，再将接线拆下，最后要将实验仪器放回原处。

五、实验流程图
六、小结
1. 通过此例程，可以熟悉我们所使用的C51单片机开发板，了解74HC595芯片和数码管的构造和原理，理解串入并出的原理与方法，也更进一步熟练Protues仿真图的制作。

2. 作此实验之前最好先查一些资料，了解本例程所要用的C51芯片、74HC595芯片和数码管，了解它们各引脚的作用和工作原理，帮助看懂此例程的程序和仿真图。

3. 仿真图中所用芯片可能与开发板上的或程序所给的不是同一款，但它们可以实现相同的功能，通过了解各引脚功能可得知它们引脚的对应关系。

七、实物图。