【51单片机系列】74HC595实现对LED点阵的控制

本文是关于LED点阵的使用，使用74HC595模块实现对LED点阵的控制。

一、8x8LED点阵的原理

1.1 LED点阵显示原理

LED点阵是由发光二极管排列组成的显示器件，被广泛应用于汽车报站器、广告屏等。如下所示：

proteus中的8x8点阵如下：

通常应用较多的是8x8点阵，使用多个8x8点阵可组成不同分辨率的LED点阵显示屏，比如16x16点阵可以使用4个8x8点阵构成。

1.2 LED点阵内部结构图

8x8LED点阵内部结构图如下，这两种图片只是接法不同，要点亮LED，左图需要行置为高电平，列置为低电平；右图则需要行置为低电平，列置为高电平。

8x8点阵共由64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一行置高电平，某一列置低电平，则相应的二极管将点亮。

比如对于左图，如果要将第一个点点亮，则将第一行的⑨脚接高电平，第一列的13脚接低电平，第一个点就会点亮；如果要将第一行点亮，则第一行的⑨脚接高电平，所有列(13、3、4、10、6、11、15、16脚)接低电平，第一行就会点亮；如果要将第一列点亮，则第一列的13脚接低电平，所有行(9、14、8、12、1、7、2、5脚)接高电平，第一列就会点亮；如果要将对角线点亮，可以动态显示，首先点亮第一个点，然后点亮第2行第2列的点…这样依次循环点亮，就可以显示对角线的点。

如果要显示数字或字符，在需要的位置点亮，比如显示0(如下)，可以循环点亮如下位置的LED。

1.3 开发板上的LED点阵原理图

开发板上使用了74HC595芯片实现串转并，接到LED点阵模块，原理图如下：

74HC595起到了扩展IO口的功能，从原理图可以看到74HC595使用3个IO口输入，有8个IO口输出。这8个IO口控制LED点阵的行(从第一行到最后一行分别是D7-D0)，使用P0口控制LED点阵的列(从第一列到最后一列分别是P07-P00)。

比如对于如上结构图左图所示，如果要点亮第一个LED，那么P0口应该置为0x7f，D7-D0应该置为0x80。

1.4 74HC595芯片

74HC595芯片具有8为串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有三态输出(高电平、低电平、高阻态)。是总线驱动的并行输出。通常用于串行输入到并行输出的数据转换。

74HC595引脚说明如下：

符号	引脚	描述
Q0…Q7(QA…QH)	15，1-7	并行数据输出
GND	8	逻辑地
Q7’	9	串行数据输出
/MR(/SRCLR)	10	主复位(低电平有效)，接到GND就处于复位状态，要接到电源处于高电平状态
SHCP(SRCLK)	11	移位寄存器时钟输入
STCP(RCLK)	12	存储寄存器时钟输入
/OE	13	输出有效(低电平有效)，在开发板上有一个端子，如果要使输出有效，就短接到GND，如果要使输出无效，就短接到VCC。也可以连接到一个IO口进行控制。进行LED点阵实验时要短接到地，使输出有效。
DS(SER)	14	串行数据输入，输入的数据经过74HC595芯片转换为并口输出
VCC	16	电源

74HC595功能如下，H=高电平，L=低电平，↑=上升沿，↓=下降沿，Z=高阻态，NC=无变化，X=无效

输入	输入	输入	输入	输入	输出	输出	功能
SHCP	STCP	OE	MR	DS	Q7’	Qn
X	X	L	↓	X	L	NC	MR为低电平时仅影响移位寄存器
X	↑	L	L	X	L	L	移位寄存器到输出寄存器，STCP上升沿会将数据输出
X	X	H	L	X	L	Z	清空移位寄存器，并行输出为高阻态
↑	X	L	H	H	Q6’	NC	逻辑高电平移入移位寄存器状态0，包含所有的移位寄存器状态移入
X	↑	L	H	X	NC	Qn	移位寄存器的内容到达存储寄存器并从并口输出
↑	↑	L	H	X	Q6’	Qn’	移位寄存器内容移入，先前的移位寄存器的内容到达存储寄存器并输出

从上表可以知道，当主复位MR为高电平，输出使能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。

74HC595的数据端：

Q0-Q7：八位并行输出端，可以直接控制数码管的8个段。

Q7’：级联输出端，可以接下一个595的SER端。

SER：串行数据输入端。

74HC595控制端说明

• /SCLR(10脚)：主复位脚，低电平时清空移位寄存器，通常接VCC。
• SCK(11脚)：上升沿数据寄存器移位，下降沿移位寄存器数据保持不变。
• RCK(12脚)：上升沿时移位寄存器的数据进入存储寄存器，下降沿存储寄存器数据不变。
• /OE(13脚)：输出使能，高电平时禁止输出。

二、使用74HC595模块实现流水灯效果

在proteus中硬件设计如下，实现的功能为使用74HC595芯片实现流水灯效果。

根据上面对74HC595的介绍，DS引脚是输入的串行数据，SHCP上升沿会进行移位寄存器的移位操作，STCP上升沿时会将数据输出到并行端口。

软件代码如下：

/*
	实现功能：74HC595芯片控制LED点阵实现LED流水灯的效果
	[2023-12-08] zoya
*/
#include "reg52.h"
#include "intrins.h"

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

sbit DS = P3^4;  // 74HC595输入数据端口
sbit STCP = P3^5;  // 74HC595存储寄存器端口，上升沿时移位寄存器进入存储寄存器
sbit SHCP = P3^6;  // 74hc595移位寄存器端口，上升沿时移入数据

// 延时函数，i=1延时10us
void Delay(u16 i)
{
	while(i--);
}

// 74HC595芯片将输入的串行数据转换为并行数据输出
void HC595SendByte(u8 dat)
{
	u8 i;
	STCP = 1;  // 高电平时存储寄存器数据保持不变
	SHCP = 1;  // 高电平时移位寄存器数据保持不变
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		DS = dat >> 7;  // 每次输入最高位数据
		dat <<= 1;  // 移位后将dat数据左移一位，保证下一次移入的数据在最高位
		// 实现移位寄存器的时序，需要SHCP有一个上升沿，所以先将SHCP置0，然后置1
		SHCP = 0;
		_nop_();  // 空指令，不做任何操作，当做延时使用
		_nop_();
		SHCP = 1;
	}
	
	// 数据已经在移位寄存器了，现在将移位寄存器的数据输出到存储寄存器
	// STCP上升沿时将数据从移位寄存器输出到存储寄存器
	STCP = 0;
	_nop_();
	_nop_();
	STCP = 1;
}


void main()
{
	u8 ledNum = ~0x01;  // 首先点亮D0
	// HC595SendByte(0xff);
	while(1)
	{
		HC595SendByte(ledNum);
		ledNum = _crol_(ledNum,1);  // 左移，逐个点亮D0-D7
		Delay(50000);
	}
}

仿真结果：

三、 使用74HC595模块控制LED点阵对角线亮

在proteus中设计如下LED点阵，实现使用74HC595控制LED点阵对角线灯亮的功能。

代码实现如下：

/*
	实现功能：74HC595芯片控制LED点阵实现对角线点亮
	[2023-12-08] zoya
*/
#include "reg52.h"
#include "intrins.h"

#define GPIO_LED P0  // LED点阵列控制IO口

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

sbit DS = P3^4;  // 74HC595输入数据端口
sbit STCP = P3^5;  // 74HC595存储寄存器端口，上升沿时移位寄存器进入存储寄存器
sbit SHCP = P3^6;  // 74hc595移位寄存器端口，上升沿时移入数据
u8 ledNum = 0x01;

// 延时函数，i=1时延时10us
void Delay(u16 i)
{
	while(i--);
}

// 74HC595芯片将输入的串行数据转换为并行数据输出
void HC595SendByte(u8 dat)
{
	u8 i;
	STCP = 1;  // 高电平时存储寄存器数据保持不变
	SHCP = 1;  // 高电平时移位寄存器数据保持不变
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		DS = dat >> 7;  // 每次输入最高位数据
		dat <<= 1;  // 移位后将dat数据左移一位，保证下一次移入的数据在最高位
		// 实现移位寄存器的时序，需要SHCP有一个上升沿，所以先将SHCP置0，然后置1
		SHCP = 0;
		_nop_();  // 空指令，不做任何操作，当做延时使用
		_nop_();
		SHCP = 1;
	}
	
	// 数据已经在移位寄存器了，现在将移位寄存器的数据输出到存储寄存器
	// STCP上升沿时将数据从移位寄存器输出到存储寄存器
	STCP = 0;
	_nop_();
	_nop_();
	STCP = 1;
}

void main()
{
	// 点亮LED点阵的第一个灯，P00=0，其它为1
	u8 dNum = ~0x01;
	GPIO_LED = ledNum;
	while(1)
	{
		HC595SendByte(dNum);
		GPIO_LED = ledNum;
		Delay(200);
		dNum = _crol_(dNum,1);
		ledNum = _crol_(ledNum,1);
	}
}

仿真结果：