Как подключить сдвиговый регистр к Arduino (или увеличиваем число выводов микроконтроллера)

Микросхема сдвигового регистра

Микросхема сдвигового регистра

Рано или поздно каждый начинающий схемотехник, перейдя от простых обучающих примеров к реальным задачам задается вопросом: где же взять столько выходов микроконтроллера, сколько нужно? После подключения одного светодиода встает вопрос — а как подключить пять? десять? двадцать? Стандартных 14 выходов на Arduino Nano или даже 54 наArduino Mega легко может не хватить для решения прикладных задач. Неужели придется покупать еще один микроконтроллер, думать о синхронизации двух устройств? Конечно нет. Существует элегантное решение проблемы недостатка выводов — выходной сдвиговый регистр (например, микросхема 74HC595).

Основным параметром сдвигового регистра является битность. Она определяет, сколько выходов будет иметь регистр. Например, указанная выше микросхема — 8-ми битная, и позволит не напрягаясь подключить до 8-ми устройств используя 3 пина микроконтроллера. Экономия на лицо — 3 вместо 8. Но, конечно, есть экономные люди, которым и такой выгоды мало. Специально для них сообщаем — сдвиговые регистры могут быть подключены каскадом. Это значит, что добавлением одной микросхемы мы увеличиваем число выводов еще на 8, но не занимаем новые пины Arduino.

К минусам использования сдвигового регистра стоит отнести невозможность использования широтно-импульсной модуляции (ШИМ), потому что выходы регистра могут иметь только логические значения HIGH (1) и LOW (0). Если вы собираетесь светить светодиодами с регулировкой яркости, стоит обратить внимание на драйверы светодиодов.

Итак, как же устроена микросхема 74HC595?

Распиновка микросхемы 74HC595

Распиновка микросхемы 74HC595

Для ориентации микросхемы на нее нанесена метка в виде куга — по ней стоит искать, с какой стороны начинать отсчет пинов.

№ Пина Обозначение Функция
1-7, 15 Q1-Q7, Q0 Цифровые выводы регистра
8 GND Земля
9 Q7′ Выход для подключения регистров каскадом
10 MR Сброс значений регистра (при подаче сигнала LOW)
11 SH_CP Вход тактовых импульсов
12 ST_CP Синхронизация выходов
13 OE Переключение выходов из высокоомного состояния в рабочий режим (при подаче сигнала LOW) и обратно (при подаче сигнала HIGH)
14 DS Вход последовательных данных
16 Vcc Питание +5V

В исходном состоянии выводы регистра находятся в высокоомном состоянии. Это значит, что другие элементы могут изменять напряжение на них, не влияя на работоспособность и логику микросхемы. Это может быть полезно, если одними и теми же элементами планируется управлять при помощи разных регистров — когда активен один (сигнал LOW на входе OE), следует перевести второй в высокоомное состояние (сигнал HIGH на входе OE). Если регистр всего один, можно смело подключать OE к земле. Также к земле подключается выход GND.

Для нормального функционирования регистра при подключении также следует подключить вход MR к рельсе питания. Туда же подключаем Vcc.

Схема подключение сдвигового регистра 74HC595

Схема подключение сдвигового регистра 74HC595

Пины 1-7 соединены с анодами (длинными ножками) светодиодов (зеленые провода), начиная со 2-го светодиода

Пин 8 соединен с землей (синий провод)

Пин 9 ни с чем не соединен

Пин 10 соединен с +5 V (красный провод)

Пин 11 соединен с 4-м пином Arduino (черный провод)

Пин 12 соединен с 3-м пином Arduino (еще один черный провод). Также пин 12 соединен с землей через конденсатор 0.1 мкФ (желтый провод)

Пин 13 соединен с землей (синий провод)

Пин 14 соединен с 2-м пином Arduino (черный провод)

Пин 15 соединен с анодом (длинная ножка) первого светодиода (зеленый провод)

Пин 16 соединен +5 V (красный провод)

Непосредственно управление регистром осуществляется с помощью входов DS, SH_CP и ST_CP. Когда происходит переключение SH_CP с LOW на HIGH, в регистр считывается значение с DS (1 бит). При переключении ST_CP с LOW на HIGH заканчивается прием информации и выводы переходят в назначенное состояние. Впрочем, не обязательно так досконально разбираться в логике работы регистра — для Arduino уже конечно же есть специальные библиотеки — необходимо только подключить эти входы к цифровым выходам Arduino.

Обратите внимание — подача импульсов на вход микросхемы является высокочастотной, и для фильтрации желательно поставить конденсатор малой емкости (0.1 мкФ)  на вход ST_CP для минимизации помех на схеме при подаче закрывающего сигнала. В схеме также использованы светодиоды в качестве нагрузки и резисторы 220 Ом для ограничения тока.

В качестве примера будем управлять восемью светодиодами. Проверьте правильность подключения элементов и загрузите в Arduino следующий скетч:

Рассмотрим пример подробнее. Вас должна заинтересовать функция shiftOut — именно она управляет передачей данных в регистр. У этой функции всего четыре параметра. Первые два — пин, по которому передаются данные (подключенный ко входу DS) и пин тактовых импульсов (подключенный ко входу SH_CP). Третий параметр определяет параметр передачи битов в регистр: MSBFIRST — прямой порядок, начиная со старшего (первого) бита; MSBLAST — обратный порядок, начиная с младшего (последнего бита). И, наконец, четвертый параметр — непосредственно значение, которое должно быть передано в регистр. В данном случае мы передаем значение от 0 до 255 (2 в степени 8 — вы же не забыли что регистр 8-ми битный?). С практической точки зрения, когда нужно активировать определенные выходы, можно использовать битовые представления чисел, например:

Итак, нам удалось разобраться с одним сдвиговым регистром. Но пытливый читатель конечно же воскликнет — а как же два и более регистров? Вы же обещали подключение каскадом и беспрецедентную экономию пинов Arduino! Конечно, конечно — вот новая схема подключения. Обратите внимание, что изменений не так много — просто два регистра соединены между собой по пинам Q7′ — DS. Второй конденсатор подключать не нужно.

Подключение сдвиговых регистров 74HC595 каскадом

Подключение сдвиговых регистров 74HC595 каскадом

Подключение первого регистра не изменилось, за исключением того, что пин 9 соединен с пином 14 второго регистра (оранжевый провод). Подключение второго регистра полностью идентично подключению первого регистра (за исключением отсутствия конденсатора и уже упомянутого пина 14).

Загрузим скетч для последовательного зажигания всех 16 светодиодов:

Обратите внимание на функции, которые сильно облегчат работу со сдвиговыми регистрами: bitWrite пишет указанный бит в заданную позицию числа, а highByte и lowByte берут соответственно старший (левые 8 бит) и младший (правые 8 бит) байты из переданного числа.

Итак, мы подключили еще 8 светодиодов (16 в итоге), по-прежнему использовав всего 3 вывода Arduino. Мы восхитительны!

Как подключить сдвиговый регистр к Arduino (или увеличиваем число выводов микроконтроллера): 2 комментария

    1. uscr Автор записи

      Как именно управлять? Поскольку регистр подаёт напряжение на выводы в соответствии с двоичной формой числа, простой счётчик не будет зажигать светодиоды по порядку. Если нужно такое поведение:
      нажали 1 раз — загорелся первый светодиод
      2 раз — второй светодиод
      третий-третий и т.д, то нужно, например завести переменную с битовой маской 00000001 побитовым сдвигом двигать еденичку и каждый раз прибавлять полученную маску к другой переменной.
      Или можно умножать число на 2 столько раз, сколько светодиодов нужно зажечь и прибавлять к нему предыдущее число. Тогда получится так:
      i=1 — горит первый светодиод (в двоичной системе 1)
      i=2+1 — горят 2 первых светодиода (11)
      i=4+3 — три светодиода (111)
      i=8+7 — (1111)

      и т.д.
      Но реализацию алгоритма таких извращений оставлю вам.

      0

Добавить комментарий