使用74HC595实现IO口的扩展.docx

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1、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L

2、ED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

3、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

4、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

5、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。 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

6、,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5X8=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。 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

7、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12ms,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74

8、HC595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的逻辑功能表输入输出功能SHcpSTcpOEMRDsQ7QnXXL;XLNCMR为低电平时仅仅影响移位寄存器XfLLXLL空移位寄存器到输出移位寄存器XXH

9、LXLZ清空移位寄存器,并行输出为高阻态fXLHHQ6NC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,例如,以前 的状态6 (内部Q6)出现在串行输出位XfLHXNCQn移位寄存器的内容到达保持寄存器并从 并口输出ffLHXQ6Qn移位寄存器内容移入,先前的移位寄存器 的内容到达保持寄存器并输出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

10、,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GNDoA(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

11、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。74

12、HC595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。74HC5

13、95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).工 C1-. . mFc-TKP WC| 为 J=j=L.CI.YE.i.1 I 叫 PQ.MAJ1pnzi.HiEX7.hDPOilHjS;pnAHjsRSTPn.KAJTpzn.-GP2.1i.ePZZ.HDP23.kI1ALEPZ目P3&叩泌.PZ7i.hEPWFlLPZaDP1.1P3.inDP12f矣wrpP1.7pht/TF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

14、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

15、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

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