一、74HC595的引脚及其功能
1.概述
我们都有Arduino NANO了，为什么还要用74HC595？
扩展输出用！
扩展输出是什么？
以Arduino Uno为例，它的0-13号口可以接LED灯，13号口自己带一个灯，但一般来说Arduino的0和1号口用来串口通信，不用来接灯，只有2-13号口是接灯的，也就是有12个口可以接灯。但假如想要接20个LED灯怎么办呢？这个时候就需要扩展输出。
今天给大家介绍一种常用于扩展数字输出的芯片74HC595，它是一款漏极开路输出的CMOS移位寄存器，输出端口为可控的三态输出端，亦能串行输出控制下一级级联芯片。
74HC595的作用就是把串行的信号转为并行的信号，常用在各种数码管以及点阵屏的驱动芯片，使用74HC595可以节约单片机的I/O口资源，用3个I/O就可以控制8个数码管的引脚。此外，它还具有一定的驱动能力，可以免掉三极管等放大电路，所以这块芯片是驱动数码管的神器，应用非常广泛。
2.特点：串入并出
74HC595的最重要的功能就是：串行输入，并行输出。
74HC595具有8位移位寄存器，1个锁存器和三态输出功能。其中，移位寄存器和锁存器的时钟信号是相互独立的。
数据在SH_CP的上升沿输入，在ST_CP的上升沿进入到锁存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比锁存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入（Ds）、一个串行输出（Q7’）和一个异步的低电平复位，锁存器有一个并行8位的、具备三态的总线输出，当OE端为低电平时，锁存器的数据输出到总线。
下面具体介绍一下各引脚及其功能：
1-7、15脚：并行输出引脚。
8脚：GND，接地。
9 脚：串行数据出口引脚。当移位寄存器中的数据多于8bit时，会把已有的bit“挤出去”，就是从这里出去的。用于595的级联。
10脚：MR，低电平时，清空移位寄存器中已有的bit数据。一般不用，直接接高电平即可。
11脚：SCK，移位寄存器时钟引脚，上升沿时，移位寄存器中的bit数据整体后移，并接受新的bit（从SER输入）。
12脚：RCK，存储寄存器时钟输入引脚。上升沿时，数据从移位寄存器转存到锁存器中。
13脚：OE，输出使能控制脚，它是低电才使能输出，所以接地GND。
14脚：DS（SER），串行数据输入引脚。
16脚：Vcc，接电源。
下附74hc595真值表：
3.内部结构
其中，shift register为移位寄存器，latch为锁存器。
（1）移位寄存器
假如，我们要将二进制数据0111 1111 输入到595的移位寄存器中，下面的图片，模拟了前2个位输入的情景。
0111 1111这个数据完全输入后结果如下图所示：
这里要注意一个引脚，11脚，(shift registerclock input) 移位寄存器时钟引脚。上升沿有效。
（2）锁存器
锁存器是直接和8个输出引脚相通的，将移位寄存器的数据转移到锁存器后，Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 就可以接受到开始输入的一个字节的数据。所谓存储器，就是数据可以存在这个寄存器中，并不会随着一次输出就消失，只要74HC595不断电，也没有新的数据从移位寄存器中过来，数据就一直不变且有效。新的数据过来后，存储寄存器中的数据就会被覆盖更新。
这里要注意的是12脚为锁存器时钟。数据从位移寄存器转移到锁存器，也是需要时钟脉冲驱动的，这就是12脚的作用，它也是上升沿有效。
4.74HC595具体使用步骤
第一步
目的：将要准备输入的位数据移入74HC595数据输入端上。
方法：送位数据到_595。
第二步
目的：将位数据逐位移入74HC595，即数据串入。
方法：SH_CP产生一上升沿，将DS上的数据移入74HC595移位寄存器中，先送低位，后送高位。
第三步
目的：并行输出数据。即数据并出。
方法：ST_CP产生一上升沿，将由DS上已移入数据寄存器中的数据送入到输出锁存器。
说明： 从上可分析：从SH_CP产生一上升沿(移入数据)和ST_CP产生一上升沿(输出数据)是二个独立过程，实际应用时互不干扰。即可输出数据的 同时移入数据。
二、74HC595的串入并出
1.概述
首先来介绍一下任务9.2要实现的目标：今天我们需要通过一个按键驱动移位亮灯的小实验，来实现芯片74HC595串入并出的功能。安排任务9.2的意义就在于巩固前面关于芯片74HC595、按键等的基础知识，再为9.3的实验专案做基础。下面我们就一起来看一下吧。
2.按键和上拉电阻那些不可不知的事
不知大家是否还记得，在任务七中，我们初次接触到了微动开关。还记得它有什么特点吗？
简单的两脚按钮是可以直接作为开关使用的，但是使用四脚按钮时就需要格外的注意了，它是对脚相断、邻脚相通的。意思就是说，如果我们不小心两端接到了相通的脚上，这个微动开关是起不到它原有的作用的。
而经常与微动开关搭配使用的，是上拉电阻，常用于floating状态下，是非常实用的一个搭配。上拉的意思就是把电位往上提升，把原本悬空的杂讯电位，拉到稳定的高电位状态。它的工作原理是这样子的，把一个20千欧的电阻，连接到5伏特的高电位。这些电学概念我们在这里不讲也罢，实际操作过程中还是很简单方便的。
事实上Arduino考虑到了上拉电阻的问题，已经帮我们设计好了电路，我们只需要通过指令，就能开启工作接脚的上拉电阻功能。但是实际上我们是没有一个专门的上拉电阻指令的，需要以指令搭配的形式来实现，用到的指令是让接脚输出高电位的digitalWrite(某个接脚, HIGH);以及设定接脚为输出模式的pinMode(同个接脚,OUTPUT);。那照这个逻辑讲，pinMode的INPUT配上digitalWrite的LOW，应该会有稳定低电位的下拉电阻的功能，但其实并不是这样的什么都不会发生，因为Arduino并没有内接下拉电阻。
这里附上自制的系列课中关于上拉电阻的一节。密码：792792。
若在本网页无法观看，可点击右下角“优酷视频”的LOGO进入优酷官网或打开客户端进行观看~
关于微动开关和上拉电阻的内容我们就介绍到这里，下面来看一下74HC595芯片和实验。
3.关于74HC595的串入并出
还记得任务9.1的引脚和功能吗，其中最重要的功能就是：串行输入，并行输出。数据在SH_CP的上升沿输入，在ST_CP的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7’），和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能 OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。
在今天的实验中，就用了两个微动开关，分别控制两个时钟：一个控制SH_CP的串行输入（一个一个输入），一个控制ST_CP并行输出（像一个大平台将所有信号一起输出），按钮按八下一个一个个信号，按第九下。于是我们设计了如下电路，有ds为低和ds为高两种情况：
4.用74HC595实现0-9循环显示，每个数字显示一秒
回想一下任务8这个实验是怎样实现的呢？我们带大家来回顾一下吧：
int a=7;//定义数字接口7 连接a 段数码管
int b=6;// 定义数字接口6 连接b 段数码管
int c=5;// 定义数字接口5 连接c 段数码管
int d=11;// 定义数字接口11 连接d 段数码管
int e=10;// 定义数字接口10 连接e 段数码管
int f=8;// 定义数字接口8 连接f 段数码管
int g=9;// 定义数字接口9 连接g 段数码管
int dp=4;// 定义数字接口4 连接dp 段数码管
unsigned char num[10][8] =
{
//1为点亮，0为关闭，a表示数码管a的led灯，其他类似
//a b c d e f g h
{1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0}, //0
{0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0}, //1
{1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0}, //2
{1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0}, //3
{0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0}, //4
{1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 0}, //5
{1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0}, //6
{1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0}, //7
{1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0}, //8
{1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0}, //9
};
void setup()
{
pinMode(a,OUTPUT); //设置引脚为输出
pinMode(b,OUTPUT); //设置引脚为输出
pinMode(c,OUTPUT); //设置引脚为输出
pinMode(d,OUTPUT); //设置引脚为输出
pinMode(e,OUTPUT); //设置引脚为输出
pinMode(f,OUTPUT); //设置引脚为输出
pinMode(g,OUTPUT); //设置引脚为输出
pinMode(dp,OUTPUT); //设置引脚为输出
}
void loop()
{
for( int i = 0 ; i <= 9 ; i++) //循环显示0-9
{
digitalWrite(a,num[i][0]); //设置a 引脚的电平
digitalWrite(b,num[i][1]); //设置b 引脚的电平
digitalWrite(c,num[i][2]); //设置c 引脚的电平
digitalWrite(d,num[i][3]); //设置d 引脚的电平
digitalWrite(e,num[i][4]); //设置e 引脚的电平
digitalWrite(f,num[i][5]); //设置f 引脚的电平
digitalWrite(g,num[i][6]); //设置g 引脚的电平
digitalWrite(dp,num[i][7]); //设置h 引脚的电平
delay(1000); //延迟1秒
}
}
看了这个程序可以发现，我们的Arduino用了好多好多引脚呢，程序还有二维数组并且非常长！这对于Arduino初学者或者程序小白来说就有太多的不方便。
不过没关系，所有这些问题，我们用74HC595就能统统解决！我们将74HC595连入电路，再搭配一个shiftOut函数就万事大吉了！具体的程序代码我们就放在第三部分中啦，我们第三部分见~
三、用74HC595实现0-9循环显示，每个数字显示1秒
(使用Arduino的shiftOut函数，重点介绍函数用法、电路连接，Fritzing绘出电路图)
根据任务要求不难看出，本次实验所要达成的数码管显示效果与项目七的4.2任务相同，区别仅在于本实验任务需要使用74HC595芯片和Arduino的shiftOut()函数。
既然已经实现了要求的显示结果，为什么还要用74HC595芯片和Arduino的shiftOut()函数再做一遍？
原因在于以下几个方面：
（1）如果不用芯片和shiftOut()函数，需要连接多个Arduino的引脚，而使用芯片和shiftOut()函数,只需要连接Arduino的五个引脚，其中还包括一根接电源的线和一根接地的线。
（2）如果不用芯片和shiftOut()函数，为了将Arduino上的多个引脚与数码管的多个引脚一一相连，并使其依次显示，编写代码时需要使用二维数组。而使用shiftOut()函数，则可以直接使用一维数组，代码的编写更为简单方便。
（3）如果不用shiftOut()函数而只用循环函数来实现，代码十分冗长，而用shiftOut()函数，只需要在loop函数中应用一个for循环，代码更短更易读。
接下来让我们真实地感受一下只用loop循环的冗长代码,程序如下：
int ds= 8; //定义ds接D8
int sh= 11; //定义sh引脚接D11
int st= 12; //定义st引脚接D12
int n0[8]={1,1,1,1,1,1,0,1};
int n1[8]={0,0,0,0,1,1,0,1};
int n2[8]={1,1,0,1,1,0,1,1};
int n3[8]={1,1,1,1,0,0,1,1};
int n4[8]={0,1,1,0,0,1,1,1};
int n5[8]={1,0,1,1,0,1,1,1};
int n6[8]={1,0,1,1,1,1,1,1};
int n7[8]={1,1,1,0,0,1,0,1};
int n8[8]={1,1,1,1,1,1,1,1};
int n9[8]={1,1,1,1,0,1,1,1}; //定义数组
void putX(int CY){ //CY表示数组中的高或低电平
digitalWrite(sh,LOW);
digitalWrite(ds,CY);
digitalWrite(sh,HIGH);
} //定义putX()函数
void num0(){
digitalWrite(st,LOW); //将st引脚写入低电平
for (int i=0;i<8;i++){
putX(n0[i]);
} //执行putX()函数
digitalWrite(st,HIGH); //将st引脚写入高电平
}
void num1(){
digitalWrite(st,LOW); //将st引脚写入低电平
for (int i=0;i<8;i++){
putX(n1[i]);
} //执行putX()函数
digitalWrite(st,HIGH); //将st引脚写入高电平
}
void num2(){
digitalWrite(st,LOW); //将st引脚写入低电平
for (int i=0;i<8;i++){
putX(n2[i]);
} //执行putX()函数
digitalWrite(st,HIGH); //将st引脚写入高电平
}
void num3(){
digitalWrite(st,LOW); //将st引脚写入低电平
for (int i=0;i<8;i++){
putX(n3[i]);
} //执行putX()函数
digitalWrite(st,HIGH); //将st引脚写入高电平
}
void num4(){
digitalWrite(st,LOW); //将st引脚写入低电平
for (int i=0;i<8;i++){
putX(n4[i]);
} //执行putX()函数
digitalWrite(st,HIGH); //将st引脚写入高电平
}
void num5(){
digitalWrite(st,LOW); //将st引脚写入低电平
for (int i=0;i<8;i++){
putX(n5[i]);
} //执行putX()函数
digitalWrite(st,HIGH); //将st引脚写入高电平
}
void num6(){
digitalWrite(st,LOW); //将st引脚写入低电平
for (int i=0;i<8;i++){
putX(n6[i]);
} //执行putX()函数
digitalWrite(st,HIGH); //将st引脚写入高电平
}
void num7(){
digitalWrite(st,LOW); //将st引脚写入低电平
for (int i=0;i<8;i++){
putX(n7[i]);
} //执行putX()函数
digitalWrite(st,HIGH); //将st引脚写入高电平
}
void num8(){
digitalWrite(st,LOW); //将st引脚写入低电平
for (int i=0;i<8;i++){
putX(n8[i]);
} //执行putX()函数
digitalWrite(st,HIGH); //将st引脚写入高电平
}
void num9(){
digitalWrite(st,LOW); //将st引脚写入低电平
for (int i=0;i<8;i++){
putX(n9[i]);
} //执行putX()函数
digitalWrite(st,HIGH); //将st引脚写入高电平
}
void setup() {
pinMode(ds,OUTPUT);
pinMode(st,OUTPUT);
pinMode(sh,OUTPUT);
} //将D8、D11、D12引脚设置为输出状态
void dly(){
delay(1000);
}
void loop() {
num0();
dly();
num1();
dly();
num2();
dly();
num3();
dly();
num4();
dly();
num5();
dly();
num6();
dly();
num7();
dly();
num8();
dly();
num9();
dly();
} //循环执行从0-9数字的显示且每个延迟1s
1.关于shiftOut()函数
（1）四个参数
函数shiftOut(dataPin,clockPin,bitOrder,val)有四个参数，即：dataPin、clockPin、bitOrder、val，其具体含义如下：
dataPin：对于Arduino板，它是输出每一位数据的引脚（即指Arduino板上的某个数字口）。引脚需配置成输出模式。
clockPin：这是为位移芯片提供时钟的引脚（即指Arduino板上的某个数字口）。当我们准备将dataPin的数据推送出去时，发送一个高电平，这个引脚须配置成输出模式！
bitOrder：输出位的顺序。
*两种方式：
最高位优先（MSBFIRST：most-significant bit first）
最低位优先（LSBFIRST：least-significant bit first）*
val：所要输出的数据值，该数据值将以byte形式（8位二进制）输出。
补充：MSB较LSB更常用
（2）shiftOut()函数的参数与74HC595芯片的对应关系
dataPin：对应74HC595芯片的DS引脚（数据引脚），需要注意的是这些数据必须在SCK（SH_CP）引脚触发上升沿时才会被逐位送入74HC595芯片中。
clockPin：对应74HC595芯片的** SCK（SH_CP）引脚**，负责将dataPin送来的数据逐位地送到芯片的寄存器中，每出现一个上升沿就送入一位到寄存器中。
补充：74HC595芯片还有一个RCK（ST_CP）引脚，这个引脚负责输出芯片中已有的数据到8个输出管脚，也就是说，如果没有RCK（ST_CP）引脚的触发，芯片不会向外输出数据，与clockPin同属于上升沿触发，即需要一个由低到高的电平跳变来触发数据输出。
（3）数据的操作方式
shiftOut()函数的作用是将一个数据的一个（8位）字节一次性送出，其内部实际是配合clockPin的时钟信号，一个一个地将bit写入位移芯片。它是一个无返回值函数，从最高有效位（最左边）或最低有效位（最右边）开始，依次向数据脚写入每一位，之后时钟脚被拉高或拉低，指示刚才的数据有效。
2.实验内容
（1）电路图
使用Fritzing绘制的电路如下所示：
（2）程序代码
int DS=8;//定义DS引脚接D8
int SH_CP=12;//定义SH_CP引脚接D12
int ST_CP=11;//定义ST_CP引脚接D11
int a[10]={253,13,219,243,103,183,191,229,255,247};
//用一维数组，以十进制的形式表示数码管上显示的0-9
void setup(){
pinMode(DS,OUTPUT);
pinMode(SH_CP,OUTPUT);
pinMode(ST_CP,OUTPUT);
}//将D8、D11、D12引脚设置为输出状态
void loop(){
for(int i=0;i<10;i++){
digitalWrite(ST_CP,LOW);//将ST_CP脚置为低电平
shiftOut( DS,SH_CP, LSBFIRST,a[i]);//循环输出0-9数字
digitalWrite(ST_CP,HIGH);//将ST_CP脚置为高电平
delay(1000);//延迟1s
}
}
可以明显地看出，同样的任务显示要求，使用shiftOut()函数的代码所占篇幅较前面提到的只用循环函数的代码大大缩减，这也证实了本篇最开始提到的用74HC595芯片和Arduino的shiftOut()函数来完成任务的原因。
（3）实验结果
以上为“【项目7-任务9-小组15】利用一位数码管实现0-9数字的显示”的全部内容，欢迎老师同学批评指正~
