基于74HC595芯片的LED驱动设计.doc

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1、安徽财经大学管理科学与工程学院课程设计 1 基于基于 74HC59574HC595 芯片的芯片的 LEDLED 驱动设计驱动设计 摘要摘要 本文本文主要研究将数据从单片机的串行口输出，通过串入并出移位寄存器芯 片 74HC595 的并行端口输出，来驱动 LED 显示器。应用单片机技术，通过 Proteus 软件仿真实现了这一过程。 详细介绍了 74HC595 芯片，包括管脚图，时序图等等，并且与拥有相似功能的 74HC164 芯片作了简单比较；文章还对 LED 数码管作了介绍。 本为的一大特色就是详细介绍了 LED 动静态显示原理，以及对当前专业领域内， 联合运用动静态显示原理，驱动多位 LE

2、D 数码管显示的新方法的探讨。 关键词：单片机、74HC595、LED、动静态显示 安徽财经大学管理科学与工程学院课程设计 2 1 1 引言引言 随着计算机技术的发展，单片机应用已经渗透到了国防、商业以及日常生活等 各个领域。 单片机往往作为 CPU 控制着整个系统。在整个控制过程中，数据的串并行转 换是经常进行的。比如驱动一个七段显示器显示数据出来，就至少需要 7 比特的并 行数据，而如果一个家电产品中同时有多个七段显示器以及各种按键等，则并行数 据就更大了。而单片机输入输出端口有限，为了能够完成更多的控制功能，用来驱 动这些并行数据的端口就只能限定在少数的几个，为了达到少数的输入输出端口来

3、 控制大量的外部设备，就需要将串行数据转换为并行数据。面对这一问题，本文介 绍了一种方法，即利用单片机配合串入并出芯片 74HC595 来实现串并转换功能的， 并将其应用到的 LED 的驱动上。 1.11.1 目的和意义目的和意义 本文主要研究将数据从单片机的串行口输出，通过串入并出移位寄存器芯片 74HC595 的并行端口输出，来驱动 LED 显示器。 用 74HC595 芯片驱动 LED 速度较快，功耗较小，LED 的数目多少随意，既可以 控制共阴极的 LED 显示器，也可以控制共阳极的 LED 显示器，可以用软件控制 LED 的亮度，还可以必要的时候关闭显示（数据保留） ，以减小功耗，并

4、可随时唤醒显 示。用 74HC595 驱动 LED 不仅软硬件设计简单，而且功耗较低，驱动能力强，占用 的口线较少，是一种造价低廉，应用灵活的设计方案。OI / 1.21.2 本设计主要研究内容本设计主要研究内容 本文主要研究以下内容： （1）用 74HC595 串入并出芯片实现对一个七段数码管驱动显示的软硬件具体实 现。 （2）用 74HC595 串入并出芯片实现 LED 动、静态显示的基本原理。 安徽财经大学管理科学与工程学院课程设计 3 2 2 系统分析系统分析 2.12.1 系统系统整体组成整体组成 对于用 74HC595 实现对一个七段数码管的驱动显示，主要包括以下几个部分。 晶振和

5、复位模块 单片机AT89C5174HC595串并转换 LED显示 图 2_1 系统整体组成 2.22.2 系统系统工作原理工作原理 系统的核心是 AT89C51 单片机芯片，该芯片将预置的数据通过单片机串口输 出。整个系统只占用单片机 P2 端口的 3 个引脚，P2_0 接 74HC595 的 SH_CP 引脚， 用于输入移位时钟脉冲；P2_1 接 DS 脚，输入预置的串行数据；P2_2 接 ST_CP 脚提供锁存脉冲。74HC595 的 Q0-Q7 并行输出端可以控制数码管的 8 个管段，在上 升沿时移位寄存器的数据被串入存储寄存器，由于 OE 引脚接地，传入存储寄存器 的数据将直接出现在送

6、到输出端，在数码管显示。仅通过单片机的 3 个引脚即控制 了 8 引脚的七段数码管，同时 74HC595 具有级联功能，通过 74HC595 还可以驱动多 位 LED。 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 3.13.1 系统硬件总体设计系统硬件总体设计 用 74HC595 实现对一个七段数码管的驱动显示的具体电路图如下： 安徽财经大学管理科学与工程学院课程设计 4 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34

7、P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C51 C1 22pF C2 22pF C3 10

8、uF X1 12M R1 10k Q0 15 Q1 1 Q2 2 Q3 3 Q4 4 Q5 5 Q6 6 Q7 7 Q7 9 SH_CP 11 ST_CP 12 DS 14 MR 10 OE 13 U2 74HC595 图 3_1 系统硬件仿真电路图 3.23.2 74HC59574HC595 芯片介绍芯片介绍 74HC595 是具有 8 位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。移位寄存 器和存储器是分别的时钟。数据在 SH_CP 的上升沿输入，ST_CP 的上升沿进入 到存储寄存器中去。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

9、一个串行输出（Q7 ） ， 和一个异步的低电平复位（MR） ，存储寄存器有一个并行 8 为的，具备三态的总 线输出，当使能 OE（为低电平）有效时，存储寄存器的数据输出到总线。 3.213.21 74HC59574HC595 芯片引脚图及其说明芯片引脚图及其说明 (1) 74HC595 的引脚图 安徽财经大学管理科学与工程学院课程设计 5 图 3_2 74HC595 的引脚图 （2）引脚说明 表 3_3 74HC595 的引脚说明 管脚OI /功能描述 Q0Q7 OUT并行数据输出端 GNDINGND SOUTOUT数据串行输出端，用于级联 MRIN串行移位寄存器复位端，低电平有效 SH_CP

10、IN数据串行输入移位时钟，上升沿有效 ST_CPIN数据移位锁存控制信号，上升沿有效 OEIN并行数据输出使能端，低电平有效 SININ数据串行输入端，数据在 SH_CP 上升沿移位锁存 VCCINVDD 安徽财经大学管理科学与工程学院课程设计 6 3.223.22 74HC59574HC595 芯片时序图芯片时序图 图 3_4 74HC595 芯片时序图 3.233.23 74HC59574HC595 芯片与芯片与 74HC16474HC164 的比较的比较 74HC595 芯片与 74HC164 芯片功能相仿，都是 8 位串行输入转并行输出的移位 寄存器，那么本文选择了 74HC595 芯

11、片的主要原因有： （1）74HC595（35mA）比 74HC164（25mA）的驱动电流大； （2）74HC595 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，没有闪烁感； （3）74HC595 有输出端使能/禁止控制端，可以使输出为高阻态，方便地产生闪 烁和熄灭效果。 3.3.3 3 LEDLED 数码管介绍数码管介绍 发光二极管 LED 是能将电信号转换成光信号的发光器件，7 段 LED 数码管 则是在一定形状的绝缘材料上，利用单只 LED 组合排列成“8”的字型，分别引 出它们的电极，点亮相应的笔段来显示出 0-9 的数字。 安徽财经大

12、学管理科学与工程学院课程设计 7 图 3_5 数码管引脚图 3.313.31 LEDLED 数码管的结构数码管的结构 LED 数码管根据 LED 接法的不同可分为共阴和共阳两类，了解这些特性， 对编程、是很重要的，不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编 程方法也是不同的，共阴和共阳极数码管的外形及内部电路如下图所示，它们 的发光原理都是一样的，只是电源极性不同。 图 3_6 共阴和共阳极数码管的外形及内部电路 将多只 LED 的阴极连在一起即为共阴式，而将多只 LED 的阳极连在一起即 为共阳式。以共阴式为例，若把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段 即会发光。 3.323.32

13、 元器件的布局与走线元器件的布局与走线 分析原理图，需要仔细考虑元器件的布局与走线，合理的布局会减少走线的难 度。本设计为了方便走线，数码管与 74HC595 采用自由连接方式（如下图 1） ，而没 有采用顺序连接方式（如下图 2） 。这大大降低了走线难度。 安徽财经大学管理科学与工程学院课程设计 8 图 3_7 自由连接 图 3_8 顺序连接 4 4 系统软件设计系统软件设计 4.14.1 系统软件总体设计系统软件总体设计 软件程序整体流程图如下： 安徽财经大学管理科学与工程学院课程设计 9 开始 初始化 串行输入 并行输出 驱动显示 图 4_1 系统软件流程图 4.24.2 用用 74HC

14、59574HC595 驱动显示驱动显示 LEDLED 数码管的数码管的 C C 程序程序 /- /名称：74HC595 串入并出芯片应用 /- /说明：74HC595 具有一个 8 位串入并出的移位寄存器和一个 8 位输出寄存器， /本例使用 74HC595，通过串行输入数据来控制数码管显示 /- #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit SH_CP = P20; /移位时钟脉冲 sbit DS = P21; /串行数据输入 sbit ST_CP =P22; /输出锁存器控制脉冲 安

15、徽财经大学管理科学与工程学院课程设计 10 uchar temp; ucharcode DSY_CODE=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99, 0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90; /- / 延时 /- void DelayMS(uint ms) uchar t; while(ms-) for(t=0;t120;t+); /- /串行输入子程序 /- void In_595() uchar i; for(i=0;i8;i+) temp=1; DS=CY; /移位运算中将高位送入 PWD 寄存器的进位标志位 CY， /CY 的值再传送给 DS 引脚

16、 SH_CP=1; /位移时钟脉冲 _nop_();_nop_(); SH_CP=0; /- /并行输出子程序 /- void Out_595() ST_CP=0; _nop_(); ST_CP=1; /上升沿数据送到输出锁存器 _nop_(); ST_CP=0; /锁存显示数据 /- /主程序 /- void main() uchar i; 安徽财经大学管理科学与工程学院课程设计 11 while(1) for(i=0;i10;i+) temp=DSY_CODEi; In_595(); /8 次移位即可将 temp 中的一字节数据串行输入 74HC595 Out_595(); /74HC59

17、5 移位寄存数据传输到存储寄存器并出现在输出 端 DelayMS(200); 5 5 问题的进一步探讨问题的进一步探讨 本文仅仅是用 Proteus 软件仿真实现了用 74HC595 芯片驱动一位 LED 数码管的 显示，然而具体实际中，往往需要驱动多位 LED 数码管的显示。根据显示方式的 不同，LED 显示分为静态显示和动态显示两种方式。下面就其相关原理及电路实现 作一下介绍。 5.15.1 LEDLED 静态显示的基本原理及实现静态显示的基本原理及实现 静态显示方式，加在每一块显示器上的信号维持不变，直到显示另一个字符 为止。每位 LED 显示器选线和 74HC595 的并行输出端相连，

18、每一位可独立显示，在 同一时间里，每一位显示的字符可以各不相同。对每一位 LED 显示器，都必须有与 之对应的锁存器以保证需占用较多的硬件资源，成本高，对于驱动显示多位 LED 数码管显然很不利；但它显示亮度高，编程简单。对于驱动显示 LED 位数不高的情 况下，是个不错的选择。 静态显示的电路接线图如下： 安徽财经大学管理科学与工程学院课程设计 12 图 5_1 静态显示的电路接线图 5.25.2 LEDLED 动态显示的基本原理及实现动态显示的基本原理及实现 在显示位数较多的情况下，为了简化电路，降低成本，节省系统资源，将所有 的 N 位段选码并联在一起，有一片 74HC595 控制。由于

19、所有 LED 段选码皆由一个 74HC595 并行输出口控制，因此，在每一瞬间，N 位 LED 会显示相同的字符。想要 每位显示不同的字符，就必须采用动态扫描的方法，即在每一瞬间只使用一位显示 字符。在此瞬间，74HC595 并行输出口输出相应字符段选码，而位选则控制 I/O 口 在该显示位送入选通电平，以保证该显示位显示相应字符。如此轮流，使每位分时 显示该位应显示的字符。由于 74HC595 具有锁存功能，而且串行输入段选码需要一 定时间，因此不需要延时，即可形成视觉暂留效果。 N 位 LED 显示时，只需要一片 74HC595 即可完成，成本最低。但是，此种方法 的最大弱点就是当 LED

20、 的位数大于 12 位时，出现闪烁现象，这是所有动态显示 LED 方式共同的弱点。 LED 动态显示电路接线图如下： 安徽财经大学管理科学与工程学院课程设计 13 图 5_2 动态显示的电路接线图 5.35.3 多位多位 LEDLED 显示的新方法显示的新方法 鉴于 LED 静态、动态显示的优缺点，对于实现 24 位或更多位 LED 显示，目 前有关学者提出了一种全新的方法，即将 LED 静态、动态显示两者的优点都结 合起来。连线如下图所示。段选码有三片 74HC595 控制，段选数据由 74HC595 的 SIN 引脚串行输入，由于并行输出使能 OE 引脚并接在一起，因此，三片 74HC59

21、5 并行输出端同时输出。而三个 LED 位选信号也并接在一起，因此，一 次可以同时点亮三位 LED。此过程结合了动、静态显示的优点。此方法运用 3 片 74HC595，n 条位选信号，即可实现 3n 位 LED 显示。成本低廉，而且节省资 源。这种方法的接线图如下： 图 5_3 多位 LED 显示的电路接线图 安徽财经大学管理科学与工程学院课程设计 14 6 6 结束语结束语 经过近一个月的的查找资料、程序编写和软件仿真调试，终于完成 这次的课程设计。本次课程设计主要是认识和学习利用 74HC595 芯片来 驱动显示 LED 数码管。本文主要用软件实现了用 74HC595 芯片来驱动 显示一位

22、 LED 数码管的过程。对于用该芯片实现多位 LED 数码管方面 所涉及到的动、静态显示基本原理作了较为详细的分析，以及目前对于 实现多位 LED 数码管的一种新方法的介绍。 由于本人忙于考研，时间较紧，文档完成的较为粗糙，有很多方面 的不足，望高老师见谅。谢谢。 安徽财经大学管理科学与工程学院课程设计 15 参考文献参考文献 1 蔡美琴等.MCS-51 系列单片机系统极其应用.北京：高等教育出版社，2004 2 林伸茂.8051单片机彻底研究实习篇.北京：人民邮电出版社，2004 3 胡学海.单片机原理极其应用系统设计.北京:电子工业出版社，2005 4 张毅刚.单片机原理极其应用.哈尔滨：

23、哈尔滨工业大学出版社，2004 5 韩志军等.单片机应用系统设计.北京:机械工业出版社，2005 安徽财经大学管理科学与工程学院课程设计 16 附录附录 安徽财经大学管理科学与工程学院课程设计 17 致谢致谢 本次设计是在高老师的悉心关怀和精心指导下完成的，她严肃的科学态度，严 谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。我从课题的开始到 最后完成，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了许多做人的道理。 在我的课题开展过程中倾注着高老师辛勤的汗水和心血。老师的为人师表、渊博的 知识、宽广的胸怀让我倍受教益，在此谨向老师们致以诚挚的谢意和崇高的敬意！ 我能顺利地完成学业，与父母多

24、年一如既往的支持和关怀是分不开的，在此， 向任劳任怨、含辛茹苦致以衷心的感谢！ 衷心感谢在我成长的路上指点和帮助我的前辈和朋友们！ 衷心感谢在百忙之中评阅论文各位老师！ 安徽财经大学管理科学与工程学院课程设计 1 目录 基于基于 74HC59574HC595 芯片的芯片的 LEDLED 驱动设计驱动设计.1 摘要.1 1 引言.2 1.1 目的和意义.2 1.2 本设计主要研究内容.2 2 系统分析.3 2.1 系统整体组成.3 2.2 系统工作原理.3 3 系统硬件设计.3 3.1 系统硬件总体设计.3 3.2 74HC595 芯片介绍.4 3.21 74HC595 芯片引脚图及其说明.4 3.22 74HC595 芯片时序图.6 3.23 74HC595 芯片与 74HC164 的比较.6 3.3 LED 数码管介绍.6 3.31 LED 数码管的结构 .7 3.32 元器件的布局与走线.7 4 系统软件设计.8 4.1 系统软件总体设计.8 4.2 用 74HC595 驱动显示 LED 数码管的 C 程序.9 5 问题的进一步探讨.11 5.1 LED 静态显示的基本原理及实现.11 5.2 LED 动态显示的基本原理及实现.12 5.3 多位 LED 显示的新方法.13 6 结束语.14 参考文献.15 附录.16 致谢.17