51单片机STC 89C52RC进阶 – 两片74HC595D串联实现跑马灯

芯片概述（回忆）

STC 89C52RC电气特性

管脚定义

管脚符号	管脚序号	管脚含义	备注
T2/P1.0 ~ P1.7	1 ~ 8	带内部上拉电阻的8位双向I/O口	可输入或输出数据。同时可做定时器/计数器2的的外部技术输入（P1.0/T2）和触发输入（P1.1/T2EX）
RST	9	复位输入	用来完成单片机单片机的复位初始化操作
RXD/P3.0	10	串行输入口	使用USB转TTL下载器烧写程序时，此接口一般接下载器的TXD引脚
TXD/P3.1	11	串行输出口	使用USB转TTL下载器烧写程序时，此接口一般接下载器的RXD引脚
INTO/P3.2	12	外部中断口0
INT1/P3.3	13	外部中断口1
TO/P3.4	14	定时器0的外部输入
T1/P3.5	15	定时器1的外部输入
WR/P3.6	16	外部数据存储器写选通
RD/P3.7	17	外部数据存储器读选通
XTAL2	18	振荡器反相放大器的输入端
XTAL1	19	振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端
VSS	20	接地（GND）端
P2.0/A8 ~ P2.7/A15	21 ~ 28	带内部上拉电阻的8位双向I/O端口	可输入或输出数据
PSEN	29	外ROM读选通信号	在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号
ALE/PROG	30	地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲	ALE：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲
EA	31	访问外部程序存储器控制信号	为了执行内部程序指令，应该接电源正极
P0.0/AD0 ~ P0.7/AD7	32 ~ 39	漏极开路的8位双向I/O口	可输入或输出数据
VCC	40	电源正极输入	接电源正极

补充表格注释：

74HC595和74HC595D 电气特性

管脚定义（左：74HC595D 右：74HC595）

管脚符号	管脚序号	管脚含义	备注
QA	15	8位并行数据输出	分别接8颗独立的LED发光二极管
QB	1
QC	2
QD	3
QE	4
QF	5
QG	6
QH	7
GND	8	接地端	接树莓派的GND引脚
Vcc	16	电源正极输入	接树莓派的5V电源正极引脚
SI	14	串行数据输入	控制数据的输入。一般接树莓派定义好的GPIO引脚来接收树莓派的高低电平数据
G	13	输出使能控制端	是否要将数据输出到QA~QH引脚上
RCK	12	存储寄存器（锁存器）时钟输入	是否要将移位寄存器中的数据拷贝到存储寄存器（锁存器）中。一般接树莓派定义好的GPIO引脚来接收树莓派的数据实现上升沿
SCK	11	移位寄存器时钟输入	决定何时把SI引脚的数据存入移位寄存器中。一般接树莓派定义好的GPIO引脚来接收树莓派的数据实现上升沿
SCLR	10	移位寄存器清零输入	决定是否要重置所有的寄存器到初始状态。
QH’	9	串行数据输出	接下一个74HC595D的SI引脚实现串联

补充表格注释：

电路图

完整电路图

以下三张图分别是在面包板上搭建好的完整电路、最小系统+74HC595D串联电路和LED等阵列电路。

电路图分析

整体来看，从右到左，电路可分为三大部分：STC
89C52RC最小系统电路、74HC595D级联电路和LED发光二极管阵列电路。

完整电路连接分析表
STC 89C52RC最小系统电路部分
源芯片名称	源芯片管脚符号 /管脚序号	连接到的目标芯片名称	连接到的目标芯片管脚符号 /管脚序号	接法解释	备注
STC 89C52RC	RST / 9	10uF铝电解电容和10K电阻	–	最小系统必需
STC 89C52RC	XTAL2 / 18	11.0592MHz晶振和30pF瓷片电容	–	最小系统必需
STC 89C52RC	XTAL1 / 19	11.0592MHz晶振和30pF瓷片电容	–	最小系统必需
STC 89C52RC	VSS / 20	电源	电源负极/GND	为STC 89C52RC提供电源回路
STC 89C52RC	EA / 31	电源	电源正极	让STC 89C52RC从内部读取程序执行
STC 89C52RC	VCC / 40	电源	电源正极	为STC 89C52RC提供工作电源
74HC595D级联电路部分
源芯片名称	源芯片管脚符号 /管脚序号	连接到的目标芯片名称	连接到的目标芯片管脚符号 /管脚序号	接法解释	备注
第一片74HC595D	QB / 1	红色LED阵列	第二排阵列正极	驱动红色LED阵列的第二排LED
第一片74HC595D	QC / 2	红色LED阵列	第三排阵列正极	驱动红色LED阵列的第三排LED
第一片74HC595D	QD / 3	红色LED阵列	第四排阵列正极	驱动红色LED阵列的第四排LED
第一片74HC595D	QE / 4	绿色LED阵列	第一排阵列正极	驱动绿色LED阵列的第一排LED
第一片74HC595D	QF / 5	绿色LED阵列	第二排阵列正极	驱动绿色LED阵列的第二排LED
第一片74HC595D	QG / 6	绿色LED阵列	第三排阵列正极	驱动绿色LED阵列的第三排LED
第一片74HC595D	QH / 7	绿色LED阵列	第四排阵列正极	驱动绿色LED阵列的第四排LED
第一片74HC595D	GND / 8	电源	电源负极	为第一片74HC595D提供电源回路
第一片74HC595D	QH’ / 9	第二片74HC595D	SI / 14	串联下一片74HC595D
第一片74HC595D	SCLR / 10	STC 89C52RC	P1.5 / 6	灵活控制LED的亮灭
第一片74HC595D	SCK / 11	STC 89C52RC	P1.4 / 5	控制何时将SI引脚上输入的串行数据移动到移位寄存器中
第一片74HC595D	RCK / 12	STC 89C52RC	P1.3 / 4	控制何时将移位寄存器中的数据拷贝到存储寄存器（锁存器）中
第一片74HC595D	G / 13	STC 89C52RC	P1.6 / 7	控制QA~QH是否输出数据
第一片74HC595D	SI / 14	STC 89C52RC	P1.2 / 3	输入串行数据
第一片74HC595D	QA / 15	红色LED阵列	第一排阵列正极	驱动红色LED阵列的第一排LED
第一片74HC595D	Vcc / 16	电源	电源正极	为74HC595D提供工作电源
第二片74HC595D	QB / 1	黄色LED阵列	第二排阵列正极	驱动黄色LED阵列的第二排LED
第二片74HC595D	QC / 2	黄色LED阵列	第三排阵列正极	驱动黄色LED阵列的第三排LED
第二片74HC595D	QD / 3	黄色LED阵列	第四排阵列正极	驱动黄色LED阵列的第四排LED
第二片74HC595D	QE / 4	蓝色LED阵列	第一排阵列正极	驱动蓝色LED阵列的第一排LED
第二片74HC595D	QF / 5	蓝色LED阵列	第二排阵列正极	驱动蓝色LED阵列的第二排LED
第二片74HC595D	QG / 6	蓝色LED阵列	第三排阵列正极	驱动蓝色LED阵列的第三排LED
第二片74HC595D	QH / 7	蓝色LED阵列	第四排阵列正极	驱动蓝色LED阵列的第四排LED
第二片74HC595D	GND / 8	电源	电源负极	为第二片74HC595D提供电源回路
第二片74HC595D	QH’ / 9	–	–	–	如没有第三片74HC595D则不连
第二片74HC595D	SCLR / 10	STC 89C52RC	P1.5 / 6	灵活控制LED的亮灭	和第一片74HC595D连接位置一致
第二片74HC595D	SCK / 11	第一片74HC595D	SCK / 11	控制何时将SI引脚上输入的串行数据移动到移位寄存器中
第二片74HC595D	RCK / 12	第一片74HC595D	RCK / 12	控制何时将移位寄存器中的数据拷贝到存储寄存器（锁存器）中
第二片74HC595D	G / 13	STC 89C52RC	P1.6 / 7	控制QA~QH是否输出数据	和第一片74HC595D连接位置一致
第二片74HC595D	SI / 14	第一片74HC595D	QH’ / 9	输入串行数据
LED发光二极管阵列电路部分
比较简单，按电路图连接即可，不再赘述

表格注释补充：

跑马灯程序

完整程序

执行C程序后，会看到16排LED发光二极管依次循环亮灭，行如流水。

程序：

https://gitee.com/stevejrong1024/festive-lantern.git

文件：

labs/lab2.c

基础知识

1. 十进制数转换二进制数：

十进制整数转换为二进制整数采用"除2取余，逆序排列"法。具体做法是：用2整除十进制整数，可以得到一个商和余数；再用2去除商，又会得到一个商和余数，如此进行，直到商为小于1时为止，然后把先得到的余数作为二进制数的低位有效位，后得到的余数作为二进制数的高位有效位，依次排列起来。

例：十进制数255转换二进制数为多少？
答：

2. 形如“0x”这样的表示法为十六进制的表示法。十六进制一般用数字0到9和字母A到F（或a~f）表示，其中A~F（或a~f）表示10~15，这些称作十六进制数字。

3. 十六进制数转换十进制数：
   16进制数的第0位的权值为16的0次方，第1位的权值为16的1次方，第2位的权值为16的2次方……

例：十六进制数 0x80、0xff、0xfe 转换十进制数分别为多少？
答：

4. 两个十进制数进行按位与运算：
   按位与就是将两个数字或字符串，转换为二进制数之后，其中的每一位进行运算最后得出的一个新的二进制结果，将这个新得出的二进制数转换为十进制数，即为最终答案
   按位与的运算规则：
   两个要进行按位与运算的数字都转为二进制数后，每一位进行比较。若当前位中，两者的值都等于1，则新生成的二进制数中，此位的值就写为1，否则此位写0

例：十进制数7和十进制数9进行按位与运算，结果为多少？
答：

5. 循环左移运算：
在二进制表示法下，循环将位于二进制数最左边的一位移动到二进制数最右边，构成新的二进制数的操作。

例：十进制数1，左移一位后，结果为多少？
答：

在C语言中，没有现成的库能实现循环左移，使用一下自定义方法可实现循环左移：

/**
 * 循环左移
 *
 * @param sourceData 原始数据
 * @param bit 原始数据的位数。可选值：8、16、32
 * @param step 移动位数
 * @return
 */
int circularLeft(int sourceData, int bit, int step) {
    return (sourceData << step) | (sourceData >> (bit - step));
}

6. 可能用到的数字，其十进制、十六进制和二进制表示法大全：

十进制数	十六进制表示法	二进制表示法	备注
1	0x01	0000 0001
2	0x02	0000 0010
4	0x04	0000 0100
8	0x08	0000 1000
16	0x10	0001 0000
32	0x20	0010 0000
64	0x40	0100 0000
128	0x80	1000 0000

• 仔细观察二进制表示法中，值1的位置。从表格第一行的十进制数字1开始，到表格最后一行的十进制数字128结束，二进制数中的值1，从最右边逐位移动到了最左边。
  这也就是为什么跑马灯程序中，main方法里的初始值要设置成0x01了，因为这表示第一片QA引脚接入的第一排红色LED先点亮

7. 两片74HC595D串联以后，16位的二进制数与74HC595D管脚的对应位置关系
   对应了关系，也就表明一个二进制数可以精确到单独控制74HC595D的每一个并行输出引脚，是否输出数据。即可以精确地控制16排LED发光二极管，每一排的亮灭**

二进制位数位置	二进制数位置列举	对应74HC595D片	对应管脚符号 /管脚序号	备注
第16位	0000 0000 0000 0001	第一片	QA / 15	即当给SI引脚输入0000 0000 0000 0001二进制数据后，红色LED阵列的第一排LED会亮起，剩余15排LED都熄灭
第15位	0000 0000 0000 0010	第一片	QB / 1	即当给SI引脚输入0000 0000 0000 0010二进制数据后，红色LED阵列的第二排LED会亮起，剩余15排LED都熄灭
第14位	0000 0000 0000 0100	第一片	QC / 2	以此类推
第13位	0000 0000 0000 1000	第一片	QD / 3	以此类推
第12位	0000 0000 0001 0000	第一片	QE / 4	以此类推
第11位	0000 0000 0010 0000	第一片	QF / 5	以此类推
第10位	0000 0000 0100 0000	第一片	QG / 6	以此类推
第9位	0000 0000 1000 0000	第一片	QH / 7	以此类推
第8位	0000 0001 0000 0000	第二片	QA / 16	以此类推
第7位	0000 0010 0000 0000	第二片	QB / 1	以此类推
第6位	0000 0100 0000 0000	第二片	QC / 2	以此类推
第5位	0000 1000 0000 0000	第二片	QD / 3	以此类推
第4位	0001 0000 0000 0000	第二片	QE / 4	以此类推
第3位	0010 0000 0000 0000	第二片	QF / 5	以此类推
第2位	0100 0000 0000 0000	第二片	QG / 6	以此类推
第1位	1000 0000 0000 0000	第二片	QH / 7	以此类推

8. 适用于频率为11.0529MHz，精确延时的C语言方法：

void delay(unsigned int n) {  
int i, j;  
for (i = n; i \> 0; i--)  
for (j = 110; j \> 0; j--);  
}

程序分析

完整程序中已包含详尽注释，不再赘述。
重在理解以下几点：

1. 为什么通过数据的移位操作就能控制74HC595D每个并行输出引脚的数据输出
2. main()方法中，每次while循环结束前为什么要循环左移，不循环左移行吗？
3. send_data()方法每一步的执行逻辑是什么样的，执行到每一步之后，输入到SI引脚的二进制数据分别是什么？

根据注释一步步分析下来以后，就能很清楚的知道程序是如何精确控制每一个并行输出引脚的了。