74HC595 移位寄存器芯片手册详解

74HC595 是一款广泛应用于电子项目中的串行输入、并行输出的 8 位移位寄存器。它以其简单的接口、节省微控制器 I/O 引脚的特性，成为驱动 LED、数码管以及扩展 I/O 口的理想选择。本篇将详细介绍 74HC595 的工作原理、引脚功能、时序图、级联应用及其在实际项目中的注意事项。

1. 74HC595 概述

74HC595 属于高速 CMOS 逻辑系列，具有低功耗和高噪声抑制的特点。其核心功能是实现串行数据到并行数据的转换。这意味着你可以通过三个微控制器引脚（数据、时钟和锁存）控制多达八个输出引脚。这对于那些 I/O 引脚资源有限的微控制器（如 Arduino Nano、ESP32 等）来说，无疑是一大福音。通过级联多个 74HC595 芯片，可以轻松地扩展更多的输出引脚，例如，使用两个 74HC595 可以控制 16 个输出，而仅需额外的电源和地线连接。

该芯片内部主要包含两个重要的寄存器：一个 8 位移位寄存器和一个 8 位存储寄存器（锁存器）。串行数据首先通过数据输入引脚（DS）进入移位寄存器，在时钟脉冲（SH_CP）的作用下逐位移动。当移位寄存器中的数据准备好后，通过存储时钟脉冲（ST_CP）将数据传输到存储寄存器，从而在并行输出引脚（Q0-Q7）上显示出来。这种分离的设计使得在并行输出更新之前，可以在后台进行数据的串行输入，从而避免输出的瞬态变化。

2. 引脚功能与定义

理解 74HC595 的各个引脚功能是正确使用它的前提。74HC595 通常采用 16 引脚 DIP 或 SOIC 封装。以下是各个引脚的详细说明：

• Q0 - Q7 (并行数据输出)：这八个引脚是 74HC595 的并行数据输出端。当数据被锁存到存储寄存器后，这些引脚会立即反映出相应的数据状态（高电平或低电平），用于驱动外部设备如 LED、继电器等。Q0 是移位寄存器中的最低位（LSD），而 Q7 则是最高位（MSD）。

• DS (串行数据输入)：这是串行数据的输入引脚。微控制器通过这个引脚逐位发送数据。每次 SH_CP 引脚接收到一个上升沿时，DS 引脚上的当前电平就会被移入移位寄存器的最低位。

• SH_CP (移位寄存器时钟输入)：这个引脚是移位寄存器的时钟输入。每个从低电平到高电平的跳变（上升沿）都会使移位寄存器中的数据向高位移动一位，并将 DS 引脚上的数据移入最低位。这是数据串行输入的同步信号。

• ST_CP (存储寄存器时钟输入/锁存)：这个引脚是存储寄存器的时钟输入，也被称为锁存器时钟。当这个引脚从低电平到高电平跳变（上升沿）时，移位寄存器中的 8 位数据将被复制到存储寄存器，并同步更新 Q0-Q7 的并行输出。为了防止在数据移位过程中输出发生变化，通常会在所有数据都移位完成后才产生 ST_CP 的上升沿。

• OE (输出使能/低电平有效)：这个引脚是输出使能引脚，它是一个低电平有效的输入。当 OE 为低电平时（接地），Q0-Q7 引脚处于正常输出状态。当 OE 为高电平时（接 VCC），Q0-Q7 引脚将进入高阻态（High-Z）。这允许你通过外部信号控制何时使能输出，在某些应用中，比如需要多路复用或者降低功耗时，此功能非常有用。

• MR (主复位/低电平有效)：这是主复位引脚，也是一个低电平有效的输入。当 MR 为低电平时，移位寄存器中的所有数据位将被清零（Q0-Q7 输出不受影响，除非 ST_CP 产生上升沿）。通常，在初始化时会短暂地将 MR 拉低以确保移位寄存器处于已知状态。如果不需要复位功能，MR 引脚通常连接到 VCC。

• VCC (电源)：这是芯片的电源输入引脚，通常连接到 +5V 或 +3.3V，具体取决于使用的 74HC595 版本和系统电压。

• GND (地)：这是芯片的接地引脚，连接到电源负极。

• Q'S (串行数据输出)：这个引脚是移位寄存器最高位（Q7）的串行输出。当 SH_CP 引脚产生一个上升沿时，Q7 的数据会从这个引脚输出。Q'S 的主要用途是级联多个 74HC595 芯片。你可以将前一个芯片的 Q'S 引脚连接到下一个芯片的 DS 引脚，从而实现数据的级联传输。

3. 工作原理与数据传输流程

74HC595 的工作原理可以分为两个主要阶段：串行数据输入和并行数据输出。

3.1 串行数据输入

数据通过 DS 引脚以串行方式一位一位地送入 74HC595。每次 SH_CP 引脚产生一个从低到高的跳变（上升沿）时，当前 DS 引脚上的数据电平就会被移入移位寄存器的最低位（Q0）。同时，移位寄存器中原有的所有数据位都会向高位移动一位。例如，Q0 的数据移到 Q1，Q1 的数据移到 Q2，以此类推，直到 Q6 的数据移到 Q7。而 Q7 原有的数据则会通过 Q'S 引脚输出。

这个过程需要重复 8 次，才能将一个完整的 8 位字节数据全部移入移位寄存器。例如，如果你想将二进制数据 10110010 移入芯片，你需要先将最低位 0 通过 DS 发送并提供一个 SH_CP 上升沿，然后是 1，再提供一个 SH_CP 上升沿，依此类推，直到最高位 1。

3.2 并行数据输出（锁存）

当 8 位数据全部移入移位寄存器后，为了在 Q0-Q7 上显示这些数据，需要将移位寄存器中的数据传输到存储寄存器。这个操作是通过 ST_CP 引脚控制的。当 ST_CP 引脚产生一个从低到高的跳变（上升沿）时，移位寄存器中当前的 8 位数据会立即复制到存储寄存器。一旦数据被复制，Q0-Q7 引脚上的电平就会更新，反映出新的 8 位数据。

这个分离的锁存机制非常重要。它允许你在背景中更新移位寄存器中的数据，而不会影响当前的并行输出。只有当你明确地通过 ST_CP 锁存时，输出才会改变。这对于需要平滑更新显示或者避免输出抖动的应用场景非常关键。

3.3 复位与输出使能

• MR 引脚（主复位）的低电平会清空移位寄存器，但不会立即影响并行输出。只有在 MR 复位后，如果 ST_CP 再次触发，清零后的数据才会显示在输出端。

• OE 引脚（输出使能）用于控制 Q0-Q7 的输出状态。当 OE 为高电平时，Q0-Q7 处于高阻态，即它们既不输出高电平也不输出低电平，就像断开连接一样。这在需要将多个设备连接到同一总线或进行电源管理时非常有用。

4. 时序图详解

理解 74HC595 的时序图对于正确编程和避免数据错误至关重要。以下是关键的时序参数和信号关系：

4.1 数据输入时序 (SH_CP 和 DS)

• SH_CP (移位寄存器时钟)：这是一个脉冲信号，控制数据在移位寄存器中的移位。数据在 SH_CP 的上升沿被锁存。

• DS (串行数据)：在 SH_CP 的上升沿到来之前，DS 引脚上的数据必须稳定保持一段时间（数据建立时间 t_su），并在上升沿之后保持一段时间（数据保持时间 t_h）。如果数据在这些时间窗口内不稳定，可能会导致数据丢失或错误。通常，将 DS 在 SH_CP 的下降沿或 SH_CP 变为低电平后改变，这样可以确保数据在 SH_CP 的下一个上升沿到来之前有足够的时间稳定。

4.2 锁存时序 (ST_CP)

• ST_CP (存储寄存器时钟)：这个脉冲信号控制将移位寄存器中的数据传输到存储寄存器。数据在 ST_CP 的上升沿被锁存。

• 移位寄存器数据到锁存器建立时间 (t_setup_STCP)：在 ST_CP 的上升沿到来之前，移位寄存器中的数据必须稳定。这意味着在发送最后一个 SH_CP 脉冲之后，需要等待一个很短的时间，确保数据在移位寄存器中稳定下来，然后才能触发 ST_CP。

• 输出延迟 (t_pd)：从 ST_CP 的上升沿到 Q0-Q7 输出稳定变化的时间。

4.3 复位时序 (MR)

• MR (主复位)：当 MR 为低电平并保持一段时间后，移位寄存器被清零。复位后，MR 需要回到高电平才能进行正常的移位操作。

4.4 输出使能时序 (OE)

• OE (输出使能)：从 OE 从高电平变为低电平到 Q0-Q7 输出有效，以及从 OE 从低电平变为高电平到 Q0-Q7 进入高阻态，都有一个小的延迟。

在实际应用中，由于微控制器的时钟速度通常远低于 74HC595 的最大操作频率，所以严格的时序要求通常不会成为瓶颈，但理解这些时序有助于调试和解决潜在的问题。

5. 级联应用

74HC595 的一个最强大的特性就是其级联能力。通过级联，你可以用极少的微控制器引脚控制任意数量的输出。实现级联的关键在于 Q'S 引脚。

5.1 级联原理

级联的原理是将前一个 74HC595 的 Q'S 引脚（串行数据输出）连接到下一个 74HC595 的 DS 引脚（串行数据输入）。所有的 74HC595 芯片共享相同的 SH_CP 和 ST_CP 引脚，以及 OE 和 MR 引脚（如果使用）。

当你发送数据时，首先发送用于最后一个 74HC595 的数据，然后是倒数第二个，以此类推。数据会像一个长串一样，从第一个芯片的 DS 输入，逐位经过所有级联的芯片，直到每个芯片的移位寄存器都被填满。

例如，如果你级联了两个 74HC595，你需要发送 16 位数据。首先发送的是第二个 74HC595 的最低位，然后是第一个 74HC595 的最低位。数据会先进入第一个芯片，然后通过 Q'S 传递到第二个芯片。

5.2 级联编程示例

假设你想控制 16 个 LED，使用两个 74HC595。你需要发送一个 16 位的数值。在编程时，你可以将两个 8 位字节拼接成一个 16 位整数，或者分别处理它们。

发送数据到级联 74HC595 的一般步骤：

1. 拉低 ST_CP：准备开始数据传输。

2. 循环发送数据：对于每个芯片的 8 位数据，从最高位（或最低位，取决于你的发送顺序）开始，将数据位发送到 DS 引脚。每次发送一个位后，拉高再拉低 SH_CP，将该位移入。

3. 拉高 ST_CP：当所有数据位都发送完毕后（例如，16 位数据发送了 16 个 SH_CP 脉冲），拉高 ST_CP，将移位寄存器中的数据锁存到存储寄存器，从而更新所有 74HC595 的并行输出。

6. 典型应用

74HC595 在各种电子项目中都有广泛的应用：

• LED 驱动：这是最常见的应用，通过 74HC595 可以轻松控制大量 LED，例如制作 LED 点阵、LED 跑马灯、LED 显示屏等。只需三个引脚就可以控制 8 个、16 个甚至更多的 LED。

• 数码管显示：用于驱动多位共阴或共阳数码管。通常，一位数码管需要 7 或 8 个引脚来显示数字和小数点，使用 74HC595 可以大大减少所需的微控制器引脚。

• 继电器驱动：通过 74HC595 的输出驱动继电器，可以控制各种高功率设备，如电机、灯具、泵等。

• I/O 扩展：当微控制器可用引脚不足时，74HC595 可以作为通用的 I/O 扩展器，用于控制一些简单的数字输出设备。

• 矩阵键盘扫描：虽然 74HC595 主要用于输出，但结合其他组件，也可以用于复杂的输入/输出系统。

7. 74HC595 与微控制器连接

将 74HC595 与微控制器连接非常简单：

• DS 连接到微控制器的某个数字输出引脚（例如 Arduino 的 DATA_PIN）。

• SH_CP 连接到微控制器的另一个数字输出引脚（例如 Arduino 的 CLOCK_PIN）。

• ST_CP 连接到微控制器的第三个数字输出引脚（例如 Arduino 的 LATCH_PIN）。

• VCC 连接到微控制器的 5V（或 3.3V）电源输出。

• GND 连接到微控制器的 GND。

• OE 通常连接到 GND（始终使能输出），或者连接到微控制器的数字引脚以动态控制输出。

• MR 通常连接到 VCC（不使用复位功能），或者连接到微控制器的数字引脚以在启动时复位。

• Q0-Q7 连接到你想要控制的设备，例如 LED（通过限流电阻）。

8. 编程实践与代码结构

使用 74HC595 进行编程时，通常会封装一个函数来处理数据发送。以 Arduino 为例，可以使用 shiftOut() 函数，或者自己实现一个。

8.1 shiftOut() 函数

Arduino IDE 提供了一个方便的 shiftOut() 函数，它简化了串行数据的发送。其语法为：

shiftOut(dataPin, clockPin, bitOrder, val);

• dataPin: 连接 DS 的引脚。

• clockPin: 连接 SH_CP 的引脚。

• bitOrder: 发送位的顺序，可以是 LSBFIRST（最低位优先）或 MSBFIRST（最高位优先）。

• val: 要发送的 8 位数据。

使用 shiftOut() 时，你需要自己控制 ST_CP 引脚。

// 示例：使用 shiftOut 控制单个 74HC595const int latchPin = 8;   
// ST_CPconst int clockPin = 12;  
// SH_CPconst int dataPin = 11;   
// DSvoid setup() {
  pinMode(latchPin, OUTPUT);
  pinMode(clockPin, OUTPUT);
  pinMode(dataPin, OUTPUT);
}void loop() {
  byte dataToSend = B10101010; // 要发送的8位数据

  // 1. 拉低 ST_CP
  digitalWrite(latchPin, LOW);  // 2. 发送数据
  shiftOut(dataPin, clockPin, LSBFIRST, dataToSend); // 或 MSBFIRST

  // 3. 拉高 ST_CP (锁存数据)
  digitalWrite(latchPin, HIGH);

  delay(500); // 保持500毫秒
  
  dataToSend = B01010101; // 改变数据
  digitalWrite(latchPin, LOW);
  shiftOut(dataPin, clockPin, LSBFIRST, dataToSend);
  digitalWrite(latchPin, HIGH);

  delay(500);
}

8.2 自定义发送函数

为了更好地理解 74HC595 的工作原理，或者在特定场景下需要更精细的控制，可以自定义发送函数：

// 示例：自定义发送函数控制单个 74HC595const int latchPin = 8;   
// ST_CPconst int clockPin = 12;  
// SH_CPconst int dataPin = 11;   
// DSvoid setup() {
  pinMode(latchPin, OUTPUT);
  pinMode(clockPin, OUTPUT);
  pinMode(dataPin, OUTPUT);
}// 自定义函数发送8位数据void sendData(byte data) {
  digitalWrite(latchPin, LOW); // 拉低 ST_CP

  for (int i = 0; i < 8; i++) {    // 根据需要选择 MSBFIRST 或 LSBFIRST
    // 这里使用 MSBFIRST (最高位优先)
    if (data & 0x80) { // 判断最高位是否为1 (0x80 = 10000000b)
      digitalWrite(dataPin, HIGH);
    } else {
      digitalWrite(dataPin, LOW);
    }
    data <<= 1; // 数据左移一位，准备下一位
    
    digitalWrite(clockPin, HIGH); // SH_CP 上升沿
    digitalWrite(clockPin, LOW);  // SH_CP 下降沿 (数据稳定)
  }

  digitalWrite(latchPin, HIGH); // 拉高 ST_CP (锁存数据)}void loop() {
  sendData(B10101010);
  delay(500);
  sendData(B01010101);
  delay(500);
}

8.3 级联编程

对于级联应用，你可以将多个字节组合成一个更大的数据类型（例如 int 或 long），然后循环发送。或者更清晰地，你可以创建一个字节数组，并从最后一个芯片的数据开始发送。

// 示例：控制两个级联 74HC595 (16个LED)const int latchPin = 8;const int clockPin = 12;const int 
dataPin = 11;void setup() {
  pinMode(latchPin, OUTPUT);
  pinMode(clockPin, OUTPUT);
  pinMode(dataPin, OUTPUT);
}void sendTwoBytes(byte byte1, byte byte2) {
  digitalWrite(latchPin, LOW);  // 先发送第二个芯片的数据（因为它会先被推到第一个芯片的Q'S）
  // 或者说，最远端芯片的数据先发送
  shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, byte2); 
  // 然后发送第一个芯片的数据
  shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, byte1); 

  digitalWrite(latchPin, HIGH);
}void loop() {  // 第一个芯片的Q0-Q7亮，第二个芯片的Q0-Q7灭
  sendTwoBytes(B11111111, B00000000); 
  delay(1000);  // 第一个芯片的Q0-Q7灭，第二个芯片的Q0-Q7亮
  sendTwoBytes(B00000000, B11111111);
  delay(1000);  // 所有LED交替亮灭
  sendTwoBytes(B10101010, B01010101);
  delay(1000);
}

9. 实际应用中的注意事项

在使用 74HC595 时，有一些重要的实际考虑因素可以确保电路的稳定性和可靠性：

• 电源去耦电容：在 VCC 和 GND 引脚之间放置一个 0.1uF 的陶瓷去耦电容。这个电容应尽可能靠近 74HC595 的 VCC 和 GND 引脚。它的作用是滤除电源线上的高频噪声，并为芯片提供瞬时电流，从而确保芯片在高速开关时的稳定性。

• 限流电阻：当 74HC595 的输出用于驱动 LED 时，每个 LED 都必须串联一个限流电阻。74HC595 的每个输出引脚能够提供的电流是有限的（通常为几毫安，具体查阅数据手册），如果直接驱动 LED 而没有限流电阻，可能会导致 LED 损坏，甚至损坏 74HC595 芯片。电阻的计算公式为 R=(V_CC−V_LED)/I_LED，其中 V_LED 是 LED 的正向压降，I_LED 是 LED 的工作电流。

• 最大输出电流：虽然 74HC595 可以驱动 8 个输出，但它有总输出电流限制（灌电流/拉电流）。这意味着所有输出引脚的总电流不能超过芯片的最大额定值。如果需要驱动大量高电流负载（例如多个继电器），可能需要额外的驱动电路（如 ULN2003 达林顿管阵列）。

• 引脚状态初始化：在微控制器程序启动时，最好明确地设置 74HC595 的所有控制引脚（DS, SH_CP, ST_CP）为已知状态（通常为低电平），并在需要时拉低 MR 引脚进行复位，确保移位寄存器处于一个确定的初始状态。

• 数据顺序：在级联多个 74HC595 时，理解数据发送的顺序至关重要。数据总是从最靠近微控制器的芯片的 DS 引脚进入，然后逐级向后传递。因此，当你发送一个 N 位的数据串时（N 是所有级联芯片的总位数），最先发送的位最终会到达最远的那个芯片的最低位。反之，最后发送的位会停留在第一个芯片的最低位。这在编程时需要特别注意，以确保数据能够正确地映射到预期的输出。

• 电平转换（如果需要）：如果 74HC595 工作在 5V，而微控制器工作在 3.3V，或者反之，你可能需要进行电平转换以确保信号电平匹配。然而，许多 74HC595 版本（如 74HC595）可以兼容 3.3V 和 5V 的逻辑电平，具体兼容性应查阅其对应的数据手册。

• 热插拔：尽量避免在电路带电的情况下插拔 74HC595 芯片，这可能会导致瞬时电流冲击，损坏芯片。

• 长导线的影响：如果连接微控制器和 74HC595 的导线过长，可能会引入噪声或信号失真。在这种情况下，可以考虑在信号线上增加小电阻或使用更短的导线。

总结

74HC595 是一款功能强大、应用广泛的串行输入并行输出移位寄存器。通过理解其引脚功能、工作原理、时序和级联方法，可以有效利用它来扩展微控制器的输出能力，实现更复杂的电子项目。它简化了硬件连接，节省了宝贵的 I/O 资源，是电子爱好者和工程师工具箱中不可或缺的组件。熟练掌握 74HC595 的使用，将为你的项目带来极大的便利和灵活性。