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74hc595应用电路图

来源：

2025-07-11

类别：基础知识

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74HC595移位寄存器应用电路详解

74HC595是一款非常常用的串行输入、并行输出的8位移位寄存器，它在需要扩展微控制器GPIO端口的应用中扮演着重要的角色。当微控制器的可用引脚数量有限，但需要控制大量的LED、数码管或其他并行设备时，74HC595能够有效地解决这个问题，极大地简化了硬件连接并节省了宝贵的微控制器引脚资源。通过串行数据传输，74HC595可以将3个微控制器引脚（数据、时钟、锁存）扩展为8个输出引脚，并且可以通过级联进一步扩展更多的输出。

74HC595引脚功能与工作原理

理解74HC595的工作原理是设计应用电路的基础。74HC595内部包含一个8位串行输入、并行输出的移位寄存器和一个8位并行输出的存储寄存器。

引脚功能：

Q0-Q7： 8位并行数据输出引脚。这些引脚直接连接到存储寄存器的输出，当存储寄存器的数据更新时，它们的状态也随之改变。它们是推挽输出，可以直接驱动LED等负载。
SER (Serial Data Input)： 串行数据输入引脚。数据通过这个引脚一位一位地移入移位寄存器。每次时钟上升沿时，SER引脚上的数据位被移入移位寄存器的最低位（Q0），同时移位寄存器中的原有数据向高位移动一位。
SRCLK (Shift Register Clock)： 移位寄存器时钟引脚。每个SRCLK的上升沿，SER上的数据被移入移位寄存器，并且移位寄存器中的所有位向高位（Q7方向）移动一位。这是串行数据传输的关键时钟信号。
RCLK (Register Clock / Latch Clock)： 存储寄存器时钟/锁存时钟引脚。当RCLK的上升沿到来时，移位寄存器中的8位数据会被并行地传输到存储寄存器中，并立刻反映在Q0-Q7输出引脚上。这个操作允许在移位寄存器中准备好所有数据后再一次性更新输出，避免了数据在移位过程中对输出产生闪烁或不稳定的现象。
SRCLR (Shift Register Clear)： 移位寄存器清零引脚。这是一个低电平有效的异步清零输入。当SRCLR引脚为低电平时，移位寄存器中的所有数据位（Q0-Q7）都会被强制清零为0。在初始化或需要清除输出状态时非常有用。通常情况下，如果不需要清零功能，应将其连接到VCC。
OE (Output Enable)： 输出使能引脚。这是一个低电平有效的输出控制引脚。当OE引脚为高电平时，Q0-Q7输出引脚处于高阻态（三态），即不输出高电平也不输出低电平，相当于断开了连接。当OE引脚为低电平时，Q0-Q7输出引脚正常工作，输出存储寄存器中的数据。这个引脚在多片74HC595共用数据线或需要分时复用输出时非常有用。通常情况下，如果需要持续输出，应将其连接到GND。
Q'S (Serial Data Output / Q7 Prime)： 串行数据输出引脚。这个引脚输出的是移位寄存器中的最高位数据（Q7）。它允许将多个74HC595级联，将一个74HC595的Q'S连接到下一个74HC595的SER引脚，从而实现更长的串行数据链和更多的并行输出。
VCC： 电源正极。通常连接到3.3V或5V直流电源。
GND： 电源地。

工作原理概述：

数据移入 (Shift Data)： 微控制器通过SER引脚发送一位数据，并产生一个SRCLK的上升沿。74HC595会将SER上的数据移入其内部的8位移位寄存器。这个过程重复8次，直到8位数据全部移入。
数据锁存 (Latch Data)： 当8位数据全部移入移位寄存器后，微控制器产生一个RCLK的上升沿。此时，移位寄存器中的数据会被并行地传输到存储寄存器中。
数据输出 (Output Data)： 存储寄存器中的数据立刻通过Q0-Q7引脚输出，控制外部设备的状态。如果OE引脚为低电平，则输出有效；如果OE引脚为高电平，则输出高阻态。

这个分两步的操作（移位和锁存）是74HC595的关键特性。它确保了在所有数据都准备好之前，输出引脚不会发生变化，从而避免了输出端的“闪烁”或不一致状态。

典型应用电路图

以下是74HC595的几种典型应用电路图，涵盖了从最基本的单片驱动到多片级联扩展的应用场景。

1. 单个74HC595驱动8个LED

这是74HC595最基础也是最常见的应用。通过一个74HC595，我们可以用3个微控制器引脚来控制8个LED。

电路图描述：

电源连接：

74HC595的VCC引脚连接到微控制器的5V或3.3V电源输出。
74HC595的GND引脚连接到微控制器的地线。

控制引脚连接（与微控制器连接）：

SER (Pin 14) 连接到微控制器的一个通用I/O引脚（例如：GPIO_DATA）。这是串行数据输入端。
SRCLK (Pin 11) 连接到微控制器的另一个通用I/O引脚（例如：GPIO_SRCLK）。这是移位寄存器的时钟输入。
RCLK (Pin 12) 连接到微控制器的第三个通用I/O引脚（例如：GPIO_RCLK）。这是存储寄存器的锁存时钟输入。

功能引脚连接：

SRCLR (Pin 10)：通常连接到VCC（高电平），使其保持非清零状态。如果需要异步清零功能，可以连接到微控制器的另一个GPIO引脚。
OE (Pin 13)：通常连接到GND（低电平），使能输出。如果需要控制输出的使能/禁用，可以连接到微控制器的另一个GPIO引脚。

输出连接 (Q0-Q7)：

Q0-Q7 (Pin 15, Pin 1-7) 分别连接到8个LED的阳极。
每个LED的阴极通过一个合适的限流电阻（通常为220Ω-1KΩ，具体值取决于LED的正向电压和期望电流）连接到GND。限流电阻是必不可少的，用于保护LED和74HC595，防止过流损坏。

工作流程：

微控制器准备一个8位的数据（例如：0b10101010）。
循环8次：

取出当前位的最高位数据（例如，先是1）。
将该数据通过SER引脚发送给74HC595。
给SRCLK引脚一个上升沿（先拉低再拉高）。这会将数据位移入74HC595的移位寄存器。

当所有8位数据都移入移位寄存器后，给RCLK引脚一个上升沿。这会将移位寄存器中的数据锁存到存储寄存器，并立即反映在Q0-Q7输出引脚上，从而控制LED的亮灭。

2. 多个74HC595级联驱动更多LED

当需要控制超过8个输出设备时，74HC595的级联功能变得非常有用。通过连接一片74HC595的Q'S引脚到下一片74HC595的SER引脚，可以轻松地扩展输出。

电路图描述：

假设我们级联两片74HC595来驱动16个LED。

公共连接：

所有74HC595的VCC和GND引脚都连接到相应的电源和地。
所有74HC595的SRCLK、RCLK、SRCLR和OE引脚都可以并联连接到微控制器的相应引脚。这意味着所有的74HC595共享同一个时钟、锁存、清零和输出使能信号。

串行数据链连接：

第一片74HC595 (U1) 的SER引脚连接到微控制器的GPIO_DATA。
第一片74HC595 (U1) 的Q'S (Pin 9) 引脚连接到第二片74HC595 (U2) 的SER引脚。
如果还有第三片，第二片(U2)的Q'S连接到第三片(U3)的SER，以此类推。

输出连接：

U1的Q0-Q7连接到前8个LED及其限流电阻。
U2的Q0-Q7连接到后8个LED及其限流电阻。

工作流程：

微控制器需要发送16位数据（例如：两个8位字节）。
发送数据时，应从最末端的74HC595（距离微控制器最远的那一片）所需的数据开始发送。例如，如果要控制U1和U2，需要先发送U2的数据，然后发送U1的数据。这是因为数据是“推”入移位寄存器的，最早进入的数据会最终出现在距离SER最远的那一片的Q7端。
对于16位数据，微控制器将循环16次：

取出当前位的最高位数据。
将该数据通过SER引脚发送给第一片74HC595 (U1)。
给所有74HC595的SRCLK引脚一个上升沿。

当所有16位数据都移入各自的移位寄存器后（U1和U2的移位寄存器都被填充），给所有74HC595的RCLK引脚一个上升沿。这会将各自移位寄存器中的数据并行地锁存到存储寄存器，同时更新Q0-Q7输出引脚。

3. 驱动七段数码管

74HC595非常适合驱动七段数码管，无论是共阳极还是共阴极。这里以共阴极数码管为例。

电路图描述（共阴极）：

电源与控制连接： 同上述LED驱动电路。
输出连接：

74HC595的Q0-Q6引脚分别连接到七段数码管的a-g段。
74HC595的Q7引脚可以连接到小数点（DP）段。
每个段线（a-g, dp）都需要串联一个限流电阻（例如220Ω-1KΩ），然后连接到数码管的相应段。
数码管的公共阴极连接到GND。

工作流程：

微控制器根据需要显示的数字或字符，准备相应的8位段码数据。例如，显示数字“1”，则对应段码可能为0b00000110（假设gfedcba顺序）。
按照驱动8个LED的方式，将8位段码数据串行移入74HC595的移位寄存器。
锁存数据，使数码管显示相应的数字。

对于多位七段数码管，可以采用以下两种方式：

多片74HC595级联： 每位七段数码管使用一片74HC595驱动，所有74HC595级联起来，实现多位并行显示。这种方式连接简单，但需要较多的74HC595芯片。
74HC595配合PNP/NPN晶体管进行动态扫描： 一片74HC595驱动所有数码管的段线（a-g, dp），然后用微控制器的其他GPIO引脚结合PNP或NPN晶体管来控制每位共阴/共阳极的通断。通过快速地轮流点亮每一位数码管，利用人眼的视觉暂留效应，实现多位同时显示的效果。这种方式节省了74HC595芯片的数量，但需要更复杂的软件控制和额外的晶体管。

4. 驱动继电器/高功率负载

74HC595的输出电流能力有限（最大输出电流通常为±35mA）。直接驱动继电器或需要更大电流的负载可能会损坏芯片。在这种情况下，需要使用外部驱动电路，例如晶体管或达林顿管阵列。

电路图描述：

电源与控制连接： 同上述LED驱动电路。
输出连接（以驱动NPN晶体管为例）：

74HC595的Q0-Q7引脚分别连接到NPN晶体管（例如2N2222、BC547）的基极，每个基极前串联一个限流电阻（通常为1KΩ-10KΩ）。
晶体管的发射极连接到GND。
晶体管的集电极连接到继电器的线圈一端。
继电器的另一端线圈连接到外部电源（通常为12V或5V，取决于继电器类型）。
在继电器线圈两端并联一个续流二极管（例如1N4007），方向与电流方向相反，用于释放继电器线圈断电时产生的反向电动势，保护晶体管。

工作流程：

微控制器发送8位数据给74HC595，控制相应输出引脚的高低电平。
当74HC595的某个Qx引脚输出高电平，相应的NPN晶体管导通。
晶体管导通后，电流流过继电器线圈，继电器吸合，其触点闭合，从而控制高功率负载的通断。

74HC595编程与软件控制

虽然上述电路图说明了硬件连接，但74HC595的真正力量在于其软件控制。以下是一个使用Arduino（基于C++）控制74HC595驱动8个LED的示例代码。

C++

// 定义连接74HC595的Arduino引脚const int LATCH_PIN = 8;   
// RCLK (ST_CP) - 存储寄存器时钟引脚const int CLOCK_PIN = 9;   
// SRCLK (SH_CP) - 移位寄存器时钟引脚const int DATA_PIN = 10;   
// SER (DS)    - 串行数据输入引脚void setup() {  
// 设置引脚为输出模式
  pinMode(LATCH_PIN, OUTPUT);
  pinMode(CLOCK_PIN, OUTPUT);
  pinMode(DATA_PIN, OUTPUT);  // 初始化74HC595的输出为全灭
  digitalWrite(LATCH_PIN, LOW); // 拉低锁存引脚，准备接收数据
  shiftOut(DATA_PIN, CLOCK_PIN, MSBFIRST, 0x00); // 写入0x00，所有LED熄灭
  digitalWrite(LATCH_PIN, HIGH); // 拉高锁存引脚，更新输出}void loop() {  // 逐个点亮LED
  for (byte i = 0; i < 8; i++) {
    byte dataToSend = 0x01 << i; // 生成从Q0到Q7依次点亮的模式
    updateShiftRegister(dataToSend);
    delay(200); // 延时200毫秒
  }  // 逐个熄灭LED
  for (byte i = 0; i < 8; i++) {
    byte dataToSend = ~(0x01 << i); // 生成从Q0到Q7依次熄灭的模式
    updateShiftRegister(dataToSend);
    delay(200);
  }  // 交替点亮LED
  updateShiftRegister(0xAA); // 10101010
  delay(500);
  updateShiftRegister(0x55); // 01010101
  delay(500);  // 全亮
  updateShiftRegister(0xFF);
  delay(1000);  // 全灭
  updateShiftRegister(0x00);
  delay(1000);
}// 自定义函数，用于将数据写入74HC595void updateShiftRegister(byte data) {  
// 1. 拉低锁存引脚，准备移位数据
  digitalWrite(LATCH_PIN, LOW);  // 2. 通过循环将8位数据一位一位地移入74HC595
  // MSBFIRST表示从最高位开始发送数据，LSBFIRST表示从最低位开始发送
  // Arduino的shiftOut函数已经封装了SRCLK的上升沿操作
  shiftOut(DATA_PIN, CLOCK_PIN, MSBFIRST, data);  
  // 3. 拉高锁存引脚，使数据从移位寄存器传输到存储寄存器并更新输出
  digitalWrite(LATCH_PIN, HIGH);
}

代码解释：

LATCH_PIN, CLOCK_PIN, DATA_PIN： 定义了连接74HC595的Arduino引脚。
setup()： 初始化Arduino引脚为输出模式，并在程序启动时将所有LED熄灭。
loop()： 包含了演示如何控制LED亮灭的几种模式（逐个点亮、逐个熄灭、交替亮灭、全亮、全灭）。
updateShiftRegister(byte data)： 这是核心函数，负责将一个字节的数据发送到74HC595。

DATA_PIN：数据引脚。
CLOCK_PIN：时钟引脚。
MSBFIRST：指定数据发送顺序，MSBFIRST表示从最高有效位（Most Significant Bit）开始发送，LSBFIRST表示从最低有效位（Least Significant Bit）开始发送。74HC595通常推荐使用MSBFIRST，因为这样发送的第一个位会最终出现在Q7，最后一个位会出现在Q0。
data：要发送的8位数据。
shiftOut函数会自动处理每次发送一位数据时，拉高和拉低时钟引脚的操作，模拟SRCLK的上升沿。

digitalWrite(LATCH_PIN, LOW);：在开始发送数据之前，将锁存引脚拉低，确保数据只进入移位寄存器，不会立即更新输出。
shiftOut(DATA_PIN, CLOCK_PIN, MSBFIRST, data);：这是Arduino库中提供的函数，用于串行发送数据。
digitalWrite(LATCH_PIN, HIGH);：当所有8位数据都通过shiftOut函数移入74HC595的移位寄存器后，将锁存引脚拉高，触发数据从移位寄存器传输到存储寄存器，并更新Q0-Q7的输出。

级联控制的编程思路：

当级联多片74HC595时，编程的关键在于发送数据时的顺序。你需要发送总位数的数据，并且要确保数据发送的顺序是正确的。对于N片级联的74HC595，你需要发送N * 8位数据。在发送时，应先发送最末端74HC595所需的数据（即距离微控制器最远的那片），然后依次向前发送。

例如，两片级联：需要发送16位数据。首先发送给第二片74HC595的8位数据，然后发送给第一片74HC595的8位数据。

// 假设有两片74HC595级联void updateTwoShiftRegisters(byte data2, byte data1) {
  digitalWrite(LATCH_PIN, LOW);
  shiftOut(DATA_PIN, CLOCK_PIN, MSBFIRST, data2); // 先发送给第二片的数据
  shiftOut(DATA_PIN, CLOCK_PIN, MSBFIRST, data1); // 再发送给第一片的数据
  digitalWrite(LATCH_PIN, HIGH);
}

74HC595应用中的注意事项

在使用74HC595进行电路设计和编程时，需要考虑以下几点以确保电路的稳定性和可靠性：

电源去耦： 在74HC595的VCC和GND引脚之间靠近芯片的位置并联一个0.1μF（104）的陶瓷电容。这个去耦电容可以滤除电源噪声，提供稳定的电源，尤其是在高速开关或驱动感性负载时，防止芯片内部电路受到瞬态电压波动的影响。
限流电阻： 在驱动LED或其他需要电流限制的设备时，务必串联限流电阻。74HC595的每个输出引脚能够提供或吸收的电流是有限的，如果直接连接LED而不加电阻，会导致LED过流损坏或74HC595的输出引脚烧毁。
引脚状态初始化： 在程序开始时，确保所有控制引脚（LATCH_PIN, CLOCK_PIN, DATA_PIN）都被正确初始化，并将74HC595的输出设置为已知状态（例如，所有LED熄灭）。这可以避免在启动时出现随机的输出状态。
SRCLR和OE引脚：

SRCLR (Pin 10)： 如果不需要清零功能，应将其连接到VCC。如果需要，可以连接到微控制器的GPIO引脚，并在需要清零时拉低该引脚。
OE (Pin 13)： 如果需要持续输出，应将其连接到GND。如果需要控制输出的启用/禁用（例如，在扫描显示或多路复用应用中），可以连接到微控制器的GPIO引脚，并在需要禁用输出时拉高该引脚。

数据顺序： 当级联多片74HC595时，数据发送的顺序至关重要。始终从“最远”的74HC595（即，串行数据链的末端）开始发送数据，因为数据会“推”过所有的寄存器。例如，如果U1和U2级联（U1的Q'S连接到U2的SER），你需要先发送U2的数据，再发送U1的数据。
时序要求： 74HC595有其特定的时序要求，包括时钟脉冲宽度、数据建立时间、数据保持时间等。虽然在大多数微控制器应用中，直接使用digitalWrite和delayMicroseconds来控制时序已经足够，但对于高速或更复杂的设计，需要查阅数据手册确保满足所有时序要求。Arduino的shiftOut函数通常已经考虑了这些时序，使用起来比较方便。
电源电压： 确保为74HC595提供其工作电压范围内的电源（通常为2V-6V）。HC系列是CMOS器件，对电源电压波动有一定的容忍度，但超出范围可能会导致功能异常或损坏。
共地： 微控制器和74HC595必须共用一个地线，以确保正确的信号参考电平。
上拉/下拉电阻： 通常情况下，74HC595的输入引脚不需要额外的上拉/下拉电阻，因为微控制器的GPIO可以提供足够稳定的高低电平。但在某些特殊情况下，例如为了确保在微控制器未初始化时引脚处于已知状态，可以考虑在SER、SRCLK、RCLK上添加下拉电阻，SRCLR和OE上添加上拉电阻。

74HC595的扩展应用

74HC595不仅仅局限于驱动LED或数码管，其串行输入并行输出的特性使其在许多领域都有广泛的应用：

LED点阵显示屏： 通过多片74HC595级联，结合行扫描和列驱动，可以构建大型LED点阵显示屏，显示文字、图案甚至简单的动画。
LED立方体： 类似于点阵屏，74HC595可以用于驱动LED立方体的每一层或每一列LED。
多路开关控制： 控制一组继电器、固态继电器或其他开关器件，实现多路电源通断、信号切换等功能。
移位寄存器链： 作为更复杂数字电路的一部分，用于构建数据通道、数据缓冲器或自定义逻辑功能。
扩展数字输出： 当微控制器IO口不足时，74HC595是最经济有效的扩展数字输出的方案之一。例如，控制多个步进电机驱动器、多个七段解码器等。
并行数据采集（逆向应用）： 虽然74HC595是串入并出，但有些类似功能的芯片（如74HC165，并入串出）可以与74HC595配合使用，实现串行扩展输入和输出。
矩阵键盘扫描： 虽然主要用于输出，但在某些巧妙的设计中，74HC595也可以与输入扩展芯片（如74HC165）结合，用于矩阵键盘的行扫描和列读取。

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。它通过简单有效的串行通信协议，极大地解决了微控制器I/O引脚不足的问题。理解其引脚功能、工作原理以及正确的应用电路设计是成功使用它的关键。无论是简单的LED控制，还是复杂的显示系统和多路控制，74HC595都能提供一种经济高效的解决方案。通过本文的详细介绍和代码示例，希望您能够充分掌握74HC595的应用，并将其灵活运用到您的电子项目中。

责任编辑：David

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