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5.1 74HC595シフトレジスタの使用方法

このレッスンでは、 74HC595シフトレジスタ を使用し、Raspberry Pi Pico 2 のわずかなGPIOピンで複数のLEDを制御する方法を学びます。74HC595は、シリアル入力をパラレル出力に変換できるIC（集積回路）であり、限られたGPIOピンを有効活用する際に非常に便利です。

必要なもの

このプロジェクトでは、以下のコンポーネントが必要です。

全ての部品を含む便利なキットはこちらから購入できます：

名称

キット内容

リンク

Newton Lab Kit

450点以上

Newton Lab Kit

個別に購入する場合は、以下のリンクをご利用ください。

SN

コンポーネント

数量

リンク

1

Raspberry Pi Pico 2

1

購入

2

Micro USBケーブル

1

3

ブレッドボード

1

購入

4

ジャンパーワイヤー

数本

購入

5

抵抗器

8 (220Ω)

購入

6

LED

8

購入

7

74HC595

1

購入

74HC595シフトレジスタの理解

74HC595 は、8ビットのシリアル入力・パラレル出力を持つシフトレジスタで、シリアルデータを受信し、それをパラレル出力に変換できます。これにより、Raspberry Pi Picoの3本のGPIOピンで8つの出力を制御できます。

74HC595の主要ピン:

img_74jc595_pin

  • DS (Pin 14): シリアルデータ入力

  • SHCP (Pin 11): シフトレジスタクロック入力

  • STCP (Pin 12): ストレージレジスタクロック入力（ラッチピン）

  • OE (Pin 13): 出力イネーブル（Lowアクティブ、GNDに接続）

  • MR (Pin 10): マスターリセット（Lowアクティブ、3.3Vに接続）

  • Q0-Q7 (Pin 15, 1-7): パラレル出力

  • VCC (Pin 16): 3.3Vに接続

  • GND (Pin 8): GNDに接続

回路図

sch_74hc_led

配線図

wiring_74hc_led

コードの記述

次に、MicroPythonを使用して、74HC595を介してLEDを制御するプログラムを作成します。

注釈

  • 5.1_microchip_74hc595.py を newton-lab-kit/micropython フォルダから開くか、Thonnyにコードをコピーして、「Run」をクリックするかF5キーを押してください。

  • インタプリタが正しく選択されていることを確認してください（MicroPython (Raspberry Pi Pico) COMxx）。

import machine
import utime

# 74HC595に接続するピンの定義
SDI = machine.Pin(0, machine.Pin.OUT)   # シリアルデータ入力（DS）
RCLK = machine.Pin(1, machine.Pin.OUT)  # レジスタクロック（STCP）
SRCLK = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT) # シフトレジスタクロック（SHCP）

# 74HC595にデータを送信する関数
def shift_out(data):
    for bit in range(8):
        # 最上位ビットを抽出して先に送信
        bit_val = (data & 0x80) >> 7
        SDI.value(bit_val)
        # シフトレジスタクロックをパルス
        SRCLK.high()
        utime.sleep_us(1)
        SRCLK.low()
        utime.sleep_us(1)
        # 次のビットのためにデータを左シフト
        data = data << 1
    # レジスタクロックをパルスしてデータをラッチ
    RCLK.high()
    utime.sleep_us(1)
    RCLK.low()
    utime.sleep_us(1)

# シフトパターンをデモするメインループ
while True:
    # LEDをQ0からQ7まで順番に点灯
    for i in range(8):
        data = 1 << i
        shift_out(data)
        utime.sleep(0.2)
    # LEDをQ7からQ0まで逆順に点灯
    for i in range(7, -1, -1):
        data = 1 << i
        shift_out(data)
        utime.sleep(0.2)
    # バーエフェクトを作成
    for i in range(9):
        data = (1 << i) - 1
        shift_out(data)
        utime.sleep(0.2)
    # すべてのLEDを消灯
    shift_out(0x00)
    utime.sleep(0.5)

このコードを実行すると、74HC595シフトレジスタに接続されたLEDがダイナミックな点灯パターンを示します。

  • 最初のシーケンス: LEDが左から右へ順番に点灯し、光が移動するようなエフェクトを作成します。

  • 次のシーケンス: LEDが右から左へ順番に点灯し、逆方向の動きを演出します。

  • バーエフェクト: 左から順番にLEDが累積的に点灯し、すべてのLEDが点灯するまで増加します。

  • 最終ステップ: すべてのLEDを一時的に消灯し、シーケンスを繰り返します。

これにより、視覚的に魅力的な光の動きと、バーが徐々に成長するようなエフェクトが連続的にループします。

コードの解説

  1. モジュールのインポート:

    • machine: GPIOピンへのアクセスを提供

    • utime: 時間関連の関数を含む

  2. 制御ピンの定義:

    74HC595に接続するGPIOピンを定義。

    SDI = machine.Pin(0, machine.Pin.OUT)   # データ入力
RCLK = machine.Pin(1, machine.Pin.OUT)  # ラッチクロック
SRCLK = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT) # シフトクロック

  3. データ送信関数:

    • 8ビットのデータをシフトレジスタに送信

    • 最上位ビット（MSB）から順に送信

    • シフトレジスタクロック（SRCLK）をパルスしてデータをシフト

    • 全ビット送信後、レジスタクロック（RCLK）をパルスして出力をラッチ

    def shift_out(data):
    for bit in range(8):
        bit_val = (data & 0x80) >> 7
        SDI.value(bit_val)
        SRCLK.high()
        utime.sleep_us(1)
        SRCLK.low()
        utime.sleep_us(1)
        data = data << 1
    RCLK.high()
    utime.sleep_us(1)
    RCLK.low()
    utime.sleep_us(1)

  4. メインループ:

    • LEDをQ0からQ7まで順に点灯

    for i in range(8):
    data = 1 << i
    shift_out(data)
    utime.sleep(0.2)

    • LEDをQ7からQ0まで逆順に点灯

    for i in range(7, -1, -1):
    data = 1 << i
    shift_out(data)
    utime.sleep(0.2)

    • LEDを順番に点灯し、バーを成長させるエフェクトを作成

    for i in range(9):
    data = (1 << i) - 1
    shift_out(data)
    utime.sleep(0.2)

    • すべてのLEDを消灯

    shift_out(0x00)
utime.sleep(0.5)

さらに実験する

  • カスタムパターンの作成:

    送信データを変更して、異なるLEDパターンを作成できます。例えば、交互にLEDを点灯する場合:

    shift_out(0b10101010)

  • より多くのLEDを制御:

    複数の74HC595を連結して、より多くの出力を制御可能。最初のチップのQ7'（ピン9）を次のチップのDS（ピン14）に接続。

  • センサーと統合:

    センサーやボタン入力を使用して、LEDパターンを動的に変更可能。

まとめ

このレッスンでは、74HC595シフトレジスタを使用し、Raspberry Pi Pico 2の限られたGPIOピンで出力を拡張する方法を学びました。GPIOピンが制約されるプロジェクトにおいて、多くの出力を制御する際に非常に有用な技術です。