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5.1 Verwendung des 74HC595-Schieberegisters

In dieser Lektion lernst du, wie du mithilfe des 74HC595-Schieberegisters mehrere LEDs mit nur wenigen GPIO-Pins des Raspberry Pi Pico 2 W steuern kannst. Der 74HC595 ist ein integrierter Schaltkreis (IC), mit dem sich über serielle Eingabe mehrere digitale Ausgänge ansteuern lassen – ideal, wenn viele Ausgänge benötigt werden, aber nur wenige Pins zur Verfügung stehen.

Benötigte Komponenten

Für dieses Projekt benötigen wir folgende Bauteile.

Am bequemsten ist es, ein Komplett-Kit zu kaufen – hier ist der Link:

Name

ENTHALTENE TEILE

LINK

Pico 2 W Starter Kit

450+

Pico 2 W Kit

Alternativ kannst du die Komponenten auch einzeln über die folgenden Links beziehen:

SN

KOMPONENTE

MENGE

LINK

1

Einführung in den Pico 2 W

1

2

Micro-USB-Kabel

1

3

Breadboard

1

KAUFEN

4

Jumper-Kabel

Mehrere

KAUFEN

5

Widerstand

8 (220Ω)

KAUFEN

6

LED

8

KAUFEN

7

74HC595

1

KAUFEN

Funktionsweise des 74HC595-Schieberegisters

Der 74HC595 ist ein 8-Bit-Schieberegister mit serieller Eingabe und parallelen Ausgängen sowie integrierten Latches. Er ermöglicht es, serielle Daten in parallele Signale umzuwandeln und dadurch acht Ausgänge mit nur drei GPIO-Pins des Pico zu steuern.

Wichtige Pins des 74HC595:

img_74jc595_pin

  • DS (Pin 14): Serielle Dateneingabe

  • SHCP (Pin 11): Takteingang für das Schieberegister

  • STCP (Pin 12): Takteingang für das Speicheregister (Latch)

  • OE (Pin 13): Ausgangsfreigabe (aktiv Low, mit GND verbinden)

  • MR (Pin 10): Master-Reset (aktiv Low, mit 3.3V verbinden)

  • Q0–Q7 (Pins 15, 1–7): Parallele Ausgänge

  • VCC (Pin 16): Mit 3.3V verbinden

  • GND (Pin 8): Mit Masse verbinden

Schaltplan

sch_74hc_led

Verdrahtung

wiring_74hc_led

Code schreiben

Nun schreiben wir ein MicroPython-Programm, um die LEDs über das 74HC595 zu steuern.

Bemerkung

  • Öffne 5.1_microchip_74hc595.py aus dem Ordner pico-2w-kit-main/micropython oder kopiere den Code in Thonny und klicke auf „Run“ oder drücke F5.

  • Achte darauf, dass der richtige Interpreter ausgewählt ist: MicroPython (Raspberry Pi Pico).COMxx.

import machine
import utime

# Define the pins connected to the 74HC595
SDI = machine.Pin(0, machine.Pin.OUT)   # Serial Data Input (DS)
RCLK = machine.Pin(1, machine.Pin.OUT)  # Register Clock (STCP)
SRCLK = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT) # Shift Register Clock (SHCP)

# Function to send data to 74HC595
def shift_out(data):
    for bit in range(8):
        # Extract the highest bit and send it first
        bit_val = (data & 0x80) >> 7
        SDI.value(bit_val)
        # Pulse the Shift Register Clock
        SRCLK.high()
        utime.sleep_us(1)
        SRCLK.low()
        utime.sleep_us(1)
        # Shift data left by 1 for the next bit
        data = data << 1
    # Pulse the Register Clock to latch the data
    RCLK.high()
    utime.sleep_us(1)
    RCLK.low()
    utime.sleep_us(1)

# Main loop to demonstrate shifting patterns
while True:
    # Light up LEDs one by one from Q0 to Q7
    for i in range(8):
        data = 1 << i
        shift_out(data)
        utime.sleep(0.2)
    # Light up LEDs one by one from Q7 to Q0
    for i in range(7, -1, -1):
        data = 1 << i
        shift_out(data)
        utime.sleep(0.2)
    # Create a moving bar effect
    for i in range(9):
        data = (1 << i) - 1
        shift_out(data)
        utime.sleep(0.2)
    # Turn off all LEDs
    shift_out(0x00)
    utime.sleep(0.5)

Beim Ausführen des Codes zeigen die LEDs dynamische Lichteffekte:

  • Erste Sequenz: Die LEDs leuchten nacheinander von links nach rechts auf – ein laufendes Licht.

  • Zweite Sequenz: Die LEDs leuchten nacheinander von rechts nach links – das Licht kehrt zurück.

  • Dritte Sequenz: Eine wachsende Lichtleiste von links nach rechts – immer mehr LEDs leuchten.

  • Abschließend: Alle LEDs gehen kurz aus, bevor die Animation von vorne beginnt.

Das Ergebnis ist eine auffällige, sich wiederholende Lichtanimation.

Den Code verstehen

  1. Module importieren:

    • machine: Ermöglicht Zugriff auf die GPIO-Pins.

    • utime: Stellt Zeitfunktionen bereit.

  2. Steuerpins definieren:

    GPIO-Pins, die mit dem 74HC595 verbunden sind, werden festgelegt.

    SDI = machine.Pin(0, machine.Pin.OUT)   # Data Input
RCLK = machine.Pin(1, machine.Pin.OUT)  # Latch Clock
SRCLK = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT) # Shift Clock

  3. Funktion zum Seriellen Ausgeben (Shift Out):

    • Diese Funktion überträgt 8 Datenbits an das Schieberegister.

    • Dabei wird das höchstwertige Bit (MSB) zuerst gesendet.

    • Der Taktpin des Schieberegisters (SRCLK) wird getoggelt, um jedes Bit einzuschieben.

    • Nachdem alle Bits übertragen wurden, wird der Register-Takt (RCLK) ausgelöst, um die Daten an den Ausgängen zu übernehmen.

    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. Hauptschleife:

    • LEDs einzeln von Q0 bis Q7 einschalten.

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

    • LEDs einzeln von Q7 bis Q0 einschalten.

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

    • Eine wachsende Leiste anzeigen.

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

    • Alle LEDs ausschalten.

    shift_out(0x00)
utime.sleep(0.5)

Weitere Experimente

  • Eigene Muster erstellen:

    Erstelle neue LED-Muster, z. B. wechselndes Blinken:

    shift_out(0b10101010)

  • Mehr LEDs steuern:

    Mehrere 74HC595 in Reihe schalten. Verbinde Pin 9 (Q7’) des ersten mit Pin 14 (DS) des zweiten ICs.

  • Mit Sensoren kombinieren:

    Nutze Eingaben von Tastern oder Sensoren, um die Muster dynamisch zu ändern.

Fazit

In dieser Lektion hast du gelernt, wie man mit dem 74HC595-Schieberegister die Ausgabemöglichkeiten des Raspberry Pi Pico 2 W erweitert. Diese Technik ist besonders nützlich für Projekte mit vielen Ausgängen und begrenzten GPIO-Ressourcen.