Arduino練習：霹靂車燈

之前以PWM製作會呼吸的LED、以揚聲器演奏青花瓷，這一篇要用16個LED，製作出左右來回跑的效果，也就是霹靂車燈。

夥計，我需要你！


我將先用Arduino的16個腳位，控制16個LED，然後再加入兩顆74HC595，就只需3個腳位即可。

電路圖（Fritzing格式）與程式原始碼，可在此下載。

電路圖：
16個220 ohm電阻，一端接地，另一端接到LED的短腳。
從Arduino板子的腳位A3、A2、A1、A0、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13，分別接到LED的長腳。



程式碼：
#define NUM 16 // 首先定義LED的數目

// 然後是LED對應的腳位，請配合接線順序填寫。
int leds[NUM] = {
  A3, A2, A1, A0, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13,
};

// 將每個腳位模式設為OUTPUT
void setup() {               
  for(int i = 0; i < NUM; i++){
    pinMode(leds[i], OUTPUT);
  }    
}
// 雖然A3、A2、A1、A0是類比腳位，
// 但也可以把它當做數位腳位使用。

// 然後是兩個迴圈，
// 第一個迴圈從這邊跑到那邊，
// 第二個迴圈跑回來。
void loop() {
  for(int i = 0; i < NUM; i++){
    digitalWrite(leds[i], HIGH);
    delay(100);
    digitalWrite(leds[i], LOW);
  }
  for(int i = NUM-1; i >= 0; i--){
    digitalWrite(leds[i], HIGH);
    delay(100);
    digitalWrite(leds[i], LOW);
  }
}
// 以degitalWrite點亮LED後，延遲100 milliseconds（0.1秒），
// 然後再滅掉，你可以修改延遲時間。
// 你可以把第二個迴圈改為 for(int i = NUM-2; i > 0; i--)，
// 看看有何不同。

跑起來的效果，可以看看我上傳到YouTube的影片。（第二個迴圈為 for(int i = NUM-2; i > 0; i--)的情形。）


你可能覺得奇怪，左邊8個LED比較亮，右邊8個LED比較暗，其實也沒什麼道理，因為我買了兩組不同的LED，哈哈。

運用74HC595：

上面用了Arduino板的16個腳位，控制16個LED，感覺很浪費。接下來，我們將使用兩顆74HC595與函式shiftOut()，以3個腳位控制16個LED。

所謂74HC595，資料上寫著8-bit、serial-in、serial or parallel-out shift register、with output latches、3-state。

8-bit：它可以儲存8個bits的資料。
serial-in：以序列的方式，把資料傳給它，也就是一次傳一個bit給它。
serial or parallel-out：若是parallel-out並列輸出，就可控制8個LED。至於serial-out序列輸出，可用來接到下一顆74HC595，那麼，當你再傳入8個bits的資料時，先前的資料就會被送到下一顆74HC595，兩顆串起來後可控制16個LED。
shift register：移位暫存器，一次傳一個bit給它，前一個bit會被移位到下一個位置。
output latch：可以鎖住輸出腳位的狀態。
3-state：輸出可以有三種狀態HIGH、LOW、高阻抗（high impedance），本例不使用高阻抗狀態。

簡單講就是，我們將以三個腳位，將LED亮暗的資料存到74HC595，一顆74HC595有8個輸出、控制8個LED，兩顆就能控制16個LED。


595的腳位說明：
Pin 1~7（Q1~Q7）、Pin 15（Q0），8 bits的輸出。
Pin 8（GND）接地。
Pin 9（Q7" ），序列輸出。
Pin 10（MR），Master Reclear清除所有資料，active low低電位有效。
Pin 11（SH_CP），SHift register Clock Pin位移時脈腳位。又稱clock pin。
Pin 12（ST_CP），STorage register Clock Pin儲存時脈腳位，又稱latch pin鎖住腳位。
Pin 13（OE），Output enable允許輸出，active low低電位有效。
Pin 14（DS），Data Serial input序列資料輸入，又稱data pin資料腳位。
Pin 16（Vcc），供應正電壓。

電路圖：
先前從Arduino板子接到LED的16條線，全部拔掉。

從Arduino板的5V與GND腳位，接到麵包板上。

Pin 1~7（Q1~Q7）、Pin 15（Q0），依序接到8個LED，我把Q0接到最旁邊的LED。
Pin 8（GND），接地。
Pin 9（Q7" ），目前暫時未使用，之後會接到下一個74HC595。
Pin 10（MR） ，此例不使用此功能，所以接到5V。
Pin 11（SH_CP），接Arduino板子的腳位4。
Pin 12（ST_CP），接Arduino板子的腳位3。
Pin 13（OE），此例不使用此功能，所以接地。
Pin 14（DS），接Arduino板子的腳位2。
Pin 16（Vcc） ，接5V。

還有8個LED，目前暫時未使用。

P.S. 若有LED閃爍的現象，可在Pin 12（ST_CP）上接0.1 uF的電容，除去閃爍現象。







程式碼：
首先先寫個小程式，從右到左，輪流點亮每一個LED，一次只點亮一個LED，然後不斷循環。

// 首先定義腳位
#define DataPin 2 // 接到74HC595的DS
#define LatchPin 3 // 接到74HC595的ST_CP
#define ClockPin 4 // 接到74HC595的SH_CP

// 將三個腳位模式設定為OUTPUT
void setup() {               
  pinMode(DataPin, OUTPUT);
  pinMode(LatchPin, OUTPUT);
  pinMode(ClockPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  uint8_t number; // 這個變數裡的每一個bit，代表每一個LED亮不亮。

  // 輪流點亮每一個LED，共有8個LED。
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    // 送出資料前，將LatchPin設為LOW，鎖定輸出的資料。
    digitalWrite(LatchPin, LOW);

    number = 0; // 所有bit清為0，代表全部LED都不亮。
    bitSet(number, i); // 將某bit設為1，代表點亮該LED。

    // 利用shiftOut()送出資料
    shiftOut(DataPin, ClockPin, MSBFIRST, number); 

    // 送出資料結束，將LatchPin設為HIGH，更新輸出腳位。
    digitalWrite(LatchPin, HIGH);
    delay(500);
  }
}

shiftOut()用起來很簡單，給它74HC595的DataPin與ClockPin，以及資料number，它就會把資料輸出給74HC595。至於MSBFIRST的意思是most significant bit first，也就是說，最先輸出的會是number（是個uint8_t，有8個bits，第7個bit是MSB，第0個bit是LSB）的第7個bit。如果改用LSBFIRST（least significant bit first），那麼最先輸出的會是第0個bit。

shiftOut()是Arduino內建的函式，有興趣的話可以到安裝目錄下的hardware\arduino\cores\arduino\wiring_shift.c看看原始碼。

void shiftOut(uint8_t dataPin, uint8_t clockPin, uint8_t bitOrder, uint8_t val)
{
    uint8_t i;

    for (i = 0; i < 8; i++)  {
        if (bitOrder == LSBFIRST)
            digitalWrite(dataPin, !!(val & (1 << i)));
        else   
            digitalWrite(dataPin, !!(val & (1 << (7 - i))));
           
        digitalWrite(clockPin, HIGH);
        digitalWrite(clockPin, LOW);       
    }
}
可以得知，val接受大小為8 bits，所以shiftOut只能輸出8 bits的資料，根據參數bitOrder為LSBFIRST或MSBFIRST，依序輸出每一個bit，寫入dataPin；然後將clockPin拉上（從下到上），告知74HC595把資料吃進去，最後把clockPin拉下，準備給下一次的資料使用。

你可能會覺得奇怪，為什麼要用兩個驚嘆號（!!），這是一種慣用法。因為digitalWrite()的第二個參數應該是個布林值，如果直接丟個整數進去，會需要進行一些轉換，用了兩次驚嘆號後，就可確保得到一個型別為布林的值。（不過，在此例裡，digitalWrite()的第二個參數其實是個uint8_t。）

好，讓我們修改一下，改成霹靂車燈。

#define DataPin 2
#define LatchPin 3
#define ClockPin 4

void setup() {              
  pinMode(DataPin, OUTPUT);
  pinMode(LatchPin, OUTPUT);
  pinMode(ClockPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  uint8_t number;
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    digitalWrite(LatchPin, LOW);

    number = 0;
    bitSet(number, i);
  
    shiftOut(DataPin, ClockPin, MSBFIRST, number);

    digitalWrite(LatchPin, HIGH);
    delay(300);
  }
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    digitalWrite(LatchPin, LOW);

    number = 0;
    bitSet(number, i);
  
    shiftOut(DataPin, ClockPin, LSBFIRST, number);

    digitalWrite(LatchPin, HIGH);
    delay(300);
  }
}
東西都跟以前一樣，第一個迴圈從頭跑到尾後，利用新加入的第二個迴圈，讓LED從尾跑回頭。第二個迴圈有很多寫法，這裡我把MSBFIRST改成LSBFIRST就行了。

第二個迴圈也可以用底下這種寫法：
  for (int i = 7; i >=0; i--) {
    digitalWrite(LatchPin, LOW);

    number = 0;
    bitSet(number, i);
  
    shiftOut(DataPin, ClockPin, MSBFIRST, number);

    digitalWrite(LatchPin, HIGH);
    delay(300);
  }

好，接下來，就是加入第二顆74HC595，總共控制16個LED。

電路圖：延續之前的接線，然後，
第一顆74HC595：
Pin 9（Q7" ），接到第二顆74HC595的Pin 14（DS）。
Pin 11（ST_CP），接到第二顆74HC595的Pin 11（ST_CP）。
Pin 12（SH_CP），接到第二顆74HC595的Pin 12（SH_CP）。

第二顆74HC595：
Pin 1~7（Q1~Q7）、Pin 15（Q0），依序接到剩下來的8個LED，請注意順序，我的第二顆74HC595的Q0，接到上一顆74HC595的Q7的旁邊，我的第二顆74HC595的Q7，接到最旁邊的LED。
Pin 8（GND），接地。
Pin 9（Q7" ），不使用。
Pin 10（MR） ，此例不使用此功能，所以接到5V。
Pin 11（ST_CP），接到第一顆74HC595的Pin 11（ST_CP）。
Pin 12（SH_CP），接到第一顆74HC595的Pin 12（SH_CP）。
Pin 13（OE），此例不使用此功能，所以接地。
Pin 14（DS），接到第一顆74HC595的Pin 9（Q7"）。
Pin 16（Vcc） ，接5V。







程式碼：
#define DataPin 2 // 接到74HC595的DS
#define LatchPin 3 // 接到74HC595的ST_CP
#define ClockPin 4 // 接到74HC595的SH_CP

void setup() {              
  pinMode(DataPin, OUTPUT);
  pinMode(LatchPin, OUTPUT);
  pinMode(ClockPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  uint16_t number;
  uint8_t highbyte;
  uint8_t lowbyte;
  for (int i = 0; i < 16; i++) {
    digitalWrite(LatchPin, LOW);

    // 因為shiftOut()一次只能輸出8 bits的資料，
    // 所以這裡分成highbyte與lowbyte，
    // highbyte的第7個bit，代表最左邊的LED，
    // lowbyte的第0個bit，代表最右邊的LED。
    number = 0; // 先將全部bit清為0
    bitSet(number, i); // 將某bit設為1

    // 然後利用 >> 與 & 運算子，將資料取出來。
    highbyte = (number >> 8) & 0xFF;
    lowbyte = number & 0xFF;
  
    shiftOut(DataPin, ClockPin, MSBFIRST, highbyte);
    shiftOut(DataPin, ClockPin, MSBFIRST, lowbyte);

    digitalWrite(LatchPin, HIGH);
    delay(100);
  }
  for (int i = 0; i < 16; i++) {
    digitalWrite(LatchPin, LOW);

    number = 0;
    bitSet(number, i);
    highbyte = (number >> 8) & 0xFF;
    lowbyte = number & 0xFF;

    // 注意，這裡以LSBFIRST的順序寫出資料，
    // 所以要先送出lowbyte，然後是highbyte。
    // 你可以先highbyte再lowbyte，看看有何不同。
    shiftOut(DataPin, ClockPin, LSBFIRST, lowbyte);
    shiftOut(DataPin, ClockPin, LSBFIRST, highbyte);

    digitalWrite(LatchPin, HIGH);
    delay(100);
  }
}
當然，第二個迴圈也可以有別種寫法，不過我就不列出來了。

跑起來的效果。跟之前以16個腳位控制的版本不太一樣，當跑到最左邊、最右邊時，感覺會停頓一下，因為那兩個LED亮的時間是其他的兩倍。想要改成不停頓效果的程式碼，我就不列出來了，改法就是去修改迴圈裡的i值。


參考資料：

• Arduino官方範例Examples > Display > LED Bar Graph，shiftOut()函式的說明文件。
• 74HC595，Arduino官方網站的Serial to Parallel Shifting-Out with a 74HC595，Arduino.TW樂園的手把手理解74HC595工作原理 & shiftOut指令。
• Cooper Maa的Lab5 LED Bar Graph、Lab11 使用 74HC595 和三支腳位控制 8 顆 LED、Lab12 使用兩顆 74HC595 和三支腳位控制 16 顆 LED。