51单片机基础-IO扩展（并转串 74HC165）

第二十二章 IO扩展（并转串 74HC165）

1. 导入

上一章用 74HC595 实现"串→并"输出来扩展LED等。本章介绍与之互补的"并→串"输入扩展芯片 74HC165。它能把多路并行输入（如开关、按键、光耦量）用极少的MCU引脚串行读回，常与 74HC595 搭配实现"少线控多I/O"。

目标：

• 理解 74HC165 引脚与装载/移位时序。
• 连接单片机，读取 8/16/32 路输入。
• 实现消抖与稳定扫描，打印或控制逻辑。
• 了解多片级联、与 SPI 的配合技巧。

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2. 硬件设计

2.1 74HC165 引脚速览（并转串）

• D0~D7：8路并行输入（通常接按键/开关，建议上拉或下拉确定默认电平）
• SH/LD（或 /PL）：并行装载，低有效
• CLK（CP）：移位时钟，上升沿移位
• CLK INH（CE）：时钟禁止，高电平禁止移位，常接地（0）以使能
• Q7：串行输出（接MCU输入）
• Q7'：串行输出的反相信号，同时用于多片级联的串行输入（接下一片的SER）

常用接法建议：

• 多数输入为"按下=低"，则每路输入加上拉电阻（到VCC，10kΩ左右），按键另一端接GND。
• CLK INH 直接接GND（启用时钟）；若要"冻结"移位可接MCU控制。
• 多片级联：前一片 Q7' 接后一片 SER；CP、SH/LD 并联。

2.2 与 51 单片机连接示例

以 P1.0~P1.2 控制：

• P1.0 ← Q7（数据输入，MCU读）
• P1.1 → CLK（时钟输出）
• P1.2 → SH_LD（并装，低有效）
• CLK INH → GND（常使能）
• D0~D7 → 8个按键（到GND），每路10k上拉至VCC

两片级联（16路）：

• 第1片 Q7' → 第2片 SER
• 时钟、装载线并联到两片
• 读取时得到16位数据，先出的是"最后一级"的最高位（注意位序，代码处理）

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3. 时序与读取流程

• 并行装载：保持 CLK=0，将 SH/LD 拉低≥t_w，芯片把 D0~D7 锁存到移位寄存器。
• 移位输出：将 SH/LD 拉高，之后每个 CLK 上升沿把数据向 Q7 移一位。
• 读法建议（稳妥顺序）：
  1. 置 CLK=0；
  2. SH/LD=0（装载）→ 短延时 → SH/LD=1；
  3. 循环8次：先读 Q7，再 CLK 上升沿→下降沿，进入下一位。

说明：首次读取的 Q7 对应 D7（常见版本），随后依次 D6...D0。

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4. 软件实现（C51）

4.1 引脚与基础延时

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

sbit HC165_DATA = P1^0;   // Q7 → MCU输入
sbit HC165_CLK  = P1^1;   // CP 时钟
sbit HC165_LD   = P1^2;   // SH/LD（低有效并装）

static void tiny_delay(void) { _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); }

void delay_ms(unsigned int ms){
    unsigned int i,j;
    for(i=0;i<ms;i++) for(j=0;j<125;j++);
}

4.2 读8位（1片 74HC165）

// 读取1片（8位），返回bit7..bit0（bit7是D7）
unsigned char hc165_read8(void)
{
    unsigned char i, val = 0;

    HC165_CLK = 0;         // 保证时钟低
    HC165_LD  = 0;         // 并装
    tiny_delay();
    HC165_LD  = 1;         // 转换为移位模式
    tiny_delay();

    for (i = 0; i < 8; i++) {
        // 先读当前Q7
        val <<= 1;
        if (HC165_DATA) val |= 0x01;

        // 再移位到下一位
        HC165_CLK = 1; tiny_delay();
        HC165_CLK = 0; tiny_delay();
    }
    return val;
}

4.3 读16位（2片级联）

// 读取2片级联（16位）：高字节为"后级"那片
unsigned int hc165_read16(void)
{
    unsigned char i;
    unsigned int val = 0;

    HC165_CLK = 0;
    HC165_LD  = 0; tiny_delay();  // 并装两片
    HC165_LD  = 1; tiny_delay();

    for (i = 0; i < 16; i++) {
        val <<= 1;
        if (HC165_DATA) val |= 0x0001;
        HC165_CLK = 1; tiny_delay();
        HC165_CLK = 0; tiny_delay();
    }
    return val; // bit15..bit0
}

说明：

• 具体"哪片是高字节"取决于Q7'链路方向与布局，若与你的板卡相反，交换高低字节或在循环内倒序组装即可。
• 若你的按键为"按下=低电平"，读回位为0表示被按，后续逻辑可按需取反。

4.4 消抖与稳定检测

简易两次一致法：

// 读取并简单消抖：两次一致才认定
unsigned char hc165_read8_debounced(void)
{
    unsigned char a = hc165_read8();
    delay_ms(5);
    unsigned char b = hc165_read8();
    return (a == b) ? a : 0xFF;  // 0xFF表示抖动/不稳定（按下=低时）
}

更稳妥可读N次做"多数票"或状态机消抖（按需扩展）。

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5. 应用示例

5.1 示例A：8按键 → 串口打印键值（按下为低）

// 串口初始化（9600bps）
void uart_init(void){
    TMOD |= 0x20; TH1=0xFD; TL1=0xFD; TR1=1;
    SCON = 0x50; EA=1; ES=0;
}
void uart_putc(char c){ SBUF=c; while(!TI); TI=0; }
void uart_puts(const char* s){ while(*s) uart_putc(*s++); }
void uart_put_hex8(unsigned char v){
    const char hx[]="0123456789ABCDEF";
    uart_putc(hx[(v>>4)&0xF]); uart_putc(hx[v&0xF]);
}

void main(){
    unsigned char last = 0xFF; // 默认全高（未按）
    uart_init();
    uart_puts("74HC165 Key Scan Start\r\n");

    while(1){
        unsigned char cur = hc165_read8_debounced(); // 低=按下
        if (cur != 0xFF && cur != last) {
            uart_puts("KEYS=0x"); uart_put_hex8(cur); uart_puts("\r\n");
            last = cur;
        }
    }
}

• 若 D0 对应"最右键"，当按下它时 KEYS 的最低位变为0。
• 需要"哪个键被按下"的索引，可遍历每一位检测从1→0的边沿。

5.2 示例B：16按键（2片）→ 亮灭板载LED

假设某位被按下（读到0）则翻转 P1.7 指示灯：

sbit LED = P1^7;

void main(){
    unsigned int last = 0xFFFF;
    LED = 1;
    while(1){
        unsigned int cur = hc165_read16();
        // 简单消抖
        delay_ms(5);
        if (cur == hc165_read16() && cur != last){
            // 任一位从1→0代表有新按下
            unsigned int changed = (last ^ cur);
            unsigned int pressed = changed & (~cur); // 由1变0
            if (pressed) {
                LED = !LED;
            }
            last = cur;
        }
    }
}

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6. 与 74HC595 组合（节省I/O的键盘面板）

• 用 74HC595 驱动行/列（或LED显示），用 74HC165 读入另一维的键值，MCU端只占 5~6 根线即可实现"显示+按键输入"面板。
• 扫描流程：通过 595 逐列输出（1列为有效），经 165 读回行线状态；列→行的机械按键仍需消抖。
• 注意时序：行切换与行稳定之间加短延时；避免显示切换引入的串扰影响读取。

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7. SPI方式的小技巧

若MCU具备 SPI 外设：

• 将 Q7 → MISO，CP → SCK（模式0），SH/LD 用GPIO控制，CLK INH 接GND。
• 读流程：SH/LD=0→1 后，发出 8（或16/24/32）个SCK，并在 SPI 接收缓冲中取回数据，吞掉发送字节（一般发0x00）。
• 这样可显著减轻软件位操作负担，提高采样速率与稳定性。

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8. 常见问题与排查

• 读值抖动/随机：
  • 输入悬空：务必上拉/下拉；线长用更小阻值或加RC滤波。
  • 时序不当：装载/移位时保证 CLK 在规范状态，读Q7与打时钟的先后顺序一致。
• 位序与预期相反：
  • 74HC165 默认 Q7 先出 D7，若你希望D0在最低位，代码里倒序装配或硬件交换 D0...D7。
• 级联顺序混乱：
  • 确保 Q7' → SER 串接方向正确；读多位时对应地高位/低位拼装。
• 多片干扰：
  • 共地良好、去耦靠近芯片、CLK/SH/LD 线尽量短且加小电阻串联阻尼（如33~100Ω）以抑制过冲。

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9. 小结

• 74HC165 提供"并→串"输入扩展，极大节省 MCU 引脚，适合多按键、多开关回读。
• 掌握了装载与移位时序、单片/级联读取、基础消抖与应用示例。
• 与 74HC595 组合可形成"少线多I/O"的整机面板输入输出方案；有 SPI 更佳。

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