C#によるIoTプログラミング！──7セグメントLEDで0.1秒カウントのプログラムを作ろう

.NET nanoFrameworkとESP32でIoTプログラミング 第4回

ESP32で7セグメントLEDを制御するには？

シフトレジスタ

　ESP32で7セグメントLEDを制御する方法はいくつかあります。単純に各LEDにGPIO端子を接続して制御することもできます。ただその場合、LEDの数だけGPIO端子が必要となり、実用的ではありません。そこで今回は、「シフトレジスタ」と呼ばれるICを使ってみます。シフトレジスタを利用すれば、少ないGPIO端子で、複数のLEDの制御が可能になります。

　シフトレジスタとは、0と1の信号を一定の方向に順番に移動（シフト）させることができる電子回路の一種です。シフトレジスタは、シリアルデータをパラレルデータに変換する用途でよく使われます。たとえば、8ビットに対応したシフトレジスタであれば、8ビットのデータを1ビットずつ（シリアル）設定し、その後にすべてのデータを一度に（パラレルで）出力することができます。この仕組みを7セグメントLEDに適用すると、1ビットずつのシリアルデータで、7セグメントLEDの8つのLEDを制御できるというわけです。

SN74HC595N

　SN74HC595Nという型番の8ビットのシフトレジスタを使います。このICについての詳細は、データシートを参照してください。

　ピン配置は次のようになっています。

SH74HC595のピン配置

ピンの機能

ピン番号	端子名	入出力	機能
1～7、15	QA～QH	O	データ出力
8	GND	-	GND
9	QH’	O	カスケード接続用
10	SRCLR	I	シフトレジスタクリア
11	SRCLK	I	クロック信号
12	RCLK	I	ラッチ信号
13	OE	I	出力の有効化
14	SER	I	シリアルデータ入力
16	VCC	-	電源（5V）

　端子には、表のような名前がついています。QA～QHがデータ出力なので、これらのピンに、7セグメントLEDと電流制限用の抵抗を接続します。QH'は、複数のシフトレジスタをカスケード接続（数珠つなぎ）する際に使用します。ここでは、1つのICしか使わないので接続は不要です。

　SER（14番ピン）がシリアルデータ入力です。このピンを使って、1ビットずつデータを入力します。

　SRCLK（11番ピン）は、1ビットのデータを内部的にセットする信号です。LOWからHIGHにすると、1ビットのデータ（SERピンの状態）がセットされます。

　RCLK（12番ピン）は、いわゆるラッチ信号の入力です。8ビット分のセット後に、LOWからHIGHにすると、すべてのデータがQA～QHに出力されます。

　OE（13番ピン）は、LOWのときに出力が有効になります。ここでは有効のままにしますのでGNDに接続しておきます。SRCLR（10番）は、LOWにすると出力がクリアされますので、今回は、電源に接続して常にHIGHにします。

配線

　今回使用した7セグメントLEDは、LN5160Aという型番のアノード・コモンのものです。

　前述のピン配置図のとおり、ピンの3番または8番ピンが共通のアノード端子になっているので、このピンを電源の+5Vに接続します。残りのピンに、抵抗を介して、74HC595のQA～QHを接続します。わかりやすいように、7セグメントLEDの1番ピン（カソード e）を、74HC595のQE（5番ピン）というように、a～hを合わせて接続します。

　電流制限用の抵抗は、ここでは330Ωとしました。SN74HC595Nのデータシートには、出力ピン1つあたり35mA以下、かつ全体で70mA以下の電流にするように書かれています。LN5160Aの順方向電圧降下Vfは、2.1Vなので、次のような計算になります（8つのLEDを同時に点灯した場合）。

　（5V - 2.1V）/（70mA / 8本）= 331Ω

　※（電源電圧 – 順方向電圧降下）/ 順方向電流 = 制限抵抗値

配線図

　SN74HC595NのSER、SRCLK、RCLKは、それぞれ、ESP32のGPIO21、22、23に接続しました。

数字を表示する

　次に、プログラムを作成しましょう。じつは.NET nanoFrameworkには、SN74HC595N用のクラスが提供されており、シフトレジスタ内部の動作を知らなくても、かんたんに利用できるようになっています。.NET nanoFrameworkのブランクプロジェクトを新規作成後、NuGetパッケージマネージャで、nanoFramework.Iot.Device.Sn74hc595パッケージをあらかじめインストールしておきます。

　数字の0～9を順番に表示するプログラムは、次のようになります。

Program.csの一部

public static void Main()
{
    // dp g f e d c b a（4）
    byte[] bitp = {
                0b_1100_0000,    // 0
                0b_1111_1001,    // 1
                0b_1010_0100,    // 2
                0b_1011_0000,    // 3
                0b_1001_1001,    // 4
                0b_1001_0010,    // 5
                0b_1000_0010,    // 6
                0b_1111_1000,    // 7
                0b_1000_0000,    // 8
                0b_1001_0000,    // 9
            };

    // SER、SRCLK、RCLKを指定してSn74hc595オブジェクトを生成する（1）
    using Sn74hc595 sr = new(new Sn74hc595PinMapping(21, 22, 23));

    // すべて消灯（2）
    sr.ShiftByte(0b_11111111);

    while (true)
    {
        // 1秒ごとに0～9の順に表示する（3）
        foreach (byte b in bitp)
        {
            sr.ShiftByte(b);
            Thread.Sleep(1000);
        }
    }
}

　Sn74hc595PinMappingは、SER、SRCLK、RCLKを、それぞれESP32のどのピンに設定するかを指定するオブジェクトです。前述のとおり、GPIO21、22、23を指定します（1）。

　Sn74hc595クラスのShiftByte()メソッドが、SN74HC595Nに8ビット（1バイト）のデータを送るメソッドです。まず、すべてのLEDを消灯します（2）。一見すると、反対のビットを指定していると思うかもしれません。ここでの7セグメントLEDは、アノードコモンなので、ビットが1、つまり出力がHIGHのときに、LEDが消えている状態で、出力がLOWのときに点灯します。したがって、0b_11111111を設定すると、各LEDすべてが消灯になります。

　次に数字の出力です（3）。これは、数字の表示となるようなビットパターン（4）をShiftByte()メソッドで送信します。

　ShiftByte()メソッドに指定する値は、上位ビットから、7セグメントLEDのdp、g、f、e、d、c、b、aに対応します。たとえば、0b_1100_0000なら、dp、gが消灯、a～fが点灯となり、数字の0となります。