初めに

アクセスしていただきありがとうございます。
こちらの記事はシフトレジスタをarduinoで制御するプログラムとそれに関する情報を記載したものです。

シフトレジスタとは

シフトレジスタは少量のデータを保存するICです。
D-FFを直列につなげて作られており、8bitのデータを保存できます。

シフトレジスタのメリット

マイコンの代名詞ともいえるarduinoには18本のピンがあり、このピンを使って信号を送受信することができる。
18ピンというと多いように感じますが、8×8ドットマトリクスなどの電子部品を使用したり、多数のセンサーを搭載するとなると、18ピンでは足りない場合があります。
そんなときに使うのが、シフトレジスタです。
出力を増やすか入力を増やすかは、シフトレジスタの種類によって異なり、
今記事では出力を増やす方法について書いてあります。

配線と役割(8個の制御)

配線図とピンの役割を示した画像を載せます。

プログラム(8個の制御)

どのようなプログラムを書くかは皆さんの自由ですが、ここでは理解の助けになるようなプログラムを書きます。
複数のプログラムを書きます、Arduino IDEに書いてくださいね。

最初に書かなきゃいけないプログラム.INO

#define SER		(2)
#define RCLK	(3)
#define SRCLK	(4)
 
void setup() {
  pinMode( SER,  OUTPUT );
  pinMode( RCLK, OUTPUT );
  pinMode( SRCLK, OUTPUT );
}
void initShiftRegister(){
  digitalWrite(RCLK, LOW);
  for(int i = 0; i < 8;i++){
    digitalWrite(SER, LOW);
//クロックパルスを立ち上げる
	digitalWrite(SRCLK, HIGH);
	digitalWrite(SRCLK, LOW);
//-----------------------------------------
  }
  digitalWrite(RCLK, HIGH);
}

これは最初に書くプログラムです、これを毎回書くのは行が増えてしまうので短縮のために、先に書きました。
initShiftRegister()は最初にLEDを全部消すための、関数です。今後説明するときがあるのでそれを読もう。

loop内のプログラム.INO

void loop() {
  initShiftRegister();
  for(;;){
    //データを送る前に呼び出す必要がある
    digitalWrite(RCLK, LOW);
    //送るデータ HIGH
    digitalWrite(SER, HIGH);
    //おまじないです考えるな
	digitalWrite(SRCLK, HIGH);
	digitalWrite(SRCLK, LOW);
    //----------------------
    //データを送った後に呼び出す必要がある
    digitalWrite(RCLK, HIGH);
    delay(500);
    for(int i = 0; i < 7;i++){
      digitalWrite(RCLK, LOW);
      //送るデータ LOW
      digitalWrite(SER, LOW);
			
	  digitalWrite(SRCLK, HIGH);
	  digitalWrite(SRCLK, LOW);
      digitalWrite(RCLK, HIGH);
      delay(500);
    }
  }
}

このプログラムをコンパイルして出力すると、出力1から出力8へシフトしていく動きになります。
これがその動画です。

SERがHIGHだと出力1をHIGHにして、LOWだと出力1をLOWにする仕組みで、
SERを送るとその前のデータは出力1から出力2にシフトします、
このプログラムは最初にHIGHを出力した後7回LOWを出力しています。
例えば以下のようにSERにデータを出力したとします。
出力(SERを"H,H,L,L,H,H,L,L"の順に出力) //RCLKも出力の合間に入れてある。
LEDはこのように出力されます。
LED L, L, H, H, L, L, H, H
イメージ図

わかってきましたかでは次にRCLKの役割をメインにプログラムを書きます。

配列で光る位置を指定するやり方.INO

void loop() {
  int Row = 0, Column = 0;
  int Array1[3][8] = {{1,1,1,0,1,1,1,0},
                     {1,1,0,1,1,1,0,0},
                     {1,1,1,1,1,0,0,0}};
  for(;;){
    initShiftRegister();
    Row++;
    if(Row == 3){
      Row = 0;
    }
    digitalWrite(RCLK, LOW);
    for(int Column = 0; Column < 8;Column++){
      if(Array1[Row][Column] == 1){
        digitalWrite(SER, HIGH);
      }
      else {
        digitalWrite(SER, LOW);
      }
			
		digitalWrite(SRCLK, HIGH);
	  digitalWrite(SRCLK, LOW);
    }
    digitalWrite(RCLK, HIGH);
    delay(1000);
  }
}

配列内に光る位置を指定するプログラムですが、RCLKの位置を見てください、
For分の外にあることでデータがすべてシフトレジスタに転送された後、出力されています。
これはinitShiftRegister()でも同じことをしています。
イメージはこのような感じです。

(余談ですがここで使っているinitShiftRegisterはイニシャライズ関数として使っています、
しかしこのプログラムでは、何度もResetのために使っています。
この場合initShiftRegisterという名称は有効でなくResetShiftRegisterに変えるのが良いと思います。)

このプログラムは少し複雑で、2次配列を使うため２重の繰り返しを行っています。

シフトレジスタを複数個使うには?

さて、いままで書いてきた内容はすべてシフトレジスタを１つだけ使ったときのことでした。
しかしもっとたくさんpinを使いたいという強欲な方もいるでしょう。
実はシフトレジスタは複数個並べて使用することもできます
つまりピン3個で16個のLEDを使うこともできます。

配線図(16個の制御)

配線図です。

見ると、SER(N)と書いてあったピンの役割のところがSERに接続されています。
それ以外は特に変わったことはないです。
今後は下のシフトレジスタがシフトレジスタ2上のシフトレジスタが1とします

プログラム(16個の制御)

これも特に変わったことはなく、入れられるデータが8個から16個に変わっただけです。
シフトレジスタ1の出力1からシフトレジスタ2の出力8までHIGHとLOWを繰り返しながらシフトするプログラムです

シフトしていく.INO

#define SER		(2)
#define RCLK	(3)
#define SRCLK	(4)
 
void setup() {
  pinMode( SER,  OUTPUT );
  pinMode( RCLK, OUTPUT );
  pinMode( SRCLK, OUTPUT );
}
void initShiftRegister(){
  digitalWrite(RCLK, LOW);
  for(int i = 0; i < 16;i++){
    digitalWrite(SER, LOW);
			
		digitalWrite(SRCLK, HIGH);
	  digitalWrite(SRCLK, LOW);
  }
  digitalWrite(RCLK, HIGH);
}
void loop() {
  initShiftRegister();
  for(;;){
    digitalWrite(RCLK, LOW);
    digitalWrite(SER, HIGH);

	digitalWrite(SRCLK, HIGH);
	digitalWrite(SRCLK, LOW);
    
    digitalWrite(RCLK, HIGH);
    delay(500);

    digitalWrite(RCLK, LOW);
    digitalWrite(SER, LOW);

	digitalWrite(SRCLK, HIGH);
	digitalWrite(SRCLK, LOW);

    digitalWrite(RCLK, HIGH);
    delay(500);
  }
}

見て頂くと、initShiftRegisterの条件文がi < 8　から　i < 16に変わっています。
それ以外はいつも通りのプログラムですね。
動作動画です

最後にまとめのプログラムとして、2次配列に光らせる位置を書いてそれを実行するプログラムです。

配列に光らせる位置を指定するプログラム

#define SER		(2)
#define RCLK	(3)
#define SRCLK	(4)
//シフトレジスタの個数(Number of shift registers)
#define NSR (2)
void setup() {
  pinMode( SER,  OUTPUT );
  pinMode( RCLK, OUTPUT );
  pinMode( SRCLK, OUTPUT );
}
//初期化の関数
void initShiftRegister(){
  digitalWrite(RCLK, LOW);
  for(int i = 0; i < NSR * 8;i++){
    digitalWrite(SER, LOW);
			
	digitalWrite(SRCLK, HIGH);
	digitalWrite(SRCLK, LOW);
  }
  digitalWrite(RCLK, HIGH);
}
//array : 光らせる位置の入れる２次配列
//Rows  : ２次配列の行数(縦のこと)
void SetLED(int array[][8], int Rows){
  digitalWrite(RCLK, LOW);
  for(int Row = 0; Row < Rows; Row++){
    for(int Column = 0; Column < 8; Column++){
      if(array[Row][Column] == 1){
        digitalWrite(SER, HIGH);
		digitalWrite(SRCLK, HIGH);
	    digitalWrite(SRCLK, LOW);
      }
      else {
        digitalWrite(SER, LOW);
		    digitalWrite(SRCLK, HIGH);
	      digitalWrite(SRCLK, LOW);
      }
    }
  }
  digitalWrite(RCLK, HIGH);
}

void loop() {
  initShiftRegister();
  //LEDの点灯パターン
  int LEDPattern1[2][8] = {{1,0,1,0,1,0,1,0},{0,1,0,1,0,1,0,1}};
  int LEDPattern2[2][8] = {{0,1,0,1,0,1,0,1},{1,0,1,0,1,0,1,0}};
  for(;;){
    SetLED(LEDPattern1, 2);
    delay(500);
    SetLED(LEDPattern2, 2);
    delay(500);
  }
}

SetLEDを使えば簡単に光らせる位置を変えることができます。

終わりに

シフトレジスタは便利なICですが、扱いが難しいです。
そしてほとんどのサイトがShiftOut関数を使用しています。
この関数は2進数を使った制御文を書かないといけないのですが、2進数って扱いずらいしイメージがわかないから、配列にして書きました。
プログラムのソースコードはgithubで公開されています。
以下のURLを飛んでください。
GithubのURL
2023/6/23 記事を書き換えました