PCF8574 – Gesamtdokumentation

1. Überblick

Der PCF8574 erweitert einen Mikrocontroller über den I²C-Bus um acht digitale Ein-/Ausgänge P0 bis P7. Für die Kommunikation werden nur die beiden Busleitungen SDA und SCL benötigt.

Typische Anwendungen sind Taster, Statussignale, LEDs mit geeigneter Beschaltung, Relais- oder Transistortreiber, LCD-Adapter und einfache Unterrichtsmodelle.

2. Das verwendete PCF8574-Modul

Das gezeigte blaue Breakout-Modul besitzt gewöhnlich:

• zwei parallele Anschlussgruppen mit VCC, GND, SDA und SCL zum einfachen Durchschleifen des I²C-Busses,
• eine Stiftleiste für P0 bis P7,
• drei Adressbrücken oder Jumper A0, A1 und A2,
• teilweise einen herausgeführten INT-Anschluss.

3. I²C, Adressen und Signalpegel

3.1 Adressierung

Die unteren drei Adressbits werden über A0, A1 und A2 eingestellt. Die tatsächliche Adresse sollte immer mit i2c.scan() geprüft werden.

3.2 SDA- und SCL-Pegel

SDA und SCL sind Open-Drain-Leitungen. Die Teilnehmer ziehen die Leitungen nur aktiv auf LOW. Der HIGH-Pegel entsteht durch Pull-up-Widerstände.

Auf vielen Modulen liegen die I²C-Pull-ups an der Modulversorgung VCC. Dann hängt der HIGH-Pegel tatsächlich von der Versorgungsspannung des Moduls ab.

3.3 Übliche I²C-Pins

4. Quasi-bidirektionale Ein-/Ausgänge

Der PCF8574 besitzt kein Richtungsregister. Ein Pin wird nicht mit INPUT oder OUTPUT konfiguriert. Stattdessen bestimmt das geschriebene Bit das Verhalten:

Nach dem Einschalten stehen alle Ports auf HIGH und sind damit grundsätzlich als Eingänge nutzbar.

5. Belastbarkeit der Ausgänge

Der PCF8574 kann Strom wesentlich besser nach GND aufnehmen als nach VCC liefern. Das macht ihn für aktive-LOW-Schaltungen besonders geeignet.

Für LEDs ist diese Stromrichtung günstig:

Ungünstig ist dagegen, eine LED vom PCF8574-Ausgang nach GND zu speisen, weil der Port dabei den HIGH-Strom liefern müsste.

6. Interne Pull-ups und Pull-downs

Der PCF8574 besitzt keine frei konfigurierbaren Pull-up- oder Pull-down-Widerstände wie ein ESP32.

• Kein Pin.PULL_UP.
• Kein Pin.PULL_DOWN.
• Kein einstellbarer Widerstandswert.
• Bei einer geschriebenen 1 wirkt die schwache interne Stromquelle nach VCC.

Ein Taster wird daher am einfachsten zwischen Port und GND geschaltet:

Bei langen Leitungen oder störbehafteter Umgebung kann ein externer Pull-up, beispielsweise 4,7 kΩ bis 10 kΩ, sinnvoll sein.

7. MicroPython-Grundlagen

7.1 I²C-Scan

from machine import Pin, I2C

# ESP32
i2c = I2C(0, scl=Pin(22), sda=Pin(21), freq=100000)

print([hex(adresse) for adresse in i2c.scan()])

7.2 Ein Byte schreiben

PCF_ADDR = 0x20
i2c.writeto(PCF_ADDR, bytes([0b1010_0101]))

7.3 Ein Byte lesen: Unterschied mit und ohne [0]

daten = i2c.readfrom(PCF_ADDR, 1)
# Ergebnis: bytes-Objekt, zum Beispiel b'\xff'

wert = i2c.readfrom(PCF_ADDR, 1)[0]
# Ergebnis: Ganzzahl, zum Beispiel 255

Das [0] wählt das erste Byte des zurückgegebenen bytes-Objekts aus. Dadurch lässt sich direkt mit Bitoperationen arbeiten.

7.4 Binärzahlen in Python

wert = 0b0101_1010
print(wert)       # 90
print(bin(wert))  # 0b1011010

Für eine immer achtstellige Ausgabe, auch auf MicroPython-Versionen mit eingeschränkter Formatunterstützung:

print("OUT = 0b" + bin(wert)[2:].rjust(8, "0"))

8. Kleines MicroPython-Treibermodul pcf8574.py

class PCF8574:
    def __init__(self, i2c, addr=0x20):
        self.i2c = i2c
        self.addr = addr
        self._state = 0xFF
        self._write_byte(self._state)

    def _check_pin(self, pin):
        if pin < 0 or pin > 7:
            raise ValueError("pin muss zwischen 0 und 7 liegen")

    def _write_byte(self, value):
        self._state = value & 0xFF
        self.i2c.writeto(self.addr, bytes([self._state]))

    def _read_byte(self):
        return self.i2c.readfrom(self.addr, 1)[0]

    def write(self, value):
        self._write_byte(value)

    def read(self):
        return self._read_byte()

    def pin_write(self, pin, value):
        self._check_pin(pin)

        if value:
            self._state |= 1 << pin
        else:
            self._state &= ~(1 << pin)

        self._write_byte(self._state)

    def pin_read(self, pin):
        self._check_pin(pin)
        return 1 if self._read_byte() & (1 << pin) else 0

    def pin_input(self, pin):
        self.pin_write(pin, 1)

    def pin_low(self, pin):
        self.pin_write(pin, 0)

    def pin_high(self, pin):
        self.pin_write(pin, 1)

    def toggle(self, pin):
        self._check_pin(pin)
        self._state ^= 1 << pin
        self._write_byte(self._state)

9. Testprogramme

9.1 Lauflicht an den acht Ports

from machine import Pin, I2C
from pcf8574 import PCF8574
import time

i2c = I2C(0, scl=Pin(22), sda=Pin(21), freq=100000)
adressen = i2c.scan()

if not adressen:
    raise RuntimeError("Kein I2C-Gerät gefunden")

pcf = PCF8574(i2c, adressen[0])

while True:
    for pin in range(8):
        wert = 1 << pin
        pcf.write(wert)
        print("OUT = 0b" + bin(wert)[2:].rjust(8, "0"))
        time.sleep_ms(250)

9.2 Taster an P0

from machine import Pin, I2C
from pcf8574 import PCF8574
import time

i2c = I2C(0, scl=Pin(22), sda=Pin(21), freq=100000)
pcf = PCF8574(i2c, 0x20)

pcf.pin_input(0)

while True:
    if pcf.pin_read(0) == 0:
        print("Taster gedrückt")
    else:
        print("Taster offen")

    time.sleep_ms(100)

10. Zwei PCF8574 an einer 8×8-LED-Matrix

Eine naheliegende Aufteilung ist:

Für ein didaktisches Modell ist das sehr anschaulich, weil Bitmuster, Zeilen-/Spaltenauswahl, Stromrichtung und Multiplexing offen sichtbar bleiben.

10.1 Sinnvolle Lernschritte

1. Eine einzelne LED schalten.
2. Eine vollständige Zeile aktivieren.
3. Eine vollständige Spalte aktivieren.
4. Zeilen und Spalten kombinieren.
5. Einzelne Bildpunkte durch Multiplexing ansteuern.
6. Treiberstufen ergänzen.
7. Später mit einem integrierten Matrix-Treiber wie MAX7219 vergleichen.

10.2 Grenzen

• I²C-Übertragungen begrenzen die maximale Multiplexrate.
• Die HIGH-Ausgänge des PCF8574 sind sehr schwach.
• Bei mehreren gleichzeitig aktiven LEDs müssen Einzel- und Gesamtstrom beachtet werden.
• Für höhere Helligkeit oder Dauerbetrieb sind externe Treiber sinnvoll.

11. Treiber- und Pufferbausteine

11.1 ULN2803A

Der ULN2803A enthält acht Darlington-Treiber mit Open-Collector-Ausgängen. Er kann Lasten nur nach GND ziehen.

Er liefert keinen aktiven HIGH-Pegel. Für Kathoden oder die Low-Side einer Matrix ist er gut geeignet. Der COM-Pin gehört bei induktiven Lasten an die positive Lastversorgung, damit die integrierten Freilaufdioden wirken; bei reinen LEDs kann COM offen bleiben.

11.2 74HC240 und 74HC540

Beide Bausteine sind achtfach invertierende Puffer mit Tri-State-Ausgängen. Sie können aktiv HIGH und LOW ausgeben und sind daher für kleine LED-Ströme und zur Pegelinvertierung geeignet.

Für dauerhaft aktive Ausgänge werden die beiden /OE-Eingänge auf GND gelegt.

Bei etwa 5 mA pro Kanal kann ein HC-Puffer in einem kleinen Unterrichtsmodell grundsätzlich funktionieren. Trotzdem müssen Datenblatt, Gesamtstrom und zulässiger Spannungsabfall geprüft werden. Acht Kanäle mit je 5 mA bedeuten bereits 40 mA Gesamtlast.

11.3 High-Side-Treiber

Wer deutlich mehr Strom aktiv nach VCC liefern möchte, benötigt eine High-Side-Stufe, beispielsweise PNP-Transistoren, P-Kanal-MOSFETs oder einen Source-Treiber wie TBD62783/UDN2981.

12. Mehrere 28BYJ-48 über ULN2003

Jeder 28BYJ-48 benötigt über seine ULN2003-Platine vier Steuersignale. Drei Motoren benötigen daher zwölf Ausgänge. Ein einzelner PCF8574 reicht nicht; mindestens zwei Module oder ein PCF8575 sind nötig.

Die Motorversorgung muss extern erfolgen. ESP, PCF8574, ULN2003-Platinen und Netzteil benötigen eine gemeinsame Masse.

12.1 Positionsverwaltung

Der 28BYJ-48 besitzt in der üblichen Ausführung keine Positionsrückmeldung. Das Programm kann lediglich die ausgegebenen Schritte zählen:

self.position = 0

def step(self, richtung=1):
    self.position += richtung
    # anschließend neues Spulenmuster ausgeben

Dieser Softwarezähler ist nur dann korrekt, wenn der Motor keine Schritte verliert. Nach Neustart, Blockieren oder manuellem Verdrehen stimmt die angenommene Position nicht mehr. Eine zuverlässige Maschine benötigt eine Referenzfahrt mit Endschalter oder Sensor; alternativ einen Encoder.

13. Vergleich mit dem PCF8575

Der PCF8575 arbeitet nach demselben Grundprinzip, bietet aber 16 statt 8 quasi-bidirektionale Ports.

13.1 16 Bit schreiben und lesen

# Schreiben, Low-Byte zuerst
i2c.writeto(PCF_ADDR, bytes([
    wert & 0xFF,
    (wert >> 8) & 0xFF
]))

# Lesen
daten = i2c.readfrom(PCF_ADDR, 2)
wert = daten[0] | (daten[1] << 8)

Auch beim PCF8575 gilt: Zum Lesen eines Pins muss das zugehörige Ausgangsbit vorher auf 1 gesetzt werden.

14. Typische Fehler und Missverständnisse

15. Verifizierte Datenblattquellen

• Texas Instruments: PCF8574 – Remote 8-Bit I/O Expander for I²C Bus
• NXP: PCF8574 / PCF8574A – Remote 8-bit I/O expander for I²C-bus
• Texas Instruments: PCF8575 – Remote 16-Bit I²C and SMBus I/O Expander

Diese Datei fasst die bisherigen Gespräche zusammen und ordnet sie technisch. Für endgültige Grenzwerte eines konkreten Aufbaus ist immer das Datenblatt des tatsächlich verbauten Herstellers und Bauteiltyps maßgeblich.