单片机时钟可调基于DS1307的可调实时时钟系统设计|设计与开发|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

基于DS1307的可调实时时钟系统设计

利用

实时时钟 芯片 DS1307 设计一个能够调节时间的实时时钟。介绍采用 I2C 总线接口实时时钟芯片 DS1307 进行准确定时的设计原理，提出实时时钟芯片 DS1307 与单片机接口电路的设计方法，同时给出几个典型程序实例，通过 Proteus 软件进行仿真实现。

先来说说实时时钟DS1307的使用！

DS1307 是一款十分常用的实时时钟芯片，它可以记录年、月、日、时、分、秒等信息，提供至2100年的记录。可使用电池供电，也就是说，即使Arduino 在断电状态下，时钟芯片仍然是在运行的。它使用十分常用的两线式串行总线（I2C），只要两根线即可和Arduino 通信。

电控单元的时钟基准通常可利用 CPU 内部定时器作为时钟基准，并通过软件编程和 CPU 时钟中断来构造一个软时钟。这种方法的优点是无需额外硬件支持，但缺点是时钟的计时精度受 CPU 主晶振以及与其相连的起振电容的影响而无法做到很高，因此累积误差较大。同时在主电源掉电时为了维持时钟不停摆，系统必须由备用电源给整个 CPU 供电，这将导致功耗增大。

I2C总线虚拟技术

DS1307是一款具有I2C总线接口的实时时钟芯片，要驱动具有I2C总线接口的DS1307芯片，一种办法是选择一款带有I2C总线接口的高档单片机，然而，在很多小型仪器仪表中以及在单片机的教学环境中，使用带有I2C总线接口的高档单片机在经济上是不合算的，在这种情况下，可以采用I2C总线虚拟技术，选用普遍使用的51单片机，利用单片机的通用I/O端口模拟实现I2C总线接口。

硬件接口电路设计

本系统的电路由单片机AT89C51、日历时钟芯片DS1307、独立按键及显示电路组成。

DS1307与AT89C51的接口

为了使AT89C51单片机能够驱动DS1307芯片，本文采用了I2C总线虚拟技术，将单片机P2.6口和P2.7口来虚拟I2C总线接口。I2C总线是同步串行数据传输总线，其内部为双向传输电路，端口输出为开漏结构，故总线上必须有上拉电阻，通常可取5~10kΩ。因单片机P2口内部有上拉电阻，故DS1307芯片的SCL引脚与SDA引脚与单片机接口时，不需再添加上拉电阻。此外，按照DALLAS公司推荐的硬件接法，往往需要精度很高的晶体，为了提高其可靠性并节约成本，可将DS1307的X2引脚添加上拉电阻，从而可以克服使用普通晶振时DS1307不起振的问题，进而保证了DS1307的起振。日历时钟芯片DS1307与AT89C51的接口电路如图1所示。

时钟显示电路

为了将系统时间实时显示出来，本系统没有采用常用的数码管作为显示方式，而是采用1602LCD液晶实时显示时间，这样电路的设计就会相对简单一些，所用到的I/O口也较少。1602液晶的接口电路如图2所示。

时钟调节电路

为了能够及时对时间进行调节，本系统设计了时钟调节电路，由K0、K1、K2三个按键组成，且分别由单片机的P2.0、P2.1和P2.2口控制。其中，K0做为时钟调节的菜单键，第一次按下表示可以调节时间秒，第二次可以调节时间分，第三次按下调节时，第四次按下退出调时菜单，时钟继续开始走动。K1和K2分别是时分秒调节的加减键。在本电路中，根据经验总结，额外添加三个上拉电阻，以保证在没有按键按下时，进入单片机三个I/O口的按键均处于高电平状态，防止干扰产生。时钟调节电路如图3所示。

接口程序设计

软件程序设计采用模块化设计思想，包括主程序、初始化子程序、时钟运行子程序，按键扫描子程序。其中，初始化子程序主要工作有：初始化I2C总线，使总线处于备用状态；初始化LCD液晶显示器让其正常显示；初始化定时器0并开启定时器0中断。时钟运行子程序主要负责让DS1307芯片更新时间并在LCD上显示。按键扫描子程序负责检测按键的状态并将更改后的时间显示出来。主程序主要负责初始化及键盘扫描工作。本系统主程序的流程图如图4所示。

在本系统中，因采用了I2C总线虚拟技术，需严格按照时序图的要求进行操作，因此，在程序设计当中，分别添加了几个子程序，用于实现单片机与DS1307进行通信。下面是根据本文电路对I2C总线上的信号进行模拟的几个子程序：

void start（） //模拟 I2C 启动信号

{

SDA = 1;

Nop （）;

SCL = 1;

Nop （）;

SDA = 0;

Nop （）;

SCL = 0;

}

void stop（） //模拟 I2C 停止信号

{

SDA = 0;

Nop （）;

SCL = 1;

Nop （）;

SDA = 1;

Nop （）;

}

void ack（） //模拟 I2C 应答信号

{

SDA = 1;

Nop （）;

SCL = 1;

Nop （）;

SCL = 0;

}

void un_ack（） //模拟 I2C 非应答信号

{

uchar i;

i=0;

SCL=1;

while（SDA==1&&i《200） i++;

Nop （）;

SCL = 0;

}

需要注意的是，DS1307的各类时间数据均以BCD码的格式存储在相应的时间寄存器中，而1602液晶显示器只能识别字符码，即ASCLL码，因而1602在向DS1307读取或写入时间数据时，需要进行数据类型转换。本文采用以下两个子程序用来完成上述功能：

uchar dec_to_bcd （uchar dec） //ASCLL 码（十进制）转BCD 码

{

Uchar x， y;

x=dec/10;

y=dec%10;

y=（x《《4）|y;

return y;

}

uchar bcd_to_dec（uchar bcd） //BCD 码转 ASCLL 码（十

进制）

{

Uchar x， y;

y=bcd/16;

x=bcd % 16;

y=y*10+x;

return y;

}

仿真分析

本文最后使用Proteus软件对本实时时钟系统进行仿真，将代码下载到单片机当中并启动Proteus后，液晶显示器与DS1307时钟显示模块同时显示初始时间并开始计时，适当调节三个独立按键 K0~K2 后，液晶显示器显示调整后的时间并且把新的时间写入DS1307，DS1307 从新的时间开始计时。仿真效果如图5 所示。

本文设计了一个基于 DS1307 可调实时时钟系统，提出了实时时钟芯片 DS1307 与单片机接口电路的设计方法，因本系统采用了 I2C 总线虚拟技术，需严格按照 I2C 总线时序图的要求对 DS1307 进行操作，本文给出了对I2C 总线上的信号进行模拟的几个典型程序实例，最后通过 Proteus 软件成功仿真实现。

51单片机定时器用法之1秒定时程序设计

动画演示

在我们的DIY电子时钟里，需要用到单片机定时器来做秒的显示，说是显示，其实就是实现数码管上“：”点的闪烁。这里初步定义为每秒亮1次，亮0.5秒，灭0.5秒。实现显示秒的功能。这里也可以用DS1302的秒数据来做，但是实现起来麻烦，达到一样的效果，我们追求的是程序越简单越好，所以在此我们用单片机定时器来实现。

我们DIY时钟板子上的单片机为STC15W408AS，单片机自带IRC可调时钟和搞可靠复位，为了降低功耗（工作频率越低，功耗越小），本时钟采用12M的工作频率（烧写程序是在软件上选择），那当定时器工作在12T模式下时，一个机械周期就是1us。

接下来我们就该看看单片机的数据手册了。以下是今天我们需要关注的寄存器：

TCON位定义

TMOD寄存器位定义

T0工作方式设置

TCON为定时器T0和T1的控制寄存器，可以位寻址（直接操作位）；TMOD是T0、T1工作方式控制寄存器，不可以位寻址（只能操作寄存器），高四位控制T1，低四位控制T0；定时器的工作方式由TOMD寄存器中的M1和M0选择，具体如上图。

本例中我们要用T0实现1秒的定时时间，这里我们用T0工作在方式0，也就是16位的自动重载方式（传统的51单片机只有8位的自动重载，需要做高精度的定时时最好用自动重载方式）。我们不需要外部中断来开启定时器，所以GATE位=0，T0工作在定时模式，CT=0，所以我们TMOD寄存器的值为0x00；在TCON寄存器里和T0相关的位有TF0和TR0；TF0=0：T0中断标志位，当定时器中断产生是，TF0自动置位，CPU相应中断后硬件自动清零；TR0=1：开启定时器，相当于定时器的开关。

除了这些寄存器外，定时器溢出后，也会产生中断，所以还需要去设置中断部分：

EA=1:，开启总中断，相当于中断总开关；ET0=1；开启定时器T0中断，相当于中断的子开关，只有中断的总开关和相应的子开关都开启后，CPU才能相应中断信号，具体请看中断部分数据手册。我们用的STC15W系列单片机属于增强型单片机，为了和传统51单片机兼容，还专门设有一个寄存器AUXR，此寄存器可设置T 0工作在1T还是12T模式，此处我们让T0工作在12T模式下，AUXR=0x00。最后就是定时器的初值寄存器了，我们需要定时的时间是500ms，16位的定时器再12M频率下最大定时时间为65535us，而我们需要的是500ms,明显达不到，那我们就需要做组合定时的方式，这里我们设定定时器的中断频率为10ms，那我们中断1次后在中断函数里将某个变量加1，当变量加到50的时候就是500ms,当变量加到100的时候就是1s了。这就是我们实现1s定时的思路。

具体实现程序如下：（因头条原因，代码图片无法加入，需要请移步关注微信公众号）

如上图中程序所示，定时器初始化时设置T0位16位自动重载模式，工作在12T模式，初值10ms，开启定时器，开启中断。这样定时器就工作了；在定时器中断函数里，每次进入中断后我们就给变量T_a自加1，当变量小于50的时候（小于500ms），让D=1（D即为我们电路中控制秒显示的那两个点，高电平有效），大于50小于100的时候D=0，关闭秒显示。这样一来就实现了秒显示在1秒内亮500ms,灭50ms了。上图中中断函数名后面的interrupt 1这是中断函数的入口地址，C语言中叫中断号（为小白说明，老司机略过），具体的个中断对应的入口地址对照表如下图(部分)：