基于DS1307的可調實時時鐘系統(tǒng)設計

ID:275438 · 發(fā)表于 2018-2-6 02:53

利用實時時鐘芯片 DS1307 設計一個能夠調節(jié)時間的實時時鐘。介紹采用 I2C 總線接口實時時鐘芯片 DS1307 進行準確定時的設計原理，提出實時時鐘芯片 DS1307 與單片機接口電路的設計方法，同時給出幾個典型程序實例，通過 Proteus 軟件進行仿真實現。

先來說說實時時鐘DS1307的使用！

DS1307 是一款十分常用的實時時鐘芯片，它可以記錄年、月、日、時、分、秒等信息，提供至2100年的記錄�？墒褂秒姵毓╇姡簿褪钦f，即使Arduino 在斷電狀態(tài)下，時鐘芯片仍然是在運行的。它使用十分常用的兩線式串行總線（I2C），只要兩根線即可和Arduino 通信。

電控單元的時鐘基準通�？衫� CPU 內部定時器作為時鐘基準，并通過軟件編程和 CPU 時鐘中斷來構造一個軟時鐘。這種方法的優(yōu)點是無需額外硬件支持，但缺點是時鐘的計時精度受 CPU 主晶振以及與其相連的起振電容的影響而無法做到很高，因此累積誤差較大。同時在主電源掉電時為了維持時鐘不停擺，系統(tǒng)必須由備用電源給整個 CPU 供電，這將導致功耗增大。

I2C總線虛擬技術

DS1307是一款具有I2C總線接口的實時時鐘芯片，要驅動具有I2C總線接口的DS1307芯片，一種辦法是選擇一款帶有I2C總線接口的高檔單片機，然而，在很多小型儀器儀表中以及在單片機的教學環(huán)境中，使用帶有I2C總線接口的高檔單片機在經濟上是不合算的，在這種情況下，可以采用I2C總線虛擬技術，選用普遍使用的51單片機，利用單片機的通用I/O端口模擬實現I2C總線接口。

硬件接口電路設計

本系統(tǒng)的電路由單片機AT89C51、日歷時鐘芯片DS1307、獨立按鍵及顯示電路組成。

DS1307與AT89C51的接口

為了使AT89C51單片機能夠驅動DS1307芯片，本文采用了I2C總線虛擬技術，將單片機P2.6口和P2.7口來虛擬I2C總線接口。I2C總線是同步串行數據傳輸總線，其內部為雙向傳輸電路，端口輸出為開漏結構，故總線上必須有上拉電阻，通常可取5~10kΩ。因單片機P2口內部有上拉電阻，故DS1307芯片的SCL引腳與SDA引腳與單片機接口時，不需再添加上拉電阻。此外，按照DALLAS公司推薦的硬件接法，往往需要精度很高的晶體，為了提高其可靠性并節(jié)約成本，可將DS1307的X2引腳添加上拉電阻，從而可以克服使用普通晶振時DS1307不起振的問題，進而保證了DS1307的起振。日歷時鐘芯片DS1307與AT89C51的接口電路如圖1所示。

時鐘顯示電路

為了將系統(tǒng)時間實時顯示出來，本系統(tǒng)沒有采用常用的數碼管作為顯示方式，而是采用1602LCD液晶實時顯示時間，這樣電路的設計就會相對簡單一些，所用到的I/O口也較少。1602液晶的接口電路如圖2所示。

時鐘調節(jié)電路

為了能夠及時對時間進行調節(jié)，本系統(tǒng)設計了時鐘調節(jié)電路，由K0、K1、K2三個按鍵組成，且分別由單片機的P2.0、P2.1和P2.2口控制。其中，K0做為時鐘調節(jié)的菜單鍵，第一次按下表示可以調節(jié)時間秒，第二次可以調節(jié)時間分，第三次按下調節(jié)時，第四次按下退出調時菜單，時鐘繼續(xù)開始走動。K1和K2分別是時分秒調節(jié)的加減鍵。在本電路中，根據經驗總結，額外添加三個上拉電阻，以保證在沒有按鍵按下時，進入單片機三個I/O口的按鍵均處于高電平狀態(tài)，防止干擾產生。時鐘調節(jié)電路如圖3所示。

接口程序設計

軟件程序設計采用模塊化設計思想，包括主程序、初始化子程序、時鐘運行子程序，按鍵掃描子程序。其中，初始化子程序主要工作有：初始化I2C總線，使總線處于備用狀態(tài)；初始化LCD液晶顯示器讓其正常顯示；初始化定時器0并開啟定時器0中斷。時鐘運行子程序主要負責讓DS1307芯片更新時間并在LCD上顯示。按鍵掃描子程序負責檢測按鍵的狀態(tài)并將更改后的時間顯示出來。主程序主要負責初始化及鍵盤掃描工作。本系統(tǒng)主程序的流程圖如圖4所示。

在本系統(tǒng)中，因采用了I2C總線虛擬技術，需嚴格按照時序圖的要求進行操作，因此，在程序設計當中，分別添加了幾個子程序，用于實現單片機與DS1307進行通信。下面是根據本文電路對I2C總線上的信號進行模擬的幾個子程序：

void start（） //模擬 I2C 啟動信號

{

SDA = 1;

Nop （）;

SCL = 1;

Nop （）;

SDA = 0;

Nop （）;

SCL = 0;

}

void stop（） //模擬 I2C 停止信號

{

SDA = 0;

Nop （）;

SCL = 1;

Nop （）;

SDA = 1;

Nop （）;

}

void ack（） //模擬 I2C 應答信號

{

SDA = 1;

Nop （）;

SCL = 1;

Nop （）;

SCL = 0;

}

void un_ack（） //模擬 I2C 非應答信號

{

uchar i;

i=0;

SCL=1;

while（SDA==1&&i《200） i++;

Nop （）;

SCL = 0;

}

需要注意的是，DS1307的各類時間數據均以BCD碼的格式存儲在相應的時間寄存器中，而1602液晶顯示器只能識別字符碼，即ASCLL碼，因而1602在向DS1307讀取或寫入時間數據時，需要進行數據類型轉換。本文采用以下兩個子程序用來完成上述功能：

uchar dec_to_bcd （uchar dec） //ASCLL 碼（十進制）轉BCD 碼

{

Uchar x， y;

x=dec/10;

y=dec%10;

y=（x《《4）|y;

return y;

}

uchar bcd_to_dec（uchar bcd） //BCD 碼轉 ASCLL 碼（十進制）

{

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軟件對本實時時鐘系統(tǒng)進行仿真，將代碼下載到單片機當中并啟動Proteus后，液晶顯示器與DS1307時鐘顯示模塊同時顯示初始時間并開始計時，適當調節(jié)三個獨立按鍵 K0~K2 后，液晶顯示器顯示調整后的時間并且把新的時間寫入DS1307，DS1307 從新的時間開始計時。仿真效果如圖5 所示。

本文設計了一個基于 DS1307 可調實時時鐘系統(tǒng)，提出了實時時鐘芯片 DS1307 與單片機接口電路的設計方法，因本系統(tǒng)采用了 I2C 總線虛擬技術，需嚴格按照 I2C 總線時序圖的要求對 DS1307 進行操作，本文給出了對I2C 總線上的信號進行模擬的幾個典型程序實例，最后通過 Proteus 軟件成功仿真實現。