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基于DS1307的可调实时时钟系统设计

2018-01-27 20:40:29来源: 互联网 关键字:DS1307  实时时钟

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。

关键字:DS1307  实时时钟

编辑:王磊 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/article_2018012726918.html
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