51单片机之DS1302实时时钟

1.DS1302时钟芯片介绍

DS1302是由美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片。它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能
RTC(Real Time Clock)：实时时钟，是一种集成电路，通常称为时钟芯片

这个时钟芯片的应用十分广泛，而且使用它作为时钟计时也是很常见的操作。

我们51单片机上采用的也是这个芯片，有人认为，我们的定时器也可以做一个时钟计时，但其实，我们的定时器毕竟不是专业的，在长时间的积累下还是会产生一定的误差，而且我们对定时器的采样和各种操作都是会占用一定的的CPU时间的，因为CPU要去处理这个定时器的信息。并且，很重要的一点就是：我们的单片机断电就会让定时器暂停，再次重启单片机的时候，计时才会继续，所以这需要我们一直供电，并且单片机的高频率调用定时器还是挺耗电的，一点都不节能。

让专业的人做专业的事——我们使用DS1302芯片就是为了解决这个问题的：高精度计时，无惧误差；自带内置电池，不怕断电，断电计时还在继续计时，开启继续显示。

这里是这个芯片的引脚图：

这里要注意的是芯片有两个VCC供电，其中VCC2是主电源，就是我们单片机的直接供电，VCC1就是芯片内部的备用电池，让芯片在断电的情况下还可以继续运作。

这个就是芯片的内部结构图：

在芯片手册里面还有这样的一张图：

这个就是时序图，什么是时序图？你可以理解为单片机内部一个周期内发生的事情用一个电波来表示，这里有三个芯片上的引脚：CE（芯片使能），SCLK（时钟沿），I/O（输入输出）。CE比较简单，置为1就开始工作，置为0就停止工作。SCLK就是时钟周期，图上的箭头表示上升沿有效和下降沿有效。IO就是经典的寄存器，R/W到A0到1这个方向就是从低位到高位的数据。

R/W表示Read和Write（读和写）。R是高电平有效，W是低电平有效，这个位置决定了调用哪个模式。后面的D0到D7就是芯片内部对应的区域了，代入你想要写入哪个地址，这个就是最后的写入的数据。

芯片手册里还有这个图片：

这个图最左边就是读和写对应的地址，中间是对应地址的对应位表示的数据，最后就是数据的范围，第一行是秒，第二行是分钟，第三行是小时（对应有12和24小时制），第四行是日，第五行是月份，第六行是星期，第七行就是年，第八行主要看到WP（即Write Protect),写入保护（WP为1的时候生效，此时所有写入的操作无效），最后一行是电池充电，这个不需要我们配置，保持默认就好。

然后这个表格中的读写地址是根据这个图的出来的：

这里就不多解释了，看上面的详细的表格更好一点。它对应的运作模式就是上面的时序图。

2.代码实现时钟

这里主要用到LCD1602显示屏和这个时钟芯片相互配合实现，有人可能会疑惑为什么不用数码管，其实数码管也是可以的，这里主要是为了显示更多的数字和信息，数码管可以显示的位太少了，所以不使用数码管。

我们配置寄存器前还要看一下原理图：

可以看到，SCLK，IO，CE三个引脚都有定义，我们要在代码里使用sbit把它们重新定义一下，以便我们以后调用程序的时候一眼看出写的是什么。

sbit DS1302_SCLK =	P3^6;
sbit DS1306_IO   =	P3^4;
sbit DS1306_CE 	 =	P3^5;

这里我们要配置初始的时间数值，我们按照时序图先写一个写入函数：

这里我们看到每次开始前SCLK和CE都是低电平，所以我们在写写入函数前，还要再写一个初始化函数，先把SCLK和CE先初始化为低电平

void DS1602_Init()
{
	DS1306_CE = 0;
	DS1302_SCLK = 0;
}

看时序图我们可以知道：一个上升沿表示一个数据的写入，和之前我们LED点阵屏的寄存器一样，使用SCLK控制读写数据，先把准备好的数据0/1放在IO口，当时钟上升沿生效之后，这个数据就被读入。并且，有一点要注意的是：数据是从低位（R/W）到高位（1），这个顺序，也就是上面图中从左到右对应输入数据的从低到高，这样我们就可以写出一个IO从低到高输入我们传入指令的代码了（按照时钟周期，先读入前面那8个控制位，后读入后面那八个数据位）：

unsigned char i = 0;
for(i = 0;i<8;i++)
{
	DS1306_IO = command&(0x01<<i);
	DS1302_SCLK = 1;
	DS1302_SCLK = 0;
}

这样就可以读入指令集，然后我们可以看到，后面的部分和前面的部分都是一样的，所以我们仿照前面的循环代码，直接把数据输入到IO口：

	for(i = 0;i<8;i++)
	{
		DS1306_IO = Data&(0x01<<i);
		DS1302_SCLK = 1;
		DS1302_SCLK = 0;
	}

把两段代码合并，再加上把使能开启和关闭，就有了：

void DS1602_Write(unsigned char command,unsigned char Data)
{
	unsigned char i = 0;
	DS1306_CE = 1;
	for(i = 0;i<8;i++)
	{
		DS1306_IO = command&(0x01<<i);
		DS1302_SCLK = 1;
		DS1302_SCLK = 0;
	}
	for(i = 0;i<8;i++)
	{
		DS1306_IO = Data&(0x01<<i);
		DS1302_SCLK = 1;
		DS1302_SCLK = 0;
	}
	DS1306_CE = 0;
}

然后我们就要按照时序图配置读数据的函数了：

这里我们如果复用上面的读取指令的代码会出现一点问题：

按照上面代码的写法，我们的函数会停留在时钟周期的这个红线的位置，这个时候我们发现：我们由触发了一次下降沿，也就是我们把后面数据又多读入了一位，这样其实不利于我们再写读数据部分的思路，我们就要把这两部分分离开来。怎么做？很简单，把SCLK置为0的步骤放在前面就好了：

	for(i = 0;i<8;i++)
	{
		DS1306_IO = command&(0x01<<i);
		DS1302_SCLK = 0;
		DS1302_SCLK = 1;
	}

这样我们会发现，我们的停止位置红线到了这个地方：

意满离，我们可以开始配置后面读取数据的代码了：

这里我们先给SCLK一个下降沿，这个时候数据就到了IO口上了，我们就可以拿一个变量把它存起来，然后等下一个周期，直到全部读取完成。

这里数一下，一共有8个下降沿，但是上升沿却只有7个，所以我们的代码还是要要使用循环，保证上升沿和下降沿的个数相同，我们就可以进入循环时（此时为高电平）先置为1，再置为0，再读取数据，就解决了前面的痛点了：

	for(i = 0;i<8;i++)
	{
		DS1302_SCLK = 1;
		DS1302_SCLK = 0;
		if(DS1306_IO)
		{
			Data |= 0x01 << i;
		}
	}

然后就有下面的代码：

unsigned char DS1602_Read(unsigned char command)
{
	unsigned char i = 0;
	unsigned char Data = 0x00;
	DS1306_CE = 1;
	for(i = 0;i<8;i++)
	{
		DS1306_IO = command&(0x01<<i);
		DS1302_SCLK = 0;
		DS1302_SCLK = 1;
	}
	for(i = 0;i<8;i++)
	{
		DS1302_SCLK = 1;
		DS1302_SCLK = 0;
		if(DS1306_IO)
		{
			Data |= 0x01 << i;
		}
	}
	DS1306_CE = 0;
	return Data;
}

至此，我们主要的函数就实现了，现在只要使用LCD1602把数据显示一下就好了。

这里我们先演示一下把数据写入和读出：

unsigned char Second = 0x00;	
void main()
{
	LCD_Init();
	DS1602_Init();
	DS1602_Write(0x8E,0x00);
	
	DS1602_Write(0x80,0x03);
	Second = DS1602_Read(0x81);
	LCD_ShowNum(1,1,Second,3);
	
	while(1)
	{
		
	}
}

这里有一句写入0x8e时比较重要的，不知道什么情况，这个只要使用一次下次这个就不需要加了，这句的作用就是取消写保护，在前面表格里我们介绍过的，如果没有这个，很可能你的显示出来就是128或者255这种没有初始化的值。

那么，我们把显示数字和读取数字调用放在while循环前面的时候，我们可以显示出来一个数字，那么我们把它们放在while循环里面，他是不是就可以显示秒的变化了呢？没错！但是你直接这样做可能显示出来的数字时一个有点花的数字，这里猜测可能是循环进行太快，导致IO口上的数字串位，总之我们只要做一件事——在read函数返回前加上一个DS1306_IO = 0;

然后我们就可以看到我们的显示出来的数字正常运作，但是仔细一看又有一点不对：9之后数字变成了16，这是为什么？

我们的DS1302芯片使用的是BCD码，BCD码是什么？就是一个使用类似于十六进制格式十进制的一种格式这里举个例子：

十六进制的0x18中，8占的是8的0次方的权重，1占的是8的1次方的权重，而在BCD码的表示里，4占的权重是10的0次方，2占的权重是10的1次方，使用2进制就还是正常表示但是又数据范围限制，换句话来说，其实BCD码可以用二进制表示，也可以用十六进制表示，但是它在二进制转化成16进制之后，它的每一位权重要改变一下，而且无法表示十六进制中A B C D E F这些位。

因此，我们前面使用这样用BCD码表示的时候，它使用0000 1001/0x09，即数字9，但是它加1的时候，它就变成了0001 0000/0x10，即数字10，而在16进制中意思是16，我们使用LCD1602的时候调用的函数是普通的十进制使用函数，所以它显示就从9变成了16，我们这里有两种办法：1.把函数使用16进制转化，这个时候即便它从0x09变成0x10，在显示屏幕上显示的还是9和10；2.使用公式转换：

这里为了更加清晰了解我们的逻辑，更多使用这个公式法，当然，我们可不能把这个参数直接就改了，这样会出大问题的，要借助一个临时变量来做这个动作，当然，我使用函数：

unsigned char BCDchange(unsigned char BCDNum)
{
	return BCDNum/16*10+BCDNum%16; 
}

void main()
{
	LCD_Init();
	DS1602_Init();
	DS1602_Write(0x8E,0x00);
	
	DS1602_Write(0x80,0x03);
	while(1)
	{
		Second = DS1602_Read(0x81);
		LCD_ShowNum(1,1,BCDchange(Second),3);
	}
}

这样就很好，即不改变两种函数内部原本的运行逻辑，又把它们完美的串联在了一起。

接下来就比较简单了，完成了上面的操作之后，依葫芦画瓢，做出一个时钟就跟喝水一样简单，但是完美这里想要把它们都集成为简单的函数，只要调用函数就可以实现写和读

既然要追求简单，那就贯彻到底了，我们发现我们经常使用0x80，0x81...这样的东西，真的是很麻烦，难道我们每次都要查表看这个地址吗？

读写模式之间只差了一个位，例如秒的写是0x80，读就是0x81，分的写是0x82，读就变成0x83了，其实就是最后一个位的区别，写为0，读为1

知道这样的规律之后，我们就可以做一点不一样的了：

从秒到年到周，这个都是有顺序的，从0x80到0x8C，我们为什么不按照这样的规律写我们的函数呢？

这里我们再定义一个读写的缓存区，就是定义一个数组，我们把读取和写入的放在这个数组里，这样就OK了，所以我们就可以定义一个全局变量数组：充当缓存区

//0.second 1.minute 2.hour 3.data 4.month 5.week 6.year
unsigned char DS_Buffer[7];

这样我们就不用频繁传参返回函数了，十分的简单

然后，我们这里就使用上面的规律和这个数组，实现十分简单的读数函数：

void DS1302_ReadTime()
{
	unsigned char PreAdress = 0x80 + 1;
	unsigned char i = 0;
	for(i = 0;i < 7;i++)
	{
		DS_Buffer[i] = DS1602_Read(PreAdress + i*2);
	}
}

这里前面加一是因为所有读数都要加一，这里后面i*2是因为每两个形式之间（比如秒和分）相隔2。

void DS1302_WriteTime()
{
	unsigned char PreAdress = 0x80;
	unsigned char i = 0;
	DS1602_Write(0x8E,0x00);
	for(i = 0;i < 7;i++)
	{
		DS1602_Write(PreAdress + i*2,DS_Buffer[i]);
	}
	DS1602_Write(0x8E,0x80);
}

这里我们和读不同的是，我们需要在写入之前关闭写保护，然后出函数时再开启写保护，然后就是这里的缓存数组变成了我们读取信息的数组，我们就要把它先使用别的函数初始化这个信息，然后再调用该函数读取缓存数组里面的数。当然，别忘了初始地址，读写的地址是不一样的。

然后我们就可以实现显示时间的函数，这里做了一个格式，直接使用这个函数就可以显示年月日，时分秒：

void Formate()
{
	LCD_ShowString(1,1,"  :  :  ");
	LCD_ShowString(2,1,"    -  -  ");
	DS1302_ReadTime();
	LCD_ShowNum(1,1,BCDchange(DS_Buffer[2]),2);
	LCD_ShowNum(1,4,BCDchange(DS_Buffer[1]),2);
	LCD_ShowNum(1,7,BCDchange(DS_Buffer[0]),2);
	LCD_ShowNum(2,1,20,2);
	LCD_ShowNum(2,3,BCDchange(DS_Buffer[6]),2);
	LCD_ShowNum(2,6,BCDchange(DS_Buffer[4]),2);
	LCD_ShowNum(2,9,BCDchange(DS_Buffer[3]),2);
}

放在函数while循环内：

void main()
{
	LCD_Init();
	DS1602_Init();
	
	DS1302_WriteTime();
	DS1302_ReadTime();
	while(1)
	{
		Formate();
	}
}

这里显示的格式是这样的：

21:11:50
2024-04-16

但是这里各位会发现一个问题：函数频闪的问题有点严重，这是因为我们有些不需要变化的数字也还是重新写入了，这里我们的解决方案：

使用Delay函数，大概需要0.5s以上的Delay才可以比较有效解决频闪，但是会导致有一点的误差（每个1s之间的读取都是靠芯片的，这里的误差只是刷新的误差，比如已经从5s到了6s，但是我们还在Delay中导致没有及时显示出来）

还有别的实现吗？还在慢慢发掘中...