普中51单片机：DS1302时钟芯片讲解与应用（十）

news2024/9/21 6:19:59

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文章目录

  • 引言
  • 基本特性
    • 什么是RAM？
    • 什么是涓流充电？
  • 电路图和引脚说明
  • 通信协议以及工作流程
  • 寄存器
    • 控制寄存器
    • 日历/时钟寄存器
  • DS1302读写时序
  • 代码演示——数码管显示时分秒

引言

DS1302 是一款广泛使用的实时时钟 (RTC) 芯片，具有低功耗、内置电池备份和串行通信接口等优点。它常用于需要精确时间保持的应用中，如电子时钟、数据记录器和嵌入式系统。

基本特性

DS1302是一款高性能、低功耗的实时时钟芯片，兼容TTL电平，可以直接与单片机的IO口连接。以下是其主要特性：

  • 时间保持功能：DS1302 可以保持秒、分、时、日、周、月、年等时间信息，并能自动调整月份天数和闰年。
  • 串行通信接口：使用简单的串行接口 (SPI) 进行通信，仅需三根线：RST（复位）、SCLK（串行时钟）和 I/O（串行数据）。
  • 低功耗：工作电流低，适合电池供电的应用。工作电压范围为2.0V至5.5V，工作电流小于300nA。
  • 内置 RAM：31 字节的静态 RAM，用于存储用户数据。RAM数据时有两种方式：单字节传送或多字节传送（字符组的方式）
  • 电池备份：支持备用电池，确保在主电源断电时继续保持时间。
  • 涓流充电：当主电源关闭或电压不足时，DS1302可以通过涓流充电寄存器从备用电源（VCC2）获取电力，维持时钟的运行和RAM中的数据。

什么是RAM？

RAM，全称为随机存取存储器（Random Access Memory），是计算机中的一种重要存储器。它的主要特点是可以随时读写数据，并且速度非常快。

RAM是计算机的“短期记忆”。当你打开一个程序或文件时，计算机会将其数据加载到RAM中，以便快速访问和处理。例如，当你在编辑一篇文档时，文档的内容会暂时存储在RAM中，这样你可以快速进行编辑和保存。RAM是易失性存储器，这意味着一旦断电，存储在RAM中的数据就会丢失。这就像是你在白板上写字，一旦擦掉（断电），字迹就消失了。RAM与CPU直接交换数据，速度非常快。它是计算机运行速度的重要因素之一。更多的RAM意味着计算机可以同时处理更多的任务，而不会变慢。

在DS1302时钟芯片中，31字节的静态RAM（SRAM）是一个小型的存储区域，用于存储用户数据。静态表示SRAM中的数据只要保持通电，就可以一直保存，不需要像动态RAM（DRAM）那样定期刷新。31字节表示这个SRAM可以存储31个字节的数据，总共248位（31 x 8 = 248位）。

假设你有一个小笔记本，每一页可以写8个字母，那么31字节的SRAM就相当于这个笔记本有31页，每页可以写8个字母。你可以随时在任何一页上写字或擦掉重写。

什么是涓流充电？

想象一下，你有一个珍贵的水晶杯，需要用极细的水流来清洗，以防止水流过猛导致损坏。涓流充电也是同样的道理。这是一种以非常低的电流对电池进行充电的方法，目的是在电池接近充满时，继续以小电流充电，确保电池完全充满而不受损。

电池充电通常有三个阶段：恒流充电、恒压充电和涓流充电。当电池电量接近满电时，充电器会自动切换到涓流模式，这时候的电流非常小，就像是给电池做最后的“润色”。

在许多电子设备中，如手机、笔记本电脑，甚至一些特殊的芯片（例如DS1302时钟芯片）都采用了涓流充电技术。这些设备在主电源断电后，可以依靠涓流充电来维持电池健康，保证设备在关键时刻不掉链子。

电路图和引脚说明

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引脚名引脚顺序作用
VCC11主电源电压输入
VCC28备用电源电压输入（电池）
X1、X22，3外部晶振引脚
GND4地
SCLK7串行时钟输入（串行通信）
I/O6串行数据输入/输出
CE5控制使能

详细作用说明

  1. VCC1 (1号引脚)：这是DS1302的主电源输入引脚。在正常工作时，它接收来自外部电源的电压。如果VCC1的电压高于VCC2（备用电源），DS1302将使用VCC1作为其电源。
  2. VCC2 (8号引脚)：此引脚通常连接到一个电池，作为备用电源。在主电源VCC1失效的情况下，VCC2可以继续为DS1302提供电源，确保时间信息不会丢失。
  3. X1、X2 (2号和3号引脚)：这两个引脚需要外接一个32.768kHz的晶振。晶振为DS1302提供时钟信号，确保时间的准确性。X1是输入端，X2是输出端（在某些应用中可能不使用）。
  4. GND (4号引脚)：这是DS1302的接地引脚，用于建立电路的参考电位，确保电路中的信号有正确的电压水平。
  5. SCLK (7号引脚)：此引脚接收来自微控制器或其他控制设备的串行时钟信号。数据传输的时序由SCLK控制，数据在SCLK的上升沿或下降沿被读取或写入，具体取决于通信协议。
  6. I/O (6号引脚)：这个双向引脚用于在DS1302和外部设备之间传输数据。在写入操作中，数据通过此引脚输入到DS1302；在读取操作中，数据从DS1302输出到此引脚。
  7. CE (5号引脚)：CE引脚用于控制DS1302的激活状态。当CE引脚被拉高（即逻辑1）时，DS1302芯片被激活并开始工作；当CE引脚被拉低（即逻辑0）时，芯片进入低功耗状态，停止工作。

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通信协议以及工作流程

DS1302 通过三线接口 (SPI) 与主控设备通信。通信过程如下：

  1. 启动通信：将 RST 引脚置高。
  2. 发送命令字节：通过 SCLK 引脚发送一个命令字节，指定读写操作和寄存器地址。
  3. 数据传输：通过 I/O 引脚进行数据读写。
  4. 结束通信：将 RST 引脚置低。

寄存器

对DS1302的操作就是对其内部寄存器的操作，DS1302内部共有12个寄存器，其中有：7 个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为 BCD码形式。此外，DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与 RAM 相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器以外的寄存器。

控制寄存器

用于存放DS1302控制命令的，DS1302的RST复位引脚，如果是高电平，可以开始工作，第一个写入的自己就是控制命令，它用于对DS1302读写进行控制。格式如下：
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控制寄存器的字节格式中，最高位（D7）固定为1，这是命令有效的标志。第六位（D6）如果为0则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据。接下来的五位（D5~D1）是地址位，用于选择将要进行读写操作的寄存器。最低位（D0）是读写选择位，0表示写入，1表示读取。

控制字总是从最低位开始输出。在控制字指令输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从最低位（0位）开始。同样，在紧跟8位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿，读出DS1302的数据，读出的数据也是从最低位到最高位。
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日历/时钟寄存器

DS1302时钟芯片的日历/时钟寄存器是其核心功能之一，用于存储和提供当前的日期和时间信息。存放是以BCD码格式进行操作。
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  1. 秒寄存器（地址0x80）：存储秒的值，格式为BCD码。低四位表示秒的个位，第五位到第七位表示秒的十位。第八位（CH）是时钟运行标志位，当CH=0时，时钟运行；当CH=1时，时钟暂停。
  2. 分寄存器（地址0x82）：存储分钟的值，格式为BCD码。低四位表示分钟的个位，第五位到第七位表示分钟的十位。最高位（第八位）固定为0
  3. 小时寄存器（地址0x84）：存储小时的值，格式为BCD码。低四位表示小时的个位，第五位到第七位表示小时的十位。第八位（12/24）用于选择12小时制或24小时制。当12/24=0时，为24小时制；当12/24=1时，为12小时制，且第5位表示上午（AM）或下午（PM）。
  4. 日期寄存器（地址0x86）：存储日期的值，格式为BCD码。低四位表示日期的个位，第五位到第七位表示日期的十位。

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  1. 月份寄存器（地址0x88）：存储月份的值，格式为BCD码。低四位表示月份，第五位表示月份的十位。
  2. 星期寄存器（地址0x8A）：存储星期的值，格式为BCD码。低三位表示星期几，从星期一到星期日。
  3. 年份寄存器（地址0x8C）：存储年份的值，格式为BCD码。低四位表示年份的个位，第五位到第七位表示年份的十位。DS1302的年份是从2000年开始的，因此设置年份时需要减去2000。
  4. 写保护寄存器：DS1302具有写保护功能，低七位全部为固定0，WP用于控制是否开启写保护功能，WP逻辑1为开启，只能读不能写，如果要进行写操作，将WP设置为逻辑0，关闭保护进行写入。
  5. 慢充电寄存器：DS1302支持涓流充电，当主电源关闭或电压不足时，DS1302可以通过涓流充电寄存器从备用电源（VCC2）获取电力，维持时钟的运行和RAM中的数据。通过特定的控制命令，可以启用或禁用涓流充电功能。这允许用户根据需要控制充电过程，以节省电力或延长备用电源的使用寿命。

BCD码：所有日历/时钟寄存器中的数据都以BCD码格式存储。BCD码是一种二进制编码的十进制数，每四位二进制数表示一个十进制数字（0~9）。

DS1302读写时序

数据是从低位开始写入，三线制SPI的接口：CE，SELK、I/O，当对DS1302操作的时候，CE要设置为"1"（高电平），操作完成之后对CE设置“0”（低电平），等待下一次操作。SCLK为上升沿的时候写入数据。当发送完一个控制命令字节。下一个下降沿开始进行数据的读取。
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代码演示——数码管显示时分秒

初始化显示时间：13时51分47秒。实物图：SCLK连接到P36引脚，IO连接到P34引脚，CE连接到P35引脚，具体可查看所使用的开发板电路图进行查看。关于数码管讲解请查看：普中51单片机：数码管显示原理与实现详解（四）

#include <REGX52.H>
#include <intrins.h>

sbit DS1302_RST = P3^5;
sbit DS1302_SCLK = P3^6;
sbit DS1302_IO = P3^4;

//共阴极数码管显示 0~F 的段码数据
unsigned char gsmg_code[17]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};

void DelayXms(unsigned int xms)	//@12.000MHz
{
	unsigned char data i, j;
	
	while(xms)
	{
		i = 2;
		j = 239;
		do
		{
			while (--j);
		} while (--i);
		xms--;
	}
}

void Init_Port(unsigned char Location)
{	
	switch(Location)
	{
		case 1:
			P2_2 = 0;P2_3 = 0;P2_4 = 0;
			break;
		case 2:
			P2_2 = 1;P2_3 = 0;P2_4 = 0;
			break;
		case 3:
			P2_2 = 0;P2_3 = 1;P2_4 = 0;
			break;
		case 4:
			P2_2 = 1;P2_3 = 1;P2_4 = 0;
			break;
		case 5:
			P2_2 = 0;P2_3 = 0;P2_4 = 1;
			break;
		case 6:
			P2_2 = 1;P2_3 = 0;P2_4 = 1;
			break;
		case 7:
			P2_2 = 0;P2_3 = 1;P2_4 = 1;
			break;
		case 8:
			P2_2 = 1;P2_3 = 1;P2_4 = 1;
			break;
	}
}

void DS1302_write_byte(unsigned char addr,unsigned char dat)
{
	unsigned char i = 0;
	DS1302_RST = 0;
	_nop_();//延时一微秒
	DS1302_SCLK = 0;
	_nop_();//延时一微秒
	DS1302_RST = 1;//通信开始
	_nop_();
	for(i = 0;i < 8;i++)//写入控制
	{
		DS1302_IO = addr&0x01;//从低位开始
		addr>>=1;
		DS1302_SCLK = 1;
		_nop_();//延时一微秒
		DS1302_SCLK = 0;
		_nop_();
	}
	for(i = 0;i < 8;i++)//写入数据
	{
		DS1302_IO = dat&0x01;//从低位开始
		dat>>=1;
		DS1302_SCLK = 1;
		_nop_();//延时一微秒
		DS1302_SCLK = 0;
		_nop_();
	}
	DS1302_RST = 0;//通信结束
}

//读
unsigned char DS1302_read_byte(unsigned char addr)
{
	
	unsigned char i = 0;
	unsigned char temp = 0;
	unsigned char value = 0;
	

	DS1302_RST = 0;
	_nop_();//延时一微秒
	DS1302_SCLK = 0;
	_nop_();//延时一微秒
	DS1302_RST = 1;//通信开始
	for(i = 0;i < 8;i++)//写入控制
	{
		DS1302_IO = addr&0x01;//从低位开始
		addr>>=1;
		DS1302_SCLK = 1;
		_nop_();//延时一微秒
		DS1302_SCLK = 0;
	}

	for(i = 0;i < 8;i++)//读取数据
	{
		temp = DS1302_IO;//从低位开始
		value=(temp<<7)|(value>>1);
		DS1302_SCLK = 1;
		_nop_();//延时一微秒
		DS1302_SCLK = 0;
	}
	DS1302_RST = 0;
	_nop_();	
	DS1302_SCLK=1;//对于实物中，P3.4口没有外接上拉电阻的，此处代码需要添加，使数据口有一个上升沿脉冲。
	_nop_();
	DS1302_IO = 0;
	_nop_();
	DS1302_IO = 1;
	_nop_();	
	return value;	
}

//秒分时日月周年
unsigned char gWrite_rtc_addr[]={0x80,0x82,0x84,0x86,0x88,0x8a,0x8c};
unsigned char gRead_rtc_addr[]={0x81,0x83,0x85,0x87,0x89,0x8b,0x8d};

unsigned char gDS1302_time[]={0x47,0x51,0x13,0x24,0x07,0x06,0x24};

void Init_Ds1302(void)
{
	unsigned char i = 0;
	//关闭写保护0x8e表示写保护寄存器
	DS1302_write_byte(0x8e,0x00);
	for(i = 0;i < 7;i++)
	{
		DS1302_write_byte(gWrite_rtc_addr[i],gDS1302_time[i]);
	}
	//打开写保护
	DS1302_write_byte(0x8e,0x80);
}

void ds1302_read_time(void)
{
	unsigned char i = 0;
	for(i = 0;i < 7;i++)
	{
		gDS1302_time[i] = DS1302_read_byte(gRead_rtc_addr[i]);
	}
}

void main()
{
	unsigned char i = 0;
	unsigned char time_buf[8];
	Init_Ds1302();//设置时间	
	while(1)
	{
		ds1302_read_time();//读取时间
		time_buf[0] = gsmg_code[gDS1302_time[2]/16];//时 转换为数码管 16进制获取第一位
		time_buf[1] = gsmg_code[gDS1302_time[2]&0x0f];//时 转换为数码管 16进制获取第二位
		time_buf[2] = 0x40;// -
		time_buf[3] = gsmg_code[gDS1302_time[1]/16];//分 转换为数码管 16进制获取第一位
		time_buf[4] = gsmg_code[gDS1302_time[1]&0x0f];//分 转换为数码管 16进制获取第二位
		time_buf[5] = 0x40;// -
		time_buf[6] = gsmg_code[gDS1302_time[0]/16];//秒 转换为数码管 16进制获取第一位
		time_buf[7] = gsmg_code[gDS1302_time[0]&0x0f];//秒 转换为数码管 16进制获取第二位
		for(i = 1; i <= 8;i++)
		{
			Init_Port(i);
			P1 = time_buf[i-1];
			DelayXms(1);
			P1 = 0x00;//消影
		}		
	}
}

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