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。

接线图：

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。