51单片机基础-DS1302时钟

第十七章 DS1302时钟

1. 导入

DS1302 是常用的实时时钟（RTC）芯片，采用类似三线SPI的时序（CE、SCLK、IO），内置掉电保持与涓流充电电路，并提供少量RAM。它以 BCD 格式存储年、月、日、时、分、秒，支持 12/24 小时制。配合 32.768kHz 晶振与后备电池，即便主电掉电也能继续计时。

本章目标：

• 掌握 DS1302 引脚、供电与时钟电路连接。
• 熟悉读写寄存器、BCD 编解码、CH位与WP位使用。
• 编写完整驱动：初始化、设置时间、读取时间。
• 将时间以数码管或串口方式显示。

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2. 硬件设计

• 晶振：32.768kHz 晶体接 DS1302 的 X1、X2，引脚内部含电容，一般无需外部电容。
• 供电：
  • VCC 接 +5V（或+3.3V，取决于系统电压）。
  • VBAT 接 3V 纽扣电池（CR2032）以掉电保持，GND 共地。
• 三线接口（任意通用IO均可，以下示例以 P1.0~P1.2）：
  • CE → P1.2（片选，高有效）
  • SCLK→ P1.1（时钟，空闲低，上升沿采样）
  • IO → P1.0（数据，双向）
• 其他：建议在 VCC 与 GND 处加去耦电容（如 0.1µF）。

引脚速查（常用）

• CE：片选（高有效）
• SCLK：串行时钟（空闲低）
• IO：数据线（LSB 先传，写入在 SCLK 上升沿采样，读取在 SCLK 上升沿后稳定）
• X1/X2：32.768kHz 晶体
• VBAT：后备电池
• VCC/GND：主电源/地

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3. 软件设计

3.1 寄存器与关键位

• 地址规则：偶地址=写，奇地址=读；最低位为R/W位。
  • 秒：0x80/0x81（bit7=CH，1=停止振荡，需清0）
  • 分：0x82/0x83
  • 时：0x84/0x85（24h 模式 bit7=0；12h 模式 bit7=1）
  • 日：0x86/0x87（日期/日 of month）
  • 月：0x88/0x89
  • 周：0x8A/0x8B（1~7）
  • 年：0x8C/0x8D（00~99）
  • 控制：0x8E/0x8F（bit7=WP写保护，1=保护，0=可写）
  • 涓流充电：0x90（按需配置，常用关闭）
• 数据均为 BCD 格式存储（十位在高4位，个位在低4位）。

3.2 基础工具与引脚定义（C51）

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

sbit DS1302_IO   = P1^0;  // 数据（双向）
sbit DS1302_SCLK = P1^1;  // 时钟
sbit DS1302_CE   = P1^2;  // 片选（高有效）

// 简单微延时（视时序需要可适当增加 _nop_ 次数）
static void ds_delay(void) {
    _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();
}

static unsigned char bin2bcd(unsigned char b) {
    return ((b / 10) << 4) | (b % 10);
}

static unsigned char bcd2bin(unsigned char bcd) {
    return ((bcd >> 4) * 10) + (bcd & 0x0F);
}

3.3 总线底层读写（LSB先行）

// 进入传输（CE拉高，SCLK置低）
static void ds1302_enable(void) {
    DS1302_CE = 0;
    DS1302_SCLK = 0;
    DS1302_CE = 1;
    ds_delay();
}

// 结束传输
static void ds1302_disable(void) {
    DS1302_CE = 0;
    ds_delay();
}

// 发送1字节（LSB先）
static void ds1302_write_byte(unsigned char dat) {
    unsigned char i;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        DS1302_IO = (dat & 0x01);  // 输出当前位（LSB）
        ds_delay();
        DS1302_SCLK = 1;           // 上升沿采样
        ds_delay();
        DS1302_SCLK = 0;
        dat >>= 1;                 // 下一位
    }
}

// 读取1字节（LSB先）
static unsigned char ds1302_read_byte(void) {
    unsigned char i, dat = 0;
    // 释放IO为输入：8051口写1即可呈现高阻输入状态
    DS1302_IO = 1;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        // 读取当前位（LSB）
        if (DS1302_IO) {
            dat |= (1 << i);
        }
        ds_delay();
        DS1302_SCLK = 1;   // 时钟上升沿，器件准备下一位
        ds_delay();
        DS1302_SCLK = 0;
    }
    return dat;
}

3.4 读写寄存器封装

// 写寄存器（addr 为偶地址）
static void ds1302_write_reg(unsigned char addr, unsigned char dat) {
    ds1302_enable();
    ds1302_write_byte(addr & 0xFE);  // 确保为写（LSB=0）
    ds1302_write_byte(dat);
    ds1302_disable();
}

// 读寄存器（addr 为偶地址，此处内部自动+1为读）
static unsigned char ds1302_read_reg(unsigned char addr) {
    unsigned char dat;
    ds1302_enable();
    ds1302_write_byte((addr & 0xFE) | 0x01);  // 读命令（LSB=1）
    dat = ds1302_read_byte();
    ds1302_disable();
    return dat;
}

3.5 关键初始化：清WP、清CH

// 取消写保护
static void ds1302_write_enable(void) {
    ds1302_write_reg(0x8E, 0x00); // WP=0
}

// 开启写保护（可选）
static void ds1302_write_protect(void) {
    ds1302_write_reg(0x8E, 0x80); // WP=1
}

// 清除CH位（启动振荡器），只在秒寄存器写时确保bit7=0
static void ds1302_clear_CH(void) {
    unsigned char sec = ds1302_read_reg(0x80);
    if (sec & 0x80) {
        sec &= 0x7F;
        ds1302_write_enable();
        ds1302_write_reg(0x80, sec);
        // ds1302_write_protect(); // 需要时再加保护
    }
}

3.6 时间结构与读写接口

typedef struct {
    unsigned char year;   // 0~99
    unsigned char month;  // 1~12
    unsigned char date;   // 1~31
    unsigned char week;   // 1~7
    unsigned char hour;   // 0~23（按24小时制）
    unsigned char min;    // 0~59
    unsigned char sec;    // 0~59
} rtc_time_t;

// 设置时间（24小时制）
void ds1302_set_time(rtc_time_t *t) {
    unsigned char h = bin2bcd(t->hour) & 0x3F; // 24小时制：bit7=0
    ds1302_write_enable();
    ds1302_write_reg(0x80, bin2bcd(t->sec) & 0x7F); // CH=0
    ds1302_write_reg(0x82, bin2bcd(t->min));
    ds1302_write_reg(0x84, h);
    ds1302_write_reg(0x86, bin2bcd(t->date));
    ds1302_write_reg(0x88, bin2bcd(t->month));
    ds1302_write_reg(0x8A, bin2bcd(t->week));
    ds1302_write_reg(0x8C, bin2bcd(t->year));
    // 可按需配置涓流充电寄存器 0x90（一般保持默认或关闭）
    // ds1302_write_protect(); // 若需保护，最后开启
}

// 读取时间（转为BIN）
void ds1302_get_time(rtc_time_t *t) {
    unsigned char sec  = ds1302_read_reg(0x80) & 0x7F; // 去CH
    unsigned char min  = ds1302_read_reg(0x82);
    unsigned char hour = ds1302_read_reg(0x84);
    unsigned char date = ds1302_read_reg(0x86);
    unsigned char month= ds1302_read_reg(0x88);
    unsigned char week = ds1302_read_reg(0x8A);
    unsigned char year = ds1302_read_reg(0x8C);

    t->sec   = bcd2bin(sec);
    t->min   = bcd2bin(min);
    // 24小时：bit7=0，小时BCD在 bit5..0
    t->hour  = bcd2bin(hour & 0x3F);
    t->date  = bcd2bin(date);
    t->month = bcd2bin(month);
    t->week  = bcd2bin(week);
    t->year  = bcd2bin(year);
}

3.7 示例一：首次上电设置时间，随后循环读取

可通过是否发现 CH=1（振荡关闭）来判断是否需要"首次初始化时间"。

void delay_ms(unsigned int ms) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < ms; i++)
        for (j = 0; j < 125; j++);
}

void ds1302_init_and_maybe_set(void) {
    // 若秒寄存器CH=1，则清CH并设置一次默认时间
    unsigned char sec = ds1302_read_reg(0x80);
    if (sec & 0x80) {
        rtc_time_t t = { .year=23, .month=12, .date=31, .week=7,
                         .hour=23, .min=59, .sec=50 };
        ds1302_set_time(&t);
    } else {
        ds1302_clear_CH(); // 保险操作
    }
}

void main() {
    rtc_time_t now;
    ds1302_init_and_maybe_set();

    while (1) {
        ds1302_get_time(&now);
        // TODO: 将 now 显示到数码管/串口
        // 示例延时
        delay_ms(500);
    }
}

3.8 示例二：4位数码管显示"HH:MM"

沿用前文动态数码管思路，仅演示核心代码（共阴段码）：

// 共阴段码（0~9）
unsigned char code seg_code[] = {
  0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F
};

// 显示 HH:MM，第二位加小数点作为"冒号"
void show_hhmm(unsigned char h, unsigned char m) {
    unsigned char d0 = h / 10;
    unsigned char d1 = h % 10;
    unsigned char d2 = m / 10;
    unsigned char d3 = m % 10;
    // 位选：P2.0~P2.3 低有效；段选：P0
    // 一次扫描演示：建议放定时器中断中做1ms扫描
    P0 = seg_code[d0];           P2 = (P2 & 0xF0) | 0x0E; delay_ms(1);
    P0 = seg_code[d1] | 0x80;    P2 = (P2 & 0xF0) | 0x0D; delay_ms(1); // 点亮"："
    P0 = seg_code[d2];           P2 = (P2 & 0xF0) | 0x0B; delay_ms(1);
    P0 = seg_code[d3];           P2 = (P2 & 0xF0) | 0x07; delay_ms(1);
}

void main() {
    rtc_time_t now;
    ds1302_init_and_maybe_set();

    while (1) {
        ds1302_get_time(&now);
        // 快速循环扫描，形成稳定显示
        show_hhmm(now.hour, now.min);
    }
}

3.9 示例三：串口打印时间

extern void uart_init(void);
extern void uart_send_byte(unsigned char ch);
static void uart_send_str(char *s){ while(*s) uart_send_byte(*s++); }

static void uart_send_2d(unsigned char v) {
    uart_send_byte('0' + v/10);
    uart_send_byte('0' + v%10);
}

void main() {
    rtc_time_t now;
    uart_init();
    ds1302_init_and_maybe_set();

    while (1) {
        ds1302_get_time(&now);
        uart_send_2d(now.year);  uart_send_byte('-');
        uart_send_2d(now.month); uart_send_byte('-');
        uart_send_2d(now.date);  uart_send_byte(' ');
        uart_send_2d(now.hour);  uart_send_byte(':');
        uart_send_2d(now.min);   uart_send_byte(':');
        uart_send_2d(now.sec);   uart_send_str("\r\n");
        delay_ms(1000);
    }
}

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4. 小结

• 硬件要点：32.768kHz 晶振接 X1/X2；VBAT 接纽扣电池；三线时序用普通IO即可。
• 关键寄存器：秒寄存器 CH 位需清0；控制寄存器 WP 写保护需清0后方可写。
• 通信时序：LSB 先行；写在 SCLK 上升沿采样；读在上升沿后取值。
• 代码实现：提供寄存器基础读写、时间结构封装、初始化/设置/读取完整流程。
• 显示与验证：给出 4位数码管与串口打印两种展示方案。

常见问题与排查

• 读到不变化或全零：检查 CE/SCLK/IO 接线与极性；确认 CE 在传输开始与结束的拉高拉低时序。
• 时间不走或复位：CH 位未清；或晶振未起振（焊接、型号、污染）。
• 写不进去：WP 未清（控制寄存器0x8E bit7=1）；或未按偶地址写、奇地址读规则。
• 显示跳变或闪烁：将数码管扫描放入定时器中断，主循环仅更新显示数据。

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