手把手教你使用PIC单片机做DS1302数字钟实验（C语言版）——站长原创，如需引用请注明出处

    在很多单片机系统中都要求带有实时时钟电路，如最常见的数字钟、钟控设备、数据记录仪表，这些仪表往往需要采集带时标的数据，同时一般它们也会有一些需要保存起来的重要数据，有了这些数据，便于用户后期对数据进行观察、分析。本小节就介绍市面上常见的时钟芯片DS1302的应用。DS1302是美国DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗、带内部RAM的实时时钟芯片(RTC)，也就是一种能够为单片机系统提供日期和时间的芯片。通过本小节的学习，我们将会把RTC相关的一些技术粗略介绍一下，然后介绍DS1302与单片机之间的软硬件应用。

1、实时时钟（RTC）简介

    实时时钟芯片的主要功能是完成年、月、周、日、时、分、秒的计时，通过外部接口为单片机系统提供日历和时钟，所以一个最基本的实时时钟芯片通常会具有如下的一些部件：电源电路、时钟信号产生电路、实时时钟、数据存储器、通讯接口电路、控制逻辑电路等，同时大部分的RTC还会提供一些额外的RAM。


9-35 RTC的基本组成

    如果直接利用单片机的定时器，是不是也可以用软件自己来写时钟、日历程序？是的，但是会有几个问题，首先为了使时钟不至于停走，就得在停电时给单片机供电，而相对RTC来说，单片机的功耗大很多，电池往往无法长时间工作；其次单片机计时的准确度比较差，通常很难达到需要的精度，因此目前RTC的使用已经十分广泛。
    由于在需要RTC的场合一般不允许时钟停走，所以即使在单片机系统停电的时候，RTC也必须能正常工作，因此一般都需要电池供电，同时考虑到电池使用寿命，所以有不少RTC把电源电路设计成能够根据主电源电压自动切换的形式，自动切换RTC使用主电源或备用电池，即当断电的时候，后备电池能够自动给RTC供电，而像DS1302还增加了电池充电电路，用来对可充锂电池充电。
    综上所述，RTC电路的主要特点是功耗低，精度高。那么，RTC在使用过程中是如何控制精度的呢？一般，RTC都使用32768Hz的晶振，本身误差小（5PPM~20PPM），同时很多设备在生产过程中对这个频率进行过校准，主要方法就是改变两个从晶振引脚到地的电容值的大小，通过测试RTC输出的秒信号的频率，然后把电容改成合适的数值，使精度控制在合理的范围里，当然目前也有些时钟芯片在片内内置了电容阵列，可以自动调整。影响精度还有另外一个原因，就是温度，因此有很多产品在采用无内置温补电路的时候，会使用软件对计时进行温度补偿。当然，现在也有些RTC内置了温度补偿，甚至还可以为系统提供环境温度值。
    我们最多见到的RTC可能是DS1302和DS12887了，当然其实还有很多其它的同类产品，下面按功能不同对几个也比较常见的RTC予以简单的比较。
一些常用RTC的功能比较

2、DS1302时钟芯片简介

    DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，可以通过串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每个月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM标志位决定采用24或12小时时间格式。DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需三根I/O线：复位（RST）、I/O数据线、串行时钟（SCLK）。时钟/RAM的读/写数据以一字节或多达31字节的字符组方式通信。DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时，功耗小于1mW。DS1302主要性能如下：
实时时钟具有能计算2100年之前的秒、分、时、日、星期、月、年的能力及闰年调整的能力。
31*8位暂存数据存储RAM。
串行I/O口方式，管脚数量少。
宽电压工作范围：2.0V～5.5V。
工作电流：2.0V时小于300nA。
读/写时钟或RAM数据时，有两种传送方式：单字节传送和多字节传送。
8脚DIP封装或SOIC封装

3、DS1302的内部结构

    DS1302的外部引脚功能说明如下：

9-36 DS1302封装图	X1，X2	32.768kHz晶振引脚
	GND	地
	RST	复位
	I/O	数据输入/输出
	SCLK	串行时钟
	VCC1	电池引脚
	VCC2	主电源引脚

    DS1302的内部结构如图9-37所示，主要组成部分为：移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟以及RAM。虽然数据分成两种，但是对单片机的程序而言，其实是一样的，就是对特定的地址进行读写操作。


9-37 DS1302的内部结构图

    DS1302含充电电路，可以对作为后备电源的可充电电池充电，并可选择充电使能和串入的二极管数目，以调节电池充电电压。不过对我们目前而言，最需要熟悉的是和时钟相关部分的功能，对于其它参数请参阅数据手册。
4、DS1302的工作原理

    DS1302工作时为了对任何数据传送进行初始化，需要将复位脚（RST）置为高电平且将8位地址和命令信息装入移位寄存器。数据在时钟（SCLK）的上升沿串行输入，前8位指定访问地址，命令字装入移位寄存器后，在之后的时钟周期，读操作时输出数据，写操作时输出数据。时钟脉冲的个数在单字节方式下为8+8（8位地址+8位数据），在多字节方式下为8加最多可达248的数据。
5、DS1302的寄存器和控制命令

    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。日历、时间寄存器及控制字如下表所示：

日历、时钟寄存器与控制字对照表

最后一位RD/W为“0”时表示进行写操作，为“1”时表示读操作。
DS1302内部寄存器列表如下所示：

DS14302内部主要寄存器分布表

    DS1302内部的RAM分为两类，一类是单个RAM单元，共31个，每个单元为一个8位的字节，其命令控制字为COH~FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH（写）、FFH（读）。
    我们现在已经知道了控制寄存器和RAM的逻辑地址，接着就需要知道如何通过外部接口来访问这些资源。单片机是通过简单的同步串行通讯与DS1302通讯的，每次通讯都必须由单片机发起，无论是读还是写操作，单片机都必须先向DS1302写入一个命令帧，这个帧的格式如表X-X所示，最高位BIT7固定为1，BIT6决定操作是针对RAM还是时钟寄存器，接着的5个BIT是RAM或时钟寄存器在DS1302的内部地址，最后一个BIT表示这次操作是读操作抑或是写操作。
    物理上，DS1302的通讯接口由3个口线组成，即RST，SCLK，I/O。其中RST从低电平变成高电平启动一次数据传输过程，SCLK是时钟线，I/O是数据线。具体的读写时序参考图4，但是请注意，无论是哪种同步通讯类型的串行接口，都是对时钟信号敏感的，而且一般数据写入有效是在上升沿，读出有效是在下降沿（DS1302正是如此的，但是在芯片手册里没有明确说明），如果不是特别确定，则把程序设计成这样：平时SCLK保持低电平，在时钟变动前设置数据，在时钟变动后读取数据，即数据操作总是在SCLK保持为低电平的时候，相邻的操作之间间隔有一个上升沿和一个下降沿。


9-38 DS1302的命令字结构

6、DS1302的软硬件设计实例

    本例将实现对DS1302的读写操作，将时钟数据在LED数码管上显示出来。调试时将功能选择开关调到DS1302的状态上。

上图为 增强型PIC实验板DS1302接口部分原理图

增强型PIC实验板上电后开始计时，数字电子钟开始运行了。

当前时间为：12：30：45

当前时间为：12：30：52

当前时间为：12：31：02