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。
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接线图：
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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。
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{
sda = 1;
nop （）;
scl = 1;
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scl = 0;
}
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{
sda = 0;
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nop （）;
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nop （）;
}
void ack（） //模拟 i2c 应答信号
{
sda = 1;
nop （）;
scl = 1;
nop （）;
scl = 0;
}
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{
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i=0;
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}
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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。
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