Заключение

В данной статье был показан пример работы с микросхемой часов реального времени RTC DS1307 и микросхемой-драйвером индикатора TM1637, также мы научились получать дату и время на этапе компиляции. Теперь, если выставить нужное время на часах, а потом отключить питание хоть на несколько часов, то после включения время вновь будет точным. Проверено!

Часы реального времени - модуль, который хранит текущую дату и не сбрасывает её при отключении питания благодаря встроенной батарейке. Вы могли слышать о часах на основе чипа DS1307. Этот чип отличается крайне низкой точностью хода часов. Отставание на один час в сутки - это слишком. Рекомендую использовать модуль на основе высокоточного чипа DS3231, который снабжён термометром для корректирования хода часов в зависимости от температуры. Точность хода часов этого чипа находится на уровне хороших наручных часов и составляет 2ppm при температуре окружающей среды 0°-40°. При этом, модуль совместим со всеми библиотеками, написанными для модуля на основе чипа DS1307. Статья рассказывает о подключении модуля к Arduino и взаимодействии с ними с помощью библиотеки Time. Купить такой модуль у проверенного мной продавца вы можете .

Подключение часов реального времени

Часы подключаются по протоколу I2C всего двумя проводами. Необходимо дополнительно подтянуть выводы, к которым подключаются часы к рельсе питания с помощью резисторов 2 КОм. Выводы часов выглядят так:

Выводы 32К и SQW можно игнорировать. Их назначение не рассматривается в этой статье. SCL и SDA - это выводы интерфейса I2C. Их и нужно подключать к контроллеру. VCC и GND - +5 В и земля соответственно.

SCL и SDA на разных платах расположены на разных выводах:

Вывод SDA часов подключается к выводу SDA контроллера. SDL часов, соответственно, к SDL контроллера. После подключения проводов, должна получиться такая картина:

Работать с модулем часов реального времени удобней всего с помощью библиотеки. Наиболее удобная в этом плане, так и называется: Time (англ. время ).
Библиотека является «обёрткой» для другой популярной библиотеки для работы с модулем часов: DS1307RTC. Несмотря на то, что библиотека разработана для чипа DS1307, она прекрасно работает и с DS3231, так как протоколы взаимодействия совместимы.

Скачайте обе библиотеки.

После скачивания, поместите содержимое архивов в папку libraries, которая находится в папке со средой разработки Arduino. Запустите среду Arduino IDE и откройте стандартный пример библиотеки: Примеры->Time->TimeRTC
Или просто скопируйте этот код:

#include #include #include void setup() { Serial.begin(9600); while (!Serial) ; // wait until Arduino Serial Monitor opens setSyncProvider(RTC.get); // the function to get the time from the RTC if(timeStatus()!= timeSet) Serial.println("Unable to sync with the RTC"); else Serial.println("RTC has set the system time"); } void loop() { if (timeStatus() == timeSet) { digitalClockDisplay(); } else { Serial.println("The time has not been set. Please run the Time"); Serial.println("TimeRTCSet example, or DS1307RTC SetTime example."); Serial.println(); delay(4000); } delay(1000); } void digitalClockDisplay(){ // digital clock display of the time Serial.print(hour()); printDigits(minute()); printDigits(second()); Serial.print(" "); Serial.print(day()); Serial.print(" "); Serial.print(month()); Serial.print(" "); Serial.print(year()); Serial.println(); } void printDigits(int digits){ // utility function for digital clock display: prints preceding colon and leading 0 Serial.print(":"); if(digits < 10) Serial.print("0"); Serial.print(digits); }

После загрузки скетча в плату запустите монитор порта (Сервис->монитор порта). Вы увидите сообщения от библиотеки. Отображаемое время будет неверным, либо библиотека вовсе пожалуется на не настроенные часы. Для настройки часов загрузите в плату пример из библиотеки DS1307RTC «SetTime» (Примеры->DS1307RTC->SetTime). Загрузите этот пример в плату. После загрузки часы окажутся настроенными на время компиляции скетча . Задержка между компиляцией и полной загрузкой составит совсем немного, чего окажется достаточно для точно настроенных часов. Но если вы отключите и заново подключите питание платы, даже через несколько часов, время в часах всё равно будет заново установлено на время компиляции и окажется неверным. Поэтому, используйте этот пример только для настройки, после настройки отключите часы или загрузите в плату другой скетч.

Началось все с того, что волею случая я оказался владельцем текстового ЖК экрана BTHQ 22005VSS (2 строки по 20 знаков в каждой) и платы электронных часов DS1302. По правде говоря, в «Ардуиностроении» я делаю первые шаги, по этому, в приобретении данных деталей решающую роль сыграла демократичная цена и возможность быстрой доставки. Ведь, зачастую ждать, когда «девайс» прибудет из Поднебесной, обогнув почти «пол мира» некогда, да и просто не хочется.

Почему именно часы? В то время, когда вокруг продается масса разнообразных часов, цена самых простых из которых сравнима с пакетом сока. А дело все в том, что зачастую необходимо не просто знать точное время (и дату, что тоже иногда нужно) но еще и оперировать этим временем. Например - вести логи изменения температуры (влажности, давления, освещенности и т.п.) с указанием точного времени, когда эти изменения произошли. Вот тут-то ARDUINO оснащенный часами и окажет замечательную услугу. Да и кроме того, приятно, когда прибор ко всему прочему показывает еще и время. Ведь, даже работая на персональном компьютере мы изредка, да поглядываем в правый нижний угол, а вдруг уже пора на обед, или наступил конец рабочего дня, а может быть уже скоро рассвет?

Сердцем данного проекта послужил ARDUINO UNO, приобрести который довольно просто - это, конечно, если хочется купить что-то качественное и быстро. Можно, конечно найти и дешевле, но опять-же ждать, а ждать не хотелось. «Ардуинка» бодро моргала светодиодиком, выполняла все, что от неё требовалось давая простенькие сообщения через последовательный порт, в общем радовала. Но вернемся к часам. Проблемы начались, как всегда, неожиданно. Толковых статей и всего остального ни на экранчик, ни на часы «слёту» найти не удалось. На другие экраны - есть, на другие часы - сколько угодно, а вот на то, что в руках - почти ничего. Но, когда нет ничего - «почти» это тоже очень много.

Начнем с экрана. BTHQ 22005VSS оказался банальным ЖК экраном 20х2 (т.е. имеет 2 строки по 20 символов в каждой) вместо него вполне можно использовать, например экран - правда в нем «всего» 16 символов в каждой из строк, но для большинства проектов этого более, чем достаточно. Данный экран имеет 16-пиновый разъем, правда не однорядный, а двухрядный (2х8), если держать устройство экраном от себя, а разъемом справа, то первый пин будет нижним левым, второй нижним правым, третий над первым, четвертый над вторым, и т.д. Верхний левый (15) будет анод, верхний правый (16) - катод. Если есть знания английского и любознательность - можно почитать техническое описание . Если первого крайне мало, а любознательность гораздо слабее желания поэкспериментировать - вот, как подключал я:

В некоторых источниках «распиновка» со стороны Ардуино отличается, но ведь мне было удобнее так. Подключение часов также не вызвало проблем:

Подключать можно проводками, шлейфом, лично я собрал на макетной плате.

Проблемы начались, когда был загружен демоскетч и часы заработали. Правда показали они 2165 год, 45 месяц, 85 неделю... Наверное это по «уранскому» или «нептунскому» календарю… Но жить мне на Земле, а на Уран с Нептуном я пока не собираюсь. В общем надо что-то делать. Пайка в цепь GND->GND резистора 10кОм не помогла. Проблема оказалась в некорректной библиотеке. Сразу скажу, что корректную библиотеку можно взять . Это для часов. Экранчик успешно пользуется библиотекой из стандартного набора, которая зовется LiquidCrystal.h .

Проблема №2. Часы при каждом запуске начинают отсчет с того времени, которое «прошито» в программе. Есть сложное решение этой проблемы. Создать хеш, записать его в память часов, потом, при запуске считать его оттуда, сравнить… В общем для новичка в «Ардуиностроении» как то сложновато. Как оказалось есть и простое решение. точнее очень простое. А именно - прошить 2 раза. Первый раз - прошить с установкой даты и времени, второй раз прошить, предварительно «закомментировав» (поставив знак // в самом начале строки) строки с установкой этой самой даты.

Собственно говоря скетч:

В данной статье мы рассмотрим, как сделать точные часы на базе Arduino или AVR-микроконтроллера микросхемы часов реального времени DS1307. Время будет выводиться на LCD дисплей.

Что необходимо

• компьютер с установленной Arduino IDE;
• микросхема DS1307 или модуль RTC на ее основе ;
• комплектующие из списка элементов.

Вы можете заменить плату Arduino на контроллер Atmel, но убедитесь, что у него достаточно входных и выходных выводов и есть аппаратная реализация интерфейса I2C. Я использую ATMega168A-PU. Если вы будете использовать отдельный микроконтроллер, то вам понадобится программатор, например, AVR MKII ISP.

Предполагается, что читатель знаком с макетированием, программированием в Arduino IDE и имеет некоторые знания языка программирования C. Обе программы, приведенные ниже, не нуждаются в дополнительном разъяснении.

Введение

Как микроконтроллеры отслеживают время и дату? Обычный микроконтроллер обладает функцией таймера, который стартует от нуля при подаче напряжения питания, а затем начинает считать. В мире Arduino мы можем использовать функцию millis() , чтобы узнать, сколько прошло миллисекунд с того времени, когда было подано напряжение питания. Когда вы снимете и снова подадите питания, она начнет отсчет с самого начала. Это не очень удобно, когда дело доходит до работы с часами и датами.

Вот здесь и будет удобно использование микросхемы RTC (Real Time Clock, часов реального времени). Эта микросхема с батарейкой 3В или каким-либо другим источником питания следит за временем и датой. Часы/календарь обеспечивают информацию о секундах, минутах, часах, дне недели, дате, месяце и годе. Микросхема корректно работает с месяцами продолжительностью 30/31 день и с високосными годами. Связь осуществляется через шину I2C (шина I2C в данной статье не обсуждается).

Если напряжение на главной шине питания Vcc падает ниже напряжения на батарее Vbat, RTC автоматически переключается в режим низкого энергопотребления от резервной батареи. Резервная батарея - это обычно миниатюрная батарея (в виде «монетки», «таблетки») напряжением 3 вольта, подключенная между выводом 3 и корпусом. Таким образом, микросхема по-прежнему будет следить за временем и датой, и когда на основную схему будет подано питание, микроконтроллер получит текущие время и дату.

В этом проекте мы будем использовать DS1307. У этой микросхемы вывод 7 является выводом SQW/OUT (выходом прямоугольных импульсов). Вы можете использовать этот вывод для мигания светодиодом и оповещения микроконтроллера о необходимости фиксации времени. Мы будем делать и то, и другое. Ниже приведено объяснение работы с выводом SQW/OUT.

Для управления работой вывода SQW/OUT используется регистр управления DS1307.

Данная таблица поможет вам с частотой:

Если вы подключили светодиод и резистор к выводу 7 и хотите, чтобы светодиод мигал с частотой 1 Гц, то должны записать в регистр управления значение 0b00010000. Если вам нужны импульсы 4,096 кГц, то вы должны записать 0b000100001. В этом случае, чтобы увидеть импульсы вам понадобится осциллограф, так как светодиод будет мигать так быстро, что будет казаться, что он светится постоянно. Мы будем использовать импульсы с частотой 1 Гц.

Аппаратная часть

Ниже показана структурная схема того, что нам необходимо.

Мы нужны:

• разъем ISP (In System Programming, внутрисхемное программирование) для прошивки микроконтроллера;
• кнопки для установки времени и даты;
• микроконтроллер для связи с RTC через шину I2C;
• дисплей для отображения даты и времени.

Принципиальная схема:

Перечень элементов

Ниже приведен скриншот из Eagle:

Программное обеспечение

В этом руководстве мы будем использовать два различных скетча: один, который записывает время и дату в RTC, и один, который считывает время и дату из RTC. Мы сделали так потому, что так вы сможете получить более полное представление о том, что происходит. Мы будем использовать одну и ту же схему для обеих программ.

Сперва мы запишем время и дату в RTC, что аналогично установке времени на часах.

Мы используем две кнопки. Одну для увеличения часов, минут, даты, месяца, года и дня недели, а вторую для выбора между ними. Приложение не считывает состояния каких-либо критически важных датчиков, поэтому мы будем использовать прерывания для проверки, нажата ли кнопка, и обработки дребезга контактов.

Следующий код устанавливает значения и записывает их в RTC:

#include // Определение выводов LCD #define RS 9 #define E 10 #define D4 8 #define D5 7 #define D6 6 #define D7 5 LiquidCrystal lcd(RS, E, D4, D5, D6, D7); // Прерывание 0 – это вывод 4 микроконтроллера (цифровой вывод 2 Arduino) int btnSet = 0; // Прерывание 1 – это вывод 5 микроконтроллера (цифровой вывод 3 Arduino) int btnSel = 1; // Флаги прерываний volatile int togBtnSet = false; volatile int togBtnSel = false; volatile int counterVal = 0; // Переменные для отслеживания, где в "меню" мы находимся volatile int menuCounter = 0; // Массив значений volatile int menuValues; // 0=часы, 1=минуты, 2=день месяца, 3=месяц, 4=год, 5=день недели // Заголовки меню char* menuTitles = { "Set hour. ", "Set minute. ", "Set date. ", "Set month. ", "Set year. ", "Set day (1=mon)." }; // Массив дней недели char* days = { "NA", "Mon", "Tue", "Wed", "Thu", "Fre", "Sat", "Sun" }; void setup() { // Объявление прерываний, выполнение функций increaseValue/nextItem // по переднему фронту на btnXXX attachInterrupt(btnSet, increaseValue, RISING); attachInterrupt(btnSel, nextItem, RISING); Wire.begin(); lcd.begin(16,2); showWelcome(); } // Функция прерывания void increaseValue() { // Переменные static unsigned long lastInterruptTime = 0; // Создание метки времени unsigned long interruptTime = millis(); // Если timestamp - lastInterruptTime больше, чем 200 if (interruptTime - lastInterruptTime > 200) { togBtnSet = true; // Увеличить counterVal на 1 counterVal++; } // Установка lastInterruptTime равным метке времени // так мы знаем, что прошли дальше lastInterruptTime = interruptTime; } // Функция прерывания для следующего пункта меню void nextItem() { static unsigned long lastInterruptTime = 0; unsigned long interruptTime = millis(); if (interruptTime - lastInterruptTime > 200) { togBtnSel = true; // Увеличить счетчик меню, так мы переходим к следующему пункту меню menuCounter++; if (menuCounter > 6) menuCounter = 0; // Поместить counterVal в элемент массива счетчиков меню menuValues = counterVal; // Сбросить counterVal, сейчас мы начинаем с 0 для следующего пункта меню counterVal = 0; } lastInterruptTime = interruptTime; } // Функция преобразования десятичных чисел в двоично-десятичный код byte decToBCD(byte val) { return ((val/10*16) + (val%10)); } // Функция проверки, была ли нажата кнопки листания меню, // и обновления заголовка на дисплее. void checkCurrentMenuItem() { if (togBtnSel) { togBtnSel = false; lcd.setCursor(0,0); lcd.print(menuTitles); } } // Функция проверки, была ли нажата кнопка увеличения значения, // и обновления переменной в соответствующем элементе массива, // плюс вывод нового значения на дисплей. void checkAndUpdateValue() { // Проверить, если прерывание сработало = кнопка нажата if (togBtnSet) { // Обновить значение элемента массива с counterVal menuValues = counterVal; // Сбросить флаг прерывания togBtnSet = false; lcd.setCursor(7,1); // Напечатать новое значение lcd.print(menuValues); lcd.print(" "); } } // Короткое приветственное сообщение, теперь мы знаем, что всё нормально void showWelcome() { lcd.setCursor(2,0); lcd.print("Hello world."); lcd.setCursor(3,1); lcd.print("I"m alive."); delay(500); lcd.clear(); } // Запись данных в RTC void writeRTC() { Wire.beginTransmission(0x68); Wire.write(0); // начальный адрес Wire.write(0x00); // секунды Wire.write(decToBCD(menuValues)); // преобразовать минуты в BCD-код и записать Wire.write(decToBCD(menuValues)); // преобразовать часы в BCD-код и записать Wire.write(decToBCD(menuValues)); // преобразовать день недели в BCD-код и записать Wire.write(decToBCD(menuValues)); // преобразовать день месяца в BCD-код и записать Wire.write(decToBCD(menuValues)); // преобразовать месяц в BCD-код и записать Wire.write(decToBCD(menuValues)); // преобразовать год в BCD-код и записать Wire.write(0b00010000); // включить прямоугольные импульсы 1 Гц на выводе 7 Wire.endTransmission(); // закрыть передачу } // Показать время // Чтобы посмотреть, что RTC работает, вам необходимо посмотреть другую программу void showTime() { lcd.setCursor(0,0); lcd.print(" "); lcd.print(menuValues); lcd.print(":"); // часы lcd.print(menuValues); lcd.print(":"); lcd.print("00 "); // минуты lcd.setCursor(3,1); lcd.print(days); lcd.print(" "); // день недели lcd.print(menuValues); lcd.print("."); // дата lcd.print(menuValues); lcd.print("."); // месяц lcd.print(menuValues); lcd.print(" "); // год // вызов функции writeRTC writeRTC(); } void loop() { if (menuCounter < 6) { checkCurrentMenuItem(); checkAndUpdateValue(); } else { showTime(); } }

Эта программа начинается с короткого приветственного сообщения. Это сообщение говорит нам, что подано питание, LCD работает, и что программа запустилась. Так как скетч служит лишь для того, чтобы показать, как записать данные из Arduino в RTC DS1307, то в нем отсутствует вспомогательный функционал (проверка, попадают ли значения в допустимые диапазоны; зацикливание при нажимании на кнопку увеличения значения, то есть сброс на 0, когда значение, например, минут превысит 60, и т.д.)

// Включение заголовочных файлов #include #include // Определение выводов LCD #define RS 9 #define E 10 #define D4 8 #define D5 7 #define D6 6 #define D7 5 LiquidCrystal lcd(RS, E, D4, D5, D6, D7); // Вывод, который будет принимать импульсы от RTC volatile int clockPin = 0; // Переменные времени и даты byte second; byte minute; byte hour; byte day; byte date; byte month; byte year; // Массив дней недели char* days = { "NA", "Mon", "Tue", "Wed", "Thu", "Fre", "Sat", "Sun" }; // Функция, которая выполняется только при запуске void setup() { pinMode(clockPin, INPUT); pinMode(clockPin, LOW); Wire.begin(); lcd.begin(16,2); showWelcome(); } // Короткое приветственное сообщение, теперь мы знаем, что всё нормально void showWelcome() { lcd.setCursor(2,0); lcd.print("Hello world."); lcd.setCursor(3,1); lcd.print("I"m alive."); delay(500); lcd.clear(); } byte bcdToDec(byte val) { return ((val/16*10) + (val%16)); } // Это выполняется постоянно void loop() { // Если уровень на выводе clockPin высокий if (digitalRead(clockPin)) { // Начать передачу I2C, адрес 0x68 Wire.beginTransmission(0x68); // Начать с адреса 0 Wire.write(0); // Закрыть передачу Wire.endTransmission(); // Начать чтение 7 двоичных данных от 0x68 Wire.requestFrom(0x68, 7); second = bcdToDec(Wire.read()); minute = bcdToDec(Wire.read()); hour = bcdToDec(Wire.read()); day = bcdToDec(Wire.read()); date = bcdToDec(Wire.read()); month = bcdToDec(Wire.read()); year = bcdToDec(Wire.read()); // Форматирование и отображение времени lcd.setCursor(4,0); if (hour < 10) lcd.print("0"); lcd.print(hour); lcd.print(":"); if (minute < 10) lcd.print("0"); lcd.print(minute); lcd.print(":"); if (second < 10) lcd.print("0"); lcd.print(second); lcd.setCursor(2,1); // Форматирование и отображение даты lcd.print(days); lcd.print(" "); if (date < 10) lcd.print("0"); lcd.print(date); lcd.print("."); if (month < 10) lcd.print("0"); lcd.print(month); lcd.print("."); lcd.print(year); } }

Заключение

В данной статье мы рассмотрели микросхему DS1307 от Maxim Integrated и написали две демонстрационные программы: одну для установки времени и даты и вторую для чтения времени и даты. Для проверки нажатия кнопок мы использовали прерывания, в которых также избавлялись от влияния дребезга контактов.

Фото и видео

Установка времени

Считывание времени