Arduino練習：RTC即時時鐘DS1307

Arduino的millis()，每次重開機就會從0開始計數，單位是千分之一秒，型別為unsigned long，大概50天便會溢位（2^32-1 / 1000 / 60 / 60 / 24 = 49.71），對某些情況而言已足夠，但若我們想要在Arduino沒電不運作時、仍然繼續計數，那麼就需要另一個晶片與額外的電池了。

所謂RTC（Real-Time Clock、即時時鐘），其功能就好像手錶一樣，由電池供應電力，持續地跳動計數，當電子電路其他部分斷電不運作時，RTC還是能繼續跑，記錄著正確的時間日期。個人電腦主機板也會有個RTC，當電腦關機時，還是會由一顆獨立的電池供應RTC電力，維持時間日期。

本篇以RTC晶片型號DS1307為範例，便宜不貴，精確度算普通。（若想要更好更精準的，可改用DS3231。）

我的板子是Arduino Uno R3，軟體開發環境為1.0.5 Windows版，電路圖（Fritzing格式）與原始碼可到這裡下載。

關於RTC，有很多已經組合好的「模組」 產品，譬如底下這三個：

Adafruit Industries的DS1307 Real Time Clock breakout board kit。此產品必須自己焊接組裝，底下是完成後的樣子，看起來很迷你精緻。


藝科資訊 Aroboto Studio的RTC時間模組。


在某拍賣網站找到的【秋葉原電腦周邊-旗艦店】㊣ mini_RTC DS1307時鐘模組 24C32記憶體 arduino 帶電池。


不過我是一個一個零件單獨購買，如下（依序是下圖中的從左到右，從上到下）：

• RTC晶片，型號DS1307
• 鋰電池CR1220，3V
• 鋰電池座
• 電阻2.2K ohm（色環：紅紅紅金），1/4W，2個
• 陶瓷電容0.1uF（104）
• 石英晶體32.768 KHz，12.5 pF

首先是硬體線路，翻閱DS1307的規格資料表，有8支腳。



線路如下：
首先將Arduino的5V與GND接到麵包板。

DS1307的Vcc接5V。
DS1307的Vcc另接陶瓷電容0.1uF再接地。

DS1307的SQW/OUT，可輸出四種頻率的方波，此篇不用，不接任何東西。

DS1307的SCL，接到Arduino的SCL（Uno的類比腳位5）。
DS1307的SCL另接上拉電阻2.2K ohm接5V。

DS1307的SDA，接到Arduino的SDA（Uno的類比腳位4）。
DS1307的SDA另接上拉電阻2.2K ohm接5V。

DS1307的X1與X2，接石英晶體32.768 KHz的兩支腳，不分極性。

DS1307的GND，接地。

DS1307的Vbat與GND，接到鋰電池CR1220的正極與負極。

注意，在下圖中，因為我在Fritzing裡找不到鋰電池的元件與圖案，所以用2xAA電池代替。


實際情況如下：


特寫DS1307的部份。


DS1307以I2C作資料傳輸的介面，而我已經將SDA、SCL分別接上Arduino的類比腳位4、5了。

以上是硬體線路的部份，接下來軟體程式的部份。

我使用Arduino的Time程式庫，可到這裡下載。下載解壓縮後，裡頭有Time目錄與DS1307RTC目錄，搬移到sketchbook/libraries底下。還有個TimeAlarms目錄，不使用。

程式碼如下，程式碼能經由序列埠設定時間日期（年、月、日、時、分、秒），每隔一秒就輸出時間日期到序列埠。

// 匯入需要的程式庫標頭檔
// Wire是I2C傳輸，最低階
// DS1307RTC，讀取即時時鐘DS1307
// Time，較高階的程式庫，可令它從DS1307取得時間
#include <Wire.h>
#include <Time.h>
#include <DS1307RTC.h>

// 簡便的工具函式，格式化輸出字串
void pf(const char *fmt, ... ){
    char tmp[128]; // resulting string limited to 128 chars
    va_list args;
    va_start (args, fmt );
    vsnprintf(tmp, 128, fmt, args);
    va_end (args);
    Serial.print(tmp);
}

void setup()  {
  Serial.begin(115200);
 
  // 設定從哪裡取得時間，由DS1307RTC程式庫的RTC.get負責
  // 這也是此程式碼裡唯一使用DS1307RTC程式庫的地方
  // 其餘皆使用較高階的Time程式庫的介面
  setSyncProvider(RTC.get);

  // 判斷能否從DS1307取得時間
  if(timeStatus() != timeSet)
     Serial.println("Unable to sync with the RTC");
  else
     Serial.println("RTC has set the system time");     
}

void loop()
{
  // 每隔一秒就輸出時間日期
   pf("%d/%d/%d %02d:%02d:%02d\n", year(), month(), day(), hour(), minute(), second());
   delay(1000);
}

// 聆聽序列埠，從這裡設定時間日期，格式如下：
// 「y2013」設定為2013年
// 「M1」設定為1月，注意是大寫的「M」
// 「d27」設定為26日
// 「h2」設定為2時
// 「m34」設定為34分
// 「s56」設定為56秒
void serialEvent()
{
  int t = Serial.read();
  int v = 0;
  int temp;
  while((temp = Serial.read()) != -1){
    v = v * 10 + (temp - '0');
  }
 
  int y = year();
  int M = month();
  int d = day();
  int h = hour();
  int m = minute();
  int s = second();
 
  switch(t){
    case 'y':
      y = v;
      break;
    case 'M':
      M = v;
      break;
    case 'd':
      d = v;
      break;
    case 'h':
      h = v;
      break;
    case 'm':
      m = v;
      break;
    case 's':
      s = v;
      break;
    default:
      pf("Wrong\n");
      break;
  }

  tmElements_t tm;
  tm.Year = y - 1970; // 從1970年開始算
  tm.Month = M;
  tm.Day = d;
  tm.Hour = h;
  tm.Minute = m;
  tm.Second = s;
  // Time程式庫會有一段延遲時間，過後才會與RTC晶片同步
  // 所以在此強制把日期時間寫入RTC晶片
  setTime(makeTime(tm));
  RTC.set(makeTime(tm));
}

開啟序列埠監控視窗後，可看到如下訊息。請記得把右下角的換行設定成「沒有行結尾（no line ending）」。


輸入y2014，便可更改年份，依此類推。


因為有鋰電池供應DS1307，即使拔掉USB線（板子的電源），DS1307仍會繼續運作，下次再讀取時間日期，仍會是正確的。

另外，若無外接鋰電池，DS1307也可運作，將Vbat接地即可，其餘不變，如下圖。只不過這麼一來，拔掉板子的電力來源後，時間就會錯掉了。



參考資料：

• Maxim datasheet：DS1307，64 x 8, Serial, I2C Real-Time Clock。
• ladyada：DS1307 RTC tutorial。
• Arduino Playground：Time程式庫（內含DS1307RTC）。
• Hobby Robotics：An I2C Bus Example Using the DS1307 Real-Time Clock。
• mezl：DS1307 時鐘IC用法。
• GROBO：Arduino - DS1307時鐘IC。