A. 樹莓派基礎實驗32：DS1302實時時鍾模塊實驗
現在有很多流行的串列時鍾晶元，如DS1302，DS1307，PCF8485等，由於簡單的介面，低成本和易用性，他們被廣泛應用於電話、傳真、攜帶型儀器等產品領域。在本實驗中，我們將使用DS1302實時時鍾（RTC）模塊獲取當前日期和時間。
DS1302可以用於數據記錄，特別是對某些具有特殊意義的數據點的記錄，能實現數據與出現該數據的時間同時記錄。這種記錄對長時間的連續測控系統結果的分析，及對異常數據出現的原因的查找具有重要意義。
傳統的數據記錄方式是隔時采樣或定時采樣，沒有具體的時間記錄，因此，只能記錄數據而無法准確記錄其出現的時間；若採用單片機計時，一方面需要採用計數器，佔用硬體資源，另一方面需要設置中斷、查詢等，同樣耗費單片機的資源，而且，某些測控系統可能不允許。但是，如果在系統中採用時鍾晶元DS1302，則能很好地解決這個問題。
★Raspberry Pi 3主板*1
★樹莓派電源*1
★40P軟排線*1
★DS1302實時時鍾模塊*1
★麵包板*1
★跳線若干
DS1302是DALLAS(達拉斯)公司出的一款涓流充電時鍾晶元，2001年DALLAS被MAXIM(美信)收購。
DS1302實時時鍾晶元廣泛應用於電話、傳真、攜帶型儀器等產品領域，他的主要性能指標如下：
1、DS1302是一個實時時鍾晶元，可以提供秒、分、小時、日期、月、年等信息，並且還有軟年自動調整的能力，可以通過配置AM/PM來決定採用24小時格式還是12小時格式。
2、擁有31位元組數據存儲RAM。
3、串列I/O通信方式，相對並行來說比較節省IO口的使用。
4、DS1302的工作電壓比較寬，大概是2.0V~5.5V都可以正常工作。
5、DS1302這種時鍾晶元功耗一般都很低，它在工作電壓2.0V的時候，工作電流小於300nA。
6、DS1302共有8個引腳，有兩種封裝形式，一種是DIP-8封裝，晶元寬度(不含引腳)是300mil，一種是SOP-8封裝，有兩 種寬度，一種是150mil，一種是208mil。我們看一下DS1302的引腳封裝圖：
7、當供電電壓是5V的時候，兼容標準的TTL電平標准，這里的意思是，可以完美的和單片機進行通信。
8、由於DS1302是DS1202的升級版本，所以所有的功能都兼容DS1202。此外DS1302有兩個電源輸入，一個是主電源， 另外一個是備用電源，比如可以用電池或者大電容，這樣是為了保證系統掉電的情況下，我們的時鍾還會繼續走。如果使用的是充電電池，還可以在正常工作時，設置充電功能，給我們的備用電池進行充電。
DS1302的特點第二條「擁有31位元組數據存儲RAM」，這是DS1302額外存在的資源。這31位元組的RAM相當於一個存儲器一樣，我們編寫單片機程序的時候，可以把我們想存儲的數據存儲在DS1302里邊，需要的時候讀出來，這塊功能和EEPROM有點類似，相當於一個掉電丟失數據的「EEPROM」，如果我們的時鍾電路加上備用電池，那麼這31個位元組的RAM就可以替代EEPROM的功能了。
DS1302一共有8個引腳，下邊要根據引腳分布圖和典型電路圖來介紹一下每個引腳的功能：
DS1302的電路一個重點就是時鍾電路，它所使用的晶振是一個32.768k的晶振，晶振外部也不需要額外添加其他的電容或者電阻電路了。時鍾的精度，首先取決於晶振的精度以及晶振的引腳負載電容。如果晶振不準或者負載電容過大過小，都會導致時鍾誤差過大。在這一切都搞定後，最終一個考慮因素是晶振的溫漂。隨著溫度的變化，晶振往往精度會發生變化，因此，在實際的系統中，其中一種方法就是經常校對。比如我們所用的電腦的時鍾，通常我們會設置一個選項「將計算機設置於internet時間同步」。選中這個選項後，一般可以過一段時間，我們的計算機就會和internet時間校準同步一次。
對DS1302的操作就是對其內部寄存器的操作，DS1302內部共有12個寄存器，其中有7個寄存器與日歷、時鍾相關，存放的數據位為BCD碼形式。此外，DS1302還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時鍾突發寄存器及與RAM相關的寄存器等。時鍾突發寄存器可一次性順序讀/寫除充電寄存器以外的寄存器。
DS1302的一條指令一個位元組8位，其中第7位(即最高位)是固定1，這一位如果是0的話，那寫進去是無效的。第6位是選擇RAM還是CLOCK的，這里主要講CLOCK時鍾的使用，它的RAM功能我們不用，所以如果選擇CLOCK功能，第6位是0，如果要用RAM，那第6位就是1。從第5到第1位，決定了寄存器的5位地址，而第0位是讀寫位，如果要寫，這一位就是0，如果要讀，這一位就是1。
DS1302時鍾的寄存器，其中8個和時鍾有關的，5位地址分別是00000一直到00111這8個地址，還有一個寄存器的地址是01000，這是涓流充電所用的寄存器，我們這里不講。在DS1302的數據手冊里的地址，直接把第7位、第6位和第0位值給出來了，所以指令就成了80H、81H那些了，最低位是1，那麼表示讀，最低位是0表示寫。
寄存器一：最高位CH是一個時鍾停止標志位。如果我們的時鍾電路有備用電源部分，上電後，我們要先檢測一下這一位，如果這一位是0，那說明我們的時鍾在系統掉電後，由於備用電源的供給，時鍾是持續正常運行的；如果這一位是1，那麼說明我們的時鍾在系統掉電後，時鍾部分不工作了。若我們的Vcc1懸空或者是電池沒電了，當我們下次重新上電時，讀取這一位，那這一位就是1，我們可以通過這一位判斷時鍾在單片機系統掉電後是否持續運行。剩下的7位高3位是秒的十位，低4位是秒的個位，這里注意再提一次，DS1302內部是BCD碼，而秒的十位最大是5，所以3個二進制位就夠了。
寄存器二：bit7沒意義，剩下的7位高3位是分鍾的十位，低4位是分鍾的個位。
寄存器三：bit7是1的話代表是12小時制，是0的話代表是24小時制，bit6固定是0，bit5在12小時制下0代表的是上午，1代表的是下午，在24小時制下和bit4一起代表了小時的十位，低4位代表的是小時的個位。
寄存器四：高2位固定是0，bit5和bit4是日期的十位，低4位是日期的個位。
寄存器五：高3位固定是0，bit4是月的十位，低4位是月的個位。
寄存器六：高5位固定是0，低3位代表了星期。
寄存器七：高4位代表了年的十位，低4位代表了年的個位。這里特別注意，這里的00到99年指的是2000年到2099年。
寄存器八：bit7是一個保護位，如果這一位是1，那麼是禁止給任何其他的寄存器或者那31個位元組的RAM寫數據的。因此在寫數據之前，這一位必須先寫成0。
物理上，DS1302的通信介面由3個口線組成，即RST，SCLK，I/O。其中RST從低電平變成高電平啟動一次數據傳輸過程，SCLK是時鍾線，I/O是數據線。這個DS1302的通信線定義和SPI很像，事實上，DS1302的通信是SPI的變異種類，它用了SPI的通信時序，但是通信的時候沒有完全按照SPI的規則來，下面我們介紹DS1302的變異SPI通信方式。
請注意數據是對時鍾信號敏感的，而且一般數據是在下降沿寫入，上升沿讀出。平時SCLK保持低電平，當需要寫命令或者寫數據時，在時鍾輸出變為高電平之前先輸出數據；當需要讀數據時，在時鍾輸出變為高電平之前采樣讀取數據。
第1步： 連接電路。
第2步： DS1302的Python程序比較復雜，我們先編寫一個模塊ds1302.py，在裡面創建一個類DS1302()，在裡面編寫讀取時鍾信息等方法。
第3步： 編寫實際控製程序，導入上面的模塊ds1302。運行本文件，不斷循環讀取並列印時鍾信息。
實驗結果示例：
B. DS1302晶元DS1302與CPU的連接
在調試程序時，DS1302晶元與CPU的連接並非必須包含電容器，僅需加入一個32.768kHz的晶振即可。然而，不同類型的晶振可能會導致較大的誤差。此外，通過在電路中集成DS18B20，能夠同時顯示實時溫度，且只需佔用CPU的一個口線。
對於顯示設備，LCD可替換為LED，或使用北京衛信傑科技發展有限公司提供的10位多功能8段液晶顯示模塊LCM101。此模塊內含看門狗(WDT)/時鍾發生器及兩種頻率的蜂鳴器驅動電路，並具備內置顯示RAM，支持任意欄位筆劃顯示，且具有3-4線串列介面，兼容各種單片機、IC。其低功耗特性體現在顯示狀態時電流為2μA（典型值），進入省電模式時電流小於1μA，工作電壓范圍為2.4V～3.3V，顯示效果清晰。
綜上所述，DS1302晶元與CPU的連接方式靈活多樣，可以根據實際需求和硬體資源選擇合適的組件。在設計電路時，應考慮晶振的誤差、顯示設備的功耗和兼容性，以及整體系統的穩定性與效率。此外，採用集成溫度顯示和多功能液晶顯示模塊，能夠提升系統的功能性與實用性，簡化界面設計，減少CPU資源消耗，實現更高效、便捷的信息交互。