Posted By 黃 小棟 on 3 月 30, 2017 in Arduino, 教學文, 顯示技術 | 22 comments

作者：黃小棟

這次自造學堂的教學文主題是「用Arduino x RTC完成LCD時間顯示」。在這一章節裡除了介紹RTC模組外，也會教大家如何將RTC模組與上一章節中提到的I2C_LCD模組和Arduino做系統上的整合，讓大家不再只會使用一塊Arduino控制一個模組，或者看到Arduino IDE內資料庫一堆的範例程式，卻一頭霧水，不知該如何整合使用。

學習目標：

大家研讀完這篇文章並且實際操作之後，將會了解下列兩點：

1. 對 DS3231_RTC模組有初步的認識，並且能夠將時間顯示在Arduino IDE的序列埠監控視窗上。
2. 學會使用I2C匯流排，讓Arduino、RTC模組和LCD模組做結合，並且整合Arduino的範例程式來完成此專案的控制。

學習背景：

在研讀實作之前，必須知道下面幾點：

1. 會安裝第三方資料庫libraries。（依然很重要）
2. 了解麵包板的特性，並且知道如何使用。
3. 知道I2C匯流排的特性。（可參考【自造學堂】Arduino如何透過I2C控制LCD模組的介紹）

好~話不多說，立刻進入我們的主題吧！

基礎認識：什麼是RTC？

我們可以在Google搜尋到，RTC是Real-time clock的縮寫，指的是負責記錄時間的積體電路元件。它可以跟時鐘一樣輸出實際時間，通常會出現在個人電腦、伺服器或嵌入式系統，因此大家的桌機和筆電內就有這個元件。RTC具有以下特性：

1. 消耗功率低。
2. 讓主系統處理更需時效性的工作。
3. 有時會比其他方式的輸出要更準確。

以上資料皆來自於網路資源，若有興趣深入研究的也可再自行查找。

模組規格及腳位介紹

首先，我們這次所使用的模組為DS3231高精密RTC模組(iCShop貨號：368030500595)。筆者這次所使用的模組，依然要感謝iCShop的贊助提供。這次我們所使用的模組是下圖這顆：

RTC模組正面與電池組裝

RTC模組背面

接著來看官方所給的相關介紹資料分析：

“DS3231是低成本、高精度I2C即時時鐘(RTC)，具有嵌入式的溫補晶振(TCXO)和晶體。該器件包含電池輸入端，斷開主電源時仍可保持精確的計時。嵌入晶振提高了器件的長期精確度，並減少了生產線的元件數量。DS3231提供商用級和工業級溫度範圍，採用16引腳300mil的SO封裝。”

我們可以自文中得知此模組是用I2C傳輸控制的，所以它裡面也會有SDA和SCL與我們Arduino UNO內的A4和A5的接腳做連接，並且會引用<Wire.h>的函式庫。關於RTC的時間格式及設置說明如下：

“RTC保存秒、分、時、星期、日期、月和年資訊。少於31天的月份，將自動調整月末的日期，包括閏年的修正。時鐘的工作格式可以是24小時或帶/AM/PM指示的12小時格式。它提供兩個可設置的日曆鬧鐘和一個可設置的方波輸出。位址與資料通過I2C雙向匯流排序列傳輸。”

也因此，它可以做電子時鐘相關的專案。想更進一步了解這顆RTC模組的話，請見iCShop本頁說明。

總而言之，這塊模組內部還包含一溫度感測，除了有主電源輸入外，還有備用電源（電池）輸入，但根據筆者測試的結果，它的備用電源僅供內部晶片繼續計時，不會提供訊號的輸出。最後是模組參數與接線說明介紹：

1. 尺寸：38mm（長）*22mm（寬）*14mm（高）
2. 工作電壓：3.3–5.5V
3. 時鐘晶片： DS3231
4. 存儲晶片：AT24C32（存儲容量32K）
5. 可聯結其它IIC設備，24C32位址可通過短路A0/A1/A2修改，默認地址為0x57。
6. 帶可充電電池LIR2032，保證系統斷電後，時鐘任然正常走動。
7. 接線說明（以Arduino Uno為例）：SCL→A5、SDA→A4、Vcc→5V、GND→GND。

模組硬體接線圖

進行模組接線之前，我們先來了解這次所要準備的材料：

1. Arduino開發板 1塊（iCShop商品編號：368030500683）
2. 麵包板 1塊（iCShop商品編號：368090200061）
3. DS3231_RTC模組 1塊（iCShop商品編號：368030500595）
4. I2C_LCD模組 1塊（iCShop商品編號：368030100095）
5. 杜邦線（公-公、公-母） 數條（iCShop商品編號：3681101000389、368110100159）

本專案所需要的材料

再來是模組的接線方式，只需將「DS3231_RTC」模組和「I2C_LCD模組」Vcc接腳接至Arduino的5V接腳，模組們GND接腳接至Arduino的GND接腳，緊接著將模組們SDA接腳接至Arduino的A4接腳，最後是模組們SCL接腳接至Arduino的A5接腳即可完成接線。是不是非常容易呢？

本專案模組接線（DS3231_RTC模組和I2C_LCD 模組接法一樣）

模組程式範例

步驟1：

在講解程式之前，大家除了要先去網路上下載I2C_LCD的第三方資料庫以外（可參考【自造學堂】Arduino如何透過I2C控制LCD模組），還要下載「DS3231_TEST」這個第三方資料庫，雖然網路有眾多相關資料庫，然而經筆者測試，還是這個最簡單好用。

步驟2：

安裝好第三方資料庫後，請先開啟Arduino IDE，並且點選「檔案」→「範例」→「DS3231_TEST」→「Examples」→「DS3231_TEST」範例程式。

開啟DS3231_TEST範例程式

步驟3：

#include <DS3231.h>
#include <Wire.h>

DS3231 Clock;
bool Century=false;
bool h12;
bool PM;
byte ADay, AHour, AMinute, ASecond, ABits;
bool ADy, A12h, Apm;

byte year, month, date, DoW, hour, minute, second;

在程式範例介紹的部分，我們可以了解在程式宣告的區域裡，它一開始同樣引用了<DS3231.h>和<Wire.h>這兩個函式庫，並且做了相關函式的定義。所謂的函式定義，好比我們國高中數學所學，會先假設「蓮霧的數量為X，芭樂的數量為Y……」是一樣的意思，引用函式庫即相當於「這個算式要引用二元一次方程式」之意。

void setup() {
// Start the I2C interface
Wire.begin();
Clock.setSecond(50);//Set the second
Clock.setMinute(59);//Set the minute
Clock.setHour(11); //Set the hour
Clock.setDoW(5); //Set the day of the week
Clock.setDate(31); //Set the date of the month
Clock.setMonth(5); //Set the month of the year
Clock.setYear(13); //Set the year (Last two digits of the year)
// Start the serial interface
Serial.begin(115200);
}

在初始化設定裡，此處做了秒、分、時、週、日、月、年的設定，大家可以任意改括弧裡面的數值測試看看。接著設定Baud Rate為115200。

（註：綠色文字部分為「函式定義的設定」；橘色文字部分為「序列埠監控視窗訊息的輸出」。）

void ReadDS3231()
{
int second,minute,hour,date,month,year,temperature;
second=Clock.getSecond();
minute=Clock.getMinute();
hour=Clock.getHour(h12, PM);
date=Clock.getDate();
month=Clock.getMonth(Century);
year=Clock.getYear();

temperature=Clock.getTemperature();

Serial.print(“20”);
Serial.print(year,DEC);
Serial.print(‘-‘);
Serial.print(month,DEC);
Serial.print(‘-‘);
Serial.print(date,DEC);
Serial.print(‘ ‘);
Serial.print(hour,DEC);
Serial.print(‘:’);
Serial.print(minute,DEC);
Serial.print(‘:’);
Serial.print(second,DEC);
Serial.print(‘\n’);
Serial.print(“Temperature=”);
Serial.print(temperature);
Serial.print(‘\n’);
}

這個範例程式比較特別的地方，是在主程式迴圈之前，先設定好一個「ReadDS3231()」這個副程式。副程式的好處是：當程式很多很雜，可藉由副程式的設定，使主程式迴圈乾淨簡潔好閱讀。這個副程式會先設定函式定義，如同X=1，Y=2一樣，再來即可進行序列埠監控視窗訊息的輸出。

void loop()
{
ReadDS3231();
delay(1000);
}

最後就是主程式迴圈，一直執行「ReadDS3231()」這個副程式，並且中間延遲1秒。當然我們也可以把副程式跟主程式迴圈做結合，也是一樣的意思，以下為結合後的全部程式。

#include <DS3231.h>
#include <Wire.h>

DS3231 Clock;
bool Century=false;
bool h12;
bool PM;
byte ADay, AHour, AMinute, ASecond, ABits;
bool ADy, A12h, Apm;
byte year, month, date, DoW, hour, minute, second;

void setup() {
// Start the I2C interface
Wire.begin();
Clock.setSecond(50);//Set the second
Clock.setMinute(59);//Set the minute
Clock.setHour(11); //Set the hour
Clock.setDoW(5); //Set the day of the week
Clock.setDate(31); //Set the date of the month
Clock.setMonth(5); //Set the month of the year
Clock.setYear(13); //Set the year (Last two digits of the year)
// Start the serial interface
Serial.begin(115200);
}
void loop()
{
int second,minute,hour,date,month,year,temperature;
second=Clock.getSecond();
minute=Clock.getMinute();
hour=Clock.getHour(h12, PM);
date=Clock.getDate();
month=Clock.getMonth(Century);
year=Clock.getYear();
temperature=Clock.getTemperature();

Serial.print(“20”);
Serial.print(year,DEC);
Serial.print(‘-‘);
Serial.print(month,DEC);
Serial.print(‘-‘);
Serial.print(date,DEC);
Serial.print(‘ ‘);
Serial.print(hour,DEC);
Serial.print(‘:’);
Serial.print(minute,DEC);
Serial.print(‘:’);
Serial.print(second,DEC);
Serial.print(‘\n’);
Serial.print(“Temperature=”);
Serial.print(temperature);
Serial.print(‘\n’);
delay(1000);
}

步驟4：

最後我們要與LCD程式做整合，讓LCD顯示時間。其實很簡單，我們先開啟【自造學堂】Arduino如何透過I2C控制LCD模組最後的程式，並且在宣告區域引用<LiquidCrystal_I2C.h>這個函數式。再來將於初始化設定該設定的，以及想在主程式迴圈顯示的，通通複製貼上並修改即可。程式如下：

#include <DS3231.h>
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

DS3231 Clock;
bool Century=false;
bool h12;
bool PM;
byte ADay, AHour, AMinute, ASecond, ABits;
bool ADy, A12h, Apm;
byte year, month, date, DoW, hour, minute, second;

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 2, 1, 0, 4, 5, 6, 7, 3, POSITIVE);

void setup() {
// Start the I2C interface
Wire.begin();
Clock.setSecond(59);//Set the second
Clock.setMinute(10);//Set the minute
Clock.setHour(12); //Set the hour
Clock.setDoW(5); //Set the day of the week
Clock.setDate(17); //Set the date of the month
Clock.setMonth(3); //Set the month of the year
Clock.setYear(17); //Set the year (Last two digits of the year)
// Start the serial interface
Serial.begin(115200);

// 初始化 LCD，一行 16 的字元，共 2 行，預設開啟背光
lcd.begin(16, 2);

// 閃爍三次
for(int i = 0; i < 3; i++) {
lcd.backlight(); // 開啟背光
delay(250);
lcd.noBacklight(); // 關閉背光
delay(250);
}
lcd.backlight();

// 輸出初始化文字
lcd.setCursor(0, 0); // 設定游標位置在第一行行首
lcd.print(“ICshop&MakerPRO”);
delay(1000);
lcd.setCursor(0, 1); // 設定游標位置在第二行行首
lcd.print(“Hello, Maker!”);
delay(8000);
lcd.clear();
}

void loop() {
int second,minute,hour,date,month,year,temperature;
second=Clock.getSecond();
minute=Clock.getMinute();
hour=Clock.getHour(h12, PM);
date=Clock.getDate();
month=Clock.getMonth(Century);
year=Clock.getYear();

temperature=Clock.getTemperature();

Serial.print(“20”);
Serial.print(year,DEC);
Serial.print(‘-‘);
Serial.print(month,DEC);
Serial.print(‘-‘);
Serial.print(date,DEC);
Serial.print(‘ ‘);
Serial.print(hour,DEC);
Serial.print(‘:’);
Serial.print(minute,DEC);
Serial.print(‘:’);
Serial.print(second,DEC);
Serial.print(‘\n’);
Serial.print(“Temperature=”);
Serial.print(temperature);
Serial.print(‘\n’);

lcd.setCursor(0, 0); // 設定游標位置在第一行行首
lcd.print(“ICshop&MakerPRO”);
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print(“Time=”);
lcd.setCursor(5, 1); // 設定游標位置在第二行行首
lcd.print(hour,DEC);
lcd.setCursor(7, 1);
lcd.print(‘:’);
lcd.setCursor(8, 1);
lcd.print(minute,DEC);
lcd.setCursor(10, 1);
lcd.print(‘:’);
lcd.setCursor(11, 1);
lcd.print(second,DEC);

delay(1000);
}

最後這個程式的流程，一樣是啟動Arduino時，會先引用Wire、DS3231與LiquidCrystal_I2C函式庫。之後於初始化設定，則會先控制LCD模組閃爍背光三次，並在第一行顯示「ICshop&MakerPRO」，延遲一秒後在第二行顯示「Hello, Maker!」，並且延遲八秒，再清除所有顯示。

最後進入主程式迴圈裡面，在第一行顯示「ICshop&MakerPRO」等字，而後在第二行開頭先顯示「Time=」等字，在第6位元顯示「時」並且十進位(DEC)輸出，在第8位元顯示「：」，後面以此列推，最後延遲1秒，再進入下一個迴圈。

結語

相信做到這裡，大家都已經完成LCD模組的時間顯示了吧！如果沒有的話，還是要檢查一下，是否接錯哪條線路了，或者程式有打錯（比如有分號未打之類的）。最後，不用太介意自己沒有相關背景與技術，只需要了解其原理原則，就能夠享受當Maker的樂趣，這也是Arduino的魅力所在！

（責任編輯：林佳盈）

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黃 小棟

機電整合工程師，喜歡遊山玩水。多次參與Maker活動；曾自行設計和製作水下無人載具，現在則是平日手縫泰迪熊。

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