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基于STC8单片机的RTC时钟实现：从原理到实践

news 2025/8/13 20:26:35

基于 STC8 单片机的 RTC 时钟实现：从原理到实践

在嵌入式开发中，实时时钟（RTC）是许多应用的核心组件，从温湿度记录仪到智能家居控制器，都需要精准的时间戳来支撑功能逻辑。对于采用 STC8 系列单片机的项目而言，无需额外外接 RTC 芯片，就能利用其内置的 RTC 模块实现可靠计时 —— 这既是 STC8 的一大优势，也需要开发者掌握其独特的配置逻辑。

STC8 系列 RTC 的核心特性

STC8A8K、STC8H1K 等主流型号均集成了硬件 RTC 模块，与传统外接芯片（如 DS3231）相比，它的核心优势在于简化硬件设计和降低功耗：

  • 无需外部晶振：模块可选择使用主时钟分频或内部低速 RC 振荡器作为时钟源，避免了 32.768kHz 晶振的布线误差。

  • 低功耗运行：在掉电模式下，RTC 模块可单独由后备电源（如 CR2032 纽扣电池）供电，电流消耗低至 1μA 以下，支持数年持续运行。

  • 丰富的时间寄存器：内置秒、分、时、日、月、年寄存器，支持闰年自动校正，最大可记录至 2100 年。

  • 中断功能：可配置秒中断、分中断或特定时间闹钟中断，方便唤醒单片机执行定时任务。

不过需要注意的是，STC8 的 RTC 精度受内部振荡器稳定性影响，常温下误差约为 ±5ppm（年误差约 158 秒），若需更高精度，可通过软件校准或外接晶振的方式补偿。

硬件设计：最小系统的 RTC 供电方案

基于 STC8 实现 RTC 功能的硬件设计非常简洁，核心在于电源切换电路的设计：

  • 主电源：单片机正常工作时，由 5V 或 3.3V 系统电源供电，同时为后备电池充电（通过二极管防止反向漏电）。

  • 后备电源：采用 3V 纽扣电池，通过 STC8 的 VBAT 引脚连接，当主电源掉电时，自动切换为电池供电。

  • 外部晶振（可选）：若对精度要求较高，可在 X32IN/X32OUT 引脚外接 32.768kHz 晶振，并搭配 22pF 负载电容。

典型电路中，VBAT 引脚需串联 10kΩ 限流电阻，电池正极通过肖特基二极管（如 1N5819）与主电源连接，确保主电正常时电池不放电，主电断开时立即切换供电。

软件实现：从寄存器配置到时间读取

STC8 的 RTC 模块通过特殊功能寄存器（SFR）配置，以下是关键步骤的代码逻辑（以 STC8H8K64u 为例）：

1. 初始化 RTC 模块

// I2C 配置函数定义
/****************  I2C初始化函数 *****************/
static void	I2C_config(void)
{I2C_InitTypeDef		I2C_InitStructure;I2C_InitStructure.I2C_Mode      = I2C_Mode_Master;	//主从选择   I2C_Mode_Master, I2C_Mode_SlaveI2C_InitStructure.I2C_Enable    = ENABLE;			//I2C功能使能,   ENABLE, DISABLEI2C_InitStructure.I2C_MS_WDTA   = DISABLE;			//主机使能自动发送,  ENABLE, DISABLEI2C_InitStructure.I2C_Speed     = 13;				//总线速度=Fosc/2/(Speed*2+4),      0~63// 400k, 24M => 13I2C_Init(&I2C_InitStructure);NVIC_I2C_Init(I2C_Mode_Master,DISABLE,Priority_0);	//主从模式, I2C_Mode_Master, I2C_Mode_Slave; 中断使能, ENABLE/DISABLE; 优先级(低到高) Priority_0,Priority_1,Priority_2,Priority_3I2C_SW(I2C_P33_P32);					//I2C_P14_P15,I2C_P24_P25,I2C_P33_P32
}// PCF8563初始化
void PCF8563_init() {EAXSFR();		/* 扩展寄存器访问使能 */// P32  P33  开漏P3_MODE_OUT_OD(GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3);I2C_config(); // I2C配置
}

2. 设置时间

在这里插入图片描述

#define  WRITE_BCD(val)   ((val / 10) << 4) + (val%10)   // 没有分号，宏定义
// 设备地址
#define		PCF8563_DEV_ADDR		0xa2
// 存储地址(寄存器地址): 时间(秒)存储地址
#define		PCF8563_REG_SECOND		0x02
// 设置时间
void PCF8563_set_clock(Clock_t temp) {u8 p[7] = {0};  // 写完整  年月日 星期几  时分秒// 秒的寄存器地址为： 0x02// 秒:  第0~3位记录个位，第4~6位记录十位//     十位                  个位p[0] = WRITE_BCD(temp.second);// 分: 第0~3位，保存个数，第4到6位，保存十位p[1] = WRITE_BCD(temp.minute);// 时：第0~3位，保存个数，第4到5位，保存十位p[2] = WRITE_BCD(temp.hour);// 日：第0~3位，保存个数，第4到5位，保存十位p[3] = WRITE_BCD(temp.day);// 周：第0~2位，保存个数p[4] = temp.weekday;// 月_世纪:  第0~3位记录个位，第4位记录十位，第7位为0，世纪数为20xx，为1，世纪数为21xxp[5] = WRITE_BCD(temp.month);// 月的第7位if (temp.year >= 2100) { // 第7位置1p[5] |= (1 << 7);}  // 第7位置0，不处理就是0// 年：第0~3位，保存个数，第4到7位，保存十位// 2025  ===> 25 p[6] = WRITE_BCD(temp.year%100);I2C_WriteNbyte(PCF8563_DEV_ADDR, PCF8563_REG_SECOND, p, 7);
}

3. 读取时间

#define  READ_BCD(val)    (val >> 4) * 10 + (val & 0x0f)
// 设备地址
#define		PCF8563_DEV_ADDR		0xa2
// 存储地址(寄存器地址): 时间(秒)存储地址
#define		PCF8563_REG_SECOND		0x02
// 获取时间
void PCF8563_get_clock(Clock_t *temp) {u8 p[7] = {0};  u8 flag;// 读时间I2C_ReadNbyte(PCF8563_DEV_ADDR, PCF8563_REG_SECOND, p, 7);// 10进制  用 16进制表示    低4位放个位     高4位放10位// 秒: 第0~3位记录个位，第4~6位记录十位temp->second = READ_BCD(p[0]);// 分: 第0~3位，保存个数，第4到6位，保存十位temp->minute = READ_BCD(p[1]);// 时：第0~3位，保存个数，第4到5位，保存十位temp->hour = READ_BCD(p[2]);// 日：第0~3位，保存个数，第4到5位，保存十位temp->day = READ_BCD(p[3]);// 周：第0~2位，保存个数temp->weekday = p[4]; // 如果是星期日，是0// 月_世纪:  第0~3位记录个位，第4位记录十位，第7位为0，世纪数为20xx，为1，世纪数为21xx// 处理第7位// 取出第7位flag = p[5] >> 7;// 第7位置0， 月的第7位，是年的标志位，不是月的有效数据p[5] &= ~(1 << 7);temp->month = READ_BCD(p[5]);// 年：第0~3位，保存个数，第4到7位，保存十位temp->year = READ_BCD(p[6]);if (flag == 1) temp->year += 2100;else temp->year += 2000;
}

实战技巧：提升 RTC 稳定性的三个要点

  1. 电源滤波：在 VBAT 引脚与地之间并联 10uF 电解电容和 0.1uF 陶瓷电容，减少电池供电时的纹波干扰。

  2. 软件校准：定期通过 NTP 网络或 GPS 获取标准时间，计算误差后通过 RTC 的校准寄存器（RTC_CAL）进行补偿。

  3. 数据备份：将重要的时间信息同时存储在 EEPROM 中，RTC 故障时可从 EEPROM 恢复最近时间。

应用案例：基于 STC8 的PCF8563S时钟芯片

PCF8563.h代码//自己写的封装的库函数的声明

#ifndef __PCF8563_H__
#define __PCF8563_H__#include 	"GPIO.h"
#include 	"NVIC.h"	
#include 	"Switch.h"  
#include    "I2C.h"#define  WRITE_BCD(val)   ((val / 10) << 4) + (val%10)   // 没有分号，宏定义
#define  READ_BCD(val)    (val >> 4) * 10 + (val & 0x0f)// 设备地址
#define		PCF8563_DEV_ADDR		0xa2
// 存储地址(寄存器地址): 时间(秒)存储地址
#define		PCF8563_REG_SECOND		0x02typedef struct {u16 year; u8 month;u8 day;u8 weekday;u8 hour;u8 minute;u8 second;
} Clock_t;// PCF8563初始化
void PCF8563_init();// 设置时间
void PCF8563_set_clock(Clock_t temp);// 获取时间
void PCF8563_get_clock(Clock_t *temp);#endif

PCF8563.c
代码//自己写的封装的库函数的实现

#include "PCF8563.h"// I2C 配置函数定义
/****************  I2C初始化函数 *****************/
static void	I2C_config(void)
{I2C_InitTypeDef		I2C_InitStructure;I2C_InitStructure.I2C_Mode      = I2C_Mode_Master;	//主从选择   I2C_Mode_Master, I2C_Mode_SlaveI2C_InitStructure.I2C_Enable    = ENABLE;			//I2C功能使能,   ENABLE, DISABLEI2C_InitStructure.I2C_MS_WDTA   = DISABLE;			//主机使能自动发送,  ENABLE, DISABLEI2C_InitStructure.I2C_Speed     = 13;				//总线速度=Fosc/2/(Speed*2+4),      0~63// 400k, 24M => 13I2C_Init(&I2C_InitStructure);NVIC_I2C_Init(I2C_Mode_Master,DISABLE,Priority_0);	//主从模式, I2C_Mode_Master, I2C_Mode_Slave; 中断使能, ENABLE/DISABLE; 优先级(低到高) Priority_0,Priority_1,Priority_2,Priority_3I2C_SW(I2C_P33_P32);					//I2C_P14_P15,I2C_P24_P25,I2C_P33_P32
}// PCF8563初始化
void PCF8563_init() {EAXSFR();		/* 扩展寄存器访问使能 */// P32  P33  开漏P3_MODE_OUT_OD(GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3);I2C_config(); // I2C配置
}// 设置时间
void PCF8563_set_clock(Clock_t temp) {u8 p[7] = {0};  // 写完整  年月日 星期几  时分秒// 秒的寄存器地址为： 0x02// 秒:  第0~3位记录个位，第4~6位记录十位//     十位                  个位p[0] = WRITE_BCD(temp.second);// 分: 第0~3位，保存个数，第4到6位，保存十位p[1] = WRITE_BCD(temp.minute);// 时：第0~3位，保存个数，第4到5位，保存十位p[2] = WRITE_BCD(temp.hour);// 日：第0~3位，保存个数，第4到5位，保存十位p[3] = WRITE_BCD(temp.day);// 周：第0~2位，保存个数p[4] = temp.weekday;// 月_世纪:  第0~3位记录个位，第4位记录十位，第7位为0，世纪数为20xx，为1，世纪数为21xxp[5] = WRITE_BCD(temp.month);// 月的第7位if (temp.year >= 2100) { // 第7位置1p[5] |= (1 << 7);}  // 第7位置0，不处理就是0// 年：第0~3位，保存个数，第4到7位，保存十位// 2025  ===> 25 p[6] = WRITE_BCD(temp.year%100);I2C_WriteNbyte(PCF8563_DEV_ADDR, PCF8563_REG_SECOND, p, 7);
}// 获取时间
void PCF8563_get_clock(Clock_t *temp) {u8 p[7] = {0};  u8 flag;// 读时间I2C_ReadNbyte(PCF8563_DEV_ADDR, PCF8563_REG_SECOND, p, 7);// 10进制  用 16进制表示    低4位放个位     高4位放10位// 秒: 第0~3位记录个位，第4~6位记录十位temp->second = READ_BCD(p[0]);// 分: 第0~3位，保存个数，第4到6位，保存十位temp->minute = READ_BCD(p[1]);// 时：第0~3位，保存个数，第4到5位，保存十位temp->hour = READ_BCD(p[2]);// 日：第0~3位，保存个数，第4到5位，保存十位temp->day = READ_BCD(p[3]);// 周：第0~2位，保存个数temp->weekday = p[4]; // 如果是星期日，是0// 月_世纪:  第0~3位记录个位，第4位记录十位，第7位为0，世纪数为20xx，为1，世纪数为21xx// 处理第7位// 取出第7位flag = p[5] >> 7;// 第7位置0， 月的第7位，是年的标志位，不是月的有效数据p[5] &= ~(1 << 7);temp->month = READ_BCD(p[5]);// 年：第0~3位，保存个数，第4到7位，保存十位temp->year = READ_BCD(p[6]);if (flag == 1) temp->year += 2100;else temp->year += 2000;
}

主函数

#include    "GPIO.h"
#include	"Delay.h"
#include 	"UART.h"	// 串口配置 UART_Configuration
#include 	"NVIC.h"	// 中断初始化NVIC_UART1_Init
#include 	"Switch.h"  // 引脚切换 UART1_SW_P30_P31
#include 	"PCF8563.h"
void GPIO_config() { GPIO_InitTypeDef info;// ===== UART1  P30  P31  准双向info.Mode = GPIO_PullUp; 				// 准双向info.Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;   	// 引脚GPIO_Inilize(GPIO_P3, &info);    
}
// 串口配置函数的定义
void UART_config(void) {// >>> 记得添加 NVIC.c, UART.c, UART_Isr.c <<<COMx_InitDefine		COMx_InitStructure;					//结构定义COMx_InitStructure.UART_Mode      = UART_8bit_BRTx;	//模式, UART_ShiftRight,UART_8bit_BRTx,UART_9bit,UART_9bit_BRTxCOMx_InitStructure.UART_BRT_Use   = BRT_Timer1;			//选择波特率发生器, BRT_Timer1, BRT_Timer2 (注意: 串口2固定使用BRT_Timer2)COMx_InitStructure.UART_BaudRate  = 115200ul;			//波特率, 一般 110 ~ 115200COMx_InitStructure.UART_RxEnable  = ENABLE;				//接收允许,   ENABLE或DISABLECOMx_InitStructure.BaudRateDouble = DISABLE;			//波特率加倍, ENABLE或DISABLEUART_Configuration(UART1, &COMx_InitStructure);		//初始化串口1 UART1,UART2,UART3,UART4NVIC_UART1_Init(ENABLE,Priority_1);		//中断使能, ENABLE/DISABLE; 优先级(低到高) Priority_0,Priority_1,Priority_2,Priority_3UART1_SW(UART1_SW_P30_P31);		// 引脚选择, UART1_SW_P30_P31,UART1_SW_P36_P37,UART1_SW_P16_P17,UART1_SW_P43_P44
}
void main() {    Clock_t temp; // 结构体变量EA = 1;         // 使能中断总开关GPIO_config(); 		// GPIO配置UART_config(); 		// 串口配置PCF8563_init(); 	// PCF8563 初始化// ==============================写时间temp.year = 2025, temp.month = 8, temp.day = 11;temp.weekday = 1;  // 如果是星期日，是0temp.hour = 23, temp.minute = 59, temp.second = 54;PCF8563_set_clock(temp); // 设置时间while (1){PCF8563_get_clock(&temp); // 获取时间printf("%02d-%02d-%02d\n", (int)temp.year, (int)temp.month, (int)temp.day);printf("weekday: %02d\n", (int)temp.weekday);printf("%02d:%02d:%02d\n", (int)temp.hour, (int)temp.minute, (int)temp.second);delay_ms(250); // 每隔1s 发送1次delay_ms(250);delay_ms(250);delay_ms(250);}
}

结语

STC8 系列单片机的内置 RTC 模块，是平衡性能与成本的理想选择。掌握其硬件设计要点和软件配置逻辑，既能简化电路设计，又能保证时间精度满足多数应用场景。无论是开发智能时钟、数据记录仪还是工业控制设备，STC8 的 RTC 功能都能成为可靠的 “时间基准”，为嵌入式系统注入精准的时序灵魂。

http://www.lryc.cn/news/619243.html

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