Arduino 入門 Lesson 50 【Real Time Clock モジュールその１】

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Arduino 入門
Lesson 50
【Real Time Clock モジュールその１】

こにんちは、管理人のomoroyaです。

センサーの使い方の基本を学習する入門編。

追記
「ライブラリ」を使用しないサンプルスケッチを追記しました。

世の中には、まだまだ色々なセンサーがあります。

これからも、色々なセンサーで遊んでいきます。

本記事はLesson 50 【Real Time Clock モジュール】です。

実は脈拍・心拍センサ　その４を考えていたのですが急遽変更。

その４では、コロナで話題の「血中酸素飽和度を測定できるセンサ」を解説する予定でした・・・。

しかし、手元にある購入した電子部品が外れ。

実装されているチップコンデンサが隣のチップコンデンサとショートしていて使い物にならず。

ということで、【Real Time Clock モジュール】に変更です。

Real Time Clock(リアルタイムクロック)とは？
※以下、RTCと記載

RTCとは、時刻を告げることを目的とした電子デバイスが搭載されている時計。

その機能を実装したIC(集積回路)のことを言っています。

パソコンのマザーボードに電池がついていますよね。

あの部分と同じです。

あれは、電源の供給がなくなっても電池があることで正確に時間を刻んでいます。

ところが、どっこい各種電子機器に通常搭載されているRTCの機能がArduinoにはありません。

そのため、時計を使いたい場合にはRTCモジュールが必要。

その機能を果たす電子部品が「Real Time Clock モジュール」となります。

本Lessonで使用する「Real Time Clock モジュール」は以下が同等品となります。
※搭載IC：DS1302　prime対応品　出荷元：Amazon

KKHMF 5個 DS1302 RTC リアルタイムクロックモジュール Arduino AVR、ARM、PIC SMD用

KKHMF

電池はCR2032 をご用意ください

enevolt basic CR2032 10個コイン電池 H 240mAh 3V 水銀ゼロリチウムコイン電池ボタン電池 (10個セット)

スリーアール

Arduino入門編の解説にて使用しているArduinoは互換品です。

互換品とは言え、Arduinoはオープンソースであり複製して販売するのもライセンス的に問題なし。

そのため互換品の品質も悪くなく、それでいて値段は安いです。

正規品本体の値段程度で豊富な部品が多数ついています。

ELEGOO Arduino用UNO R3スターターキットレベルアップチュートリアル付 mega2560 r3 nanoと互換 [並行輸入品]

ELEGOO

ELEGOO Arduino用のUNO R3 最終版スタータキット UNOチュートリアル付 (63 Items)

ELEGOO

正規品（Arduino UNO R3）の本体単品がほしい方はこちらとなります。

Arduino Uno Rev3 A000066

Arduino (アルドゥイーノ)

Arduino入門編2では「Arduino UNO R4 Minima」「Arduino UNO R4 WIFI」にて遊ぶため今のところは正規品を使用。（まだ互換品が・・・ほぼない）

Arduino UNO R4 Minima [ABX00080] - Renesas RA4M1 - USB-C、CAN、DAC (12ビット)、OP AMP、SWDコネクター。

Arduino (アルドゥイーノ)

Arduino (アルドゥイーノ)

はじめに

本Lessonで使用する「Real Time Clock モジュール」は「DS1302 IC」の動作を理解する必要があります。

「DS1302」はの」ICには下記に示す時間のデータが格納されたレジスタ（各8bit）が存在します。

上位4ビットと下位4ビットに分割し、各4ビットで0～9を表現。

そのため、8bitで00～99通りを表現できるようになっています。

秒レジスタ：00～59
分レジスタ：00～59
時レジスタ：01～12(12時間制)／00～23(24時間制)
日レジスタ：01～31
月レジスタ：01～12
曜日レジスタ：1～7
年レジスタ：00～99
ライトプロテクトレジスタ

要は、

ArudinoでICを制御する
上記レジスタに格納されている値をArduinoで受け取ってシリアルモニタで表示

させるということです。

ちなみに、シリアルモニタではなくLCDなどへ表示させれば電子時計のできあがりです。

言うは易しです。

このレジスタ値を読むスケッチ描くのは大変そうだ・・・と思いますが。

そこは、Arduinoの良いところ「library」を使って手を抜いてしまいましょう。

世の中、さがせば有志の方々が作ってくれたLibraryが転がっています。

時間があれば、libraryを使わないで学習するのもあり。

そこは、好みです。

興味のあるかたはデータシートをお読みください。

秋月電子で「DS1302」を検索するれば閲覧可能です。

404- ページが見つかりません。

…

もしくは、直接メーカーページを確認。(※メーカーページでDS1302で検索）

ミックスド・シグナルおよびデジタル信号処理IC | Analog Devices

アナログ・デバイセズは、アナログ、ミックスド・シグナル、DSP集積回路の設計／製造のグローバル・リーダーであり、最も厳しいエンジニアリング課題を解決する手助けとなります。…

Lesson 50 目標

本Lessonの目標は以下です。

１．RTCモジュールの使い方を学習する
２．RTCモジュールから日時を取得するスケッチを描く
３．RTCモジュールで遊ぶ

いつものように、遊ぶことが重要です。

今回のセンサ、ライブラリを使えばスケッチは簡単。

ただし動作の理屈を理解するためにはデータシートを読み込む必要があり！

回路がわからなくても遊べる、使える、作れるのがArduino の良いところ。

もちろん、データシート読めなくても遊べます。

準備

ではLessonの準備に取り掛かりましょう。

部品は「RTCモジュール」のみ。

LCDに日時を表示させたい場合は、LCDも追加で準備。

必要なもの

USB接続用のPC（IDE統合環境がインストールされたPC）
→管理人が勝手に比較したBTOメーカーを紹介しています。
UNO R3(以下UNO)、おすすめUNO互換品（ELEGOO）
PCとUNOを接続するUSBケーブル
ブレッドボード安価（大）、ブレッドボード安価（中）
※おすすめブレッドボード（大）、おすすめブレッドボード（中）
RTC リアルタイムクロックモジュール
M-M Jumper wire（UNOと部品をつなぐための配線）
M-F Jumper wire（UNOと部品をつなぐための配線）

※ブレッドボードはセンサとUNOを直接つなぐ場合不要です。
※ジャンパワイヤーは「M-M」「M-F」を必要に応じて使い分けてください。

Jumper wire、抵抗は今後も頻繁に利用します。

Jumper wireはできれば、「オス-メスオス-オスメス –メス」の３種類を揃えておくことをお勧めします。

ELEGOO 120pcs多色デュポンワイヤー、arduino用ワイヤ—ゲ—ジ28AWG オス-メスオス-オスメス –メスブレッドボードジャンパーワイヤー

ELEGOO

短めが使いやすい場合も。

ブレッドボード・ジャンパーワイヤー 40*6ピン 10cm Emith デュポンケーブル Arduino Raspberry piに適用ジャンパー線 6本セット

Emith

抵抗も単品で揃えるよりはセットをおすすめします。

OSOYOO(オソヨー)金属皮膜抵抗器抵抗セット 10Ω~1MΩ 30種類各20本入り合計600本 (600本セット)

OSOYOO

ELEGOO 17値1％抵抗器、0オーム〜1Mオーム（525本）

ELEGOO

抵抗、LEDなどを個別でセット品を購入しても、そんなに使わない！

という方は、「電子工作基本部品セット」が使い勝手が良い。

OSOYOO(オソヨー) 電子工作基本部品セット LED 5色合計100PCS 金属皮膜抵抗器 30種類合計600本電解コンデンサ 12種類合計120本セラミックコンデンサー 30種類合計300本ダイオード 8種類合計100本トランジスタ 17種類合計170本 (電子部品セット6種類)

OSOYOO

使用部品説明

「RTCモジュール」のモジュールについて説明していきます。

※RTC：Real Time Clock（リアルタイムクロック）

RTCモジュール「DS1302」　実物写真

下の写真が「RTCモジュール」の実物写真です。

本Lessonで使用するものは、回路が基板実装されたもの。

「DS1302 IC」「水晶振動子」「電池フォルダー」で構成されています。

水晶振動子：32.768kHz
供給電源：2.0V～5.5V
電池フォルダー：CR2032

電源供給について
「DS1302」は充電モードがあります。
デフォルト設定であれば充電なしのモードのため、通常の電池使用でOK。
充電モード（トリクルチャージモード）の場合、充電用の電池が必要となります。

RTCモジュール「DS1302」　仕様

RTCモジュールの仕様は、DS1302 ICの仕様ということになります。

データシートに記載されていますので詳細はそちらをご確認ください。

ここでは、重要箇所のみ紹介します。

■「DS1302」のピン配置

■PIN仕様

Pin No.	Pin Name	Function
1	VCC2	デュアル電源構成のプライマリ電源ピン VCC1またはVCC2の大きい方で動作 VCC2 > VCC1 + 0.2V：VCC2電力供給 VCC2 < VCC1 ：VCC1電力供給 ※モジュールのVCCピンがVCC2
2	X1	水晶振動子の接続 ※32.768kHz
3	X2	水晶振動子の接続 ※32.768kHz
4	GND	グランド
5	CE	入力ピン：read/write時にHighにするプルダウン抵抗付き（40kΩ） ※モジュールのRSTピンがCEピン
6	I/O	入出力ピン（出力はプッシュプル）プルダウン抵抗付き（40kΩ） ※モジュールのDATピンがI/Oピン
7	SCLK	入力ピンシリアルインターフェースの同期用のクロックプルダウン抵抗付き（40kΩ） ※モジュールのCLKピンがSCLKピン
8	VCC1	バックアップ用の電源：CR2302(3V)供給主電源がない場合に時刻と日付を維持

■レジスタアドレス（レジスタマップ）

最初の8bitにてRead/Writeのコマンドを指定します。

次の8bitはデータの読み出し、書き込みのビットになります。

データ8bitは上位4ビット、下位4ビットに分かれており、各4ビットで０～９までの10進数で表現されます。

よって、表現できる数値は00～99となります。

■Read動作

読み出したいデータのREADアドレスを指定しデータbitを読み出す
シリアルモニタに日時を表示させる

■Write動作

書き込みたいデータのWriteアドレスを指定しデータを書き込む

READ	WRITE	BIT								RANGE
READ	WRITE	7	6	5	4	3	2	1	0	RANGE
81h	80h	CH	10s			s				00 – 59
83h	82h		10m			m				00 – 59
85h	84h	12/24	0	10 am/pm	h	h				1 – 12/0 -23
87h	86h	0	0	10 d		d				1 -31
89h	88h	0	0	0	10m	m				1 – 12
8Bh	8Ah	0	0	0	0	0	day			1 – 7
8Dh	8Ch	10y				y				00 – 99
8Fh	8Eh	WP	0	0	0	0	0	0	0	–
91h	90h	TCS	TCS	TCS	TCS	DS	DS	DS	DS	–

※s：秒、m：分、h：時間、d：日、m：月、y：年、day：曜日

■バッテリバックアップ付きRAM

31バイトのRAMが搭載されています。

記録用？とかでしょうか・・・。

■READ/WRITE

以下の読み出し、書き込みのモードがあります。

シングルバイトリード
シングルバイトライト
バーストモード

詳細はデータシートにタイミングチャートが記載されていますのでご確認ください。

ここの動作を理解すれば、ライブラリを使わずにスケッチを描くことができます。

スケッチでDS1302のRead/Writeを制御するためには「shiftOut関数」がとて便利です。

今一度、復習しておきましょう！

Arduino 入門番外編 20 【shiftOut関数まとめ】

本記事は、Arduinoで使用するshiftOut関数についてです。この関数も入門者には、わかりずらい関数。shiftOut関数は1byte分のデータを1bitずつシフトアウトする関数です。クロック出力ピンから8クロックが出力され、そのクロ…

実践回路作成とコード作成

本Lessonでは、「ライブラリ」を使用したスケッチと使わないスケッチに挑戦したいと考えます。

まずは、「ライブラリ」を使用したスケッチから。

最初に回路図を確認してください。

次に、回路図に合わせて部品を接続します。

最後にコードを書いて、RTCモジュールを動かしていきましょう。

Arduinoのピン配置を確認したい方は番外編02を参照してください。

Arduino 入門番外編 02 【外観とピン配置】

本日は、番外編02 Arduino UNO R3 外観とピン配置です。arduinoの入門編を書いていて、arduino自体の説明をしたいと考えていました。やはり、arduino自身のことを理解しておいた方が良いですよね。ということで番外編…

回路図

「DS1302」が実装されたモジュール端子を接続していきます。

Arduinoはデジタル入出力ピンの８、９、１０を使用。

あとは、５VとGNDのみ。

回路図がこちら。

こちらがブレッドボード図。

回路図は「fritzing」を利用しています。

「fritzing」の使い方は下記を参照してください。

Arduino 入門番外編 01 【回路図を書こう fritzing】

UNOの実際の回路を写真で掲載しても、接続がわかりずらいかなと考えていました。前々から「fritzing」を利用して回路を描くことで、わかりやすくしたいと考えていました。そこで本日は、「fritzing」のインストールと回路図を描くことに挑…

接続

下図に示すように、用意した部品を使用して接続しましょう。

部品は「RTCモジュール」のみとなります。
※DS1302が実装されたモジュール

部品は1個、接続は簡単です。

「RTCモジュール」と接続するジャンパーワイヤーはF-Mを使用してます。

そのため、ブレッドボードもいりません。

使用するポートは、デジタル入出力ピンの８、９、１０、5V、GND。

穴に挿入しづらいときは、ラジオペンチなどを使用してください。

コードの書き込み

接続が終わったら、USBケーブルを使用してUNOにプログラムを書き込んで行きましょう。

コードを書き終えたら、いつでも利用できるように「ファイル」⇒「名前を付けて保存」で保存しておきましょう。

コマンド説明１　ライブラリ使用あり

サンプルコード１では、「ライブラリ」を使用します。

使いやすい、ライブラリがありましたのでこちらを使います。

下記からダウンロードしてzip形式のライブラリをインストールしてください。

Code -> Download ZIP　でダウンロードできます。
https://github.com/msparks/arduino-ds1302

ライブラリについて知りたい方は下記を参照ください。

Arduino 入門 Lesson 01 【ライブラリインストールおよびPCとの接続編】

ライブラリはセンサなどの部品を簡単にArduinoに接続して使用するためのコードの集まりです。接続はArduinoにコードをアップデートするために、COMポートを設定し、PCとArduinoを接続する作業です。ここではライブラリの追加方法（…

サンプルコード１　ライブラリ使用あり

まずは、「ライブラリを使ったサンプルコード」です。

ダウントードしたライブラリに一緒にサンプルが梱包されています。

ファイル -> スケッチ例 -> arduino-ds1302-master -> set_clock

で遊ぶことができます。

本Lessonの回路図はデジタル入出力ピンの８、９、１０を使用しています。

本Lessonの回路図結線を利用する場合は、スケッチのピン定義を８，９，１０に修正ください。

const int kCePin = 10; // Chip Enable
const int kIoPin = 9; // Input/Output
const int kSclkPin = 8; // Serial Clock

また、スケッチの中に下記の記載があります。

合わせたい時刻に下記を設定すれば、その時刻から時計が刻まれます。

例　2021年4月10日　23時20分30秒　土曜日　に設定
Time t(2021, 4, 10, 23, 20, 30, Time::kSaturday);

サンプル例になりますのでスケッチは省略します。
※掲載して良いかわからなかったので・・・。

サンプルコード１　動作確認

では、さっそく動作を確認していきます。

シリアルモニタに下記のように時刻が表示されます。

■時刻の表示

設定した時刻から時間が経過していることがわかります。

補足
タイミングチャートがわからない。
そんなときは「ライブラリ」を使用することで遊べます。
機能を使いたいだけであれば、これでOK！

コマンド説明２　ライブラリ使用なし

サンプルコード２では、データシートを理解してライブラリを使わずにスケッチを描くことに挑戦。

これまで学習してきた、関数しか使わないため新しいコマンドはありません。

データーシートのアドレスマップ、タイミングチャート、Readモードを理解することが重要になります。

そこまでは、という場合はすっ飛ばしてください。

ライブラリを使ったスケッチで十分に色々な用途に応用可能です。

ライブラリを使わずにRead/Writeを制御するためには「shiftOut関数」がとて便利です。

Arduino 入門番外編 20 【shiftOut関数まとめ】

サンプルコード２　ライブラリ使用なし

ライブラリを使用せずに日時を書き込み、読み出すスケッチになります。

書き込み部分、読み出し部分は関数化しています。

■Single-Byte Writeモード部分を関数化

この部分で、日時の初期値設定をするようにしています。

// Single-Byte Write関数　「時刻の初期値設定」
void s_b_write(int command, int data){
～
}

■Single-Byte Readモード部分を関数化

この部分で、レジスタに格納されている日時を読み出しています。

//Single-Byte Read関数　「時刻の読み出し」
int s_b_read(int command){
～
}

■その他　補足

補足１
読み出したデータは、上位4bit、下位4bitのバイナリデータです。
上位4bitを10の位、下位4bitを１の位として数値に変換し統合する必要があります。

補足2
曜日に関しては、1～7の数値のため曜日変換して出力する必要があります。

補足3
始めに、設定時刻を読み出さない場合
電池によって保持されているレジスタ値の日時が読み出されます。
上記結果からCR2032の電池で日時が保持されることがわかります。

上記をふまえて、下記サンプルスケッチを確認ください。

データシートを理解することができるかどうか？が重要です。

//Lesson 50 RTCモジュール（Real Time Clock Module）
//RTCモジュールの制御（ライブラリ使用なし）
//https://omoroya.com/

// ピン番号の設定
const int clkPin = 8;  //DS1302：SCLKピン
const int datPin = 9;  //DS1302：I/Oピン
const int rstPin = 10; //DS1302：CEピン

// Single-Byte Write関数　「時刻の初期値設定」
void s_b_write(int command, int data){
  pinMode(datPin,OUTPUT);                      //DAT(I/O)のOUTPUT指定
  digitalWrite(clkPin, LOW);                   //クロック "L"　L始まりを確定させるため
  digitalWrite(rstPin, HIGH);                  //RSTピン(CE)　"H"　アクセスを許可
  shiftOut(datPin, clkPin, LSBFIRST, command); //コマンド送信（日時格納アドレス）
  shiftOut(datPin, clkPin, LSBFIRST, data);    //データ書き込み（設定日時のデータ）
  digitalWrite(rstPin, LOW);                   //RSTピン(CE)　"L"　アクセス終了
  pinMode(datPin, INPUT);                      //DAT(I/O)をINPUTへ戻す
}

//Single-Byte Read関数　「時刻の読み出し」
int s_b_read(int command){
  int bit = 0;
  int data = 0;
  digitalWrite(clkPin, LOW);                   //クロック "L"　L始まりを確定させるため
  digitalWrite(rstPin, HIGH);                  //RSTピン(CE)　"H"　アクセスを許可
  shiftOut(datPin, clkPin, LSBFIRST, command); //コマンド送信（日時格納アドレス）
  
  //data（日時）の読み取り動作　8回繰り返し8bitぶん読み出す
  for (int i = 0; i < 8; ++i)                  //8回繰り返し
  {
    bit = digitalRead(datPin);                 //DAT(I/O)の値を読み取り
    Serial.print(bit);                         //シリアルモニタに表示
    
    //データの統合処理
    data |= (bit << i);                        //bitシフトさせて、前のデータとのORどり　 
    //clkをH->Lさせてトグルさせる
    digitalWrite(clkPin, HIGH);                //クロック "H"
    delayMicroseconds(1);                      //クロック "H"期間 1usに設定
    digitalWrite(clkPin, LOW);                 //クロック "L"
  }
  digitalWrite(rstPin, LOW);                   //RSTピン(CE)　"L"　アクセス終了
  Serial.print(" ");                           //シリアルモニタにスペースの表示
  //
  int t = (10 * (data  >> 4))+(data & 0b1111); //上位4bit + 下位4bitを統合　※数値に変換
  return(t);                                   //戻り値
}

void setup()
{
  //PINモード設定
  pinMode(clkPin,OUTPUT);                           //OUTPUT指定
  pinMode(rstPin,OUTPUT);                           //OUTPUT指定
  
  Serial.begin(9600);                               //データ転送レートを指定
  Serial.println("時刻を設定値にしますか？  [y or n]");
  while(Serial.available() == 0){}                  //データが入るまでループ
  int val = Serial.read();                          //受信データの読み込み
  if(val == 0x79){                                  //y,nの判定（ASCIIコード y = 0x79
    //アドレスの値に関してはdatasheetで確認。※下記は16進数表示
    s_b_write(0x80,0x55); //秒の設定　　※55秒
    s_b_write(0x82,0x59); //分の設定　　※59分
    s_b_write(0x84,0x23); //時間の設定　※23時
    s_b_write(0x86,0x11); //日付の設定　※11日
    s_b_write(0x88,0x04); //月の設定　　※4月
    s_b_write(0x8c,0x21); //年の設定　　※21年
    s_b_write(0x8a,0x01); //曜日の設定　※日曜日　　　　　　　　　　　　　　　　　
  }else{
    pinMode(datPin, INPUT); //時刻を設定値にしない場合、INPUT指定
  }
  Serial.println("### 2進数表示 ###");
  Serial.println("|second |minutes |hour    |date    |month   |year    |day     |");
  Serial.println("01234567|01234567|01234567|01234567|01234567|01234567|01234567|"); 
}

void loop(){
  int v_s    = s_b_read(0x81);//read 秒レジスタ
  int v_mi   = s_b_read(0x83);//read 分レジスタ
  int v_h    = s_b_read(0x85);//read 時レジスタ
  int v_date = s_b_read(0x87);//read 日レジスタ
  int v_mo   = s_b_read(0x89);//read 月レジスタ
  int v_y    = s_b_read(0x8d);//read 年レジスタ
  int v_day  = s_b_read(0x8b);//read 曜日レジスタ
  
  Serial.print("  ");        
  Serial.print(v_s);     
  Serial.print("秒 ");        
  Serial.print(v_mi);     
  Serial.print("分 ");        
  Serial.print(v_h);        
  Serial.print("時 ");
  Serial.print(v_date);        
  Serial.print("日 ");
  Serial.print(v_mo);        
  Serial.print("月 ");
  Serial.print("20");
  Serial.print(v_y);        
  Serial.print("年 ");
  
  //数値を曜日としてシリアルモニタに表示
  char day_week;
  switch (v_day) {
  case 1:
    Serial.print("日");
    break;
  case 2:
    Serial.print("月");
    break;
  case 3:
    Serial.print("火");
    break;
  case 4:
    Serial.print("水");
    break;
  case 5:
    Serial.print("木");
    break;
  case 6:
    Serial.print("金");
    break;
  case 7:
    Serial.print("土");
    break;
  }       
  Serial.println("曜日 ");
  
  delay(1000);
}