基于无线通信的教室同步时钟

蔡燕玲

摘要：历来校园打铃系统在校园时间控制管理方面起主要作用，随着校园任务多样化及人性化发展，所有教室能有时钟并使这些时钟的时间同步，将对校园教学及秩序管理起重要作用。应用单片机及无线通信技术设计的同步时钟系统，可在不影响教室其它设备及布线的基础上，实现多教室时钟显示同步时间。

关键词：单片机；时钟；nRF24L01+

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）08-0016-02

1 引言

校园日常活动中会遇到两个问题。一个是作为全国统一考试的考场，特别是四六级考试时，考生在不同的时间段有不同的任务，理论上所有考生应同步进行。但因各考室采用的石英钟未能完全同步，室外广播的效果有时不太好，实际操作中会出现偏差。另一个就是在教学管理中对上下课时间要求严格，不准提前下课，学校的打铃系统不稳定时教师将自行决定，易造成管理中的麻烦。如果每间教室的时钟都能同步，就能很好地解决一些问题，由此设计了教室同步时钟。

2 设计思路

每间教室的时间要同步，其时钟的信号来源必须是同一个。可以从教室电脑获取网络标准时间，前提是电脑必须打开并联网，多了一层操作，特别作为考场时是不允许的。这里的设计采用单片机应用技术的方法，可以在不牵扯教室其它设备的基础上实现时钟同步。

2.1 总体框图

整个设计由一个主时钟模块和多个从时钟模块构成。标准时钟作为主时钟，各间教室的时钟作为从时钟。由主时钟模块通过无线传输方式发送标准时间信号，各从时钟模块同时接收并显示时间。同步时钟系统结构图如图1所示。

2.2 主时钟模块设计

主时钟模块的作用是提供标准时间，由单片机、时钟芯片ds1302、6位数码管显示器和无线收发nRF24L01+模块组成。

2.2.1 时钟产生

为了保证时间的准确性，采用时钟芯片作为标准时钟的来源。DS1302[1]是美国DALLAS公司推出的一种串行接口实时时钟芯片，计时准确，工作电压范围宽（2.5-5.5V），功耗低，芯片自身还具有对备份电池进行涓流充电功能，可有效延长备份电池的使用寿命。芯片采用3线串行通信方式与单片机连接，在以单片机为主控芯片控制RST、SCLK信号的基础上从I/O引脚传送数据信号。芯片内部有可编程的日历时钟寄存器和31个字节的静态RAM，每次传送数据前需向DS1302写入一个命令字以确定是选择RAM操作还是时钟操作、是读操作还是写操作。DS1302芯片有年星期月日时分秒寄存器，此处只用到时分秒三个寄存器，其寄存器地址分别为时80H（写）和81H（读）、分82H（写）和83H（读）、秒84H（写）和85H（读），对应函数是：

写：

Write1302（0x80，秒值）； //向秒寄存器写入秒的值

Write1302（0x82，分值）； //向寄存器写入分的值

Write1302（0x84，时值）； //向寄存器写入小时的值

读：

ReadValue = Read1302（0x81）； //从秒寄存器读秒值

ReadValue = Read1302（0x83）； //从分寄存器读分值

ReadValue = Read1302（0x85）； //从小时寄存器读小时的值

电路设计中外接三个按键，用以调节时分秒的值，从而校准时间。

2.2.2 时钟显示

主时钟模块可以考虑液晶显示或数码管显示，若时间设定之后大部分时间不使用这个时钟，可采用液晶显示，此处假设作为主考室的时钟，为了方便众人观察需采用LED数码管显示。

MAX7219[1]是7段共阴极LED显示驅动器，采用三线串行方式与单片机接口，其片内含有的段译码器、扫描电路、字段字位存储器等可以减轻单片机负担，且可通过引脚V+与ISET之间所接的外部电阻来控制显示亮度。

单片机通过MAX7219驱动数码管显示，显示函数为：

DisplayChar（uchar digit，uchar character）； //在指定数位上显示指定字符

例如“DisplayChar（0x03，'8'）；”表示在数码管第5位显示字符8。

图2为主时钟模块的标准时钟电路及仿真结果。

2.2.3 时钟参数发送

从DS1302读取当前“时分秒”数据，通过无线收发nRF24L01+模块进行发送。

nRF24L01+[2]是Nordic公司出品的一种2.4GHz ISM波段的通信芯片，工作频率范围是2.400GHz-2.525GHz，支持的空中数据速率有250kbps、1Mkbps和2Mkbps，使用电源1.9-3.6V并有两种电源节能模式适于超低功率的设计，通过配置寄存器值可工作在掉电、待机、发射和接收模式。

芯片有20个引脚，其中6个引脚与单片机连接，其余接固定元件，电路如图3所示。

主时钟模块上的nRF24L01+设置为发送模式，发送“时分秒”三个字节的数据：

TX_Mode（）；// 配置为发送模式

Write_Buffer（Write_TX_PLD，TX_Buffer，TX_PLD_ Width）；//写发送的数据及数据长度。

2.3 从时钟模块设计

在主时钟模块电路的基础上去掉时钟芯片，就构成从时钟模块电路。

为了接收主时钟模块发送来的时间参数，需把从时钟模块上的nRF24L01+设置为接收模式并设置与主时钟模块上nRF24L01+相同的频道、地址、数据速率和数据宽度，由函数Read_Buffer（Read_RX_PLD，RX_Buffer，TX_PLD_Width）接收，并把接收到的时间参数处理后送数码管，显示出与主时钟模块同步的时间。

3 结语

此设计仅限于实验室模型，实际应用中需考虑多种因素。例如考虑信号传播距离需增大发射功率、考虑数据传输时延需在程序中修正时间参数等技术问题，以及时钟显示部分应选用时间格式的数码管等人性化方面的考虑等。

参考文献

[1]徐爱钧，彭秀华，编著.Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与uVision2应用实践[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2]刘晓红，何永洪.基于nRF2401的无线数据通信系统[J].电视技术，2008，（S1）：72-73+81.endprint