基于無線通信的教室同步時鐘

蔡燕玲

摘要：歷來校園打鈴系統在校園時間控制管理方面起主要作用，隨著校園任務多樣化及人性化發展，所有教室能有時鐘并使這些時鐘的時間同步，將對校園教學及秩序管理起重要作用。應用單片機及無線通信技術設計的同步時鐘系統，可在不影響教室其它設備及布線的基礎上，實現多教室時鐘顯示同步時間。

關鍵詞：單片機；時鐘；nRF24L01+

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）08-0016-02

1 引言

校園日常活動中會遇到兩個問題。一個是作為全國統一考試的考場，特別是四六級考試時，考生在不同的時間段有不同的任務，理論上所有考生應同步進行。但因各考室采用的石英鐘未能完全同步，室外廣播的效果有時不太好，實際操作中會出現偏差。另一個就是在教學管理中對上下課時間要求嚴格，不準提前下課，學校的打鈴系統不穩定時教師將自行決定，易造成管理中的麻煩。如果每間教室的時鐘都能同步，就能很好地解決一些問題，由此設計了教室同步時鐘。

2 設計思路

每間教室的時間要同步，其時鐘的信號來源必須是同一個。可以從教室電腦獲取網絡標準時間，前提是電腦必須打開并聯網，多了一層操作，特別作為考場時是不允許的。這里的設計采用單片機應用技術的方法，可以在不牽扯教室其它設備的基礎上實現時鐘同步。

2.1 總體框圖

整個設計由一個主時鐘模塊和多個從時鐘模塊構成。標準時鐘作為主時鐘，各間教室的時鐘作為從時鐘。由主時鐘模塊通過無線傳輸方式發送標準時間信號，各從時鐘模塊同時接收并顯示時間。同步時鐘系統結構圖如圖1所示。

2.2 主時鐘模塊設計

主時鐘模塊的作用是提供標準時間，由單片機、時鐘芯片ds1302、6位數碼管顯示器和無線收發nRF24L01+模塊組成。

2.2.1 時鐘產生

為了保證時間的準確性，采用時鐘芯片作為標準時鐘的來源。DS1302[1]是美國DALLAS公司推出的一種串行接口實時時鐘芯片，計時準確，工作電壓范圍寬（2.5-5.5V），功耗低，芯片自身還具有對備份電池進行涓流充電功能，可有效延長備份電池的使用壽命。芯片采用3線串行通信方式與單片機連接，在以單片機為主控芯片控制RST、SCLK信號的基礎上從I/O引腳傳送數據信號。芯片內部有可編程的日歷時鐘寄存器和31個字節的靜態RAM，每次傳送數據前需向DS1302寫入一個命令字以確定是選擇RAM操作還是時鐘操作、是讀操作還是寫操作。DS1302芯片有年星期月日時分秒寄存器，此處只用到時分秒三個寄存器，其寄存器地址分別為時80H（寫）和81H（讀）、分82H（寫）和83H（讀）、秒84H（寫）和85H（讀），對應函數是：

寫：

Write1302（0x80，秒值）； //向秒寄存器寫入秒的值

Write1302（0x82，分值）； //向寄存器寫入分的值

Write1302（0x84，時值）； //向寄存器寫入小時的值

讀：

ReadValue = Read1302（0x81）； //從秒寄存器讀秒值

ReadValue = Read1302（0x83）； //從分寄存器讀分值

ReadValue = Read1302（0x85）； //從小時寄存器讀小時的值

電路設計中外接三個按鍵，用以調節時分秒的值，從而校準時間。

2.2.2 時鐘顯示

主時鐘模塊可以考慮液晶顯示或數碼管顯示，若時間設定之后大部分時間不使用這個時鐘，可采用液晶顯示，此處假設作為主考室的時鐘，為了方便眾人觀察需采用LED數碼管顯示。

MAX7219[1]是7段共陰極LED顯示驅動器，采用三線串行方式與單片機接口，其片內含有的段譯碼器、掃描電路、字段字位存儲器等可以減輕單片機負擔，且可通過引腳V+與ISET之間所接的外部電阻來控制顯示亮度。

單片機通過MAX7219驅動數碼管顯示，顯示函數為：

DisplayChar（uchar digit，uchar character）； //在指定數位上顯示指定字符

例如“DisplayChar（0x03，'8'）；”表示在數碼管第5位顯示字符8。

圖2為主時鐘模塊的標準時鐘電路及仿真結果。

2.2.3 時鐘參數發送

從DS1302讀取當前“時分秒”數據，通過無線收發nRF24L01+模塊進行發送。

nRF24L01+[2]是Nordic公司出品的一種2.4GHz ISM波段的通信芯片，工作頻率范圍是2.400GHz-2.525GHz，支持的空中數據速率有250kbps、1Mkbps和2Mkbps，使用電源1.9-3.6V并有兩種電源節能模式適于超低功率的設計，通過配置寄存器值可工作在掉電、待機、發射和接收模式。

芯片有20個引腳，其中6個引腳與單片機連接，其余接固定元件，電路如圖3所示。

主時鐘模塊上的nRF24L01+設置為發送模式，發送“時分秒”三個字節的數據：

TX_Mode（）；// 配置為發送模式

Write_Buffer（Write_TX_PLD，TX_Buffer，TX_PLD_ Width）；//寫發送的數據及數據長度。

2.3 從時鐘模塊設計

在主時鐘模塊電路的基礎上去掉時鐘芯片，就構成從時鐘模塊電路。

為了接收主時鐘模塊發送來的時間參數，需把從時鐘模塊上的nRF24L01+設置為接收模式并設置與主時鐘模塊上nRF24L01+相同的頻道、地址、數據速率和數據寬度，由函數Read_Buffer（Read_RX_PLD，RX_Buffer，TX_PLD_Width）接收，并把接收到的時間參數處理后送數碼管，顯示出與主時鐘模塊同步的時間。

3 結語

此設計僅限于實驗室模型，實際應用中需考慮多種因素。例如考慮信號傳播距離需增大發射功率、考慮數據傳輸時延需在程序中修正時間參數等技術問題，以及時鐘顯示部分應選用時間格式的數碼管等人性化方面的考慮等。

參考文獻

[1]徐愛鈞，彭秀華，編著.Keil Cx51 V7.0單片機高級語言編程與uVision2應用實踐[M].北京：電子工業出版社，2006.

[2]劉曉紅，何永洪.基于nRF2401的無線數據通信系統[J].電視技術，2008，（S1）：72-73+81.endprint