Interfaz DS3231 módulo RTC de precisión con Arduino

El DS3231 es uno de los módulos RTC más precisos disponibles para su uso con Arduino. En este artículo, exploraremos cómo interfazar este módulo con Arduino y sacar el máximo provecho de su precisión en la medición del tiempo. ¡Sigue leyendo para descubrir cómo incorporar este poderoso dispositivo en tus proyectos!

Todos sabemos que la mayoría de las MCU que utilizamos en nuestros proyectos son independientes del tiempo, lo que significa que no son conscientes del tiempo que las rodea. Para la mayoría de nuestros proyectos esto no es un problema, pero de vez en cuando, cuando se le ocurre una idea en la que la sincronización es crucial, el módulo DS3231 Precision RTC resulta útil. Es adecuado para una variedad de proyectos que incluyen relojes, temporizadores y alarmas, así como registro de datos y sellado de tiempo.

Descripción general del hardware

Este módulo se basa en el chip RTC DS3231S extremadamente potente y la EEPROM AT24C32, los cuales han estado disponibles durante algún tiempo y tienen un buen soporte de biblioteca.

Chip DS3231 RTC

En el corazón del módulo se encuentra un chip RTC rentable y de alta precisión de Maxim: el DS3231. Asume todas las funciones temporales y se comunica con el microcontrolador a través de I2C.

El DS3231 puede capturar segundos, minutos, horas, días, fechas, meses y años. Para meses con menos de 31 días, ajusta automáticamente la fecha al final del mes, incluidas las correcciones de año bisiesto (válido hasta 2100).

Se puede utilizar en formato de 12 o 24 horas y tiene pantalla AM/PM. También hay dos alarmas de hora del día programables.

El EN TEl pin /SQW del DS3231 proporciona una señal de interrupción (debido a condiciones de alarma) o una bonita onda cuadrada a 1 Hz, 4 kHz, 8 kHz o 32 kHz.

Además, el DS3231 genera un reloj de referencia estable (compensado por temperatura) y preciso en el pin de 32K. Esta salida de reloj puede ser útil en algunas aplicaciones para medir la precisión del reloj o sincronizar otros circuitos.

Oscilador de cristal con compensación de temperatura (TCXO)

La mayoría de los módulos RTC, como el DS1307, requieren un oscilador de cristal externo de 32 kHz para medir el tiempo. El problema de estos cristales es que su frecuencia de oscilación está influenciada por la temperatura exterior. Este cambio de frecuencia es insignificante, pero suma.

Para evitar estas pequeñas derivas del cristal, el DS3231 funciona con un oscilador de cristal con compensación de temperatura (TCXO) de 32 kHz, que es muy resistente a las fluctuaciones de temperatura externas.

En realidad, el TCXO consta de un sensor de temperatura integrado, un oscilador de cristal de 32 kHz y una lógica de control. El sensor de temperatura integrado compensa los cambios de frecuencia agregando o eliminando pulsos del reloj, lo que garantiza que el cronometraje siga siendo preciso.

Por esta razón, el TCXO ofrece el reloj de referencia más estable y preciso, asegurando una precisión RTC de ±2 minutos por año.

Batería de reserva

El DS3231 IC cuenta con una entrada de batería para mantener la hora exacta incluso cuando se interrumpe la fuente de alimentación principal del dispositivo.

El circuito de detección de energía integrado monitorea continuamente el estado de VCC para detectar cortes de energía y cambia automáticamente a energía de respaldo. Esto significa que el IC puede mantener la hora incluso en caso de un corte de energía.

Para el suministro de energía de emergencia, en la parte inferior de la placa se encuentra un soporte para pilas de botón de litio de 20 mm y 3 V.

EEPROM 24C32 integrada

El módulo DS3231 RTC también incluye un chip EEPROM (no volátil) AT24C32 de 32 bytes (4K x 8 bits) con 1.000.000 de ciclos de escritura. En realidad, este chip no tiene nada que ver con el RTC, pero puede ser útil para cosas como el registro de datos o el almacenamiento de otros datos que no deben ser volátiles.

La EEPROM 24C32 se comunica a través de I2C y utiliza el mismo bus I2C que el DS3231.

Si utiliza varios dispositivos en el mismo bus I2C, es posible que necesite configurar una dirección I2C diferente para la EEPROM para que no entre en conflicto con otro dispositivo I2C.

Para ello, el módulo dispone de tres puentes de soldadura en la parte posterior (A0, A1 y A2). La dirección se establece uniendo un puente con una gota de soldadura.

Según la hoja de datos del 24C32, estos tres bits se colocan al final de la dirección I2C de siete bits, justo antes del bit de lectura/escritura.

Como hay tres entradas de direcciones que pueden ser ALTAS o BAJAS, podemos tener ocho (2³) diferentes direcciones.

De forma predeterminada, las tres entradas de direcciones están configuradas en ALTA mediante pullups integrados, lo que le da al 24C32 una dirección I2C estándar de 1010111._Binario o 0x57_Maleficio.

Al cortocircuitar los puentes de soldadura, las entradas de dirección se ponen en estado BAJO. Esto le permite configurar la dirección I2C de acuerdo con la siguiente tabla.

interfaz I2C

El módulo tiene una interfaz I2C simple que ocupa dos direcciones. La dirección I2C fija del chip DS3231S RTC es 0x68 y la dirección I2C predeterminada de la EEPROM es 0x57 (sin embargo, el rango de direcciones es de 0x50 a 0x57).

Las señales I2C SDA y SCL, así como la alimentación y la tierra, se llevan a un lado del módulo para que estas señales puedan pasar a otro módulo.

Para permitir la comunicación, tanto la línea SDA como la SCL tienen resistencias pull-up de 4,7K.

Especificaciones técnicas

Aquí están las especificaciones:

Para obtener más información sobre el RTC DS3231 y el chip EEPROM 24C32, consulte las hojas de datos que se enumeran a continuación.

advertencia

Estos módulos suelen venir con una resistencia de 200Ω soldada junto al diodo 1N4148 como puedes ver en la imagen a continuación.

La resistencia y el diodo forman un circuito de carga simple diseñado para usarse con baterías recargables LIR2032.

Tenga en cuenta que algunos módulos DS3231 vienen con una batería CR2032 no recargable. En este caso, deberá quitar la resistencia, ya que intentar cargar una batería no recargable puede causar daños graves.

Distribución de pines del módulo DS3231 RTC

El módulo DS3231 RTC tiene un total de 6 pines. La asignación de pines es la siguiente:

32K El pin genera un reloj de referencia estable (compensado por temperatura) y preciso.

EN T/SQW El pin proporciona una señal de interrupción (debido a condiciones de alarma) o una salida de onda cuadrada a 1 Hz, 4 kHz, 8 kHz o 32 kHz.

SCL es un pin de reloj serie para la interfaz I2C.

ASD es un pin de datos en serie para la interfaz I2C.

VCC suministra energía al módulo. Puedes conectarlo a una fuente de alimentación de 3,3 a 5 voltios.

Dimensiones es el pin de tierra.

Cableado de un módulo RTC DS3231 a un Arduino

Conectemos el RTC al Arduino.

Las conexiones son sencillas. Comience conectando el pin VCC a la salida de 5 V del Arduino y el pin GND a tierra.

Ahora todo lo que queda son los pines que se utilizan para la comunicación I2C. Tenga en cuenta que cada placa Arduino tiene diferentes pines I2C que deben conectarse correctamente. En las placas Arduino con diseño R3, SDA (línea de datos) y SCL (línea de reloj) se encuentran en los encabezados de los pines cerca del pin AREF. También se les conoce como A5 (SCL) y A4 (SDA).

La siguiente tabla enumera las asignaciones de pines:

El siguiente diagrama muestra cómo está todo conectado.

Instalación de la biblioteca uRTCLib

Comunicarse con un módulo RTC requiere mucho esfuerzo. Afortunadamente biblioteca uRTCLib fue creado para ocultar todas las complejidades y permitirnos emitir comandos simples para leer los datos RTC.

Es una biblioteca simple pero poderosa que también admite alarmas horarias y programación de salida SQW, que no es compatible con muchas bibliotecas RTC.

Para instalar la biblioteca, navegue hasta Bosquejo > Incluir biblioteca > Administrar bibliotecas… Espere a que el administrador de la biblioteca descargue el índice de la biblioteca y actualice la lista de bibliotecas instaladas.

Filtra tu búsqueda escribiendo 'urtclib'. Buscar uRTCLib de Naguisa. Haga clic en esta entrada y luego seleccione Instalar.

Al final del tutorial también incluimos código para leer y escribir la EEPROM 24C32 integrada. Si está interesado, debe instalar la biblioteca uEEPROMLib. Estás buscando 'eepromlib' e instalarlo también.

Código Arduino: lectura de fecha, hora y temperatura

Este es un boceto simple para configurar/leer la fecha, la hora y la temperatura desde el módulo RTC DS3231.

#include "Arduino.h"
#include "uRTCLib.h"

// uRTCLib rtc;
uRTCLib rtc(0x68);

char daysOfTheWeek[7][12] = {"Sunday", "Monday", "Tuesday", "Wednesday", "Thursday", "Friday", "Saturday"};

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  delay(3000); // wait for console opening

  URTCLIB_WIRE.begin();

  // Comment out below line once you set the date & time.
  // Following line sets the RTC with an explicit date & time
  // for example to set January 13 2022 at 12:56 you would call:
   rtc.set(0, 56, 12, 5, 13, 1, 22);
  // rtc.set(second, minute, hour, dayOfWeek, dayOfMonth, month, year)
  // set day of week (1=Sunday, 7=Saturday)
}

void loop() {
  rtc.refresh();

  Serial.print("Current Date & Time: ");
  Serial.print(rtc.year());
  Serial.print('/');
  Serial.print(rtc.month());
  Serial.print('/');
  Serial.print(rtc.day());

  Serial.print(" (");
  Serial.print(daysOfTheWeek[rtc.dayOfWeek()-1]);
  Serial.print(") ");

  Serial.print(rtc.hour());
  Serial.print(':');
  Serial.print(rtc.minute());
  Serial.print(':');
  Serial.println(rtc.second());

  Serial.print("Temperature: ");
  Serial.print(rtc.temp()  / 100);
  Serial.print("xC2xB0");   //shows degrees character
  Serial.println("C");

  Serial.println();
  delay(1000);
}

Así es como se ve el resultado:

Explicación del código:

El boceto comienza integrando las bibliotecas Arduino.h y uRTCLib.h para comunicarse con el módulo. Luego creamos un objeto de biblioteca uRTCLib y definimos el daysOfTheWeek Matriz de caracteres 2D para almacenar la información del día.

Para interactuar con el módulo RTC, utilizamos las siguientes funciones en las secciones de configuración y bucle del código:

comenzar() La función garantiza que el módulo RTC se inicialice correctamente.

conjunto(ss, mm, hh, día, dd, mm, aa) La función establece el RTC en una fecha y hora específicas. Por ejemplo, para configurar el 13 de enero de 2022 a las 12:56, vaya a: rtc.set(0, 56, 12, 5, 13, 1, 22);

Actualizar() La función actualiza los datos del HW RTC.

Año() La función devuelve el año actual.

Mes() La función devuelve el mes actual.

Día() La función devuelve el día actual.

Día laborable() La función devuelve el día actual de la semana (1 a 7). Esta función se utiliza normalmente como índice de una matriz de caracteres 2D que almacena información sobre los días.

Hora() La función devuelve la hora actual.

Minuto() La función devuelve el minuto actual.

segundo() La función devuelve los segundos actuales.

temperatura() La función devuelve la temperatura actual del «chip».

Código Arduino: lectura/escritura de EEPROM 24C32

Como beneficio adicional, el módulo RTC DS3231 incluye 32 bytes de ROM borrable eléctricamente. Su contenido no se eliminará incluso si se interrumpe la fuente de alimentación principal del dispositivo.

Este es un boceto simple que intenta escribir un número entero, un número de punto flotante, un carácter y una cadena en la EEPROM 24C32 y luego volver a leerlos. Este boceto se puede ampliar para almacenar configuraciones, contraseñas o prácticamente cualquier cosa.

#include "Arduino.h"
#include "Wire.h"
#include "uEEPROMLib.h"

// uEEPROMLib eeprom;
uEEPROMLib eeprom(0x57);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  delay(2500);

  Wire.begin();

  int inttmp = 32123;
  float floattmp = 3.1416;
  char chartmp = 'A';
  char c_string[] = "lastminuteengineers.com"; //23
  int string_length = strlen(c_string);

  Serial.println("Writing into memory...");
  
  // Write single char at address 
  if (!eeprom.eeprom_write(8, chartmp)) {
  Serial.println("Failed to store char.");
  } else {
  Serial.println("char was stored correctly.");
  }

  // Write a long string of chars FROM position 33 which isn't aligned to the 32 byte pages of the EEPROM
  if (!eeprom.eeprom_write(33, (byte *) c_string, strlen(c_string))) {
  Serial.println("Failed to store string.");
  } else {
  Serial.println("string was stored correctly.");
  }

  // Write an int
  if (!eeprom.eeprom_write(0, inttmp)) {
    Serial.println("Failed to store int.");
  } else {
    Serial.println("int was stored correctly.");
  }

  // write a float
  if (!eeprom.eeprom_write(4, floattmp)) {
    Serial.println("Failed to store float.");
  } else {
    Serial.println("float was stored correctly.");
  }

  Serial.println("");
  Serial.println("Reading memory...");
  
  Serial.print("int: ");
  eeprom.eeprom_read(0, &inttmp);
  Serial.println(inttmp);

  Serial.print("float: ");
  eeprom.eeprom_read(4, &floattmp);
  Serial.println((float) floattmp);

  Serial.print("char: ");
  eeprom.eeprom_read(8, &chartmp);
  Serial.println(chartmp);

  Serial.print("string: ");
  eeprom.eeprom_read(33, (byte *) c_string, string_length);
  Serial.println(c_string);

  Serial.println();
}

void loop() {
}

Así es como se ve el resultado:

Interfaz DS3231 módulo RTC de precisión con Arduino

Estamos todos al tanto de que la mayoría de los MCUs utilizados en nuestros proyectos carecen de conciencia del tiempo; es decir, no son conscientes del tiempo que los rodea. Esto está bien para la mayoría de nuestros proyectos, pero cada cierto tiempo, cuando se nos ocurre una idea donde mantener el tiempo es crítico, el módulo RTC de precisión DS3231 resulta útil. Es adecuado para una amplia gama de proyectos, incluidos relojes, temporizadores, alarmas, así como registro de datos y marca de tiempo.

Visión general del hardware

Este módulo está construido en torno al chip RTC DS3231S altamente capaz y la EEPROM AT24C32, ambos con un buen soporte de librería.

Chip RTC DS3231

En el corazón del módulo se encuentra un chip RTC de baja costo y extremadamente preciso de Maxim: el DS3231. Maneja todas las funciones de mantenimiento de tiempo y se comunica con el microcontrolador a través de I2C.

El DS3231 puede llevar un seguimiento de segundos, minutos, horas, días, fechas, meses y años. Para los meses con menos de 31 días, ajusta automáticamente la fecha al final del mes, incluidas las correcciones de año bisiesto (válido hasta 2100).

Puede funcionar en formato de 12 o 24 horas y tiene un indicador de AM/PM. También tiene dos alarmas de hora del día que se pueden programar.

El pin INT/SQW en el DS3231 proporciona una señal de interrupción (debido a condiciones de alarma) o una onda cuadrada a 1Hz, 4kHz, 8kHz o 32kHz.

Además, el DS3231 emite un reloj de referencia estable (compensado por temperatura) y preciso en el pin 32K. Esta salida de reloj puede ser útil en algunas aplicaciones para medir la precisión del tiempo del reloj o para sincronizar otros circuitos.

Comparación entre DS3231 y DS1307

La diferencia principal entre el DS3231 y el DS1370 es la precisión de la mantención del tiempo. El DS1307 requiere un oscilador de cristal de 32kHz externo para la mantención del tiempo, cuya frecuencia es fácilmente afectada por la temperatura externa. Como resultado, el reloj generalmente se desfasa en unos cinco minutos al mes. Por otro lado, el DS3231 es mucho más preciso porque tiene un Oscilador de Cristal Compensado por Temperatura (TCXO) interno que no se ve afectado por la temperatura, lo que lo hace preciso a unos pocos minutos por año como máximo.

Esto no significa que el DS1307 no sea preciso; sigue siendo un gran RTC que te servirá bien, pero si tu proyecto necesita una mantención más precisa del tiempo, el DS3231 es una mejor opción.

Respaldos de batería

El IC DS3231 incorpora una entrada de batería para mantener la mantención precisa del tiempo incluso cuando se interrumpe la alimentación principal del dispositivo.

El circuito de detección de alimentación integrado monitorea continuamente el estado de VCC para detectar fallas de alimentación y cambia automáticamente a la fuente de respaldo. Esto significa que incluso en caso de una interrupción de energía, el IC aún puede mantener la hora.

Como fuente de energía de respaldo, en la parte inferior de la placa se encuentra un soporte de batería para una pila de litio de 20 mm y 3V.

Suponiendo que utilizas una batería de celda de moneda de litio CR2032 totalmente cargada de 220mAh y mantienes el consumo de corriente del chip a un mínimo de 3µA, la batería debería ser capaz de alimentar el RTC durante al menos 8 años sin necesidad de una fuente de energía externa.

Memoria EEPROM 24C32 incorporada

El módulo RTC DS3231 también incluye una memoria EEPROM AT24C32 de 32 bytes (4K x 8 bits) (no volátil) con 1,000,000 ciclos de escritura. Esta memoria no tiene realmente nada que ver con el RTC, pero puede ser útil para cosas como el registro de datos o almacenar cualquier otro dato que desees que sea no volátil.

La EEPROM 24C32 se comunica a través de I2C y comparte el mismo bus I2C que el DS3231.

Si estás utilizando múltiples dispositivos en el mismo bus I2C, es posible que necesites configurar una dirección I2C diferente para la EEPROM para que no entre en conflicto con otro dispositivo I2C.

Para lograr esto, el módulo tiene tres jumpers de soldadura (A0, A1 y A2) en la parte trasera. Puentear un jumper con una gota de soldadura establece la dirección.

Según la hoja de datos para el 24C32, estos tres bits se colocan al final de la dirección I2C de siete bits, justo antes del bit de lectura/escritura.

Debido a que hay tres entradas de dirección que pueden ser ALTAS o BAJAS, podemos crear ocho (2^3) direcciones diferentes.

De forma predeterminada, todas las entradas de dirección están en ALTO utilizando resistencias de pull-up en la placa, lo que le da a la 24C32 una dirección I2C predeterminada de 1010111 binario (0x57 hex).

Al cerrar los jumpers de soldadura, las entradas de dirección se ponen en BAJO. Esto te permite configurar la dirección I2C de acuerdo con la tabla a continuación.

Interfaz I2C

El módulo tiene una interfaz I2C simple que ocupa dos direcciones. La dirección I2C fija del chip RTC DS3231S es 0x68, y la dirección I2C predeterminada de la EEPROM es 0x57 (aunque el rango de direcciones es de 0x50 a 0x57).

Las señales SDA y SCL de I2C, así como la alimentación y la tierra, se dividen en un lado del módulo para permitir que estas señales se conecten a otro módulo.

Para habilitar la comunicación, tanto las líneas SDA como SCL tienen resistencias de pull-up de 4.7K.

Especificaciones técnicas

Aquí están las especificaciones:

• Voltaje de funcionamiento: 2,3 a 5,5V (3,3 o 5V típico)
• Consumo de corriente: < 300µA (típico)
• Precisión (0-40°C): ± 2ppm
• Batería: CR2032 (Celda de moneda 3V)

Para obtener más información sobre el RTC DS3231 y el chip EEPROM AT24C32, consulta las hojas de datos enumeradas a continuación.

DS3231S

AT24C32

Advertencia: Estos módulos normalmente vienen con una resistencia de 200Ω soldada junto al diodo 1N4148. Asegúrate de seguir las instrucciones para evitar daños. Más información puedes encontrarla en este enlace.

Pinout del módulo RTC DS3231

El módulo RTC DS3231 tiene 6 pines en total. El pinout es el siguiente:

• Pin 32K: salida de reloj de referencia estable.
• Pin INT/SQW: proporciona una señal de interrupción o salida de onda cuadrada.
• Pin SCL: pin de reloj serial para la interfaz I2C.
• Pin SDA: pin de datos serial para la interfaz I2C.
• Pin VCC: suministra energía al módulo.
• Pin GND: pin de tierra.

Conexión de un módulo RTC DS3231 a un Arduino

Las conexiones son sencillas. Comienza conectando el pin VCC a la salida de 5V del Arduino y el pin GND a tierra.

Ahora nos quedan los pines que se utilizan para la comunicación I2C. Ten en cuenta que cada placa de Arduino tiene pines I2C diferentes que deben conectarse correctamente.

En las placas de Arduino con el diseño R3, los pines SDA (línea de datos) y SCL (línea de reloj) se encuentran en los encabezados de pines cerca del pin AREF. También se les conoce como A5 (SCL) y A4 (SDA).

La siguiente tabla muestra las conexiones de pines:

El diagrama a continuación muestra cómo conectar todo.

Instalación de la librería uRTCLib

Para comunicarte con el módulo RTC, necesitarás la librería uRTCLib. Para instalar la librería, sigue estos pasos:

1. Navega a Sketch > Include Library > Manage Libraries…
2. Espera a que el Administrador de Librerías descargue el índice de la biblioteca y actualice la lista de bibliotecas instaladas.
3. Filtra tu búsqueda ingresando ‘urtclib’.
4. Busca uRTCLib de Naguissa. Haz clic en esa entrada y luego selecciona Instalar.

Al final del tutorial, también hemos incluido código para leer y escribir en la EEPROM 24C32. Si estás interesado, necesitarás instalar la biblioteca uEEPROMLib. Busca ‘ueepromlib’ e instálalo también.