树莓派连接 DS3231 时钟模块

一、硬件准备

树莓派（任意型号，如 Raspberry Pi 4）
DS3231 模块（带 I2C 接口，VCC、GND、SDA、SCL 引脚）
杜邦线若干
接线说明（自定义 SDA/SCL 引脚，此处以 GPIO17=SDA，GPIO27=SCL 为例。也可以接默认IIC引脚：SDA 接 GPIO2（SDA）、SCL 接 GPIO3（SCL））：
DS3231 引脚   树莓派 GPIO 引脚    说明
VCC 3.3V   电源（勿接 5V，避免烧毁）
GND GND    接地
SDA GPIO17（自定义）    数据信号线
SCL GPIO27（自定义）    时钟信号线

二、系统准备

关闭NTP服务，不再使用网络服务器时间。

执行命令终止正在运行的时间同步进程：
sudo systemctl disable systemd-timesyncd
防止系统重启后 NTP 服务自动恢复：
sudo systemctl disable systemd-timesyncd

开启 I2C 功能：终端输入 sudo raspi-config，选 “Interface Options”→“I2C” 启用，重启树莓派。
安装依赖：终端执行sudo apt-get install python3-smbus python3-rpi.gpio。
测试连接：输入sudo i2cdetect -y 1，若显示 “68” 则连接成功。

三、python代码

1.DS3231读写代码 clock_readwrite.py，注意，周几的设置不一定要准确，但是一定要有。可以发送给树莓派时不发这一个值。

"""
一、硬件准备
树莓派（任意型号，如 Raspberry Pi 4）
DS3231 模块（带 I2C 接口，VCC、GND、SDA、SCL 引脚）
杜邦线若干
可选：面包板（方便接线）
接线说明（自定义 SDA/SCL 引脚，此处以 GPIO17=SDA，GPIO27=SCL 为例）：
DS3231 引脚	树莓派 GPIO 引脚	说明
VCC	3.3V	电源（勿接 5V，避免烧毁）
GND	GND	接地
SDA	GPIO17（自定义）	数据信号线
SCL	GPIO27（自定义）	时钟信号线
二、原理说明
DS3231 通过 I2C 协议通信，设备地址为0x68（7 位地址）。模拟 I2C（bit-bang）需通过软件手动控制 SDA 和 SCL 引脚的高低电平，模拟 I2C 的起始信号、数据传输、应答信号、停止信号等时序。
核心操作：
模拟 I2C 起始 / 停止信号
发送 / 接收字节数据
处理设备应答（ACK）
读写 DS3231 的时间寄存器（地址0x00~0x06存储秒、分、时、日、月、年等信息）
三、软件实现（Python）
使用树莓派的 GPIO 库（RPi.GPIO）模拟 I2C 时序，实现 DS3231 的时间读写。
步骤 1：安装依赖
确保已安装 GPIO 库
sudo apt-get update
sudo apt-get install python3-rpi.gpio--------代码说明--------
BCD 码转换：DS3231 的时间数据以 BCD 码存储（如十进制 25→BCD 码 0x25），需通过bcd_to_dec和dec_to_bcd转换。
I2C 时序：i2c_start、i2c_stop、i2c_send_byte、i2c_read_byte函数模拟 I2C 通信的核心时序。
寄存器操作：ds3231_write_reg和ds3231_read_reg通过模拟 I2C 读写 DS3231 的寄存器。
时间设置 / 读取：ds3231_set_time和ds3231_get_time封装了时间的设置和读取逻辑。
五、注意事项
引脚选择：SDA 和 SCL 可自定义为任意 GPIO 引脚（需与接线一致），但建议避开树莓派硬件 I2C 引脚（如 GPIO2=SDA，GPIO3=SCL）以避免冲突。
延时调整：代码中的time.sleep(0.0001)（100μs）确保时序稳定，若通信失败可适当增加延时（如0.001）。
星期定义：不同 DS3231 模块的星期定义可能不同（如 1 = 周一或 1 = 周日），需根据实际模块调整。
错误处理：代码中包含简单的应答检查，若提示 “未收到设备应答”，需检查接线、电源或模块是否正常。
通过代码手动设置星期值，再读取验证，即可确定对应关系：
修改代码中的设置函数，手动指定星期值并写入：
# 示例：设置星期为1，其他时间随意（确保格式正确）
ds3231_set_time(23, 10, 1, 1, 12, 34, 56)  # 最后一个参数1是星期值
读取并记录结果，观察当前实际星期几，与读取到的week值对比：
time_data = ds3231_get_time()
print("读取到的星期值：", time_data['week'])  # 假设实际今天是星期一，若读取到2，则说明2=星期一"""
import RPi.GPIO as GPIO
import time
from typing import Dict, Optionalclass DS3231BitBang:def __init__(self, sda_pin: int = 17, scl_pin: int = 27, timeout: float = 0.1):"""初始化DS3231模拟I2C通信"""self.SDA_PIN = sda_pinself.SCL_PIN = scl_pinself.TIMEOUT = timeoutself.DS3231_ADDR = 0x68  # 7位设备地址self.REG_SECONDS = 0x00  # 秒寄存器self.REG_MINUTES = 0x01  # 分寄存器self.REG_HOURS = 0x02  # 时寄存器self.REG_DAY = 0x03  # 日寄存器self.REG_MONTH = 0x04  # 月寄存器self.REG_WEEKDAY = 0x05  # 星期寄存器self.REG_YEAR = 0x06  # 年寄存器# 温度寄存器地址（DS3231温度存储在这两个寄存器）self.REG_TEMP_HIGH = 0x11  # 温度整数部分（二进制补码）self.REG_TEMP_LOW = 0x12  # 温度小数部分（仅高4位有效）# 初始化GPIO（推挽输出，默认高电平）GPIO.setmode(GPIO.BCM)GPIO.setwarnings(False)GPIO.setup(self.SDA_PIN, GPIO.OUT, initial=GPIO.HIGH)GPIO.setup(self.SCL_PIN, GPIO.OUT, initial=GPIO.HIGH)# 微秒级延时self._usleep = lambda x: time.sleep(x / 1_000_000)def _i2c_start(self) -> bool:"""发送I2C起始信号，返回是否成功"""start_time = time.time()GPIO.output(self.SDA_PIN, GPIO.HIGH)GPIO.output(self.SCL_PIN, GPIO.HIGH)self._usleep(20)while time.time() - start_time < self.TIMEOUT:GPIO.output(self.SDA_PIN, GPIO.LOW)self._usleep(20)GPIO.output(self.SCL_PIN, GPIO.LOW)return Truereturn Falsedef _i2c_stop(self) -> None:"""发送I2C停止信号"""GPIO.output(self.SCL_PIN, GPIO.LOW)GPIO.output(self.SDA_PIN, GPIO.LOW)self._usleep(20)GPIO.output(self.SCL_PIN, GPIO.HIGH)self._usleep(20)GPIO.output(self.SDA_PIN, GPIO.HIGH)self._usleep(20)def _i2c_send_byte(self, data: int) -> bool:"""发送1字节数据，返回从机应答状态"""for i in range(8):# 设置SDA引脚电平GPIO.output(self.SDA_PIN, (data >> (7 - i)) & 0x01)self._usleep(20)  # <--- 增加延时，确保信号稳定# 拉高SCL，让从机采样GPIO.output(self.SCL_PIN, GPIO.HIGH)self._usleep(20)# 拉低SCL，准备下一位数据GPIO.output(self.SCL_PIN, GPIO.LOW)self._usleep(20)  # <--- 也可以适当增加这里的延时# 读取应答GPIO.setup(self.SDA_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)self._usleep(20)  # <--- 增加延时GPIO.output(self.SCL_PIN, GPIO.HIGH)ack = not GPIO.input(self.SDA_PIN)self._usleep(20)GPIO.output(self.SCL_PIN, GPIO.LOW)GPIO.setup(self.SDA_PIN, GPIO.OUT, initial=GPIO.HIGH)  # 恢复输出return ackdef _i2c_read_byte(self, ack: bool = True) -> int:"""读取1字节数据，发送ACK/NACK"""data = 0GPIO.setup(self.SDA_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)for i in range(8):GPIO.output(self.SCL_PIN, GPIO.HIGH)self._usleep(20)data = (data << 1) | GPIO.input(self.SDA_PIN)GPIO.output(self.SCL_PIN, GPIO.LOW)self._usleep(20)# 发送应答GPIO.setup(self.SDA_PIN, GPIO.OUT, initial=GPIO.HIGH)GPIO.output(self.SDA_PIN, not ack)self._usleep(20)GPIO.output(self.SCL_PIN, GPIO.HIGH)self._usleep(20)GPIO.output(self.SCL_PIN, GPIO.LOW)self._usleep(20)return data@staticmethoddef _bcd_to_dec(bcd: int) -> int:"""BCD码转十进制"""return (bcd  >> 4) * 10 + (bcd & 0x0F)# return ((bcd & 0xF0) >> 4) * 10 + (bcd & 0x0F)@staticmethoddef _dec_to_bcd(dec: int) -> int:"""十进制转BCD码（新增：用于设置时间）"""return ((dec // 10) << 4) | (dec % 10)def read_time(self) -> Optional[Dict]:"""读取DS3231时间，返回字典或None"""if not self._i2c_start():print("起始信号失败")return None# 发送设备写地址if not self._i2c_send_byte((self.DS3231_ADDR << 1) | 0x00):print("写地址无应答")self._i2c_stop()return None# 发送起始寄存器地址（从秒开始读）if not self._i2c_send_byte(self.REG_SECONDS):print("寄存器地址发送失败")self._i2c_stop()return None# 切换为读模式if not self._i2c_start():print("重新起始失败")self._i2c_stop()return Noneif not self._i2c_send_byte((self.DS3231_ADDR << 1) | 0x01):print("读地址无应答")self._i2c_stop()return None# 连续读取7个寄存器try:seconds = self._bcd_to_dec(self._i2c_read_byte(ack=True) & 0x7F)minutes = self._bcd_to_dec(self._i2c_read_byte(ack=True) & 0x7F)hours = self._bcd_to_dec(self._i2c_read_byte(ack=True) & 0x3F)weekday = self._bcd_to_dec(self._i2c_read_byte(ack=True) & 0x3F)day = self._bcd_to_dec(self._i2c_read_byte(ack=True) & 0x3F)month = self._bcd_to_dec(self._i2c_read_byte(ack=True) & 0x03F)year = 2000 + self._bcd_to_dec(self._i2c_read_byte(ack=False))except Exception as e:print(f"读取失败：{e}")self._i2c_stop()return Noneself._i2c_stop()# 数据校验print("year",year,month,day,weekday,hours,minutes,seconds)if not (0 <= seconds <= 59 and 0 <= minutes <= 59 and 0 <= hours <= 23 and1 <= day <= 31 and 1 <= month <= 12 and 1 <= weekday <= 7 and0 <= (year - 2000) <= 99):print("无效时间数据")return Nonereturn {"year": year, "month": month, "day": day,"weekday": weekday, "hour": hours, "minute": minutes, "second": seconds}def set_time(self, year: int, month: int, day: int, weekday: int, hour: int, minute: int, second: int) -> bool:"""设置DS3231时间:param year: 年份（4位，如2023）:param month: 月份（1-12）:param day: 日期（1-31）:param weekday: 星期（1-7，需与模块定义匹配）:param hour: 小时（0-23）:param minute: 分钟（0-59）:param second: 秒（0-59）:return: 设置成功返回True，失败返回False"""# 输入参数校验if not (2000 <= year <= 2099 and 1 <= month <= 12 and 1 <= day <= 31 and1 <= weekday <= 7 and 0 <= hour <= 23 and 0 <= minute <= 59 and 0 <= second <= 59):print("无效的时间参数")return False# 转换为BCD码（年取后两位）bcd_year = self._dec_to_bcd(year % 100)bcd_month = self._dec_to_bcd(month)bcd_day = self._dec_to_bcd(day)bcd_weekday = self._dec_to_bcd(weekday)bcd_hour = self._dec_to_bcd(hour)bcd_minute = self._dec_to_bcd(minute)bcd_second = self._dec_to_bcd(second)# 发送I2C起始信号if not self._i2c_start():print("起始信号失败")return False# 发送设备写地址if not self._i2c_send_byte((self.DS3231_ADDR << 1) | 0x00):print("写地址无应答")self._i2c_stop()return False# 发送起始寄存器地址（从秒开始写）if not self._i2c_send_byte(self.REG_SECONDS):print("寄存器地址发送失败")self._i2c_stop()return False# 依次写入秒、分、时、日、月、星期、年（连续写）try:if not self._i2c_send_byte(bcd_second):raise Exception("秒寄存器写入失败")if not self._i2c_send_byte(bcd_minute):raise Exception("分寄存器写入失败")if not self._i2c_send_byte(bcd_hour):raise Exception("时寄存器写入失败")if not self._i2c_send_byte(bcd_weekday):raise Exception("星期寄存器写入失败")if not self._i2c_send_byte(bcd_day):raise Exception("日寄存器写入失败")if not self._i2c_send_byte(bcd_month):raise Exception("月寄存器写入失败")if not self._i2c_send_byte(bcd_year):raise Exception("年寄存器写入失败")except Exception as e:print(f"写入失败：{e}")self._i2c_stop()return False# 发送停止信号self._i2c_stop()return True# ---------------------- 新增：温度读取函数 ----------------------def read_temperature(self) -> Optional[float]:"""读取DS3231内置温度传感器数据返回：温度值（单位°C，精度0.0625°C），失败返回None"""# 1. 发送I2C起始信号，指定设备写地址（用于设置温度寄存器地址）if not self._i2c_start():print("温度读取：起始信号失败")return None# 2. 发送设备写地址（0x68 << 1 | 0 = 0xD0）if not self._i2c_send_byte((self.DS3231_ADDR << 1) | 0x00):print("温度读取：设备无应答（写地址）")self._i2c_stop()return None# 3. 发送温度高位寄存器地址（从0x11开始读，后续可连续读0x12）if not self._i2c_send_byte(self.REG_TEMP_HIGH):print("温度读取：寄存器地址发送失败")self._i2c_stop()return None# 4. 重新发送起始信号，切换为读模式if not self._i2c_start():print("温度读取：重新起始失败")self._i2c_stop()return None# 5. 发送设备读地址（0x68 << 1 | 1 = 0xD1）if not self._i2c_send_byte((self.DS3231_ADDR << 1) | 0x01):print("温度读取：设备无应答（读地址）")self._i2c_stop()return None# 6. 连续读取温度高位（0x11）和低位（0x12）寄存器try:temp_high = self._i2c_read_byte(ack=True)  # 读高位后发ACK，继续读低位temp_low = self._i2c_read_byte(ack=False)  # 读低位后发NACK（结束读取）except Exception as e:print(f"温度读取：数据读取失败：{e}")self._i2c_stop()return None# 7. 发送I2C停止信号self._i2c_stop()# 8. 温度数据转换（关键：处理二进制补码，支持负温度）# - 高位寄存器（temp_high）：8位二进制补码，代表温度整数部分# - 低位寄存器（temp_low）：仅高4位有效，每一位代表0.0625°Cif temp_high & 0x80:  # 最高位为1，说明是负温度（二进制补码）# 负温度转换：补码转原码（取反+1）integer_part = -((~temp_high + 1) & 0xFF)else:  # 正温度，直接取原值integer_part = temp_high# 小数部分：取低位寄存器高4位，乘以0.0625°Cdecimal_part = (temp_low >> 4) * 0.0625# 总温度 = 整数部分 + 小数部分temperature = integer_part + decimal_part# 9. 温度范围校验（DS3231温度测量范围通常为-40°C ~ +85°C）if not (-40.0 <= temperature <= 85.0):print(f"温度读取：无效温度值（{temperature}°C），可能通信错误")return Nonereturn round(temperature, 2)  # 保留2位小数，提升可读性def cleanup(self) -> None:"""释放GPIO资源"""GPIO.cleanup([self.SDA_PIN, self.SCL_PIN])# ---------------------- 测试：同时读取时间和温度 ----------------------
if __name__ == "__main__":ds3231 = DS3231BitBang(sda_pin=2, scl_pin=3)try:# 可选：先设置一次时间（根据实际需求启用）# 示例：设置时间（xxxx年x月x日 周x xx:xx:xx）# 注意：星期值需与模块定义匹配（如1=周日，2=周一...）set_success = ds3231.set_time(2025, 11, 15, 3, 8, 54, 56)print("设置时间成功" if set_success else "设置时间失败")# 读取并打印时间time_data = ds3231.read_time()if time_data:print(f"当前时间：{time_data['year']}-{time_data['month']:02d}-{time_data['day']:02d} "f"{time_data['hour']:02d}:{time_data['minute']:02d}:{time_data['second']:02d} "f"星期{time_data['weekday']}")# 读取并打印温度temp = ds3231.read_temperature()if temp is not None:print(f"当前温度：{temp}°C")finally:ds3231.cleanup()

2.写入树莓派设置时间代码

注意点：月份要使用字母缩写，所以做一个map，把ds3231的数字格式变成字母

def get_3231_datetime(time_data):if time_data:print(f"当前时间：{time_data['year']}-{time_data['month']:02d}-{time_data['day']} "f"{time_data['hour']:02d}:{time_data['minute']:02d}:{time_data['second']:02d} "f"星期{time_data['weekday']}")try:# 月份映射字典MONTHS_MAP = {'01': 'Jan', '02': 'Feb', '03': 'Mar', '04': 'Apr','05': 'May', '06': 'Jun', '07': 'Jul', '08': 'Aug','09': 'Sep', '10': 'Oct', '11': 'Nov', '12': 'Dec'}locale.setlocale(locale.LC_ALL, 'en_US.UTF-8')day = f"{time_data['day']}"month = MONTHS_MAP.get(f"{time_data['month']:02d}")year = str(time_data['year'])HH = f"{time_data['hour']:02d}"MM = f"{time_data['minute']:02d}"SS = f"{time_data['second']:02d}"ltime = time.strptime(day + " " + month + " " + year + " " + HH + ":" + MM + ":" + SS, "%d %b %Y %H:%M:%S")ttime = time.localtime(time.mktime(ltime))dat = "%u-%02u-%02u" % (ttime.tm_year, ttime.tm_mon, ttime.tm_mday)tm = "%02u:%02u:%02u" % (ttime.tm_hour, ttime.tm_min, ttime.tm_sec)cur_time = dat + " " + tmcommand = "sudo date --s '{}'".format(cur_time)print(command)os.system(command)return 1except Exception as e:exec_type, exec_value, exec_traceback = sys.exc_info()print('time update Exception', str(exec_type), 'error', str(exec_value))return 1