RTCとは？Arduinoで学ぶリアルタイムクロックの仕組みと使い方

はじめに
この記事を読んで分かること
RTCとは？？
使用したもの
回路図（接続方法）
プログラム
1. コード説明
結果
まとめ

はじめに

文系少女まなみ

ねえ先生、パソコンのコンセント抜いてても、電源入れたらちゃんと時刻あってるよね？なんで？

KYB先生

おっ、いい質問だね！それは RTC（リアルタイムクロック） を使っているからなんだよ。

まなみ

RTC？…聞いたことないなあ。どういう仕組み？

KYB先生

RTCはね、時計専用のICなんだ。パソコンなどに組み込むことで、電源が切れていても電池で時刻を刻み続けてくれるんだよ。

今日はArduinoとRTCモジュールを使って、実際に動かしてみよう。

この記事では、RTCとは何か？どんな仕組みなのか？そして実際にArduinoとRTCモジュール（DS3231）を使って時刻を表示する方法を紹介します。

この記事を読んで分かること

RTCとは何か、その役割
ArduinoでRTCモジュールをどう接続するか
実用的なプログラム例で時刻を読み取る方法

RTCとは？？

RTC（リアルタイムクロック）は、現在の時刻や日付を記録し続けるIC です。
マイコン（Arduinoなど）にもタイマー機能はありますが、電源を切るとリセットされてしまいます。
そこでRTCを使うと、電源を落としてもバッテリーで時計を維持でき、再起動後も正しい時刻を保持できます。

なぜバックアップ電源が必要なのか？？

RTCは発振回路の信号を利用して時刻をカウントしています。
発振回路は電源がなければ動作しないため、主電源を切るとクロックが止まってしまいます。
※発振回路については、以前の記事(NOTゲートIC（TC74HC14）で発振回路を自作！方形波を発生させる方法)で解説しています。

そのため、RTCにはコイン電池（CR2032など）のようなバックアップ電源を接続し、電源が落ちても時刻を刻み続けられる仕組みになっています。

下記はRTC ICチップ（DS3231）の内部ブロック図です。（データシートより引用）
チップの中に発振回路が内蔵されていることが分かります。

使用したもの

使用したRTCモジュールは以下のような形です。

説明

パラメータ：
1.寸法：38mm * 22mm * 14mm
2.重量：。 8g
3.動作電圧：3.3-。 5 .5 V
4.クロックチップ：高精度クロックチップDS3231
5.範囲内のクロック精度：0-40¡æ、精度2ppm、誤差約1分
6.プログラム可能な正方形-ウェーブ出力
7.リアルタイムクロック。秒、分、時間、日、日付、月、年を生成でき、2100年までの時間を提供し、うるう年の補正が可能です。
8.内部チップ温度センサーには、精度3¡¡¡ AT24C32（32Kのストレージ容量）
10. IICバスインターフェース、400KHzの最大伝送速度（5Vの動作電圧）
11. IIC他のデバイスをカスケード接続でき、24C32アドレスは短絡回路A0によって変更できます/ A1 / A2、デフォルトアドレスは0x57です
パッケージが含まれています：
5 * DS3231 AT24C32クロックモジュールリアルタイムクロックモジュール（バッテリーなし）

回路図（接続方法）

RTCモジュールはI2C通信を利用します。
以下のピンを使用します。

SDA
SCL
VCC → 3.3V
GND

※プルアップ抵抗はモジュールに搭載されているため、別途実装する必要はありません。
※RTCモジュールにバックアップ電池（CR2032など）をセットしておくと、電源を切っても時刻を保持できます。

以下はRTCモジュールの回路図です。（商品説明欄より引用）

プログラム

以下は、Arduino + DS3231モジュールを使って、日時（年・月・日・時・分・秒・曜日）をシリアルモニタに1秒ごと表示するサンプルコードです。

使っているライブラリは DS3232RTC.h と TimeLib.h です。
現在の時刻を初期設定する必要があるので、動作させるときは時刻を入力して下さい。

#include <Wire.h>
#include <DS3232RTC.h>
#include <TimeLib.h>

DS3232RTC rtc; // RTCクラス
const char* week_day[] = { “Sun”,”Mon”,”Tue”,”Wed”,”Thu”,”Fri”,”Sat” };
void setup() {
Serial.begin(115200);
Wire.begin(); // ハードウェアI2C初期化
rtc.begin();
// RTCに時刻を設定する場合のみコメントアウト解除
// setTime(19, 17, 0, 23, 9, 2025); // 時, 分, 秒, 日, 月, 年
// rtc.set(now()); // RTCに書き込み
}
void loop() {
tmElements_t tm;
rtc.read(tm); // RTCから現在時刻を取得
char buf[40];
sprintf(buf, “%04d/%02d/%02d %02d:%02d:%02d (%s)\n”,
tm.Year + 1970, tm.Month, tm.Day,
tm.Hour, tm.Minute, tm.Second,
week_day[tm.Wday – 1]); // Wday=1〜7
Serial.print(buf);
delay(1000);
}