【经验分享】STM32 电容触摸按键

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STMCU小助手发布时间：2022-3-29 10:25

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文章简介:	STM32 电容触摸按键

01. 电容触摸按键简介触摸按键相对于传统的机械按键有寿命长、占用空间少、易于操作等诸多优点。大家看看如今的手机，触摸屏、触摸按键大行其道，而传统的机械按键，正在逐步从手机上面消失。接下来给大家介绍一种简单的触摸按键：电容式触摸按键。利用探索者 STM32F4 开发板上的触摸按键（TPAD）来实现对 DS1 的亮灭控制。这里 TPAD 其实就是探索者 STM32F4 开发板上的一小块覆铜区域，实现原理如图所示： BJQTMYI~AGO@3JN{R[JNR{U.png

我们使用的是检测电容充放电时间的方法来判断是否有触摸，图中 R 是外接的电容充电电阻，Cs 是没有触摸按下时 TPAD 与 PCB 之间的杂散电容。而 Cx 则是有手指按下的时候，手指与 TPAD 之间形成的电容。图中的开关是电容放电开关（由实际使用时，由 STM32F4 的IO 代替）。先用开关将 Cs（或 Cs+Cx）上的电放尽，然后断开开关，让 R 给 Cs（或 Cs+Cx）充电，当没有手指触摸的时候，Cs 的充电曲线如图中的 A 曲线。而当有手指触摸的时候，手指和 TPAD之间引入了新的电容 Cx，此时 Cs+Cx 的充电曲线如图中的 B 曲线。从上图可以看出，A、B两种情况下，Vc 达到 Vth 的时间分别为 Tcs 和 Tcs+Tcx。其中，除了 Cs 和 Cx 我们需要计算，其他都是已知的，根据电容充放电公式：Vc=V0(1-e^(-t/RC))*其中 Vc 为电容电压，V0 为充电电压，R 为充电电阻，C 为电容容值，e 为自然底数，t 为充电时间。根据这个公式，我们就可以计算出 Cs 和 Cx。利用这个公式，我们还可以把探索者开发板作为一个简单的电容计，直接可以测电容容量了。我们只要能够区分 Tcs 和 Tcs+Tcx，就已经可以实现触摸检测了，当充电时间在 Tcs 附近，就可以认为没有触摸，而当充电时间大于 Tcs+Tx 时，就认为有触摸按下（Tx为检测阀值）。我们使用 PA5(TIM2_CH1)来检测 TPAD 是否有触摸，在每次检测之前，我们先配置PA5 为推挽输出，将电容 Cs（或 Cs+Cx）放电，然后配置 PA5 为浮空输入，利用外部上拉电阻给电容 Cs(Cs+Cx)充电，同时开启 TIM2_CH1 的输入捕获，检测上升沿，当检测到上升沿的时候，就认为电容充电完成了，完成一次捕获检测。在 MCU 每次复位重启的时候，我们执行一次捕获检测（可以认为没触摸），记录此时的值，记为 tpad_default_val，作为判断的依据。在后续的捕获检测，我们就通过与 tpad_default_val 的对比，来判断是不是有触摸发生。02. 硬件设计用到的硬件资源有：1）指示灯 DS0 和 DS12）定时器 TIM23）触摸按键 TPAD需要通过 TIM2_CH1（PA5）采集 TPAD 的信号，所以需要用跳线帽短接多功能端口（P12）的 TPAD 和 ADC，以实现 TPAD 连接到PA5。如图所示： Q~V]3`QBR0{P7FOEC}3YVLE.png

03. 功能描述实现一个简单的电容触摸按键，通过该按键控制 DS1 的亮灭。04. 程序示例tpad.h

#ifndef __TPAD_H
#define __TPAD_H
#include "sys.h"
//空载的时候(没有手按下),计数器需要的时间
//这个值应该在每次开机的时候被初始化一次
extern vu16 tpad_default_val;
void TPAD_Reset(void);
u16 TPAD_Get_Val(void);
u16 TPAD_Get_MaxVal(u8 n);
u8 TPAD_Init(u8 systick);
u8 TPAD_Scan(u8 mode);
void TIM2_CH1_Cap_Init(u32 arr,u16 psc);
#endif

复制代码

tpad.c

#define TPAD_ARR_MAX_VAL 0XFFFFFFFF //最大的ARR值(TIM2是32位定时器)
vu16 tpad_default_val=0; //空载的时候(没有手按下),计数器需要的时间
//初始化触摸按键
//获得空载的时候触摸按键的取值.
//psc:分频系数,越小,灵敏度越高.
//返回值:0,初始化成功;1,初始化失败
u8 TPAD_Init(u8 psc)
{
u16 buf[10];
u16 temp;
u8 j,i;
TIM2_CH1_Cap_Init(TPAD_ARR_MAX_VAL,psc-1);//设置分频系数
for(i=0;i<10;i++)//连续读取10次
{
buf=TPAD_Get_Val();
delay_ms(10);
}
for(i=0;i<9;i++)//排序
{
for(j=i+1;j<10;j++)
{
if(buf>buf[j])//升序排列
{
temp=buf;
buf=buf[j];
buf[j]=temp;
}
}
}
temp=0;
for(i=2;i<8;i++)temp+=buf;//取中间的8个数据进行平均
tpad_default_val=temp/6;
printf("tpad_default_val:%d\r\n",tpad_default_val);
if(tpad_default_val>TPAD_ARR_MAX_VAL/2)return 1;//初始化遇到超过TPAD_ARR_MAX_VAL/2的数值,不正常!
return 0;
}
//复位一次
//释放电容电量，并清除定时器的计数值
void TPAD_Reset(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //PA5
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//普通输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //速度100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN; //下拉
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //初始化PA5
GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_5);//输出0,放电
delay_ms(5);
TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC1|TIM_IT_Update); //清除中断标志
TIM_SetCounter(TIM2,0); //归0
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //PA5
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//复用输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//速度100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;//不带上下拉
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //初始化PA5
}
//得到定时器捕获值
//如果超时,则直接返回定时器的计数值.
//返回值：捕获值/计数值（超时的情况下返回）
u16 TPAD_Get_Val(void)
{
TPAD_Reset();
while(TIM_GetFlagStatus(TIM2, TIM_IT_CC1) == RESET)//等待捕获上升沿
{
if(TIM_GetCounter(TIM2)>TPAD_ARR_MAX_VAL-500)return TIM_GetCounter(TIM2);//超时了,直接返回CNT的值
};
return TIM_GetCapture1(TIM2);
}
//读取n次,取最大值
//n：连续获取的次数
//返回值：n次读数里面读到的最大读数值
u16 TPAD_Get_MaxVal(u8 n)
{
u16 temp=0;
u16 res=0;
while(n--)
{
temp=TPAD_Get_Val();//得到一次值
if(temp>res)res=temp;
};
return res;
}
//扫描触摸按键
//mode:0,不支持连续触发(按下一次必须松开才能按下一次);1,支持连续触发(可以一直按下)
//返回值:0,没有按下;1,有按下;
#define TPAD_GATE_VAL 100 //触摸的门限值,也就是必须大于tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,才认为是有效触摸.
u8 TPAD_Scan(u8 mode)
{
static u8 keyen=0; //0,可以开始检测;>0,还不能开始检测
u8 res=0;
u8 sample=3; //默认采样次数为3次
u16 rval;
if(mode)
{
sample=6; //支持连按的时候，设置采样次数为6次
keyen=0; //支持连按
}
rval=TPAD_Get_MaxVal(sample);
if(rval>(tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL)&&rval<(10*tpad_default_val))//大于tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,且小于10倍tpad_default_val,则有效
{
if((keyen==0)&&(rval>(tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL))) //大于tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,有效
{
res=1;
}
//printf("r:%d\r\n",rval);
keyen=3; //至少要再过3次之后才能按键有效
}
if(keyen)keyen--;
return res;
}
//定时器2通道2输入捕获配置
//arr：自动重装值
//psc：时钟预分频数
void TIM2_CH1_Cap_Init(u32 arr,u16 psc)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_ICInitTypeDef TIM2_ICInitStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE); //TIM2时钟使能
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); //使能PORTA时钟
GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource5,GPIO_AF_TIM2); //GPIOA5复用位定时器2
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //GPIOA5
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//复用功能
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //速度100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽复用输出
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;//不带上下拉
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //初始化PA5
//初始化TIM2
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设定计数器自动重装值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //预分频器
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上计数模式
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位
//初始化通道1
TIM2_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1; //CC1S=01 选择输入端 IC1映射到TIM2上
TIM2_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; //上升沿捕获
TIM2_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
TIM2_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; //配置输入分频,不分频
TIM2_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;//IC2F=0000 配置输入滤波器不滤波
TIM_ICInit(TIM2, &TIM2_ICInitStructure);//初始化TIM2 IC1
TIM_Cmd(TIM2,ENABLE ); //使能定时器2
}