01. 电容触摸按键简介
0 g3 p4 s" h  h( F3 L, r9 A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：
/ ^0 S# P) _; L: @8 v
/ g: p. n, ~& M4 G6 {1 X
' g& X+ p& V8 c: u* I
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：
4 H4 T0 W0 R! g. ?/ Y+ u% @3 S
Vc=V0(1-e^(-t/RC))*
9 O" Y4 V3 Y& ?  n: c/ m: _. V
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。

4 w; F/ D9 h0 d7 d0 i3 o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。
4 ]7 ]- y: c! Q
02. 硬件设计
1 t5 G# P7 Z& p用到的硬件资源有：
1） 指示灯 DS0 和 DS1
7 `. s  v5 W1 F2 Y7 p) P& u1 ~2） 定时器 TIM2
1 e; i$ h5 N* B; ~4 {3） 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：
2 Y. N! d- d7 b1 [
8 u8 k1 C( c3 g3 E: R
* y& x) M* z) g
7 W0 P+ j% S7 d% a8 ~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

1. #ifndef __TPAD_H
   
2. #define __TPAD_H
   
3. #include "sys.h"
   # }; \1 L8 b7 l# |1 |, w! b$ q, u, C
4.            
   
5. //空载的时候(没有手按下),计数器需要的时间
   
6. //这个值应该在每次开机的时候被初始化一次
   
7. extern vu16 tpad_default_val;
   
8.                                                                        
   6 U5 G/ f" j  d8 A6 K
9. void TPAD_Reset(void);
   
10. u16  TPAD_Get_Val(void);
    $ w/ u. j4 M/ K% u( P2 Q
11. u16 TPAD_Get_MaxVal(u8 n);
    / t: Z& [6 t7 U& J# j4 C* x8 N
12. u8   TPAD_Init(u8 systick);
    
13. u8   TPAD_Scan(u8 mode);
    1 _; R0 y; w! g
14. void TIM2_CH1_Cap_Init(u32 arr,u16 psc);     
    / Y; j: s! d7 G+ G/ R7 n
15. #endif

复制代码

2 {0 d, U. k3 o$ {$ X% Q9 c3 Itpad.c
* @* l1 z) ]0 f0 c, w+ L, z# \" N

1. #define TPAD_ARR_MAX_VAL  0XFFFFFFFF        //最大的ARR值(TIM2是32位定时器)         
   
2. vu16 tpad_default_val=0;                                //空载的时候(没有手按下),计数器需要的时间
   
3. //初始化触摸按键
   4 T$ a$ a& h+ p& x/ S
4. //获得空载的时候触摸按键的取值.
   
5. //psc:分频系数,越小,灵敏度越高.
   , o3 }" |0 X4 r( X6 c
6. //返回值:0,初始化成功;1,初始化失败
   
7. u8 TPAD_Init(u8 psc)
   5 D7 [( b2 d3 k: }
8. {
   
9.         u16 buf[10];
   ! b. y6 h( U8 Z2 @2 p" U- a+ b
10.         u16 temp;
    
11.         u8 j,i;
    $ z3 p5 j" G* X* C: c) ~' [. b+ k
12.         TIM2_CH1_Cap_Init(TPAD_ARR_MAX_VAL,psc-1);//设置分频系数
    
13.         for(i=0;i<10;i++)//连续读取10次
    / W8 l5 R& t: K2 J$ t2 q
14.         {                                 
    ) o# i* L% \9 m2 A& p
15.                 buf<i>=TPAD_Get_Val();
    
16.                 delay_ms(10);            
    % F; ]8 {% N5 h3 I2 ?
17.         }                                    
    
18.         for(i=0;i<9;i++)//排序
    ; u* e' k/ ]) y( ]& g, @
19.         {
    
20.                 for(j=i+1;j<10;j++)
    
21.                 {
    
22.                         if(buf<i>>buf[j])//升序排列
    
23.                         {
    
24.                                 temp=buf<i>;
      v' i1 l% O* v0 l5 l7 _% `1 y, x
25.                                 buf<i>=buf[j];
    " b* }! d$ q* v
26.                                 buf[j]=temp;
    
27.                         }
      m4 N! B5 t+ M4 [3 j
28.                 }
    
29.         }
    
30.         temp=0;
    
31.         for(i=2;i<8;i++)temp+=buf<i>;//取中间的8个数据进行平均
    : L* H+ z' ?' [2 t0 T& C( Q
32.         tpad_default_val=temp/6;
    
33.         printf("tpad_default_val:%d\r\n",tpad_default_val);        
    ) Q# H4 w' {; k* j* ]
34.         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!
    & x8 B. C4 @& |6 S1 n9 `& S3 Z, W
35.         return 0;                                                                           
    
36. }
    $ c$ m) O0 t4 b( e) A0 P0 z' Q5 D
37. //复位一次
    2 K3 J+ a/ h8 Z2 k/ Y$ p& n; ~
38. //释放电容电量，并清除定时器的计数值
    
39. void TPAD_Reset(void)
    
40. {               
    
41.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
42.         
    
43.         GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;  //PA5
    
44.         GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//普通输出
    
45.         GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;        //速度100MHz
    
46.         GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽
    
47.         GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN; //下拉
    / w- u- f& T6 I  \
48.         GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //初始化PA5
    
49.          
    & y3 b: V- ~1 T' C' E2 U) O  W# l
50.         GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_5);//输出0,放电
    5 \9 z9 {1 V' i5 X* d6 z
51. 
    
52.         delay_ms(5);
    
53.         TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC1|TIM_IT_Update); //清除中断标志
    
54.         TIM_SetCounter(TIM2,0);                //归0
    ; P3 T0 g: f* z
55.         
    8 T% F* |3 k% w: V# `" W* P" ]/ R
56. 
    
57.         GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //PA5
    
58.         GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//复用输出
    5 T  Q5 ~3 t% ^( b/ C$ n7 ^
59.         GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//速度100MHz
    
60.         GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽
    
61.         GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;//不带上下拉
    
62.         GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //初始化PA5
    
63.         
    . u1 r% A/ N! y. y$ O  a
64. }
    3 p" E1 g& h7 M( H: ?/ [
65. //得到定时器捕获值
    6 n5 l, @. F& ?/ ]9 x( I* c
66. //如果超时,则直接返回定时器的计数值.
    
67. //返回值：捕获值/计数值（超时的情况下返回）
    
68. u16 TPAD_Get_Val(void)
    $ v" o, O  x" |3 o1 ~
69. {                                   
    
70.         TPAD_Reset();
    . M+ c& w9 O0 U8 D0 t
71.         while(TIM_GetFlagStatus(TIM2, TIM_IT_CC1) == RESET)//等待捕获上升沿
    * [; D* k( a* P0 H% K8 D
72.         {
    ) X2 X# w/ v. ^& ~
73.                 if(TIM_GetCounter(TIM2)>TPAD_ARR_MAX_VAL-500)return TIM_GetCounter(TIM2);//超时了,直接返回CNT的值
    5 [" x7 {( U( e" o$ K* w
74.         };        
    ) W' B9 N( G! q0 m9 g1 X
75.         return TIM_GetCapture1(TIM2);         
    8 g. @  E0 J8 g& O0 ]& i
76. }           
    & V, Z3 R  k2 z7 O- U0 a& l
77. //读取n次,取最大值
    ; O0 e8 K% S4 V& F& f3 V
78. //n：连续获取的次数
    
79. //返回值：n次读数里面读到的最大读数值
    
80. u16 TPAD_Get_MaxVal(u8 n)
    / C' M  X! G) j8 ~
81. {
    4 u' r/ O3 E: I2 ?  m+ c
82.         u16 temp=0;
    
83.         u16 res=0;
    
84.         while(n--)
    % z+ b- u. I/ }- h6 v5 D" ^/ a
85.         {
    6 J' r9 y. j6 [4 m' H; Z
86.                 temp=TPAD_Get_Val();//得到一次值
    $ n2 \2 s0 ]5 H) K9 A
87.                 if(temp>res)res=temp;
    - d8 s: ~" i: h2 ^
88.         };
    
89.         return res;
    
90. }  
    
91. //扫描触摸按键
    9 {/ l9 c' D& S/ _
92. //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)
    
93. //返回值:0,没有按下;1,有按下;                                                                                 
    + J. Z3 s8 h  |0 p+ J) T) r
94. #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.
    8 Z' ~  Q" ~3 N  J" `) U+ l5 `
95. u8 TPAD_Scan(u8 mode)
    
96. {
    
97.         static u8 keyen=0;        //0,可以开始检测;>0,还不能开始检测         
    " q4 l# k. m! U' [# [
98.         u8 res=0;
    
99.         u8 sample=3;                //默认采样次数为3次         
    
100.         u16 rval;
     2 N+ `6 U% l$ b1 s' S
101.         if(mode)
     
102.         {
     1 W/ @1 s" l! f1 V$ O
103.                 sample=6;        //支持连按的时候，设置采样次数为6次
     + y5 ~; P% j5 N
104.                 keyen=0;        //支持连按         
     7 Q9 o1 n$ n1 i  o; ^0 O0 e1 v
105.         }
     6 q+ \2 C2 H' H: X6 C3 u; p
106.         rval=TPAD_Get_MaxVal(sample);
     
107.         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
     
108.         {                                                         
     0 ^! }/ d- u, m1 Y( ]
109.                 if((keyen==0)&&(rval>(tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL)))        //大于tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,有效
     8 \( k" m# p- g6 a: F
110.                 {
     
111.                         res=1;
     * x( E/ K9 U, T4 Z' C- [7 z2 c
112.                 }           
     
113.                 //printf("r:%d\r\n",rval);                                                                           
     
114.                 keyen=3;                                //至少要再过3次之后才能按键有效   
     
115.         }
     
116.         if(keyen)keyen--;                                                                                                                                                         
     
117.         return res;
     
118. }         
     % |2 X9 A, d9 C- P
119. //定时器2通道2输入捕获配置         
     
120. //arr：自动重装值
     + c, n! x0 R; m( T9 r+ V& Z
121. //psc：时钟预分频数
     
122. void TIM2_CH1_Cap_Init(u32 arr,u16 psc)
     
123. {
     
124.         GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
     1 x* t% }. P  B+ ^. m
125.   TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
     
126.         TIM_ICInitTypeDef  TIM2_ICInitStructure;
     0 g0 b& p! Y& [% T+ e# o- Z
127.         
     : i+ A- |- t9 S/ Q; B
128.         RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);            //TIM2时钟使能   
     
129.         RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);         //使能PORTA时钟        
     
130. 
     $ s+ z% Y" j0 p+ ^4 |  W7 J" o
131.         
     
132.         GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource5,GPIO_AF_TIM2); //GPIOA5复用位定时器2
     
133. 
     " a  t7 Y6 p4 i( V% W8 T: q
134.          
     ' A% U, t* Z4 J7 `! S. {9 H& @2 \
135.          GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //GPIOA5
     
136.         GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//复用功能
     
137.         GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;        //速度100MHz
     
138.         GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽复用输出
     9 `# y/ o8 X/ b9 f( Z
139.         GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;//不带上下拉
     - _# y4 {& e+ G2 ?, }3 u  V+ {
140.         GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //初始化PA5
     
141. 
     
142.         
     
143.   //初始化TIM2  
     
144.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设定计数器自动重装值   
     
145.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc;         //预分频器            
     
146.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
     * t- ~  c* H. |( y
147.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
     
148.         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
     
149.         
     + V8 m7 i' e/ }& L/ w1 q& o. h
150.         //初始化通道1
     
151.   TIM2_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1; //CC1S=01         选择输入端 IC1映射到TIM2上
     
152.   TIM2_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;        //上升沿捕获
     
153.   TIM2_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
     
154.   TIM2_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;         //配置输入分频,不分频
     ( J3 n# K( i1 t0 N0 T
155.   TIM2_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;//IC2F=0000 配置输入滤波器 不滤波
     6 W! r; ^# b% y% ~
156.   TIM_ICInit(TIM2, &TIM2_ICInitStructure);//初始化TIM2 IC1
     
157.                                                                                                                         
     
158.         TIM_Cmd(TIM2,ENABLE );         //使能定时器2
     
159. }</i></i></i></i></i>

复制代码

3 \$ E' \5 t' F& C6 umain.c
. L1 E0 W" e& H" _6 ]% r  `- Z
7 p% G" C: B, F

1. #include "sys.h"
   9 a3 L. I. J9 x! [
2. #include "delay.h"
   
3. #include "usart.h"
   
4. #include "led.h"
   
5. #include "tpad.h"
   ( O. B) }$ Z( }, y6 j9 h
6. 
   $ o! a6 J3 M) t$ b) L+ h( J6 ?" m
7. 
   ' i, N* T0 D' p% k* u& t
8. int main(void)
   8 |" h: _3 l: I9 {8 y5 Z2 u
9. {
   
10.         u8 t=0;
    , l) s: l5 r- [
11.         NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组2
    2 W% S6 G" H8 ~* X1 n) ~' I9 t: A5 v
12.         delay_init(168);     //初始化延时函数
      W5 U; Q- \; m8 X3 i
13.         uart_init(115200);         //初始化串口波特率为115200
    ) }/ B6 O: n2 t/ x9 d
14.         LED_Init();                                         //初始化LED
    
15.         
    8 U  M* M9 ]& k, g/ U
16.         TPAD_Init(8);                                //初始化触摸按键,以84/4=21Mhz频率计数
    9 ?$ h4 r7 l+ A: e$ D3 A
17.            while(1)
    
18.         {                                                                                                            
    " n' O. m8 G- ^4 M( ~; o
19.                  if(TPAD_Scan(0))        //成功捕获到了一次上升沿(此函数执行时间至少15ms)
    
20.                 {
    # t: o, E: f" k: }6 J
21.                         LED1=!LED1;                //LED1取反
    & n& k; P1 p! g" ^4 V
22.                 }
    0 k5 m; B* ?# U4 c8 p4 |! Y
23.                 t++;
    
24.                 if(t==15)                 
    1 A! B8 z$ z1 G+ ~; X( c
25.                 {
    
26.                         t=0;
    2 O+ S0 m& Q7 Z( N
27.                         LED0=!LED0;                //LED0取反,提示程序正在运行
    
28.                 }
    
29.                 delay_ms(10);
    
30.         }
    
31. }
    
32. 
    

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