我们已经介绍了STM32F1 的通用定时器作为输入捕获的使用方法，

这一章我们就利用输入捕获功能设计一个电容触摸按键。本章要实现的功能是：通过 TIM5的通道 2（PA1）捕获电容触摸按键输入信号的高电平脉宽，根据捕获到高电平时间大小控制D2指示灯开关， 同时D1指示灯不断闪烁表示系统正常运行。

    学习可以参考前面“输入捕获实验”和《STM32F10x 中文参考手册》-14 通用定时器章节。

电容触摸按键介绍

    触摸按键与传统的机械按键相比，不仅美观而且耐用、寿命长，它颠覆了传统意义上的机械按键控制，只要轻轻触摸，就可以实现按键开关的控制、量化调节甚至方向控制。触摸按键已广泛应用于手机、DVD、洗衣机等消费类电子产品中。本文我们就介绍一种简单的触摸按键：电容式触摸按键。

    我们开发板上的电容触摸按键其实就是一小块覆铜区域， 也称之为触摸感应区，如下图中笑脸即为触摸感应区。

0 a. K$ }. F2 v/ L' l1 g  m

    通常我们会将四周的铜片与电路板地信号连通， 触摸感应区设计成方便手指触摸大小，并将其连接在输入捕获通道上。触摸感应区与四周的铜片区域就形成了一个电容， 通过检测电容充放电时间即可判断是否有触摸。电容触摸按键原理，实现原理如下图所示。

    上图中 R 是外接的电容充电电阻，Cs 是没有触摸按下时 TOUCH（触摸感应区）与四周的铜片区域的杂散电容。而 Cx 则是有手指按下的时候，手指与 TOUCH 之间形成的电容。图中的开关是电容放电开关（实际使用时，由STM32F1 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 TOUCH 之间引入了新的电容 Cx，此时电容量相当于它们的累加，充电时间自然就长了，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：

1. Vc=V0*(1-e^(-t/RC))

复制代码

* A) x+ ]- @5 |$ y5 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。因此我们可以把开发板当做一个简单的电容计，直接可以测电容容量了。

    在本文中，其实我们只要能够区分 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）。

    本文我们使用 TIM5的通道2（PA1）来检测触摸按键是否按下，每次检测前，我们需要先将电容 Cs（或 Cs+Cx）放电，即配置 PA1 引脚为推挽输出模式，输出一个低电平，才能使电容放电。然后配置 PA1 为浮空输入模式，利用外部上拉电阻给电容 Cs(Cs+Cx)充电，同时开启 TIM5_CH2 的输入捕获，配置极性为上升沿，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。

    每次系统重启时，我们执行一次捕获检测（可认为没有触摸），记录此时捕获到上升沿的值。在后续的捕获检测中，我们就可以通过与记录的值进行对比，判断是否发生触摸。

    关于输入捕获的配置，在上一章我们已经有详细介绍，这里我们就不多说，不清楚的可以回过头看下。

2 Q$ V1 O; e) ?

硬件设计

    本实验使用到硬件资源如下：

（1）D1、D2 指示灯

（2）TIM5 的通道 2

（3）串口 1

（4）电容触摸按键

    D1、D2 指示灯、串口1 电路在前面章节都介绍过，至于 TIM5 的通道2 它属于 STM32F1 芯片内部的资源。电容触摸按键电路如下图所示。

5 |8 g! h8 _3 X/ C. g

    原理图中的 TOUCH 即为电容触摸感应区，通过 P_TOUCH 引出。而 TIM5_CH2是在 PA1 脚，它在 P_touch 端子的插针 2 上，要捕获电容触摸按键的信号，我们需要用短接片将 P_touch排针上的 1 和 2 短接（开发板丝印上是 TP 和 A1）。而此端子的 2、3 短接是用于对ADC 的检测，这个在后面章节会介绍到。D1指示灯用来提示系统正常运行，D2 指示灯用来指示触摸是否按下，捕获上升沿值可通过串口 1 的printf 函数打印出来。

    所要实现的功能是：通过 TIM5 的通道 2（PA1）捕获电容触摸按键输入

信号的高电平脉宽，根据捕获到高电平时间大小控制 D2 指示灯开关，同时 D1指示灯不断闪烁表示系统正常运行。程序框架如下：

（1）初始化 PA1 管脚为TIM5 通道 2 输入捕获功能，设置上升沿捕获等

（2）读取一次捕获高电平的值

（3）电容触摸按键初始化

（4）检测电容触摸按键是否按下

（5）编写主函数

    在之前帖子中“输入捕获实验”中就已经讲解如何配置输入捕获。下面我们打开“电容触摸按键实验”工程，在APP 工程组中添加了 touch_key.c 文件（里面包含了电容触摸按键驱动程序），在StdPeriph_Driver 工程组中添加stm32f10x_tim.c 库文件。定时器操作的库函数都放在 stm32f10x_tim.c和stm32f10x_tim.h 文件中， 所以使用到定时器就必须加入 stm32f10x_tim.c文件，同时还要包含对应的头文件路径。

    这里我们分析几个重要函数，其他部分程序大家可以打开工程查看。

TIM5 的 CH2 初始化函数

    要使用定时器输入捕获功能，我们必须先对它进行配置，代码如下：

1. /****************************************************************
   
2. * 函 数 名 : TIM5_CH2_Input_Init
   
3. * 函数功能 : TIM5_CH2 输入捕获初始化函数
   
4. * 输 入 : arr：自动重装载值 psc：预分频系数
   : i/ [4 C# V9 k* Q# f
5. * 输 出 : 无
   : x) V1 f7 T( ]" }
6. *****************************************************************/
   0 U, {3 M- u- C4 y
7. void TIM5_CH2_Input_Init(u16 arr,u16 psc)
   
8. {
   
9.   TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
   & Q8 }: Z' @' Z6 O% l
10.   TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    
11.   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
12.   RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    3 l# r; x& \, H8 A
13.   RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5,ENABLE);//使能 TIM5时钟
    
14.   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
    
15.   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入模式
    
16.   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //IO 口速度为 50MHz
    
17.   GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); // PA0
    
18.   TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period=arr; //自动装载值
    
19.   TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler=psc; //分频系数
    0 B* m( Q6 s. v. X" L
20.   TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
    
21.   TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
    : y0 D% @, I& H1 u- J
22.   //设置向上计数模式
    ( p9 ~6 [4 l  j8 M; A7 e5 c" a4 n" C
23.   TIM_TimeBaseInit(TIM5,&TIM_TimeBaseInitStructure);
    
24.   TIM_ICInitStructure.TIM_Channel=TIM_Channel_2; //通道2
    
25.   TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter=0x00; //滤波
    ) j! y/ `! v# S/ y0 H
26.   TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity=TIM_ICPolarity_Rising;// 捕获极性
    ( F, _. H/ P: y" i0 j3 N2 S! p
27.   TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler=TIM_ICPSC_DIV1; //分频系数
    
28.   TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection=TIM_ICSelection_DirectTI;//直接映射到 TI1
    
29.   TIM_ICInit(TIM5,&TIM_ICInitStructure);
    7 C* @( h$ V1 R1 a* @
30.   TIM_Cmd(TIM5,ENABLE); //使能定时器
    
31. }

复制代码

    TIM5_CH2_Input_Init()函数与前面输入捕获实验的 TIM5 初始化是类似的，只不过换了通道而已。通过这样的设置，我们就可以捕获 PA1 引脚上的上升沿。

    TIM5_CH2_Input_Init()函数有两个参数，用来设置定时器的自动装载值和分频系数，方便大家修改计数器频率，具体计算参考定时器中断实验章节。因为TIM5是16 位的定时器，所以arr 为 u16 类型。

高电平捕获函数

    上一步已经将 PA1 引脚初始化为输入捕获功能， 当电容两端电压逐渐上升置高电平时，就会发生捕获。我们通过查询标志位方式检测是否发生上升沿捕获，代码如下：

1. /****************************************************************
   
2. * 函 数 名 : Touch_Get_Val
   
3. * 函数功能 : 返回捕获高电平值
   6 V! X* b" \) Y8 s1 [+ L1 E
4. * 输 入 : 无
   8 ], ]' ^% A2 N8 z3 f
5. * 输 出 : 捕获高电平值
   
6. *****************************************************************/
   
7. u16 Touch_Get_Val(void)
   
8. {
   
9.   Touch_Reset();
   
10.   while(TIM_GetFlagStatus(TIM5,TIM_FLAG_CC2)==0) //等待捕获到高电平标志
    
11.   {
    
12.     if(TIM_GetCounter(TIM5)>Touch_ARR_MAX_VAL-500) //超时了直接返回CNT 值
    3 R) C3 {) `5 n3 \5 i5 w) B
13.     {
    
14.       return TIM_GetCounter(TIM5);
    % H! U6 }4 S' u# t$ u# P, ~
15.     }
    
16.   }
    
17.   return TIM_GetCapture2(TIM5); //返回捕获高电平值
    
18. }

复制代码

    该函数用于得到定时器的一次捕获值。函数内首先调用 Touch_Reset()函
! m" E* t$ s" r  W

数，将 PA1 配置为输出模式，并输出低电平，使电容完全放电。然后清楚定时器相应的状态标志（溢出/捕获）并调用 TIM_SetCounter 库函数将 TIM5 计数器值清零， 同时将 PA1 配置为浮空模式。最后循环等待发生上升沿捕获 （或计数溢出） ，将捕获到的值（或溢出值）作为函数返回值返回。

电容触摸按键初始化函数

    电容触摸按键初始化函数代码如下：

1. /****************************************************************
   
2. * 函 数 名 : Touch_Key_Init
   
3. * 函数功能 : 触摸按键初始化
   
4. * 输 入 : 无
   & f& n9 ~7 k0 B  I1 Q
5. * 输 出 :  0：正常  1：不正常
   8 W5 i6 J/ g. v
6. *****************************************************************/
   1 f: S0 O. a- q6 G
7. u8 Touch_Key_Init(u8 psc)
   
8. {
   
9.   u8 i;
   4 ~8 o5 ?$ }4 N
10.   u16 buf[10];
    . q$ u$ n$ ^. x
11.   u8 j;
    8 p6 f* q: L! V& q
12.   u16 temp;
    7 I9 ^# \8 @9 s& }7 S! K9 C
13.   TIM5_CH2_Input_Init(Touch_ARR_MAX_VAL,psc);
    7 {$ C0 F+ `! @# @
14.   for(i=0;i<10;i++) //读取 10 次为按下时候的触摸值
    
15.   {
    
16.     buf[i]=Touch_Get_Val();
    9 n/ O* S; p$ N1 M$ b% x
17.     delay_ms(10);
    7 G4 o) p) G, _; S
18.   }
    
19.   for(i=0;i<9;i++) //从小到大排序
    
20.   {
    2 ?" r- }/ y& N4 _7 ?  U1 O+ Y% h
21.     for(j=i+1;j<10;j++)
    
22.     {
    
23.       if(buf[i]>buf[j])   
    
24.       {
    . i9 l) s3 h$ X, L( O
25.         temp=buf[i];
    4 H. }$ U" A2 }0 X
26.         buf[j]=buf[j];
    
27.         buf[j]=temp;
    5 `3 g! q7 @2 v( f  q  K$ L! m5 Q
28.       }
    
29.     }
    
30.   }
    
31.   temp=0;
    ) q5 B' F( H% Q
32.   for(i=2;i<8;i++) //取中间 6 个数值求和 取其平均数
    
33.   {
    . N, ?# D8 D. c+ u# u
34.     temp+=buf[i];
    6 W7 t4 c) C" I% g' H0 v
35.   }
    0 R4 x/ f. `; I/ {6 b- D( G
36.   touch_default_val=temp/6;
    
37.   printf("touch_default_val=%d \r\n",touch_default_val);
    
38.   if(touch_default_val>Touch_ARR_  MAX_VAL/2)
    ; [% b6 J" ]+ w0 l% [! M
39.   {
    
40.     return 1;//初始化遇到超过 Touch_ARR_MAX_VAL/2 的数值,不正常!
    
41.   }
    . o9 O8 m! e: [' j
42.   return 0;
    / N: {9 X8 Y, m7 s6 \" f) \. G' L" f
43. }

复制代码

由于电容触摸按键是通过 PA1 进行捕获采集的，所以首先调用 TIM5_CH2 初始化函数 TIM5_CH2_Input_Init，此函数具有 2 个参数，用于设置定时器自动重装载值和预分频系数，这里我们将自动重装载值设置为 Touch_ARR_MAX_VAL，它是一个宏，在 touch_key.c 开始处就已定义，其值为 0xffff。预分频系数是通过函数形参传入，通过此参数即可确定计数时钟的大小。然后通过一个 for循环读取 10 次高电平的捕获值，按照由小到大进行排序，取中间 6 个再取平均，这样做可以减少误差。将计算后的值保存到一个 u16 类型的全局变量touch_default_val 中，作为后续触摸判断的标准。
) g0 t: K% H2 W

电容触摸按键检测函数

    获取了 touch_default_val判断比较值， 我们就可以开始检测电容触摸按键是否按下，代码如下：

1. /****************************************************************
   
2. * 函 数 名 : Touch_Key_Scan
   8 a) r5 m: }6 U6 `& S0 K2 H
3. * 函数功能 : 触摸按键扫描
   1 Y! U. I7 c1 W! Q) H# ?
4. * 输 入 :   0：不支持连续触发(按下一次必须松开才能按下一次)
   
5.                1：支持连续触发(可以一直按下)
   . j- F+ r6 x$ x. i; H4 ^6 [
6. * 输 出 :   0：没有按下  1：有按下
   + r0 q) y5 S5 U, @' J. F5 ?
7. *****************************************************************/
   
8. u8 Touch_Key_Scan(u8 mode)
   + f+ \: U$ I3 S
9. {
   
10.   static u8 keyen=0; //0,可以开始检测;>0,还不能开始检测
    
11.   u8 res=0;
    ) ], j* X! ?. @3 S+ n! w
12.   u8 sample=3; //默认采样次数为 3 次
    4 a( A& H1 j! ^9 S, E+ A5 m8 T
13.   u16 rval;
    
14.   if(mode)
    : j4 d/ @5 D4 l& q" D
15.   {
    
16.     sample=6; //支持连按的时候，设置采样次数为 6次
    
17.     keyen=0; //支持连按
    7 F1 T: @- I5 d6 B5 C( F9 {( v% l
18.   }
    / t: S0 B& p: `7 A/ Y
19.   rval=Touch_Get_MaxVal(sample);
    1 p! t! A% d. S, H5 c/ m
20.   if(rval>(touch_default_val+TOUCH_GATE_VAL)&&rval<(10*touch_default_val)) // 大 于 touch_default_val+TPAD_GATE_VAL, 且 小 于 10 倍touch_default_val,则有效
    , d' a: V' d- J8 V' r9 p
21.   {
    
22.     if((keyen==0)&&(rval>(touch_default_val+TOUCH_GATE_VAL)))
    
23.     //大于 touch_default_val+TOUCH_GATE_VAL,有效
    
24.     {
    % A6 c/ w# U2 j0 U9 K
25.       res=1;
    
26.     }
    
27.     printf("触摸后捕获高电平值为：%d\r\n",rval);
    
28.     keyen=3; //至少要再过 3 次之后才能按键有效
    - C' t/ `# w, h' h4 k( a/ h
29.   }
    
30.   if(keyen)keyen--;
    - Y" A, Q0 F; [! q  w
31.   return res;
    2 e% W3 y: [' D3 m* c+ ]
32. }

复制代码

* @% W' U% {+ T- X& m

该函数用于检测电容触摸按键是否有触摸，该函数的参数 mode，用于设置是否支持连续触发。如果 mode=1，表示支持连续触摸，如果 mode=0，表示支持单次触摸。该函数还具有返回值，如果是 0，说明没有触摸，如果是 1，则说明有触摸。函数内部定义了一个静态变量，用于检测控制。

    函数中我们通过连续读取 3 次(不支持连续按的时候)捕获高电平的值，取它们中的最大值与 tpad_default_val+TOUCH_GATE_VAL 比较， 如果大于则说明有触摸，如果小于，则说明无触摸。其中 tpad_default_val 是我们在调用Touch_Key_Init 函数的时候得到的值，而 TPAD_GATE_VAL 则是我们设定的一个门限值（这个大家可以通过实验数据得出，根据实际情况选择适合的值就好了），这里我们设置为 100。该函数，我们还做了一些其他的条件限制，让触摸按键有更好的效果，这个就请大家看代码自行参悟了。

主函数

    编写好 TIM5_CH2 初始化和触摸检测函数后，接下来就可以编写主函数了，代码如下：

1. /****************************************************************
   
2. * 函 数 名 : main
   
3. * 函数功能 : 主函数
   
4. * 输 入 : 无
   
5. * 输 出 : 无
   ) [. D: m. R! N5 ?- T4 f
6. *****************************************************************/
   
7. int main()
   
8. {
   
9.   u8 i=0;
   4 i& K6 h1 I7 m) ^+ h4 @1 w3 x
10.   SysTick_Init(72);
    % m# y" \! n: k; S* U1 p
11.   NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //中断优先级分组 分2 组
    6 ^7 J# v1 o+ G$ M; ?- P5 c& a$ k; _' d
12.   LED_Init();
    
13.   USART1_Init(9600);
    8 W6 {4 n) U& \+ G
14.   Touch_Key_Init(6); //计数频率为 12M
    9 T* H( p/ o; |$ g" S+ \+ J
15.   while(1)
    0 f9 d% a4 d4 C( \" ~" G
16.   {
    
17.     if(Touch_Key_Scan(0)==1)
    , ~8 l) G- J) @( P  f+ f* B
18.     {
    
19.       led2=!led2;
    ) k: e& }% Z( N/ B
20.     }
    
21.     i++;
    2 x1 Y( I2 r; q
22.     if(i%20==0)
    
23.     {
    
24.       led1=!led1;
      }8 y- m$ y( F4 [
25.     }
    
26.     delay_ms(10);
    / b6 D, p! p2 H& a9 H& y0 W' B8 b
27.   }
    
28. }

复制代码

    主函数实现的功能很简单，首先调用之前编写好的硬件初始化函数，包括SysTick 系统时钟，中断分组，LED 初始化等。然后调用我们前面编写的
/ q8 |# ?% H7 G. v- ?4 a

Touch_Key_Init 函数，我们将 TIM5 的预分频系数设置为 6，此时 TIM5 计数频率为 12MHz，即计数 12 次时间为 1us。最后进入 while 循环，调用 Touch_Key_Scan函数，不断检测触摸按键是否按下，如果按下函数返回值为 1，将进入 if 语句控制 D2指示灯状态翻转。D1指示灯会间隔 200ms 闪烁，提示系统正常运行。

    将工程程序编译后下载到开发板内，可以看到 D1 指示灯不断闪烁，表示程序正常运行。当触摸电容按键时，D2 指示灯状态翻转一次，同时打印触摸后捕获高电平值。如果想在串口调试助手上看到输出信息，可以打开“串口调试助手”，首先勾选下标号 1 DTR框，然后再取消勾选。这是因为此串口助手启动时会把系统复位住， 通过 DTR 状态切换下即可。

    然后设置好波特率等参数后， 串口助手上即会收到 printf 发送过来的信息。（前提一定要用短接片将P_touch排针上的TP与A1短接， 图中笑脸即为触摸感应区，串口助手上先勾选下标号1 DTR框，然后再取消勾选）如下图 所示。

0 l% [5 J/ t  P