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 _# Z1 Q* E, T2 y3 j8 a7 [- Q

    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

    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。

) O0 J3 v$ ?5 Y+ ^( G9 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。

: r0 C# r2 `3 d0 d& Z4 @: p

0 S' @9 Y2 S- S6 e

    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。

. G( V$ F- {' x* |. U0 m% C

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. /****************************************************************
   ) P2 d- D, L! n8 }0 I- a' X
2. * 函 数 名 : TIM5_CH2_Input_Init
   
3. * 函数功能 : TIM5_CH2 输入捕获初始化函数
   ' ^. i* G5 K  A+ ^6 o; S+ H9 {
4. * 输 入 : arr：自动重装载值 psc：预分频系数
   
5. * 输 出 : 无
   
6. *****************************************************************/
   
7. void TIM5_CH2_Input_Init(u16 arr,u16 psc)
   
8. {
   
9.   TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
   % B- T8 W) Z: D  D+ C
10.   TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    
11.   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    / u+ E; N$ B- A3 a$ n4 ]' X( |
12.   RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
13.   RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5,ENABLE);//使能 TIM5时钟
    
14.   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
    0 _( Z9 [  G" Z; K
15.   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入模式
    % x% {# q/ m1 B3 ?: y" Z
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
    : P" O# M% l& S  ]/ n; z# J3 H
20.   TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
    ) |1 {0 Y. ^7 m  }4 n, Z
21.   TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
    
22.   //设置向上计数模式
    
23.   TIM_TimeBaseInit(TIM5,&TIM_TimeBaseInitStructure);
    
24.   TIM_ICInitStructure.TIM_Channel=TIM_Channel_2; //通道2
    / W1 K" m9 s' p9 \5 j
25.   TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter=0x00; //滤波
    
26.   TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity=TIM_ICPolarity_Rising;// 捕获极性
    . A1 j, P7 h: B8 L  u4 ?
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);
    " }) _$ q& z& k" H! u
30.   TIM_Cmd(TIM5,ENABLE); //使能定时器
    
31. }

复制代码

- n; ?- Z! H+ @

    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. /****************************************************************
   1 j( A' y' h: A% l, S0 {
2. * 函 数 名 : Touch_Get_Val
   
3. * 函数功能 : 返回捕获高电平值
   
4. * 输 入 : 无
   
5. * 输 出 : 捕获高电平值
   2 e: P% A' F, k* W! s% n+ r- m! J
6. *****************************************************************/
   - \( v7 D- I( V8 y: G
7. u16 Touch_Get_Val(void)
   - y+ x) N) N% e% z
8. {
   
9.   Touch_Reset();
   * K: F8 o+ X- d3 x3 z. X" z
10.   while(TIM_GetFlagStatus(TIM5,TIM_FLAG_CC2)==0) //等待捕获到高电平标志
    * A* W; t7 Y: j. l
11.   {
    
12.     if(TIM_GetCounter(TIM5)>Touch_ARR_MAX_VAL-500) //超时了直接返回CNT 值
    4 w  u; d0 |; P, _
13.     {
    ! u, m- Z; J  w. m
14.       return TIM_GetCounter(TIM5);
    
15.     }
    
16.   }
    
17.   return TIM_GetCapture2(TIM5); //返回捕获高电平值
    
18. }

复制代码

, N# H0 K; G, h9 X' E4 _% y

    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

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。

  o9 p" L3 h) V. u8 G- ]# n

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. /****************************************************************
   ( i4 x0 h0 a) v7 a
2. * 函 数 名 : Touch_Key_Init
   
3. * 函数功能 : 触摸按键初始化
   & t5 q0 \( T$ `- c- u+ j" x6 ?. g. e1 X
4. * 输 入 : 无
   ; N3 W  x$ ?; h) n( [  X* i
5. * 输 出 :  0：正常  1：不正常
   
6. *****************************************************************/
   
7. u8 Touch_Key_Init(u8 psc)
   * m: t7 {' P+ Y* F( `
8. {
   1 l2 v7 U, ~" g: u; I# C. a5 W
9.   u8 i;
   
10.   u16 buf[10];
    
11.   u8 j;
    
12.   u16 temp;
    " C" b2 c3 a9 |! f: K2 U
13.   TIM5_CH2_Input_Init(Touch_ARR_MAX_VAL,psc);
    9 ?. V! i: q! e" @% s! v
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();
    
17.     delay_ms(10);
    0 u5 Z  M7 `6 a' }1 M
18.   }
    
19.   for(i=0;i<9;i++) //从小到大排序
    
20.   {
    
21.     for(j=i+1;j<10;j++)
    
22.     {
    
23.       if(buf[i]>buf[j])   
    ' s; D8 i% n0 \% J/ u  u* t/ r
24.       {
    
25.         temp=buf[i];
    
26.         buf[j]=buf[j];
    
27.         buf[j]=temp;
    6 R' X4 m6 ^2 ?  \: A, X
28.       }
    $ r! W. c" f$ B8 r
29.     }
    % l3 z4 K  I& F# q$ C* S
30.   }
    
31.   temp=0;
    1 R, ~8 `: s7 q0 ]9 r$ e: I
32.   for(i=2;i<8;i++) //取中间 6 个数值求和 取其平均数
    
33.   {
    
34.     temp+=buf[i];
    ( L" j$ ]: e4 n4 X: q$ l4 h
35.   }
    
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)
    
39.   {
    4 l3 i2 Y4 R) T/ k& i' _5 F
40.     return 1;//初始化遇到超过 Touch_ARR_MAX_VAL/2 的数值,不正常!
    $ H# Q4 O$ _% |7 ^6 B( J+ {
41.   }
    + Y7 m& i- Z& |0 r0 |- A* h2 y: X3 W
42.   return 0;
    
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。
( Z& p+ ]6 I5 I: u

" ]8 w9 C! e+ b. F, G+ 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. /****************************************************************
   4 {1 x, g1 B7 S# l
2. * 函 数 名 : Touch_Key_Scan
   + }, i9 m# f- {' e$ O, k6 }4 D. N
3. * 函数功能 : 触摸按键扫描
   
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)
   
6. * 输 出 :   0：没有按下  1：有按下
   
7. *****************************************************************/
   
8. u8 Touch_Key_Scan(u8 mode)
   
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;
    7 ]! z0 J6 b; b9 o/ A- Z! l: D8 O! m
12.   u8 sample=3; //默认采样次数为 3 次
    
13.   u16 rval;
    
14.   if(mode)
    
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
    . U1 L+ ~0 C+ X1 t% M$ F; I
18.   }
    % @0 R8 O, v& A" b5 C) w
19.   rval=Touch_Get_MaxVal(sample);
    
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
    
21.   {
    
22.     if((keyen==0)&&(rval>(touch_default_val+TOUCH_GATE_VAL)))
    
23.     //大于 touch_default_val+TOUCH_GATE_VAL,有效
    
24.     {
    
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
    
29.   }
    0 D: c/ e5 T3 l# [3 |
30.   if(keyen)keyen--;
    
31.   return res;
    
32. }

复制代码

; g$ k2 ^4 p; \+ f

* d4 {) K) b# ^' l) X

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. /****************************************************************
   ( K7 R; R+ h" ~7 d+ h: N% h
2. * 函 数 名 : main
   ) H0 G0 `9 S# z$ O  U8 [4 \
3. * 函数功能 : 主函数
   % c+ _! ~/ ^( e" j; n' y5 m4 P& K
4. * 输 入 : 无
   
5. * 输 出 : 无
   / z  {7 J' I2 k5 d
6. *****************************************************************/
   ) I5 h3 J1 b6 Z7 Y, n3 w  Y( g+ F
7. int main()
   : D$ n# t8 D* q1 ^
8. {
   
9.   u8 i=0;
   
10.   SysTick_Init(72);
    
11.   NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //中断优先级分组 分2 组
    
12.   LED_Init();
    8 b; @" h2 ?3 s5 o# K
13.   USART1_Init(9600);
    
14.   Touch_Key_Init(6); //计数频率为 12M
    $ Y/ P" ~9 Y- S) b
15.   while(1)
    + x( Q* d  `- F9 a
16.   {
    
17.     if(Touch_Key_Scan(0)==1)
    
18.     {
    & }6 s+ j" u2 r* k$ {
19.       led2=!led2;
    7 V9 \5 M$ P3 K
20.     }
    
21.     i++;
    4 m& Y: d( w; s. b3 L$ f
22.     if(i%20==0)
    
23.     {
    : |8 d. g) i" A' ?! d: X" m
24.       led1=!led1;
    
25.     }
    
26.     delay_ms(10);
    
27.   }
    * }8 d& X4 D3 b7 }* K& B" l
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
( L" z* r! s' y9 ]9 G4 Y; d# E

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。

/ m. B+ r- n" }% P; @) u