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【STM32】电容触摸按键

編程日記08-29

【STM32】电容触摸按键

🐱作者：一只大喵咪1201
🐱专栏：《STM32学习》
🔥格言：你只管努力，剩下的交给时间！

触摸按键实验

👈描述
👈触摸按键原理
👈硬件连接
👈程序实现
👈效果展示
👈总结

👈描述

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。这里，本喵给大家介绍一种简单的触摸按键：电容式触摸按键。

👈触摸按键原理

触摸按键的实现是通过一个RC电路来实现的，如下图：

V1是电源电压，在我们使用的板子上是3.3V，在开关KEY未闭合的时候，电阻R俩端的电压都是0，下边的电容CX上端也是0V，下边和地相连，所以此时CX俩端的电压Vt也是0V。

在开关KEY闭合的瞬间，电阻R上端的电压是V1，下端的电压是0V，此时存在压差，所以有电子流经R进入电容CX中为电容充电。

在经过一段时间后，电容CX积累了一定量的电子，有了电压，此时电阻R俩端的电压分别是V1和Vt，Vt也就是电容CX俩端的电压。由于此时电阻俩端仍然存在压差，所以仍然有电子流过电阻，电容CX仍然在充电，Vt持续升高。

这是Vt随时间变化的曲线，随着电阻俩端压差的减小，电容的充电速度也在减小，所以Vt的增长速度变小，所以导致图中曲线的一阶导数是逐渐减小的。

RC电路充放电公式：

V_t=V₀+(V₁-V₀) * [1-e^(-t/RC)]
V0 为电容上的初始电压值，上面的电路中V0是0；
V1 为电容最终可充到或放到的电压值；
Vt 为t时刻电容上的电压值

根据该函数式，可以得出一个结论结论：同样的条件下，电容值C跟时间值t成正比关系，电容越大，充电到达某个临界值的时间越长。

如上图中所示，C_B>C_A，所以当俩个电容都充电到V_th的时候，C_B所用的时间大于C_A所用的时间。

而触摸按键相当于在RC电路的电容CX上再并联一个电容。

R:外接电容充放电电阻。
Cs:TPAD触摸按键和PCB板间的杂散电容。
Cx:手指按下时，手指和TPAD之间的电容。

在手指按下触摸按键之前，如图中的A，它的电压V_C对应于右图中的曲线A。

当手指按下以后，相当于在原本电路的电容上再并联一个大小为CX的电容，此时电路中的总电容增大，根据我们上面得出的结论，它充电的时间会比较慢，它的电压V_C对应于右图中的曲线B。

我们可以看到，A和B在充电到V_th的时候，B用的时间比A用的多，时间差值是T_CX，所以我们需要用用单片机的输入捕获功能，捕获电压达到V_th的时候，所用的时间是否大于等于T_CS+T_CX，T_CX要根据不同情况进行调整，当所用时间大于等于T_CS+T_CX时，我们认为触摸按键被按下，进行相应的操作。

👈硬件连接

TPAD一端连接在RC电路中的电容上端(与地对应的那一端)，另一端和STM ADC通过跳线帽相连，而STM ADC与芯片的PA1引脚相连。

定时器TIM5的通道CH2与PA1复用，所以我们这里用PA1将电容进行充电和放电。

TPAD引脚(PA0)设置为推挽输出，输出0，实现电容放电到0。
TPAD引脚(PA0)设置为浮空输入（IO复位后的状态）,电容开始充电。
同时开启TPAD引脚(TIM5_CH2)的输入捕获开始捕获。
等待充电完成（充电到底Vx,检测到上升沿）。
计算充电时间。

没有按下的时候，充电时间为T1（default)。按下TPAD，电容变大，所以充电时间为T2。我们可以通过检测充放电时间，来判断是否按下。如果T2-T1大于某个值，就可以判断有按键按下。

👈程序实现

按照上面的程序功能图，逐个写出每一个函数，并进行相应的调用。

void TIM5_CH2_Cap_Init(u16 arr,u16 psc)//输入捕获通道初始化

可以使用任何一个定时器。M3使用定时器5，M4使用的定时器2

TPAD_Init()函数：初始化TPAD

在系统启动后，初始化输入捕获。先10次调用TPAD_Get_Val()函数获取10次充电时间，然后获取中间N(N=8或者6）次的平均值，作为在没有电容触摸按键按下的时候的充电时间缺省值tpad_default_val。

void TPAD_Reset(void)函数：复位TPAD

设置IO口为推挽输出输出0，电容放电。等待放电完成之后，设置为浮空输入，从而开始充电。同时把计数器的CNT设置为0。

TPAD_Get_Val()函数：获取一次捕获值（得到充电时间）

复位TPAD,等待捕获上升沿，捕获之后，得到定时器的值，计算充电时间。

TPAD_Get_MaxVal()函数：获取最大的捕获值

多次调用TPAD_Get_Val函数获取充电时间。获取最大的值。

TPAD_Scan()函数：扫描TPAD

调用TPAD_Get_MaxVal函数获取多次充电中最大的充电时间，跟tpad_default_val比较，如果大于某个阈值tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL，则认为有触摸动作。

直接看代码：
main.c中的代码：

int main()
{LED_Init();delay_init();TPAD_Init(0XFFFF,72-1);//计数频率1MHZ，每1us计数一次while(1){if(TPAD_Scan(1)){LED1=!LED1;//触摸按键按下，绿灯状态反转}//红灯以0.2s的频率闪烁LED0=!LED0;delay_ms(200);}
}

tpad.h中的代码：

#ifndef __TPAD_H
#define __TPAD_H#include "sys.h"void TIM5_Cap_CH1_Init(u16 arr,u16 psc);
void TPAD_Init(u16 arr,u16 psc);
u16 TPAD_Get_VAL(void);
void TPAD_Reset(void);
u16 TPAD_Get_MaxVal(u8 sample);
u8 TPAD_Scan(u8 mode);
#endif

tpad.c中的代码：

#include "tpad.h"
#include "delay.h"#define MAX_ARR_VAL 0XFFFF
//TIM5初始化
void TIM5_Cap_CH2_Init(u16 arr,u16 psc)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;//使能GPIOA和TIM5的时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5, ENABLE);//浮空输入GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1;GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1);//将引脚拉低//时基初始化TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;//不分频TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;//向上计数模式TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period=arr;TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler=psc;TIM_TimeBaseInit(TIM5,&TIM_TimeBaseInitStruct);//出入捕获初始化TIM_ICInitStruct.TIM_Channel=TIM_Channel_2;//通道2TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter=0x3;//8倍滤波TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity=TIM_ICPolarity_Rising;//上升沿捕获TIM_ICInitStruct.TIM_ICPrescaler=TIM_ICPSC_DIV1;//不分频捕获TIM_ICInitStruct.TIM_ICSelection=TIM_ICSelection_DirectTI;//直接映射到TI2TIM_ICInit(TIM5,&TIM_ICInitStruct);//TIM5通道2初始化TIM_Cmd(TIM5,ENABLE);//使能定时器5
}
//释放电容电量，使电压为零
void TPAD_Reset(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;//PA1输出低电平让电容放电RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	 //使能PA端口时钟//设置GPIOA.1为推挽使出GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;				 //PA1 端口配置GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; 		 //推挽输出GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1);						 //PA.1输出0,放电delay_ms(5);//等待放电完成TIM_ClearFlag(TIM5,TIM_FLAG_CC2);//清除捕获标志位TIM_SetCounter(TIM5,0);//重新开始计时//设置为浮空输入GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1);//将引脚拉低
}//获取一次上升时间
u16 TPAD_Get_VAL(void)
{//释放电容电量，使电压为零TPAD_Reset();//等待捕获完成while(TIM_GetFlagStatus(TIM5,TIM_FLAG_CC2)==RESET){//计数值太大，直接返回计数器CNT的值if(TIM_GetCounter(TIM5)>(MAX_ARR_VAL-500))return TIM_GetCounter(TIM5);}return TIM_GetCapture2(TIM5);//返回CCR中的值
}u16 DefaultVal=0;
//TPAD初始化
void TPAD_Init(u16 arr,u16 psc)
{u8 i = 0,j=0;u16 init_val[10] = {0};u16 temp = 0;TIM5_Cap_CH2_Init(arr,psc);for(i=0;i<10;i++)//连续读取10次{				 init_val[i]=TPAD_Get_VAL();delay_ms(10);	    }				    for(i=0;i<9;i++)//排序{for(j=i+1;j<10;j++){if(init_val[i]>init_val[j])//升序排列{temp=init_val[i];init_val[i]=init_val[j];init_val[j]=temp;}}}temp = 0;for(i=2;i<8;i++){temp+=init_val[i];}DefaultVal = temp/6;//求平均值
}#define GATE_VAL 20u16 TPAD_Get_MaxVal(u8 sample)
{u16 temp=0;u16 res=0;while(sample--){temp=TPAD_Get_VAL();//得到一次值if(temp>res)res=temp;}return res;
}
u8 TPAD_Scan(u8 mode)
{static u8 key = 0;u16 rval = 0;u8 res = 0;u8 sample = 3;//默认采样次数是三次if(mode){sample = 6;//连续按时采样6次key =0;}rval = TPAD_Get_MaxVal(sample);//触摸按键按下去后if(rval >DefaultVal+GATE_VAL){if(key==0)res=1;key=3;}if(key!=0){key--;}return res;
}