【STM32】电容触摸按键

【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。
1. 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
1. 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。
1. 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。
1. 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。
1. 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。
1. 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);
	}
}
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```
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
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```
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2
	TIM_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TI2
	TIM_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 20

u16 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;
}
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```
注意：

这里我们设置一个门限值，根据电路特定性可以求出一个值，这个值是按下触摸按键的充电时间和未按下时的充电时间之差，这个值是固定的，是由电路决定的，现在将门限值设置略小于这个差值。

当检测到的时间大于没有按下触摸按键的时间加门限值的时，认为触摸按键按下了。

👈效果展示

可以看到，当按下触摸按键的时候，绿色LED灯的状态发生反转。

👈总结

触摸按键实验中，除了RC电路以外，定时器的输入捕获也起着非常重要的作用，所以不仅要了解RC电路充放电的原理，还要熟练使用定时器的输入捕获功能。
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原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_63726869/article/details/126512578

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