1）实验平台：正点原子stm32f103战舰开发板V4
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第二十三章 电容触摸按键实验
上一章，我们介绍了STM32F1的输入捕获功能及其使用。这一章，我们将向大家介绍如何通过输入捕获功能，来做一个电容触摸按键。在本章中，我们将用TIM5的通道2（PA1）来做输入捕获，并实现一个简单的电容触摸按键，通过该按键控制DS1的亮灭。从本章分为如下几个部分：
21.1电容触摸按键简介
21.2硬件设计
21.3软件设计
21.4下载验证
23.1 电容触摸按键简介
前面我们学习过了机械按键，这节我们将介绍另一种人机交互设备：电容触摸按键。
电容式触摸按键已经广泛应用在家用电器、消费电子市场，其主要优势有：无机械装置，使用寿命长；非接触式感应，面板不需要开孔；产品更加美观简洁；防水可以做到很好。
战舰F103上的触摸按键TPAD其实就是一小块覆铜区域，其形状就是正点原子的logo，如图23.1.1所示。
图23.1.1 电容按键TPAD外观
与机械按键不同，这里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23.1.2中的A、B分别表示有无人体按下时电容的充放电曲线。其中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（实际使用时，由STM32F1的IO代替）。
图23.1.2 电容按键TPAD外
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：
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，我们还可以把战舰开发板作为一个简单的电容计，直接可以测电容容量了，有兴趣的朋友可以捣鼓下。
在本章中，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）。
本章，我们使用PA1(TIM5_CH2)来检测TPAD是否有触摸，在每次检测之前，我们先配置PA1为推挽输出，将电容Cs（或Cs+Cx）放电，然后配置PA1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TIM5_CH2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。
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。
关于输入捕获的配置，在上一章我们已经有详细介绍了，这里我们就不再介绍。至此，电容触摸按键的原理介绍完毕。
23.2 硬件设计
- 例程功能
LED0用来指示程序运行，150ms变换一次状态，即约300ms一次闪烁。不断扫描按键的状态，如果判定了电容触摸按键按下，我们就把LED1的状态翻转一次。 - 硬件资源
1）LED灯：
LED0 – PB5
LED1 – PE5
2） 定时器 TIM5
3） GPIO：PA1，用于控制触摸按键TPAD。 - 原理图
触摸按键的原理图TPAD设计如图23.2.1所示
图23.2.1 电容按键TPAD连接原理图
由于设计时PA1不直接连接到电容触摸按键，而是引到了插针上，我们需要通过跳线帽把P10上标为ADC的引脚与标号为“TPAD”的标号连接到一起，连接图23.2.2所示。
图23.2.2 用跳线帽连接电容按键TPAD和PA1
23.3 程序设计
我们在基本定时器一节已经学习过定时器的输入捕获功能，这里我们可以类似地，用定时器5来实现这对TPAD引脚上的电平状态进行捕获的功能。本实验用到的HAL库驱动请回顾基本定时器实验的介绍。下面直接从程序流程图开始介绍。
23.3.1 程序流程图
图23.2.3.1.1 电容触摸按键实验程序流程图
23.3.2 程序解析
TPAD可以看作《实验9-3 通用定时器输入捕获实验》的一个应用案例，相关的HAL库函数函数在定时器章节我们已经介绍过了，所以这里就不重复介绍了，大家回过头复习一下即可。
- TPAD驱动代码
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码，TPAD的驱动主要包括两个文件：tpad.c和tpad.h。
首先看tpad.h头文件的几个宏定义：
/* TPAD 引脚 及 定时器 定义 */
#define TPAD_GPIO_PORT GPIOA
#define TPAD_GPIO_PIN GPIO_PIN_1
/* PA口时钟使能 */
#define TPAD_GPIO_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); }while(0)
#define TPAD_TIMX_CAP TIM5
#define TPAD_TIMX_CAP_CHY TIM_CHANNEL_2 /* 通道Y, 1<= Y <=4 */
#define TPAD_TIMX_CAP_CHY_CCRX TIM5->CCR2 /* 通道Y的捕获/比较寄存器 */
#define TPAD_TIMX_CAP_CHY_CLK_ENABLE() \
do{ __HAL_RCC_TIM5_CLK_ENABLE(); }while(0) /* TIM5 时钟使能 */
PA1是定时器5的PWM通道2，如果我们使用其它定时器和它们对应的捕获通道的其它IO，我们只需要修改上面的宏即可。
利用前面描述的触摸按键的原理，上电时检测TPAD上的电容的充放电时间，并以此为基准，每次需要重新检测TPAD时，通过比较充放电的时长来检测当前是否有按下，所以我们需要用定时器的输入捕获来监测低TPAD上低电平的时间。编写tpad_timx_cap_init()函数如下：
/**
* @brief 触摸按键输入捕获设置
* @param arr ：自动重装值
* @param psc ：时钟预分频数
* @retval 无
*/
static void tpad_timx_cap_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
TIM_IC_InitTypeDef timx_ic_cap_chy;
TPAD_GPIO_CLK_ENABLE(); /* TPAD引脚 时钟使能 */
TPAD_TIMX_CAP_CHY_CLK_ENABLE(); /* 定时器 时钟使能 */
gpio_init_struct.Pin = TPAD_GPIO_PIN; /* 输入捕获的GPIO口 */
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; /* 复用推挽输出 */
gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLDOWN; /* 下拉 */
gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM; /* 中速 */
HAL_GPIO_Init(TPAD_GPIO_PORT, &gpio_init_struct); /* TPAD引脚浮空输入 */
g_timx_cap_chy_handle.Instance = TPAD_TIMX_CAP; /* 定时器5 */
g_timx_cap_chy_handle.Init.Prescaler = psc; /* 定时器分频 */
g_timx_cap_chy_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;/*向上计数模式 */
g_timx_cap_chy_handle.Init.Period = arr; /* 自动重装载值 */
g_timx_cap_chy_handle.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;/*不分频*/
HAL_TIM_IC_Init(&g_timx_cap_chy_handle);
timx_ic_cap_chy.ICPolarity = TIM_ICPOLARITY_RISING; /* 上升沿捕获 */
timx_ic_cap_chy.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;/*映射TI1*/
timx_ic_cap_chy.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; /* 配置输入不分频 */
timx_ic_cap_chy.ICFilter = 0; /* 配置输入滤波器，不滤波 */
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&g_timx_cap_chy,
&timx_ic_cap_chy, TPAD_TIMX_CAP_CHY);/* 配置TIM5通道2 */
HAL_TIM_IC_Start(&g_timx_cap_chy_handle,TPAD_TIMX_CAP_CHY);/* 使能输入捕获 */
}
这和我们《实验9-3 通用定时器输入捕获实验》的代码基本一样，原理就不重复解释了，接下我们通过控制变量法，每次先给TPAD放电（STM32输出低电平）相同时间，然后释放，监测VCC每次给TPAD的充电时间，由此可以得到一个充电时间，操作的代码如下：
/**
* @brief 复位TPAD
* @note 我们将TPAD按键看做是一个电容, 当手指按下/不按下时容值有变化
* 该函数将GPIO设置成推挽输出, 然后输出0, 进行放电, 然后再设置
* GPIO为浮空输入, 等待外部大电阻慢慢充电
* @param 无
* @retval 无
*/
static void tpad_reset(void)
{
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
gpio_init_struct.Pin = TPAD_GPIO_PIN; /* 输入捕获的GPIO口 */
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; /* 复用推挽输出 */
gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP; /* 上拉 */
gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM; /* 中速 */
HAL_GPIO_Init(TPAD_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
/* TPAD引脚输出0, 放电 */
HAL_GPIO_WritePin(TPAD_GPIO_PORT, TPAD_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET);
delay_ms(5);
g_timx_cap_chy_handle.Instance->SR = 0; /* 清除标记 */
g_timx_cap_chy_handle.Instance->CNT = 0; /* 归零 */
gpio_init_struct.Pin = TPAD_GPIO_PIN; /* 输入捕获的GPIO口 */
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; /* 复用推挽输出 */
gpio_init_struct.Pull = GPIO_NOPULL; /* 浮空 */
gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM; /* 中速 */
HAL_GPIO_Init(TPAD_GPIO_PORT, &gpio_init_struct); /* TPAD引脚浮空输入 */
}
/**
* @brief 得到定时器捕获值
* @note 如果超时, 则直接返回定时器的计数值
* 我们定义超时时间为: TPAD_ARR_MAX_VAL - 500
* @param 无
* @retval 捕获值/计数值（超时的情况下返回）
*/
static uint16_t tpad_get_val(void)
{
uint32_t flag = (TPAD_TIMX_CAP_CHY== TIM_CHANNEL_1)?TIM_FLAG_CC1:\
(TPAD_TIMX_CAP_CHY== TIM_CHANNEL_2)?TIM_FLAG_CC2:\
(TPAD_TIMX_CAP_CHY== TIM_CHANNEL_3)?TIM_FLAG_CC3:TIM_FLAG_CC4;
tpad_reset();
while (__HAL_TIM_GET_FLAG(&g_timx_cap_chy_handle ,flag) == RESET)
{ /* 等待通道CHY捕获上升沿 */
if (g_timx_cap_chy_handler.Instance->CNT > TPAD_ARR_MAX_VAL - 500)
{
return g_timx_cap_chy_handle.Instance->CNT; /* 超时了,直接返回CNT的值 */
}
}
return TPAD_TIMX_CAP_CHY_CCRX; /* 返回捕获/比较值 */
}
/**
* @brief 读取n次, 取最大值
* @param n ：连续获取的次数
* @retval n次读数里面读到的最大读数值
*/
static uint16_t tpad_get_maxval(uint8_t n)
{
uint16_t temp = 0;
uint16_t maxval = 0;
while (n--)
{
temp = tpad_get_val(); /* 得到一次值 */
if (temp > maxval)maxval = temp;
}
return maxval;
}
得到充电时间后，接下来我们要做的就是获取没有按下TPAD时的充电时间，并把它作为基准来确认后续有无按下操作，我们定义全局变量g_tpad_default_val来保存这个值，通过多次平均的滤波算法来减小误差，编写的初始化函数tpad_init代码如下。
/**
* @brief 初始化触摸按键
* @param psc : 分频系数(值越小, 越灵敏, 最小值为: 1)
* @retval 0, 初始化成功; 1, 初始化失败;
*/
uint8_t tpad_init(uint16_t psc)
{
uint16_t buf[10];
uint16_t temp;
uint8_t j, i;
tpad_timx_cap_init(TPAD_ARR_MAX_VAL, psc - 1);/* 以72/(psc-1)Mhz的频率计数 */
for (i = 0; i < 10; i++) /* 连续读取10次 */
{
buf[i] = tpad_get_val();
delay_ms(10);
}
for (i = 0; i < 9; i++) /* 排序 */
{
for (j = i + 1; j < 10; j++)
{
if (buf[i] > buf[j]) /* 升序排列 */
{
temp = buf[i];
buf[i] = buf[j];
buf[j] = temp;
}
}
}
temp = 0;
for (i = 2; i < 8; i++) /* 取中间的6个数据进行平均 */
{
temp += buf[i];
}
g_tpad_default_val = temp / 6;
printf("g_tpad_default_val:%d\r\n", g_tpad_default_val);
if (g_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! */
}
return 0;
}
得到初始值后，我们需编写一个按键扫描函数，以方便在需要监控TPAD的地方调用，代码如下：
/**
* @brief 扫描触摸按键
* @param mode ：扫描模式
* @arg 0, 不支持连续触发(按下一次必须松开才能按下一次);
* @arg 1, 支持连续触发(可以一直按下)
* @retval 0, 没有按下; 1, 有按下;
*/
uint8_t tpad_scan(uint8_t mode)
{
static uint8_t keyen = 0; /* 0, 可以开始检测; >0, 还不能开始检测; */
uint8_t res = 0;
uint8_t sample = 3; /* 默认采样次数为3次 */
uint16_t rval;
if (mode)
{
sample = 6; /* 支持连按的时候，设置采样次数为6次 */
keyen = 0; /* 支持连按, 每次调用该函数都可以检测 */
}
rval = tpad_get_maxval(sample);
if (rval > (g_tpad_default_val + TPAD_GATE_VAL))
{ /* 大于tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,有效 */
if (keyen == 0)
{
res = 1; /* keyen==0, 有效 */
}
//printf("r:%d\r\n", rval); /* 输出计数值, 调试的时候才用到 */
keyen = 3; /* 至少要再过3次之后才能按键有效 */
}
if (keyen)keyen--;
return res;
}
TPAD函数到此就编写完了，接下来我们通过main函数编写测试代码来验证一下TPAD的逻辑是否正确。
2. main.c代码
在main.c里面编写如下代码：
int main(void)
{
uint8_t t = 0;
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 设置时钟, 72Mhz */
delay_init(72); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
led_init(); /* 初始化LED */
tpad_init(6); /* 初始化触摸按键 */
while (1)
{
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) */
{
LED1_TOGGLE(); /* LED1取反 */
}
t++;
if (t == 15)
{
t = 0;
LED0_TOGGLE(); /* LED0取反 */
}
delay_ms(10);
}
}
初始化了必要的外设后，我们通过循环来实现我们的代码操作。我们在扫描函数中定义了电容按触摸发生后的状态，通过判断返回值来判断是否符合按下的条件，如果按下我们就翻转一次LED1。LED0通过累计延时次数的方法，既能保证扫描的频率，又能达到定时翻转的目的。
23.4 下载验证
下载代码后，可以看到LED0不停闪烁（每300ms闪烁一次），用手指按下电容按键时，LED1的状态发生改变（亮灭交替一次）。这里记得TPAD引脚和PA1都是连接到开发板上的排针上的，开始测试前需要连接好，否则测试就不准了，如果下载代码前没有连接好，请连接后复位重新测试即可。
