本帖最后由 正点原子运营 于 2023-7-19 15:30 编辑
第二十三章 电容触摸按键实验
1）实验平台：正点原子探索者STM32F407开发板
2) 章节摘自【正点原子】STM32F407开发指南 V1.1
6）STM32技术交流QQ群:151941872
上一章，我们介绍了STM32F407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TIM2的通道1（PA5）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。 探索者STM32F407开发板上的触摸按键TPAD其实就是一小块覆铜区域，其形状为正点原子的LOGO，如图23.1.1所示。 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STM32F407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，我们还可以把探索者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PA5(TIM2_CH1)来检测TPAD是否有触摸，在每次检测之前，我们先配置PA5为推挽输出，将电容Cs（或Cs+Cx）放电，然后配置PA5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TIM2_CH1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1. 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。
2. 硬件资源 1）LED灯： LED0 – PF9 LED1 – PF10 2） 定时器 TIM2 3） GPIO：PA5，用于控制触摸按键TPAD。
3. 原理图 触摸按键的原理图TPAD设计如图23.2.1所示 由于设计时PA5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P11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PA5 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2来实现对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。
1. 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_5
- /* PA口时钟使能 */
- #define TPAD_GPIO_CLK_ENABLE() do{__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); }while(0)
- #define TPAD_TIMX_CAP TIM2
- #define TPAD_TIMX_CAP_CHY TIM_CHANNEL_1 /* 通道Y, 1<= Y <=4 */
- #define TPAD_TIMX_CAP_CHY_CCRX TIM2->CCR1 /* 通道Y的捕获/比较寄存器 */
- #define TPAD_TIMX_CAP_CHY_CLK_ENABLE() \
- do{ __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE(); }while(0) /* TIM5 时钟使能 */
PA5是定时器2的PWM通道1，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_cap_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
- {
- GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
- 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_AF_PP; /* 复用推挽输出 */
- gpio_init_struct.Pull = GPIO_NOPULL; /* 不带上下拉 */
- gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; /* 高速 */
- gpio_init_struct.Alternate= TPAD_GPIO_AF; /* PA5复用为TIM2_CH1 */
- HAL_GPIO_Init(TPAD_GPIO_PORT, &gpio_init_struct); /* TPAD引脚浮空输入 */
- g_timx_cap_chy_handler.Instance = TPAD_TIMX_CAP; /* 定时器5 */
- g_timx_cap_chy_handler.Init.Prescaler = psc; /* 定时器分频 */
- g_timx_cap_chy_handler.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;/*向上计数模式*/
- g_timx_cap_chy_handler.Init.Period = arr; /* 自动重装载值 */
- g_timx_cap_chy_handler.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;/*不分频*/
- HAL_TIM_IC_Init(&g_timx_cap_chy_handler);
- g_timx_ic_cap_chy_handler.ICPolarity = TIM_ICPOLARITY_RISING; /* 上升沿捕获 */
- g_timx_ic_cap_chy_handler.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;/*映射TI1*/
- g_timx_ic_cap_chy_handler.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;/* 配置输入不分频 */
- g_timx_ic_cap_chy_handler.ICFilter = 0; /* 配置输入滤波器，不滤波 */
- HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&g_timx_cap_chy_handler,
- &g_timx_ic_cap_chy_handler, TPAD_TIMX_CAP_CHY);/* 配置TIM5通道2 */
- HAL_TIM_IC_Start(&g_timx_cap_chy_handler, 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_PULLDOWN; /* 下拉 */
- gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; /* 高速 */
- 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_handler.Instance->SR = 0; /* 清除标记 */
- g_timx_cap_chy_handler.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_AF_PP; /* 复用推挽输出 */
- gpio_init_struct.Pull = GPIO_NOPULL; /* 浮空 */
- gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; /* 高速 */
- gpio_init_struct.Alternate = TPAD_GPIO_AF; /* PA5复用为TIM2_CH1 */
- 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_ttpad_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_handler,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)
- {
- returng_timx_cap_chy_handler.Instance->CNT; /* 超时了,直接返回CNT的值 */
- }
- }
- returnTPAD_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_ttpad_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;
- /* 以 Ft/ (psc - 1)Mhz的频率计数 @Ft = 定时器工作频率*/
- tpad_timx_cap_init(TPAD_ARR_MAX_VAL, psc - 1);
- for (i = 0; i < 10; i++) /* 连续读取10次 */
- {
- buf = tpad_get_val();
- delay_ms(10);
- }
- for (i = 0; i < 9; i++) /* 排序 */
- {
- for (j = i + 1; j < 10; j++)
- {
- if (buf > buf[j]) /* 升序排列 */
- {
- temp = buf;
- buf = 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;
- }
-
- 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 */
- }
- 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(336, 8, 2, 7); /* 设置时钟,168Mhz */
- delay_init(168); /* 延时初始化 */
- usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
- led_init(); /* 初始化LED */
- tpad_init(8); /* 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PA5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。 | 
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发表于 2023-7-20 10:40:12
