第十六章 电容触摸按键实验
上一章，我们介绍了STM32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：
16.1 电容触摸按键简介
16.2 硬件设计
16.3 软件设计
16.4 下载验证
16.1 电容触摸按键简介
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。本章，我们将给大家介绍一种简单的触摸按键：电容式触摸按键。
我们将利用战舰STM32开发板上的触摸按键（TPAD），来实现对DS1的亮灭控制。这里TPAD其实就是战舰STM32开发板上的一小块覆铜区域，实现原理如图16.1.1所示：
图16.1.1 电容触摸按键原理
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（由实际使用时，由STM32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：
Vc=V0*(1-e^(-t/RC))
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。
16.2 硬件设计
本实验用到的硬件资源有：
1） 指示灯DS0和DS1
2） 定时器TIM5
3） 触摸按键TPAD
前面两个之前均有介绍，我们需要通过TIM5_CH2（PA1）采集TPAD的信号，所以本实验需要用跳线帽短接多功能端口（P14）的TPAD和ADC，以实现TPAD连接到PA1。如图16.2.1所示：
图16.2.1 TPAD与STM32连接原理图
硬件设置（用跳线帽短接多功能端口的ADC和TPAD即可）好之后，下面我们开始软件设计。
16.3 软件设计
软件设计我们在之前的工程上面增加，首先在HARDWARE文件夹下新建TPAD的文件夹。然后打开USER文件夹下的工程，新建一个tpad.c的文件和tpad.h的头文件，保存在TAPD文件夹下，并将TPAD文件夹加入头文件包含路径。
我们在tpad.c里输入如下代码：
#define TPAD_ARR_MAX_VAL 0XFFFF //最大的ARR值
vu16 tpad_default_val=0;//空载的时候(没有手按下),计数器需要的时间
//初始化触摸按键
//获得空载的时候触摸按键的取值.
//systick:系统时钟频率
//返回值:0,初始化成功;1,初始化失败
u8 TPAD_Init(u8 systick)
{
u16
buf[10];
u16
temp;
u8
j,i;
TIM5_CH2_Cap_Init(TPAD_ARR_MAX_VAL,systick-1);//以1Mhz的频率计数
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++)temp+=buf;//取中间的8个数据进行平均
tpad_default_val=temp/6;
printf("tpad_default_val:%d\r\n",tpad_default_val);
if(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;
}
//复位一次
//释放电容电量，并清除定时器的计数值
void TPAD_Reset(void)
{
GPIOA->CRL&=0XFFFFFF0F; //PA1 输入
GPIOA->CRL|=0X00000030; //复用功能输出
GPIOA->ODR&=~(1<<1); //输出0,放电
delay_ms(5);
TIM5->SR=0; //清除标记
TIM5->CNT=0; //归零
GPIOA->CRL&=0XFFFFFF0F; //PA1 输入
GPIOA->CRL|=0X00000040; //复用功能输出
}
//得到定时器捕获值
//如果超时,则直接返回定时器的计数值.
//返回值：捕获值/计数值（超时的情况下返回）
u16 TPAD_Get_Val(void)
{
TPAD_Reset();
while((TIM5->SR&0X04)==0)//等待捕获上升沿
{
if(TIM5->CNT>TPAD_ARR_MAX_VAL-500)return
TIM5->CNT;
//超时了,直接返回CNT的值
};
return
TIM5->CCR2;
}
//读取n次,取最大值
//n：连续获取的次数
//返回值：n次读数里面读到的最大读数值
u16 TPAD_Get_MaxVal(u8 n)
{
u16
temp=0;
u16
res=0;
while(n--)
{
temp=TPAD_Get_Val();//得到一次值
if(temp>res)res=temp;
};
return
res;
}
//扫描触摸按键
//mode:0,不支持连续触发(按下一次必须松开才能按下一次);1,支持连续触发(可以一直按下)
//返回值:0,没有按下;1,有按下;
#define TPAD_GATE_VAL 80
//触摸的门限值,也就是必须大于tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,才认为是有效触摸.
u8 TPAD_Scan(u8 mode)
{
static
u8 keyen=0; //0,可以开始检测;>0,还不能开始检测
u8
res=0;
u8
sample=3; //默认采样次数为3次
u16
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
}
rval=TPAD_Get_MaxVal(sample);
if(rval>(tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL))
//大于tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,有效
{
rval=TPAD_Get_MaxVal(sample);
if((keyen==0)&&(rval>(tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL)))
//大于tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,有效
{
res=1;
}
//printf("r:%d\r\n",rval);
keyen=5; //至少要再过5次之后才能按键有效
}else
if(keyen>2)keyen=2;
//如果检测到按键松开,则直接将次数将为2,以提高响应速度
if(keyen)keyen--;
return
res;
}
//定时器2通道2输入捕获配置
//arr：自动重装值
//psc：时钟预分频数
void TIM5_CH2_Cap_Init(u16 arr,u16 psc)
{
//此部分需手动修改 IO口设置
RCC->APB1ENR|=1<<3; //TIM5时钟使能
RCC->APB2ENR|=1<<2; //使能PORTA时钟
GPIOA->CRL&=0XFFFFFF0F; //PA1 输入
GPIOA->CRL|=0X00000040; //浮空输入
TIM5->ARR=arr; //设定计数器自动重装值//刚好1ms
TIM5-> SC=psc; //预分频器,1M的计数频率
TIM5->CCMR1|=1<<8; //CC2S=01 选择输入端 IC2映射到TI2上
TIM5->CCMR1|=3<<12; //IC2F=0011 配置输入滤波器 8个定时器时钟周期滤波
TIM5->CCMR1|=0<<10; //IC2PS=00 配置输入分频,不分频
TIM5->CCER|=0<<5; //CC2P=0 上升沿捕获
TIM5->CCER|=1<<4; //CC2E=1 允许捕获计数器的值到捕获寄存器中
TIM5->CR1|=0x01; //使能定时器5
}
此部分代码包含6个函数，我们将介绍其中4个比较重要的函数：TIM5_CH2_Cap_Init、TPAD_Get_Val、TPAD_Init和TPAD_Scan。
首先介绍TIM5_CH2_Cap_Init函数，该函数和上一章的输入捕获函数基本一样，不同的是，这里我们设置的是CH2通道，并开启了输入滤波器。通过该函数的设置，我们将可以捕获PA1上的上升沿。
我们再来看看TPAD_Get_Val函数，该函数用于得到定时器的一次捕获值。该函数先调用TPAD_Reset，将电容放电，同时设置TIM5_CNT寄存器为0，然后死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）作为返回值返回。
接着我们介绍TPAD_Init函数，该函数用于初始化输入捕获，并获取默认的TPAD值。该函数有一个参数，用来传递系统时钟，其实是为了配置TIM5_CH2_Cap_Init为1us计数周期。在该函数中连续10次读取TPAD值，将这些值升序排列后取中间6个值再做平均（这样做的目的是尽量减少误差），并赋值给tpad_default_val，用于后续触摸判断的标准。
最后，我们来看看TPAD_Scan函数，该函数用于扫描TPAD是否有触摸，该函数的参数mode，用于设置是否支持连续触发。返回值如果是0，说明没有触摸，如果是1，则说明有触摸。该函数同样包含了一个静态变量，用于检测控制，类似第八章的KEY_Scan函数。所以该函数同样是不可重入的。在函数中，我们通过连续读取3次(不支持连续按的时候)TPAD的值，取这他们的最大值，和tpad_default_val+TPAD_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TPAD_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80。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。
我们将tpad.c文件保存，然后加入到HARDWARE组下。接下来，在tpad.h文件里，我们输入如下代码：
#ifndef __TPAD_H
#define __TPAD_H
#include "sys.h"
#include "timer.h"
//空载的时候(没有手按下),计数器需要的时间
//这个值应该在每次开机的时候被初始化一次
extern vu16 tpad_default_val;
void TPAD_Reset(void);
u16 TPAD_Get_Val(void);
u16 TPAD_Get_MaxVal(u8 n);
u8 TPAD_Init(u8 systick);
u8 TPAD_Scan(u8 mode);
void TIM5_CH2_Cap_Init(u16 arr,u16 psc);
#endif
此部分代码比较简单，这里不做介绍。
接下来，我们修改主程序里面的main函数如下：
int main(void)
{
u8
t=0;
Stm32_Clock_Init(9); //系统时钟设置
uart_init(72,9600); //串口初始化为9600
delay_init(72); //延时初始化
LED_Init(); //初始化与LED连接的硬件接口
TPAD_Init(72); //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=!LED1; //LED1取反
}
t++;
if(t==15)
{
t=0;
LED0=!LED0; //LED0取反,提示程序正在运行
}
delay_ms(10);
}
}
该main函数比较简单，TPAD_Init(72)函数执行之后，就开始触摸按键的扫描，当有触摸的时候，对DS1取反，而DS0则有规律的间隔取反，提示程序正在运行。注意在修改main函数之后，还需要在test.c里面添加tpad.h头文件，否则会报错哦。
这里还要提醒一下大家，不要把uart_init(72,9600);去掉，因为在TPAD_Init函数里面，我们有用到printf，如果你去掉了uart_init，就会导致printf无法执行，从而死机。
至此，我们的软件设计就完成了。
16.4下载验证
在完成软件设计之后，将我们将编译好的文件下载到战舰STM32开发板上，可以看到DS0慢速闪烁，此时，我们用手指触摸ALIENTEK战舰STM32开发板上的TPAD（右下角的LOGO标志），就可以控制DS1的亮灭了。不过你要确保TPAD和ADC的跳线帽连接上了哦！如图16.4.1所示：
图16.4.1 触摸区域和跳线帽短接方式示意图
同时大家可以打开串口调试助手，每次复位的时候，会收到tpad_default_val的值，一般为70左右，根据16.1节提到的公式，我们可以计算出Cs的容值为27pF左右。
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