STM32CubeMX学习笔记(24)——通用定时器接口使用(电容按键检测)
一、电容按键简介
电容器(简称为电容)就是可以容纳电荷的器件,两个金属块中间隔一层绝缘体就可以构成一个最简单的电容。如图 32-1(俯视图),有两个金属片,之间有一个绝缘介质,这样就构成了一个电容。这样一个电容在电路板上非常容易实现,一般设计四周的铜片与电路板地信号连通,这样一种结构就是电容按键的模型。当电路板形状固定之后,该电容的容量也是相对稳定的。
电路板制作时都会在表面上覆盖一层绝缘层,用于防腐蚀和绝缘,所以实际电路板设计时情况如图 32-2。电路板最上层是绝缘材料,下面一层是导电铜箔,我们根据电路走线情况设计决定铜箔的形状,再下面一层一般是 FR-4 板材。金属感应片与地信号之间有绝缘材料隔着,整个可以等效为一个电容 Cx。一般在设计时候,把金属感应片设计成方便手指触摸大小。
在电路板未上电时,可以认为电容 Cx 是没有电荷的,在上电时,在电阻作用下,电容 Cx 就会有一个充电过程,直到电容充满,即 Vc 电压值为 3.3V,这个充电过程的时间长短受到电阻 R 阻值和电容 Cx 容值的直接影响。但是在我们选择合适电阻 R 并焊接固定到电路板上后,这个充电时间就基本上不会变了,因为此时电阻 R 已经是固定的,电容 Cx 在无外界明显干扰情况下基本上也是保持不变的。
现在,我们来看看当我们用手指触摸时会是怎样一个情况?如图 32-3,当我们用手指触摸时,金属感应片除了与地信号形成一个等效电容 Cx 外,还会与手指形成一个 Cs 等效电容。
此时整个电容按键可以容纳的电荷数量就比没有手指触摸时要多了,可以看成是 Cx 和 Cs 叠加的效果。在相同的电阻 R 情况下,因为电容容值增大了,导致需要更长的充电时间。也就是这个充电时间变长使得我们区分有无手指触摸,也就是电容按键是否被按下。
现在最主要的任务就是测量充电时间。充电过程可以看出是一个信号从低电平变成高电平的过程,现在就是要求出这个变化过程的时间。我们可以利用定时器输入捕获功能计算充电时间,即设置 TIMx_CH 为定时器输入捕获模式通道。这样先测量得到无触摸时的充电时间作为比较基准,然后再定时循环测量充电时间与无触摸时的充电时间作比较,如果超过一定的阈值就认为是有手指触摸。
图 32-4 为 Vc 跟随时间变化情况,可以看出在无触摸情况下,电压变化较快;而在有触摸时,总的电容量增大了,电压变化缓慢一些。
为测量充电时间,我们需要设置定时器输入捕获功能为上升沿触发,图 32-4 中 VH 就是被触发上升沿的电压值,也是 STM32 认为是高电平的最低电压值,大约为 1.8V。t1 和 t2 可以通过定时器捕获/比较寄存器获取得到。
不过,在测量充电时间之前,我们必须想办法制作这个充电过程。之前的分析是在电路板上电时会有充电过程,现在我们要求在程序运行中循环检测按键,所以必须可以控制充电过程的生成。我们可以控制 TIMx_CH 引脚作为普通的 GPIO 使用,使其输出一小段时间的低电平,为电容 Cx 放电,即 Vc 为 0V。当我们重新配置 TIMx_CH 为输入捕获时电容 Cx 在电阻 R 的作用下就可以产生充电过程。
二、输入捕获
输入捕获模式可以用来测量脉冲宽度或者测量频率。STM32F103 的定时器,除了TIM6、TIM7,其他的定时器都有输入捕获的功能。
2.1 输入捕获的工作原理
①先设置输入捕获为上升沿检测,
②记录发生上升沿时TIMx_CNT(计数器)的值
③配置捕获信号为下降沿捕获,当下降沿到来的时候发生捕获
④记录此时的TIMx_CN(计数器)T的值
⑤前后两次TIMx_CNT(计数器)的值之差就是高电平的脉宽。同时根据TIM的计数频率,我们就能知道高电平脉宽的准确时间。
简单说:
当你设置的捕获开始的时候,cpu会将计数寄存器
的值复制到捕获比较寄存器
中并开始计数,当再次捕捉到电平变化时,这是计数寄存器中的值减去刚才复制的值就是这段电平的持续时间,你可以设置上升沿捕获、下降沿捕获、或者上升沿下降沿都捕获。
2.2 溢出时间计算
t1时刻检测到高电平,发生中断,在中断里将计数值置0,开始记溢出次数N,
其中每计数0xFFFF次溢出一次,直到t2时刻跳变回低电平,
获取最后一次溢出时到t2时刻的计数值TIM5CH1_CAPTURE_VAL
则 高电平时间 = 溢出次数x65535+TIM5CH1_CAPTURE_VAL us;根据定时器初始化时的频率即可计算出溢出总次数所占用的时间,即为高电平时间。
如果计数器值为 32 bit 那么最大为0xFFFFFFFF
高电平时间:
三、引脚确定
开发板板载一个电容,引脚为 PA1,对应通用定时器 TIM5 的通道 2。充电电容的阻值为 5.1M,电阻的大小决定了电容按键充电的时间。
四、添加通用定时器TIM5输入捕获功能
查看 STM32CubeMX学习笔记(23)——通用定时器接口使用(输入捕获测量脉宽)
五、编程要点
1. 编写定时器输入捕获相关函数
2. 测量电容按键空载的充电时间 T1
3. 测量电容按键有手触摸的充电时间 T2
4. 只需要比较 T2 与 T1 的时间即可检测出按键是否有手指触摸
几个重要函数:
说明:对于不同的平台,区别主要是定时器底层相关以及IO口初始化
5.1 TPAD_Reset(void)
复位 TPAD
设置 IO 口为推挽输出 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。
5.2 TPAD_Get_Val(void)
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。
5.3 TPAD_Get_MaxVal(void)
多次调用 TPAD_Get_Val 函数获取充电时间。获取最大的值。
5.4 TPAD_Init(void)
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下的时候的充电时间缺省值 tpad_default_val。
5.5 TPAD_Scan(void)
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。
六、添加TPAD相关函数
/******************** TPAD 引脚配置参数定义 **************************/
#define TOUCHPAD_TIMx TIM5
#define TOUCHPAD_TIM_RCC_CLK_ENABLE() __HAL_RCC_TIM5_CLK_ENABLE()
#define TOUCHPAD_TIM_RCC_CLK_DISABLE() __HAL_RCC_TIM5_CLK_DISABLE()#define TOUCHPAD_GPIO_RCC_CLK_ENABLE() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define TOUCHPAD_GPIO_PIN GPIO_PIN_1
#define TOUCHPAD_GPIO GPIOA
#define TOUCHPAD_TIM_CHANNEL TIM_CHANNEL_2
#define TOUCHPAD_TIM_FLAG_CCR TIM_FLAG_CC2//定时器最大计数值
#define TPAD_ARR_MAX_VAL 0XFFFF
//保存没按下时定时器计数值
__IO uint16_t tpad_default_val = 0;/****************************************** 为电容按键放电* 清除定时器标志及计数******************************************/
static void TPAD_Reset(void)
{/* 定义IO硬件初始化结构体变量 */GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;/* 使能电容按键引脚对应IO端口时钟 */ TOUCHPAD_GPIO_RCC_CLK_ENABLE();/* 设置引脚输出为低电平 */HAL_GPIO_WritePin(TOUCHPAD_GPIO, TOUCHPAD_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); //PA.2输出0,放电 /* 设定电容按键对应引脚IO编号 */GPIO_InitStruct.Pin = TOUCHPAD_GPIO_PIN;/* 设定电容按键对应引脚IO为输出模式 */GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;/* 设定电容按键对应引脚IO操作速度 */GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;/* 初始化电容按键对应引脚IO */HAL_GPIO_Init(TOUCHPAD_GPIO, &GPIO_InitStruct); HAL_Delay(5);__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim5,0); // 清零定时器计数 __HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&htim5, TIM_FLAG_UPDATE|TIM_FLAG_CC2);//清除中断标志GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;HAL_GPIO_Init(TOUCHPAD_GPIO, &GPIO_InitStruct);HAL_TIM_IC_Start(&htim5,TOUCHPAD_TIM_CHANNEL);
}/****************************************************** 得到定时器捕获值* 如果超时,则直接返回定时器的计数值.******************************************************/
static uint16_t TPAD_Get_Val(void)
{ TPAD_Reset();while(__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim5,TOUCHPAD_TIM_FLAG_CCR)==RESET){ uint16_t count;count=__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim5);if(count>(TPAD_ARR_MAX_VAL-500))return count;//超时了,直接返回CNT的值}; return HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htim5,TOUCHPAD_TIM_CHANNEL);
}/****************************************************** 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* *****************************************************/
static uint16_t TPAD_Get_MaxVal(uint8_t n)
{uint16_t temp=0;uint16_t res=0;while(n--){temp=TPAD_Get_Val();//得到一次值if(temp>res)res=temp;};return res;
} /********************************************************
*
* 初始化触摸按键
* 获得空载的时候触摸按键的取值.
* 返回值:0,初始化成功;1,初始化失败
*
*********************************************************/
uint8_t TPAD_Init(void)
{uint16_t buf[10];uint32_t temp=0;uint8_t j,i;/* 以1MHz的频率计数 */MX_TIM5_Init();HAL_TIM_IC_Start(&htim5,TOUCHPAD_TIM_CHANNEL);/* 连续读取10次 */for(i=0;i<10;i++){ buf[i]=TPAD_Get_Val();HAL_Delay(10); }/* 排序 */for(i=0;i<9;i++){for(j=i+1;j<10;j++){/* 升序排列 */if(buf[i]>buf[j]){temp=buf[i];buf[i]=buf[j];buf[j]=temp;}}}temp=0;/* 取中间的6个数据进行平均 */for(i=2;i<8;i++)temp+=buf[i];tpad_default_val=temp/6;printf("tpad_default_val:%d\r\n",tpad_default_val); /* 初始化遇到超过TPAD_ARR_MAX_VAL/2的数值,不正常! */if(tpad_default_val>TPAD_ARR_MAX_VAL/2)return 1;return 0;
}/*******************************************************************************
*
* 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;
*
*******************************************************************************/
//阈值:捕获时间必须大于(tpad_default_val + TPAD_GATE_VAL),才认为是有效触摸.
#define TPAD_GATE_VAL 100 uint8_t TPAD_Scan(uint8_t mode)
{//0,可以开始检测;>0,还不能开始检测 static uint8_t keyen=0;//扫描结果uint8_t res=0;//默认采样次数为3次uint8_t sample=3; //捕获值 uint16_t rval;if(mode){//支持连按的时候,设置采样次数为6次sample=6; //支持连按 keyen=0; } /* 获取当前捕获值(返回 sample 次扫描的最大值) */rval=TPAD_Get_MaxVal(sample); /* printf打印函数调试使用,用来确定阈值TPAD_GATE_VAL,在应用工程中应注释掉 */
// printf("scan_rval=%d\n",rval);//大于tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,且小于10倍tpad_default_val,则有效if(rval>(tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL)&&rval<(10*tpad_default_val)){ //keyen==0,有效 if(keyen==0){res=1; } keyen=3; //至少要再过3次之后才能按键有效 }if(keyen){keyen--; } return res;
}
七、修改main函数
/*** @brief The application entry point.* @retval int*/
int main(void)
{/* USER CODE BEGIN 1 *//* USER CODE END 1 *//* MCU Configuration--------------------------------------------------------*//* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */HAL_Init();/* USER CODE BEGIN Init *//* USER CODE END Init *//* Configure the system clock */SystemClock_Config();/* USER CODE BEGIN SysInit *//* USER CODE END SysInit *//* Initialize all configured peripherals */MX_USART1_UART_Init();TPAD_Init();/* USER CODE BEGIN 2 */printf("This is TPAD test...\n");/* USER CODE END 2 *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){if(TPAD_Scan(0)){printf("key down\r\n"); }/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */}/* USER CODE END 3 */
}
八、查看打印
串口打印功能查看 STM32CubeMX学习笔记(6)——USART串口使用
按下电容键,串口会打印信息,可根据 printf("scan_rval=%d\n",rval);
打印的 scan_rval
调整 TPAD_GATE_VAL
的大小,来调整按键灵敏度
九、注意事项
用户代码要加在 USER CODE BEGIN N
和 USER CODE END N
之间,否则下次使用 STM32CubeMX 重新生成代码后,会被删除。
• 由 Leung 写于 2021 年 3 月 29 日
• 参考:STM32的电容触摸按键实验
【常用模块】电容触摸按键模块(原理讲解、STM32实例操作)
STM32CubeMX学习笔记(24)——通用定时器接口使用(电容按键检测)相关推荐
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