【常用模块】电容触摸按键模块（原理讲解、STM32实例操作）

电容触摸按键原理

RC充放电电路原理

在模拟及脉冲数字电路中，经常涉及RC电路。在这些电路中，根据电阻R和电容C的取值不同、输入和输出关系以及处理的波形之间的关系，产生了具有不同功能的RC电路，常见的电路应用包括微分电路、积分电路、耦合电路、滤波电路及脉冲分压器。RC电路在模拟电路、脉冲数字电路中得到广泛的应用。RC电路原理是模、数电的必备基础知识。

RC充放电电路如下图所示：

RC充放电电路原理讲解：

图中的开关起初处于开启的状态，电容器C上没有电荷，它两端的电压等于零。
当开关闭合时，压降V1通过R向电容器C充电。在电路接通的瞬间，电容器电压Vt=0，充电电流最大值等于V1/R。
随着电容器两极上电荷的积累，Vt逐渐增大，电阻器R上的电压VR=V1-Vc，充电电流i=(V1-Vc)/R，且随着时间的增大而越来越小，Vt的上升也越来越慢。当Vt=V1时，i=0，充电过程结束。

电容充电时间与电容大小关系

RC电路充放电公式：

Vt = V0+（V1-V0）* [1-exp(-t/RC)]

其中：V0 为电容上的初始电压值，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。

如果V0为0，也就是从0V开始充电。那么公式简化为：

Vt= V1* [1-exp(-t/RC)]

由此公式可以看出：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。

在同一副图中画出两条RC电路曲线，已知电容CB>CA，那么充电到达同一临界值Vth所用的时间关系为：TB>TA。

电容触摸按键

电容触摸按键原理

这里是用的是检测电容充放电时间的方法来判断是否有接触，具体的原理图如下所示：

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则是有手指触摸按下的时候，手指与TPAD之间形成的电容，这样的话，有手指触摸按下的时候，电容是Cx+Cs（电容并联相加）。

由之前RC电路的原理讲解，不同的电容，在其他的因素都相同的情况下，充电充电到达同一临界值时需要不同的时间的。电容越大，需要的时间越长。

检测电容触摸按键过程

电容触摸按键模块中，电容放电开关，由STM32的IO口代替。具体的电路图如下：

由此可以得到检测电容触摸按键是否被按下的过程：

TPAD引脚设置为推挽输出，输出0，实现电容放电到0。
TPAD引脚设置为浮空输入（IO复位后的状态）,电容开始充电。
同时开启TPAD引脚的输入捕获开始捕获。
等待充电完成（充电到达Vth,检测到上升沿）。
计算充电时间。

输入捕获部分的内容，可以参考学习：【STM32】通用定时器的输入捕获（实例：输入捕获）。

判断依据：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（阈值），就可以判断有按键按下。

STM32控制电容触摸按键

硬件连接

单片机：STM32F103ZET6
模块：电容触摸按键模块
引脚连接：TPAD：PA1
硬件资源：指示灯DS0、DS1，定时器TIM5通道2

具体的硬件连接的图如下所示：

STM32控制程序

STM32控制电容触摸按键的主要步骤：

初始化触摸按键：初始化定时器TIM5的输入捕获，捕获10次无触摸按下到达上升沿的时间；
触摸按键扫描：捕获3次有触摸按下到达上升沿的时间，阈值判断；

#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.
//返回值:0,初始化成功;1,初始化失败
u8 TPAD_Init(u8 psc)
{u16 buf[10];u16 temp;u8 j,i;TIM5_CH2_Cap_Init(TPAD_ARR_MAX_VAL,psc-1);//以1Mhz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++)temp+=buf[i];//取中间的6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
void TPAD_Reset(void)
{GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);     //使能PA端口时钟//设置GPIOA.1为推挽使出GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;                //PA1 端口配置GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;         //推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1);                         //PA.1输出0,放电delay_ms(5);TIM_SetCounter(TIM5,0);        //归0TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC2|TIM_IT_Update); //清除中断标志//设置GPIOA.1为浮空输入GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;  //浮空输入GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);}
//得到定时器捕获值
//如果超时,则直接返回定时器的计数值.
u16 TPAD_Get_Val(void)
{                  TPAD_Reset();while(TIM_GetFlagStatus(TIM5, TIM_IT_CC2) == RESET)//等待捕获上升沿{if(TIM_GetCounter(TIM5)>TPAD_ARR_MAX_VAL-500)return TIM_GetCounter(TIM5);//超时了,直接返回CNT的值};    return TIM_GetCapture2(TIM5);
}
//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   100 //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{                           if(keyen==0)res=1;      //keyen==0,有效 //printf("r:%d\r\n",rval);                                           keyen=3;                //至少要再过3次之后才能按键有效   } if(keyen)keyen--;                                                                            return res;
}
//定时器2通道2输入捕获配置
void TIM5_CH2_Cap_Init(u16 arr,u16 psc)
{GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;TIM_ICInitTypeDef  TIM5_ICInitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5, ENABLE);   //使能TIM5时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);     //使能PA端口时钟//设置GPIOA.1为浮空输入GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;                //PA1 端口配置GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;   //速度50MHzGPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;    //浮空输入GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);    //设置为浮空输入//初始化TIM5  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设定计数器自动重装值   TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc;     //预分频器     TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //设置时钟分割:TDTS = Tck_timTIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式TIM_TimeBaseInit(TIM5, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位//初始化通道2 TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2; //CC1S=01   选择输入端 IC2映射到TI5上TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;   //上升沿捕获TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;     //配置输入分频,不分频 TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x03;//IC2F=0011 配置输入滤波器 8个定时器时钟周期滤波TIM_ICInit(TIM5, &TIM5_ICInitStructure);//初始化I5 IC2TIM_Cmd(TIM5,ENABLE );   //使能定时器5
}

 int main(void){ u8 t=0;    delay_init();            //延时函数初始化    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级uart_init(115200);  //串口初始化为115200LED_Init();               //LED端口初始化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=!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);}}

整个程序基本只要分析一个函数：TPAD_Get_Val()函数。

首先需要TPAD_Reset()，它的意义在于先设置PA1推挽输出，同时设置PA1输出低电平放电，延时等待放电完成：

 //设置GPIOA.1为推挽使出GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;               //PA1 端口配置GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;         //推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1);                         //PA.1输出0,放电delay_ms(5);

之后设置PA1浮空输入，清零TIM5的输入捕获：

 TIM_SetCounter(TIM5,0);     //归0TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC2|TIM_IT_Update); //清除中断标志//设置GPIOA.1为浮空输入GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;  //浮空输入GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

准备工作做完了之后，就可以进行输入捕获了：

while(TIM_GetFlagStatus(TIM5, TIM_IT_CC2) == RESET)//等待捕获上升沿{if(TIM_GetCounter(TIM5)>TPAD_ARR_MAX_VAL-500)  return TIM_GetCounter(TIM5);//超时了,直接返回CNT的值};   return TIM_GetCapture2(TIM5);