学习记录:TIM—电容按键检测

前言

一、电容按键原理

1.1、无手指触摸电容按键

1.2、有手指触摸电容按键

1.3、Vc 电压与充电时间关系

二、程序设计

2.1、设计思路

2.2、检测电容按键按下的具体过程

2.3、工程代码

前言

（参考《野火参考手册》）

通过输入捕获功能，来做一个电容触摸按键。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。

电容按键不需要任何外部机械部件，使用方便，成本低，很容易制成与周围环境相密封的键盘，以起到防潮防湿的作用。电容按键优势突出使得越来越多电子产品使用它代替传统的机械按键。

一、电容按键原理

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。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无手指触摸情况。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。

1.1、无手指触摸电容按键

在电路板未上电时，可以认为电容 $C_{x}$ 是没有电荷的，在上电时，在电阻作用下，电容 $C_{x}$ 就会有一个充电过程，直到电容充满，即 $V_{c}$ 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 $C_{x}$ 容值的直接影响。但是在选择合适电阻 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 $C_{x}$ 在无外界明显干扰情况下基本上也是保持不变的。

1.2、有手指触摸电容按键

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 $C_{x}$ 外，还会与手指形成一个 $C_{s}$ 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 $C_{x}$ 和 $C_{s}$ 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。

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。

1.3、Vc 电压与充电时间关系

为测量充电时间，需要设置定时器输入捕获功能为上升沿触发，图中 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。

在测量充电时间之前，要制作这个充电过程。在电路板上电时会有充电过程，现在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。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、程序设计

2.1、设计思路

(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

2.2、检测电容按键按下的具体过程

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（充电到底Vx,检测到上升沿）。
计算充电时间。

2.3、工程代码

tpad.c代码如下所示：

#include "tpad.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"#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
}

tpad.h代码如下所示：

#ifndef __TPAD_H
#define __TPAD_H
#include "sys.h"      extern vu16 tpad_default_val;void TPAD_Reset(void);
u16  TPAD_Get_Val(void);
u16 TPAD_Get_MaxVal(u8 n);
u8   TPAD_Init(u8 psc);
u8   TPAD_Scan(u8 mode);
void TIM5_CH2_Cap_Init(u16 arr,u16 psc);
#endif

main.c代码如下所示：

#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "sys.h"
#include "usart.h"
#include "tpad.h"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);}}