电容触摸按键实验（STM32F407）

实验目的

触摸电容按键（TPAD），控制LED的亮灭。

实验原理

使用的是检测电容充放电时间的方法来判断是否有触摸。

R 是外接的电容充电电阻（上拉电阻，给电容充电），无触摸时， Cs是TPAD 与 PCB 之间的杂散电容。当有触摸时， Cx 则是手指与 TPAD 之间形成的电容，总的电容就为Cs+Cx。图中的开关是电容放电开关。

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。由图可得， A、B两种情况下，Vc 达到 Vth 的时间分别为 Tcs 和 Tcs+Tcx。由此把充电时间的差异，作为判断有无触摸的条件。

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。

程序设计

1、程序启动，无触摸时，先采集10次电容充满电的时间（利用输入捕获），为了减小误差，取中间6次的值取平均，即tpad_default_val，这个值作为无触摸时充电时间。
2、按键扫描，实时采集电容充电时间（利用输入捕获），若采集的值大于步骤1中的tpad_default_val+门槛值，说明按键有触摸。（此例程的门槛值设为100）。

程序实例

tpad.h文件

#ifndef __TPAD_H
#define __TPAD_H
#include "sys.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 TIM2_CH1_Cap_Init(u32 arr,u16 psc); #endif

tpad.c文件

#include "tpad.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"/*电容按键触摸实验原理：当无触摸时，先检测电容充满电的时间；当有触摸时，再检测电容的充满电的时间；这两个时间值的区别就是判断有无触摸的条件*/#define  TPAD_ARR_MAX_VAL   0XFFFFFFFF       //65536，最大的ARR值(TIM2是32位定时器)
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，获得无触摸的时候触摸按键的取值.psc:分频系数越小,灵敏度越高.返回值:0,初始化成功;1,初始化失败*/u8 TPAD_Init(u8 psc)
{u16 buf[10];                               //定义一个存放无触摸时电容充满电时间值的数组u16 temp;u8 j,i;TIM2_CH1_Cap_Init(TPAD_ARR_MAX_VAL,psc-1); //设置分频系数，计数for(i=0;i<10;i++)                          //连续读取10次，取10个值{                 buf[i] = TPAD_Get_Val();delay_ms(10);     }                   for(i=0;i<9;i++)                           //冒泡排序{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];                       //为了减小误差，取中间的6个数据进行平均}tpad_default_val = temp/6;                //tpad_default_val用于后续判断有无触摸的条件printf("tpad_default_val:%d\r\n",tpad_default_val); if(tpad_default_val>TPAD_ARR_MAX_VAL/2)   //初始化遇到超过65536/2的数值,不正常!说明初始化失败return 1;                                 return 0;                               //返回0，说明初始化成功
}/*复位一次，释放电容电量，并清除定时器的计数值*/
void TPAD_Reset(void)
{       GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;               //PA5GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;           //普通输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;      //速度100MHzGPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;          //推挽 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN;          //下拉GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_5);                       //输出0,放电delay_ms(5);TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC1|TIM_IT_Update);  //清除中断标志TIM_SetCounter(TIM2,0);                                    //归0GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;               //PA5GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;            //复用输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;      //速度100MHzGPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;          //推挽 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;        //不带上下拉 GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); }/*得到定时器捕获值，即电容充满电的时间。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();                                       //将电容放电while(TIM_GetFlagStatus(TIM2, TIM_IT_CC1) == RESET) //等待捕获上升沿，若有上升沿，说明充满电了，从低电平突变为高电平了。{if(TIM_GetCounter(TIM2)>TPAD_ARR_MAX_VAL-500)   //65536-500固定的return TIM_GetCounter(TIM2);                    //超时了,直接返回CNT的值}; return TIM_GetCapture1(TIM2);                       //返回的这个值就是无触摸时，电容充满电的时间
} //以上是无触摸时，TPAD的初始化函数；以下是对TPAD有无触摸的扫描函数/*扫描有无触摸时，连续读取n次电容充满电的时间,取最大值，看看这个最大值是否满足判断条件*/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;
} /*扫描是否有触摸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.//这个门限值是根据实验而定，不可乱来，否则出错会不断的修改程序。u8 TPAD_Scan(u8 mode)
{static u8 keyen = 0;  //可以开始检测需要>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)&&rval<(10*tpad_default_val))//大于tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,且小于10倍tpad_default_val,则有效,有触摸{                          if((keyen==0)&&(rval>(tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL)))           //大于tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,有效{res = 1;}     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，用于捕获PA5上的上升沿*/
void TIM2_CH1_Cap_Init(u32 arr,u16 psc)
{GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;TIM_ICInitTypeDef  TIM2_ICInitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);   //TIM2时钟使能    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);     //使能PORTA时钟 GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource5,GPIO_AF_TIM2);   //PA5复用位定时器2GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;               //PA5GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;            //复用功能GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;        //速度100MHzGPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;          //推挽复用输出GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;        //不带上下拉 GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //初始化TIM2  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(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure); //初始化通道1TIM2_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;               //选择输入端 IC1映射到TIM2上TIM2_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; //上升沿捕获TIM2_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; TIM2_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;            //配置输入分频,不分频 TIM2_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;                       //IC2F=0000 配置输入滤波器 不滤波TIM_ICInit(TIM2, &TIM2_ICInitStructure);TIM_Cmd(TIM2,ENABLE );                                            //使能定时器2
}

main函数

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "tpad.h"int main(void)
{ u8 t=0; NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组2delay_init(168);                               //初始化延时函数uart_init(115200);                             //初始化串口波特率为115200LED_Init();                               TPAD_Init(8);                                //初始化触摸按键,以168/8=21Mhz频率计数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绿灯取反}t++;if(t==15)      {t=0;LED0=!LED0;                            //LED0红灯取反,提示程序正在运行}delay_ms(10);}
}

连按与非连按

我们定义有效数据定义为采集时间大于某一个设定值如：扫描值 > tpad_default_val+门槛值
我们把采集到的有效数据视为高电平，无效的视为低电平。

非连按：初始化后到采集第一次数据成功经历了电平从低到高，想要不连续，下一次的有效数据采集一定是低电平，才能进行下一次有效数据的采集，这样就实现了非连按。

连按：不必经过从低电平到高电平阶段，在一定时间内，手为松开电容触摸按键，则自动视为采集下一次有效数据开始。

注意

关于门槛值的定义，一定要先采集自己板子上的实际值再开始数据判断，每个开发板的实际值有差异，否则可能导致一直不成功反复修改代码。