「ALIENTEK 阿波罗 STM32F767 开发板资料连载」第十五章 电容触摸按键实验

1）实验平台：alientek 阿波罗 STM32F767 开发板
2）摘自《STM32F7 开发指南(HAL 库版)》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子




第十五章 电容触摸按键实验
上一章，我们介绍了 STM32F7 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 tiM2 的通道 1（PA5）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：
15.1 电容触摸按键简介
15.2 硬件设计
15.3 软件设计
15.4 下载验证
15.1 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。
我们将利用阿波罗 STM32 开发板上的触摸按键（TPAD），来实现对 DS1 的亮灭控制。这
里 TPAD 其实就是阿波罗 STM32 开发板上的一小块覆铜区域，实现原理如图 15.1.1 所示：

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 STM32F7 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，我们还可以把阿波罗
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 PA5(TIM2_CH1)来检测 TPAD 是否有触摸，在每次检测之前，我们先配置
PA5 为推挽输出，将电容 Cs（或 Cs+Cx）放电，然后配置 PA5 为复用功能浮空输入，利用外部
上拉电阻给电容 Cs(Cs+Cx)充电，同时开启 TIM2_CH1 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。
15.2 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 TIM2
3） 触摸按键 TPAD
前面两个之前均有介绍，我们需要通过 TIM2_CH1（PA5）采集 TPAD 的信号，所以本实
验需要用跳线帽短接多功能端口（P11）的 TPAD 和 ADC，以实现 TPAD 连接到 PA5。如图 15.2.1
所示：

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。
15.3 软件设计
打开实验工程可以看到，我们在上一章实验的基础上删掉了 timer.c 文件，同时新建了 tpad.c
和 tpad.h 文件。因为 tpad 我们也是使用的定时器输入捕获来实现，所以我们相比上个实验并没
有增加任何库函数相关的文件。
接下来我们看看 tpad.c 文件代码：
TIM_HandleTypeDef TIM2_Handler; //定时器 2 句柄
#define TPAD_ARR_MAX_VAL 0XFFFFFFFF
//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 : 获得空载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];
u16 temp;
u8 j,i;
TIM2_CH1_Cap_Init(TPAD_ARR_MAX_VAL,psc-1);//设置分频系数
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:%drn",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)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_5;
//PA5
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP; //推挽输出
GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLDOWN;
//下拉
GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH;
//高速
HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_Initure);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET); //PA5 输出 0，放电
delay_ms(5);
__HAL_TIM_CLEAR_IT(&TIM2_Handler,TIM_IT_CC1|TIM_IT_UPDATE);
//清除中断标志位
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&TIM2_Handler,0); //计数器值归 0
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_PP;
//推挽复用
GPIO_Initure.Pull=GPIO_NOPULL;
//不带上下拉
GPIO_Initure.Alternate=GPIO_AF1_TIM2;
//PA5 复用为 TIM2 通道 1
HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_Initure);
}
//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(__HAL_TIM_GET_FLAG(&TIM2_Handler,TIM_FLAG_CC1)==RESET)
//等待捕获上升沿
{
if(__HAL_TIM_GET_COUNTER(&TIM2_Handler)>TPAD_ARR_MAX_VAL-500)
return __HAL_TIM_GET_COUNTER(&TIM2_Handler);//超时直接返回 CNT 的值
};
return HAL_TIM_ReadCapturedValue(&TIM2_Handler,TIM_CHANNEL_1);
}
//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;
u8 lcntnum=n*2/3;//至少 2/3*n 的有效个触摸,才算有效
u8 okcnt=0;
while(n--)
{
temp=TPAD_Get_Val();//得到一次值
if(temp>(tpad_default_val*5/4))okcnt++;//至少大于默认值的 5/4 才算有效
if(temp>res)res=temp;
}
if(okcnt>=lcntnum)return res;//至少 2/3 的概率,要大于默认值的 5/4 才算有效
else 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
//返回值:0,没有按下;1,有按下;
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*4/3)&&rval<(10*tpad_default_val))
//大于 tpad_default_val+(1/3)*tpad_default_val,
//且小于 10 倍 tpad_default_val,则有效
{
if(keyen==0)res=1; //keyen==0,有效
printf("r:%drn",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 1 输入捕获配置
//arr：自动重装值(TIM2 是 32 位的!!) psc：时钟预分频数
void TIM2_CH1_Cap_Init(u32 arr,u16 psc)
{
TIM_IC_InitTypeDef TIM2_CH1Config;
TIM2_Handler.Instance=TIM2; //通用定时器 3
TIM2_Handler.Init.Prescaler=psc; //分频
TIM2_Handler.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP;//向上计数器
TIM2_Handler.Init.Period=arr;
//自动装载值
TIM2_Handler.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_IC_Init(&TIM2_Handler);
TIM2_CH1Config.ICPolarity=TIM_ICPOLARITY_RISING; //上升沿捕获
TIM2_CH1Config.ICSelection=TIM_ICSELECTION_DIRECTTI; //映射到 TI1 上
TIM2_CH1Config.ICPrescaler=TIM_ICPSC_DIV1;
//配置输入分频，不分频
TIM2_CH1Config.ICFilter=0;
//配置输入滤波器，不滤波
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&TIM2_Handler,&TIM2_CH1Config,
TIM_CHANNEL_1);//配置 TIM2 通道 1
HAL_TIM_IC_Start(&TIM2_Handler,TIM_CHANNEL_1); //开始捕获 TIM2 的通道 1
}
//定时器 2 底层驱动，时钟使能，引脚配置
//此函数会被 HAL_TIM_IC_Init()调用
//htim:定时器 2 句柄
void HAL_TIM_IC_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
//使能 TIM2 时钟
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
//开启 GPIOA 时钟
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_5;
//PA5
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_PP;
//推挽复用
GPIO_Initure.Pull=GPIO_NOPULL;
//不带上下拉
GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH;
//高速
GPIO_Initure.Alternate=GPIO_AF1_TIM2;
//PA5 复用为 TIM2 通道 1
HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_Initure);
}
函数TIM2_CH1_Cap_Init和上一章输入捕获实验中函数TIM5_CH1_Cap_Init的配置过程几
乎是一模一样的，不同的是上一章实验开 TIM5_CH1_Cap_Init 函数最后调用的是函数
HAL_TIM_IC_Start_IT，使能输入捕获通道的同事开启了输入捕获中断，而该函数最后调用的
函数是 HAL_TIM_IC_Start，只是开启了输入捕获通道，并没有开启输入捕获中断。
函数 HAL_TIM_IC_MspInit 是输入捕获通用 MSP 回调函数，该函数的作用是使能定时器
和 GPIO 时钟，配置 GPIO 复用映射关系。该函数功能和输入捕获实验中该函数作用基本类似。
函数 TPAD_Get_Val 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，同时设置通过程序__HAL_TIM_SET_COUNTER(&TIM2_Handler,0)将计数值 TIM2_CNT 设
置为 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。
函数 TPAD_Init 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
传递分频系数，其实是为了配置 TIM2_CH1_Cap_Init 的计数周期。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。
函数 TPAD_Scan 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，类似第七章的 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，取最大值和 tpad_default_val*4/3
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，然后取其 4/3 为门限值。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。
函数 TPAD_Reset 顾名思义，是进行一次复位操作。先设置 PA5 输出低电平，电容放电，
同时清除中断标志位并且计数器值清零，然后配置 PA5 为复用功能浮空输入，利用外部上拉电
阻给电容 Cs(Cs+Cx)充电，同时开启 TIM2_CH1 的输入捕获。
函数 TPAD_Get_MaxVal 就非常简单了，它通过 n 次调用函数 TPAD_Get_Val 采集捕获值，
然后进行比较后获取 n 次采集值中的最大值。
接下来我们看看主函数代码如下：
int main(void)
{
u8 t=0;
Cache_Enable(); //打开 L1-Cache
HAL_Init();
//初始化 HAL 库
Stm32_Clock_Init(432,25,2,9); //设置时钟,216Mhz
delay_init(216);
//延时初始化
uart_init(115200);
//串口初始化
LED_Init();
//初始化 LED
TPAD_Init(8); //初始化触摸按键,以 108/8=13.5Mhz 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_Toggle;
//LED1 取反
}
t++;
if(t==15)
{
t=0;
LED0_Toggle;
//LED1 翻转
}
delay_ms(10);
}
}
该 main 函数比较简单，TPAD_Init(8)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。
这里还要提醒一下大家，不要把 uart_init(115200);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。
15.4 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阿波罗 STM32 开发板上，可以看到
DS0 慢速闪烁，此时，我们用手指触摸 ALIENTEK 阿波罗 STM32 开发板上的 TPAD（右下角
的白色头像），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 15.4.1 所示：

图 15.4.1 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
160 左右