「ALIENTEK 探索者 STM32F407 开发板资料连载」第十六章 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


第十六章 电容触摸按键实验
上一章，我们介绍了 STM32F4 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：
16.1 电容触摸按键简介
16.2 硬件设计
16.3 软件设计
16.4 下载验证
16.1 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。
我们将利用探索者 STM32F4 开发板上的触摸按键（TPAD），来实现对 DS1 的亮灭控制。
这里 TPAD 其实就是探索者 STM32F4 开发板上的一小块覆铜区域，实现原理如图 16.1.1 所示：


图 16.1.1 电容触摸按键原理
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 STM32F4 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，我们还可以把探索者
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。
16.2 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（P12）的 TPAD 和 ADC，以实现 TPAD 连接到 PA5。如图 16.2.1
所示：


图 16.2.1 TPAD 与 STM32F4 连接原理图
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。
16.3 软件设计
软件设计方面，相比上一实验，我们删掉了timer.c和timer.h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：
#include "tpad.h"

#include "delay.h"

#include "usart.h"

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>(vu16)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_FLAG(&TIM2_Handler,TIM_FLAG_CC1|

TIM_FLAG_UPDATE);

//清除标志位

__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);

//超时了，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(可以一直按下)

//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。
tpad.h 头文件部分代码比较简单，这里不做介绍。
接下来我们看看主函数代码如下：
int main(void)

{

u8 t=0;

HAL_Init(); //初始化 HAL 库

Stm32_Clock_Init(336,8,2,7); //设置时钟,168Mhz

delay_init(168); //初始化延时函数

uart_init(115200); //初始化 USART

LED_Init();

//初始化 LED

TPAD_Init(8); //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);

}

}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。注意在修改 main 函数
之后，还需要在 main.c 里面添加 tpad.h 头文件，否则会报错哦。
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。
16.4 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探索者 STM32F4 开发板上，可以看
到 DS0 慢速闪烁，此时，我们用手指触摸 ALIENTEK 探索者 STM32F4 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 16.4.1 所示：


图 16.4.1 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
250 左右。