电容触摸按键的原理是什么

主要内容
1） 电容触摸按键原理；
2）部分实验代码解读。
实验内容
手触摸按键后，LED1灯翻转。
硬件原理图

上图，TPAD与STM_ADC用跳线帽相连，即TPAD与PA1引脚相连，而PA1引脚也可复用为TIM5_CH2（定时器5的通道2），因此可以用TIM5_CH2进行输入捕获来识别电容触摸。
1. 电容触摸按键原理
1.1 RC充放电电路原理

1.2 RC电路充放电公式
  Vt = V0+（V1-V0）* [1-e(-t/RC)] 上式中：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-e(-t/RC)] 结论：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。 1.3 电容充电时间与电容大小关系

2. 电容触摸按键
2.1 电容触摸按键原理

R:外接电容充放电电阻；
Cs:TPAD和PCB间的杂散电容；
Cx:手指按下时，手指和TPAD之间的电容；
开关：电容放电开关，由STM32 IO口代替。
2.2 检测电容触摸按键过程
2.2.1 TPAD引脚设置为推挽输出，输出0，实现电容放电到0；
2.2.2 TPAD引脚设置为浮空输入（IO复位后的状态）,电容开始充电；
2.2.3 同时开启TPAD引脚的输入捕获开始捕获；
2.2.4 等待充电完成（充电到底Vx,检测到上升沿）；
2.2.5 计算充电时间。
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，就可以判断有按键按下。
3. 相关库函数
3.1 void TPAD_Reset(void)函数，
作用：复位TPAD
设置IO口为推挽输出输出0，电容放电。等待放电完成之后，设置为浮空输入，从而开始充电。同时把计数器的CNT设置为0。
3.2 TPAD_Get_Val()函数，
作用：获取一次捕获值（得到充电时间）
复位TPAD,等待捕获上升沿，捕获之后，得到定时器的值，计算充电时间。
3.3 TPAD_Get_MaxVal()函数，
多次调用TPAD_Get_Val函数获取充电时间，获取最大的值。
3.4 TPAD_Init()函数，
作用：初始化TPAD
在系统启动后，初始化输入捕获。先10次调用TPAD_Get_Val()函数获取10次充电时间，然后获取中间N(N=8或者6）次的平均值，作为在没有电容触摸按键按下的时候的充电时间缺省值tpad_default_val。
3.5 TPAD_Scan()函数，
作用：扫描TPAD
调用TPAD_Get_MaxVal函数获取多次充电中最大的充电时间，跟tpad_default_val比较，如果大于某个阈值tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL，则认为有触摸动作。
3.6 void TIM5_CH2_Cap_Init(u16 arr,u16 psc)函数，
作用：输入捕获通道初始化
可以使用任何一个定时器。M3使用定时器5，M4使用的定时器2。
4. 程序思路

5. 实验部分代码解读
5.1 tpad.h头文件

#ifndef __TPAD_H
#define __TPAD_H
#include "sys.h"  
//引用在别的文件中申明的变量tpad_default_cal//
extern vu16 tpad_default_val;
//*****函数一*****//
//申明void TPAD_Reset(void)函数，无返回值，无入口参数//               
void TPAD_Reset(void);
//*****函数二*****//
//申明u16 TPAD_Get_Val(void)函数，返回u16数据格式的值，无入口参数//
u16  TPAD_Get_Val(void);
//*****函数三*****//
//申明u16 TPAD_Get_MaxVal(u8 n))函数，返回u16数据格式的值，入口参数为8位的变量n//
u16 TPAD_Get_MaxVal(u8 n);
//*****函数四->初始化触摸按键*****//
//申明u8 TPAD_Init(u8 psc)函数，返回u8数据格式的值，入口参数为8位的变量psc//
u8   TPAD_Init(u8 psc);
//*****函数五*****//
//申明u8 TPAD_Scan(u8 mode)函数，返回u8数据格式的值，入口参数为8位的变量mode//
u8   TPAD_Scan(u8 mode);
//*****函数六*****//
//申明void TIM5_CH2_Cap_Init(u16 arr,u16 psc)函数，无返回值，入口参数为16位的两个变量arr和psc//
void TIM5_CH2_Cap_Init(u16 arr,u16 psc);   
#endif


5.2 tpad.c文件


#include "tpad.h"
#include "delay.h"      
#include "usart.h"
//定义TPAD_ARR_MAX_VAL为一常量，即0xFFFF//
#define TPAD_ARR_MAX_VAL  0XFFFF
//定义变量tpad_default_val=0，即空载时候(手没按下),计数器需要的时间//
vu16 tpad_default_val=0;
//*****函数一—>TPAD复位-void TPAD_Reset(void)*****//
void TPAD_Reset(void)
{
  GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;                  //定义GPIO初始化结构体//
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);  //使能PA端口时钟//
  //设置GPIOA.1为推挽输出//
  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;      //50MHz//
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);           
  GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1);                      //PA.1输出0,放电//
  //等待5ms//
  delay_ms(5);
  TIM_SetCounter(TIM5,0);                                //将TIM5_CNT计数器寄存器的值设0//
  TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC2|TIM_IT_Update); //清除定时器5的捕获2标志和更新标志//
  //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);                 //再次初始化GPIOA0后，开始充电//               
}
//*****函数二->获得TPAD捕获值-u16 TPAD_Get_Val(void)*****//
//返回值：如果超时,则直接返回定时器5的计数值；如果没超时，则返回定时器5的CCR2寄存器的值//
u16 TPAD_Get_Val(void)
{      
TPAD_Reset();
//针对TIM5_SR状态寄存器，输入模式下，当第[2]位值CC2IF为1时，即通道2捕获到上升沿，则运行下述括号内代码，否则跳过//
while(TIM_GetFlagStatus(TIM5, TIM_IT_CC2) == RESET)   
{
  //针对TIM5_CNT计数器寄存器，若TIM5_CNT的值大于TPAD_ARR_MAX_VAL-500，返回TIM5_CNT的值，表示超时了//
  if(TIM_GetCounter(TIM5)>TPAD_ARR_MAX_VAL-500)return TIM_GetCounter(TIM5);
};
//若没超时，返回TIM5_CCR2的值//
return TIM_GetCapture2(TIM5);   
}  
//*****函数三->读取n次，取最大值-u16 TPAD_Get_MaxVal(u8 n)*****//
//返回值：n次读数里面读到的最大读数值res//
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;
}  
//*****函数四->初始化触摸按键-u8 TPAD_Init(u8 psc)*****//
//作用：获得空载时触摸按键的取值//
//返回值:0,初始化成功;1,初始化失败//
u8 TPAD_Init(u8 psc)
{
u16 buf[10];                                 //一个16位，组数长度为10的变量组//
u16 temp;                                    //一个16位变量temp//
u8 j,i;                                      //两个8位变量j和i//
TIM5_CH2_Cap_Init(TPAD_ARR_MAX_VAL,psc-1);   //以1Mhz的频率计数
//10次for循环//
for(i=0;i<10;i++)
{     
  buf=TPAD_Get_Val();                      //将第i次循环获取的TPAD_Get_Val()返回值传至buf中//
  delay_ms(10);                               //10ms延迟//     
}
//*****将buf里的10个数值由小到大排列*****//
for(i=0;i<9;i++)
{
  for(j=i+1;j<10;j++)
  {
   if(buf>buf[j])
   {
    temp=buf;
    buf=buf[j];
    buf[j]=temp;
   }
  }
}
//*************************************//
//******buf[2:7]六个数据加起来平均******//
temp=0;
for(i=2;i<8;i++)
temp+=buf;
tpad_default_val=temp/6;              //赋值给tpad_default_val//
printf("tpad_default_val:%drn",tpad_default_val);
//若上述计算的均值大于TPAD_ARR_MAX_VAL的一半，则不正常//
if(tpad_default_val>TPAD_ARR_MAX_VAL/2)
  return 1;
return 0;                    
}
//*****函数五->扫描触摸按键-u8 TPAD_Scan(u8 mode)*****//
//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;                       //res=0说明按键无效，res=1说明按键有效//
u8 sample=3;                    //默认采样次数为3次  
u16 rval;                       //
if(mode)                        //mode:0,不支持连续触发//
{
  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);   //连续采样三次，取最大值//
if(rval>(tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL))    //如果rval大于tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,则有效触摸//
{        
  if(keyen==0)                   //0,可以开始检测;>0,还不能开始检测//
   res=1;                        //当keyen==0,res至1，触摸有效//
   printf("r:%drn",rval);                    
   keyen=3;                      //至少要再过3次之后才能按键有效//   
}   
if(keyen)keyen--;               //keyen不等于0时，keyen减1//                        
return res;                     //res=0说明按键无效，res=1说明按键有效//
}
//*****函数六->定时器2通道2输入捕获配置-void TIM5_CH2_Cap_Init(u16 arr,u16 psc)*****//
void TIM5_CH2_Cap_Init(u16 arr,u16 psc)
{
//定义GPIO,TIM时基和TIM输入捕获三个初始化结构//
GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
TIM_ICInitTypeDef  TIM5_ICInitStructure;
//使能TIM5时钟，使能GPIOA的端口时钟//
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5, ENABLE);  
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
//设置GPIOA.1为浮空输入，
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;     
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  
//初始化TIM5时基//  
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_tim
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;   //TIM向上计数模式
TIM_TimeBaseInit(TIM5, &TIM_TimeBaseStructure);
//初始化TIM5的捕获通道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);
//使能定时器5//
TIM_Cmd(TIM5,ENABLE );  
}


5.3 main.c文件
#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115200
  LED_Init();                                    //LED端口初始化
  TPAD_Init(6);                                  //初始化触摸按键
  while(1)
{  
   //TPAD_Scan(1)支持连续触发，TPAD_Scan(0)不支持连续触发//
   if(TPAD_Scan(1))          //如果成功捕获到了一次上升沿，if返回1
  {
   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);
}
}