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什么是电容触摸按键?

什么是电容触摸按键?

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王芳

2022-2-14 10:55:57
01. 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。接下来给大家介绍一种简单的触摸按键:电容式触摸按键
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,实现原理如图所示:

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。
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)。
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。
02. 硬件设计

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
需要通过 TIM2_CH1(PA5)采集 TPAD 的信号,所以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。如图所示:

03. 功能描述

实现一个简单的电容触摸按键,通过该按键控制 DS1 的亮灭。

04. 程序示例
tpad.h


#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


#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_InitStructure;
       
        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;  //PA5
        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//普通输出
        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;        //速度100MHz
        GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽
        GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN; //下拉
        GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //初始化PA5
         
        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0
       


        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //PA5
        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//复用输出
        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//速度100MHz
        GPIO_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); //初始化PA5
       
}
//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(TIM_GetFlagStatus(TIM2, TIM_IT_CC1) == RESET)//等待捕获上升沿
        {
                if(TIM_GetCounter(TIM2)>TPAD_ARR_MAX_VAL-500)return TIM_GetCounter(TIM2);//超时了,直接返回CNT的值
        };       
        return TIM_GetCapture1(TIM2);         
}           
//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)&&rval<(10*tpad_default_val))//大于tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,且小于10倍tpad_default_val,则有效
        {                                                         
                if((keyen==0)&&(rval>(tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL)))        //大于tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,有效
                {
                        res=1;
                }          
                //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2输入捕获配置         
//arr:自动重装值
//psc:时钟预分频数
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); //GPIOA5复用位定时器2


          
        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //GPIOA5
        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//复用功能
        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;        //速度100MHz
        GPIO_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PA5


       
  //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_tim
        TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
        TIM_TimeBaseInit(TIM2, &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1
  TIM2_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1; //CC1S=01         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);//初始化TIM2 IC1
                                                                                                                         
        TIM_Cmd(TIM2,ENABLE );         //使能定时器2
}


main.c


#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2
        delay_init(168);     //初始化延时函数
        uart_init(115200);         //初始化串口波特率为115200
        LED_Init();                                         //初始化LED
       
        TPAD_Init(8);                                //初始化触摸按键,以84/4=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取反
                }
                t++;
                if(t==15)                 
                {
                        t=0;
                        LED0=!LED0;                //LED0取反,提示程序正在运行
                }
                delay_ms(10);
        }
}
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