「正点原子NANO STM32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 NANO STM32F411 V1开发板
2）摘自《正点原子STM32F4 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 tiM3 的通道 4（PB1）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 DS5 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 NANO STM32 开发板上的触摸按键（TPAD），来实现对 DS5 的亮灭控制。这里 TPAD 其实就是 NANO STM32 开发板上的一小块覆铜区域，实现原理如图 16.1.1 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 STM32 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，我们还可以把战舰开
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 PB1(TIM3_CH4)来检测 TPAD 是否有触摸，在每次检测之前，我们先配置
PB1 为推挽输出，将电容 Cs（或 Cs+Cx）放电，然后配置 PB1 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 TIM3_CH4 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 DS5
2） 定时器 TIM3
3） 触摸按键 TPAD
前面两个之前均有介绍，我们需要通过 TIM3_CH4（PB1）采集 TPAD 的信号，所以本实
验需要用跳线帽短接多功能端口（P3）的 TPAD 和 ADC，以实现 TPAD 连接到 PB1。如图 16.2.1
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。
16.3 软件设计
软件设置我们在之前得工程上面增加，由于本章我们用不到 timer.c，所以先删除 timer.c。
然后再 HARDWARE 文件夹下新建 TPAD 得文件夹。然后打开 USER 文件夹下的工程，新建一
个 tpad.c 的文件和 tpad.h 得头文件，保存再 TPAD 文件夹下，并将 TPAD 文件夹加入头文件包
含路径。
我们在 tpad.c 里输入了如下代码：
TIM_HandleTypeDef TIM3_Handler;
//定时器 3 句柄
#define TPAD_ARR_MAX_VAL 0XFFFF//最大的 ARR 值(TIM3 是 16 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;
TIM3_CH4_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_1;
//PB1
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(GPIOB,&GPIO_Initure);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_1,GPIO_PIN_RESET); //PB1 输出 0，放电
delay_ms(5);
__HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&TIM3_Handler,TIM_FLAG_CC4|TIM_FLAG_UPDATE);
//清除标志位
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&TIM3_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_AF2_TIM3;
//PB1 复用为 TIM3 通道 4
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&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(&TIM3_Handler,TIM_FLAG_CC4)==RESET)
//等待捕获上升沿
{
if(__HAL_TIM_GET_COUNTER(&TIM3_Handler)>TPAD_ARR_MAX_VAL-500)
return __HAL_TIM_GET_COUNTER(&TIM3_Handler);
//超时了，直接返回 CNT 的值
};
return HAL_TIM_ReadCapturedValue(&TIM3_Handler,TIM_CHANNEL_4);
}
//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;
#define TPAD_GATE_VAL 30 //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))//大于
tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,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 3 通道 4 输入捕获配置
//arr：自动重装值(TIM3 是 16 位的!!)
//psc：时钟预分频数
void TIM3_CH4_Cap_Init(u32 arr,u16 psc)
{
TIM_IC_InitTypeDef TIM3_CH4Config;
TIM3_Handler.Instance=TIM3;
//通用定时器 3
TIM3_Handler.Init.Prescaler=psc;
//分频
TIM3_Handler.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP;
//向上计数器
TIM3_Handler.Init.Period=arr;
//自动装载值
TIM3_Handler.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; //分频因子
HAL_TIM_IC_Init(&TIM3_Handler);
TIM3_CH4Config.ICPolarity=TIM_ICPOLARITY_RISING;
//上升沿捕获
TIM3_CH4Config.ICSelection=TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;//映射到 TI1 上
TIM3_CH4Config.ICPrescaler=TIM_ICPSC_DIV1;
//配置输入分频，不分频
TIM3_CH4Config.ICFilter=0;
//配置输入滤波器，不滤波
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&TIM3_Handler,&TIM3_CH4Config,
TIM_CHANNEL_4);//配置 TIM3 通道 4
HAL_TIM_IC_Start(&TIM3_Handler,TIM_CHANNEL_4); //开始捕获 TIM3 的通道 4
}
//定时器 3 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 3 句柄
void HAL_TIM_IC_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();
//使能 TIM3 时钟
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
//开启 GPIOB 时钟
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_1;
//PB1
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_INPUT; //推挽复用输入
GPIO_Initure.Pull=GPIO_NOPULL;
//不带上下拉
GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH;
//高速
GPIO_Initure.Alternate=GPIO_AF2_TIM3;
//PB1 复用为 TIM3 通道 4
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);
}
函数 TIM3_CH4_Cap_Init 函数，该函数和上一章的输入捕获函数基本一样，不同的是上一
章实验最后调用得是函数 HAL_TIM_IC_Start_IT，使能驶入捕获通道的同时开启了输入捕获中
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。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，同时通过程序__HAL_TIM_SET_COUNTER(&TIM3_Handler,0)将计数值 TIM3_CNT 寄存器
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
传递定时器分频系数，其实是为了配置 TIM3_CH4_Cap_Init 为 1us 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。
最后，我们来看看 TPAD_Scan 函数，该函数用于扫描 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，类似第八章的 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，
取这他们的最大值，和 tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL 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，
而 TPAD_GATE_VAL 则是我们设定的一个门限值（这个大家可以通过实验数据得出，根据实际
情况选择适合的值就好了），这里我们设置为 30。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 PB1 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 PB1 位复用功能浮空输入，利用外部上拉电
阻给电容 Cs(Cs+Cx)充电，同时开启 TIM3_CH4 的输入捕获。
函数 TPAD_Get_MaxVal 就非常简单了，它通过 n 此调用函数 TPAD_GetVal 采集捕获值，
然后进行比较后获取 n 次采集中的最大值。
接下来，我们看看主程序里面的 main 函数如下：
int main(void)
{
u8 t=0;
HAL_Init();
//初始化 HAL 库
Stm32_Clock_Init(96,4,2,4);
//设置时钟,96Mhz
delay_init(96);
//初始化延时函数
uart_init(115200);
//初始化串口
LED_Init();
//初始化 LED
TPAD_Init(6);
//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)
{
LED5=!LED5;
//LED5 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(6)函数执行之后，就开始触摸按键的扫描，当有触摸的
时候，对 DS5 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。
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 NANO STM32F4 V1 上，可以看到
DS0 慢速闪烁，此时，我们用手指触摸开发板上的 TPAD（右下角的白色头像），就可以控制
DS5 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
15 左右。