第18章 电容按键原理

第十八章 电容按键原理

电容器(简称为电容)就是可以容纳电荷的器件，两个金属块中间隔一层绝缘体就可以构成一个最简单的电容。如图，有两个金属片，之间有一个绝缘介质，这样就构成了一个电容。这样一个电容在电路板上非常容易实现， 一般设计四周的铜片与电路板地信号连通，这样一种结构就是电容按键的模型。当电路板形状固定之后，该电容的容量也是相对稳定的。

电路板制作时都会在表面上覆盖一层绝缘层，用于防腐蚀和绝缘，所以实际电路板设计时情况如图。 电路板最上层是绝缘材料，下面一层是导电铜箔，我们根据电路走线情况设计决定铜箔的形状，再下面一层一般是FR-4板材。 金属感应片与地信号之间有绝缘材料隔着，整个可以等效为一个电容Cx。一般在设计时候，把金属感应片设计成方便手指触摸大小。

在电路板未上电时，可以认为电容Cx是没有电荷的，在上电时，在电阻作用下，电容Cx就会有一个充电过程，直到电容充满，即Vc电压值为3.3V， 这个充电过程的时间长短受到电阻R阻值和电容Cx容值的直接影响。但是在我们选择合适电阻R并焊接固定到电路板上后，这个充电时间就基本上不会变了， 因为此时电阻R已经是固定的，电容Cx在无外界明显干扰情况下基本上也是保持不变的。

现在，我们来看看当我们用手指触摸时会是怎样一个情况？如图，当我们用手指触摸时，金属感应片除了与地信号形成一个等效电容Cx外，还会与手指形成一个Cs等效电容。

此时整个电容按键可以容纳的电荷数量就比没有手指触摸时要多了，可以看成是Cx和Cs叠加的效果。 在相同的电阻R情况下，因为电容容值增大了，导致需要更长的充电时间。也就是这个充电时间变长使得我们区分有无手指触摸，也就是电容按键是否被按下。

现在最主要的任务就是测量充电时间。充电过程可以看出是一个信号从低电平变成高电平的过程，现在就是要求出这个变化过程的时间。 我们可以利用定时器输入捕获功能计算充电时间，即设置TIMx_CH为定时器输入捕获模式通道。这样先测量得到无触摸时的充电时间作为比较基准， 然后再定时循环测量充电时间与无触摸时的充电时间作比较，如果超过一定的阈值就认为是有手指触摸。

图为Vc跟随时间变化情况， 可以看出在无触摸情况下，电压变化较快；而在有触摸时，总的电容量增大了，电压变化缓慢一些。

为测量充电时间，我们需要设置定时器输入捕获功能为上升沿触发， 图中V_H就是被触发上升沿的电压值， 也是STM32认为是高电平的最低电压值，大约为1.8V。t1和t2可以通过定时器捕获/比较寄存器获取得到。

不过，在测量充电时间之前，我们必须想办法制作这个充电过程。之前的分析是在电路板上电时会有充电过程， 现在我们要求在程序运行中循环检测按键，所以必须可以控制充电过程的生成。我们可以控制TIMx_CH引脚作为普通的GPIO使用， 使其输出一小段时间的低电平，为电容Cx放电，即Vc为0V。当我们重新配置TIMx_CH为输入捕获时电容Cx在电阻R的作用下就可以产生充电过程。

更多内容参考：单片机电容式触摸按键原理 - FBshark - 博客园

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2024.9.11 第一次修订，后期不再维护

2024.1.24 补充内容