30. 电容触摸按键
一、电容触摸按键简介
与机械按键不同，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，图中的 A、B 分别表示有无人体按下时电容的充放电曲线。其中 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（实际使用时，由 STM32F407 的 IO 代替），\(V_{th}\) 是 STM32 认为高电平的最低电压值（1.8V）。
先用开关将 \(C_{s}\)（或 \(C_{s} + C_{x}\)）上的电放尽，然后断开开关，让 R 给 \(C_{s}\)（或 \(C_{s}+C_{x}\)）充电，当没有手指触摸的时候，\(C_{s}\) 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 \(C_{x}\)，此时 \(C_{s} + C_{x}\) 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，\(V_{c}\) 达到 \(V_{th}\) 的时间分别为 \(T_{cs}\) 和 \(T_{cs} + T_{cx}\)。
其中，除了 \(C_{s}\) 和 \(C_{x}\) 我们需要计算，其他都是已知的，根据电容充放电公式：
其中 \(V_{c}\) 为电容电压，\(V_{0}\) 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 \(C_{s}\) 和 \(C_{x}\)。
当充电时间在 \(T_{cs}\) 附近，就可以认为没有触摸，而当充电时间大于 \(T_{cs} + T_{x}\) 时，就认为有触摸按下（\(T_{x}\) 为检测阀值）。
二、电容触摸按键检测过程
- TPAD 引脚设置为推挽输出，输出低电平，实现电容放电到地。
- TPAD 引脚设置为浮空输入，电容开始充电。
- 同时开启 TPAD 引脚的输入捕获功能，开始捕获高电平。
- 等待充电过程中，上升沿触发（充电到 \(V_{th}\)）。
- 计算充电时间（定时器捕获/比较寄存器获取）
没有按下的时候，充电时间为 \(T_{1}\)。按下 TPAD，电容变大，所以充电时间为 \(T_{2}\)。我们可以通过检测充电时间来判断是否按下。如果 \(T_{2} - T{1}\) 大于某个值，就可以判断触摸按键按下。
三、原理图
通过原理图，我们可得使用 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_value，作为判断的依据。在后续的捕获检测，我们就通过与 tpad_default_value 的对比，来判断是不是有触摸发生。
四、程序源码
4.1、定时器初始化
定时器初始化函数：
TIM_HandleTypeDef g_tim2_handle;
/**
* @brief 定时器输入捕获初始化函数
*
* @param htim 定时器句柄
* @param TIMx 定时器寄存器基地址，可选值: TIMx, x可选范围: 1 ~ 5, 8 ~ 14
* @param prescaler 预分频系数，可选值: 0 ~ 65535
* @param period 自动重装载值，可选值: 0 ~ 65535
* @param channel 输入捕获的通道，可选值: TIM_CHANNEL_x, x可选范围: 1 ~ 4
* @param polarity 捕获极性，可选值: [TIM_ICPOLARITY_RISING, TIM_ICPOLARITY_FALLING, TIM_ICPOLARITY_BOTHEDGE]
*/
void TIM_IC_Init(TIM_HandleTypeDef *htim, TIM_TypeDef *TIMx, uint16_t prescaler, uint16_t period, uint32_t channel, uint32_t polarity)
{
TIM_IC_InitTypeDef TIM_IC_InitStruct = {0};
htim->Instance = TIMx; // 定时器寄存器基地址
htim->Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 计数模式
htim->Init.Prescaler = prescaler; // 预分频系数
htim->Init.Period = period; // 自动重装载值
HAL_TIM_IC_Init(htim);
TIM_IC_InitStruct.ICPolarity = polarity; // 捕获极性
TIM_IC_InitStruct.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI; // 直接映射
TIM_IC_InitStruct.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; // 1分频
TIM_IC_InitStruct.ICFilter = 0; // 不滤波
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(htim, &TIM_IC_InitStruct, channel);
}
定时器输入捕获底层初始化函数
/**
* @brief 定时器输入捕获底层初始化函数
*
* @param htim 定时器句柄
*/
void HAL_TIM_IC_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
if (htim->Instance == TIM2)
{
__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE(); // 使能TIM2的时钟
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // 使能TIM2的Channel 1对应的GPIO时钟
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5; // TIM2的Channel 1对应的GPIO引脚
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 复用功能
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; // 使用下拉
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF1_TIM2; // 复用功能选择
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}
}
4.2、按键初始化
电容触摸按键初始化函数：
uint16_t g_tpad_default_value = 0;
/**
* @brief 电容触摸按键初始化函数
*
*/
void TPAD_Init(void)
{
int buff[10] = {0};
uint8_t temp = 0;
// 循环取10次值
for (uint8_t i = 0; i < 10; i++)
{
buff[i] = TPAD_GetValue();
HAL_Delay(10);
}
// 冒泡排序
BubbleSort(buff, sizeof(buff)/sizeof(buff[0]));
// 对中间6个值取平均
for (uint8_t i = 2; i < 8; i++)
{
temp += buff[i];
}
g_tpad_default_value = temp / 6;
}
我们通过控制变量法去检测 TPAD 电容触摸按键按下和没有按下的情况。每次先给 TPAD 放电（STM32 输出低电平）相同时间，然后释放，检测 VCC 每次给 TPAD 的充电时间，由此可以得到一个充电时间。
/**
* @brief 电容触摸按键复位函数
*
*/
static void TPAD_Reset(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
// 推挽输出，电容放电
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
HAL_Delay(5);
g_tpad_tim_handle_ptr->Instance->SR = 0; // 清除标记
g_tpad_tim_handle_ptr->Instance->CNT = 0; // 清空计数器
// 复用功能
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF1_TIM2;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}
#define TPAD_MAX_VALUE 0xFFFF
/**
* @brief 获取定时器捕获值函数
*
* @return uint16_t 定时器的捕获值
*/
static uint16_t TPAD_GetValue(void)
{
TPAD_Reset();
while (__HAL_TIM_GET_FLAG(g_tpad_tim_handle_ptr, TIM_FLAG_CC1) == RESET) // 检测通道捕获到上升沿
{
// 超时了直接返回计数器寄存器的值
if (g_tpad_tim_handle_ptr->Instance->CNT > TPAD_MAX_VALUE - 500)
{
return g_tpad_tim_handle_ptr->Instance->CNT;
}
}
// 返回捕获/比较寄存器的值
return g_tpad_tim_handle_ptr->Instance->CCR1;
}
TPAD_Reset() 函数，该函数顾名思义就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 C 充电，同时开启 TIM2_CH1 的的输入捕获。
而实现充电时间的获取主要是通过调用 TPAD_GetValue() 函数。函数 TPAD_GetValue() 得到定时器的一次捕获值，函数内部先调用 TPAD_Reset()，复位 TPAD 电容触摸按键，让其处于被充电状态，后面捕获到上升沿就把捕获到的值（或溢出值）作为返回值返回。
得到充电时间后，接下来我们要做的就是获取没有按下 TPAD 时的充电时间，并把它作为基准来确认后续有无按下操作，我们定义全局变量 g_tpad_default_value 来保存这个值，通过多次平均的滤波算法来减小误差。
/**
* @brief 冒泡排序函数
*
* @param data 待排序的数组
* @param length 待排序数组的长度
*/
void BubbleSort(int data[], int length)
{
for (int i = 0; i < length; i++)
{
for (int j = 0; j < length - 1 - i; j++)
{
if (data[j] > data[j + 1])
{
int temp = data[j + 1];
data[j + 1] = data[j];
data[j] = temp;
}
}
}
}
#define TPAD_GATE_VALUE 10 // 修改此值，控制电容触摸按键灵敏度
/**
* @brief 电容触摸按键扫描函数
*
* @param mode 0：不支持连续按；1：支持连续按
* @return uint8_t 0：未按下；1：按下
*/
uint8_t TPAD_Scan(uint8_t mode)
{
static uint8_t keyen = 0;
uint8_t result = 0;
uint8_t sample = 3; // 默认采样次数为3
uint8_t value = 0;
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，每次调用该函数都可以检测
}
value = TPAD_GetMaxValue(sample);
if (value > (g_tpad_default_value + TPAD_GATE_VALUE)) // 有效按下
{
result = (keyen == 0) ? 1 : result; // keyen==0时表示有按键按下
keyen = 3;
}
keyen ? --keyen : keyen;
return result;
}
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。
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 g_tpad_default_value 作比较，如果他们的差值大于 TPAD_GATE_VALUE 阈值（自定义的阈值）说明有触摸，如果小于则说明无触摸。上述取最大值的操作会依靠 TPAD_GetMaxVluae() 函数，通过 n 次调用 TPAD_GetValue() 采集捕获值，然后进行比较后获取 n 次采样值中的最大值。
/**
* @brief 获取最大值函数
*
* @param n 数据个数
* @return uint16_t 最大的值
*/
static uint16_t TPAD_GetMaxValue(uint8_t n)
{
uint16_t temp = 0;
uint16_t maxValue = 0;
while (n--)
{
temp = TPAD_GetValue();
maxValue = (temp > maxValue) ? temp : maxValue;
}
return maxValue;
}
4.3、main()函数
main() 函数内容如下：
int main(void)
{
HAL_Init();
System_Clock_Init(8, 336, 2, 7);
Delay_Init(168);
TIM_IC_Init(&g_tim2_handle, TIM2, 83, 0xFFFF, TIM_CHANNEL_1, TIM_ICPOLARITY_RISING);
HAL_TIM_IC_Start(&g_tim2_handle, TIM_CHANNEL_1); // 使能通道输入以及使能捕获中断
g_tpad_tim_handle_ptr = &g_tim2_handle;
LED_Init();
TPAD_Init();
while (1)
{
if (TPAD_Scan(0))
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOF, GPIO_PIN_9);
}
HAL_Delay(10);
}
return 0;
}
