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第二十二章 电容触摸按键实验
上一章，我们介绍了 STM32H7R7 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 3（ PB0）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 DS1 的亮灭。从本章分为如 下几个部分： 22.1 电容触摸按键简介 22.2 硬件设计 22.3 程序设计 22.4 下载验证
22.1 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 STM32 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 STM32 开发板上的一小块覆铜区域，实现原理如图 22.1.1 所示： 图22.1.1 电容触摸按键原理 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 STM32H7R7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： V_c=V_0×(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 PB0(TIM3_CH3)来检测 TPAD 是否有触摸，在每次检测之前，我们先配置PB0 为推挽输出，将电容 Cs（或 Cs+Cx）放电，然后配置 PB0 为复用功能浮空输入，利用外部上拉电阻给电容 Cs(Cs+Cx)充电，同时开启 TIM3_CH3 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 g_tpad_default_val，作为判断的依据。在后续的捕获检测，我们就通过与 g_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。 22.2 硬件设计1. 例程功能1，利用开发板板载的电容触摸按键(右下角白色LOGO，即TPAD)，通过TIM3_CH3（PB0）对电容触摸按键的检测，实现对DS1的控制, 下载本代码后，我们通过按压开发板右下角的TPAD按钮，就可以控制DS1的亮灭了。 2，LED0闪烁 ，提示程序运行。 2. 硬件资源1）LED灯 LED0：LED0 – PD14 LED1：LED1 – PC0 2）TPAD电容触摸按键（右下角LOGO，即TPAD，连接在PB0） 3）定时器3（TIM3），TIM3的通道3（TIM3_CH3，连接在PB0上面） 3. 原理图我们需要通过TIM3_CH3（PB0）采集TPAD的信号，所以本实验需要用跳线帽短接多功能端口（P14）的TPAD和ADC，以实现TPAD连接到PB0，连接如图22.2.1所示： 图22.2.1 TPAD与STM32H7R7连接原理图 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。 22.3 程序设计 我们在基本定时器一节已经学习过定时器的输入捕获功能，这里我们可以类似地，用定时器3来实现对TPAD引脚上的电平状态的捕获功能。本实验用到的HAL库驱动请回顾基本定时器实验的介绍。下面直接从程序流程图开始介绍。 22.3.1 程序解析TPAD 可以看作《实验 9-3 通用定时器输入捕获实验》 的一个应用案例，相关的 HAL 库函数函数在定时器章节我们已经介绍过了，所以这里就不重复介绍了，大家回过头复习一下即可。 1. TPAD驱动代码这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码，TPAD的驱动主要包括两个文件：tpad.c和tpad.h。 首先看tpad.h头文件的几个宏定义： /* 电容触摸按键定义 */ #define TPAD_GPIO_PORT GPIOB #define TPAD_GPIO_PIN GPIO_PIN_0 #define TPAD_GPIO_AF GPIO_AF2_TIM3 #define TPAD_GPIO_CLK_ENABLE() do{__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();}while (0) #define TPAD_TIMX_CAP TIM3 #define TPAD_TIMX_CAP_CHY TIM_CHANNEL_3 #define TPAD_TIMX_CAP_CLK_ENABLE() do{__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();}while (0) #define TPAD_TIMX_ARR_MAX_VAL 0xFFFFFFFF #define TPAD_GATE_VAL 100 PB0是定时器3的PWM通道1，如果我们使用其他定时器和它们对应的捕获通道的其它IO，我们只需要修改上面的宏即可。 利用前面描述的触摸按键的原理上电时检测 TPAD 上的电容的充放电时间，并以此为基准，每次需要重新检测 TPAD 时，通过比较充放电的时长来检测当前是否有按下，所以我们需要用定时器的输入捕获来监测TPAD 上低电平的时间编写tpad_timx_cap_init()函数如下： /** * @param arr: 自动重装载值 * @param psc: 预分频系数 * @retval 无 */ static void tpad_timx_cap_init(uint32_t arr, uint16_t psc) { GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct = {0}; TIM_IC_InitTypeDef timx_ic_cap_struct = {0};
/* 使能相关时钟 */ TPAD_GPIO_CLK_ENABLE(); TPAD_TIMX_CAP_CLK_ENABLE();
/* 初始化输入捕获引脚 */ gpio_init_struct.Pin = TPAD_GPIO_PIN; gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; gpio_init_struct.Pull = GPIO_NOPULL; gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; gpio_init_struct.Alternate = TPAD_GPIO_AF; HAL_GPIO_Init(TPAD_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
/* 初始化定时器输入捕获 */ g_tpad_timx_cap_handle.Instance = TPAD_TIMX_CAP; g_tpad_timx_cap_handle.Init.Prescaler = psc; g_tpad_timx_cap_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; g_tpad_timx_cap_handle.Init.Period = arr; HAL_TIM_IC_Init(&g_tpad_timx_cap_handle);
/* 配置定时器输入捕获通道 */ timx_ic_cap_struct.ICPolarity = TIM_ICPOLARITY_RISING; timx_ic_cap_struct.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI; timx_ic_cap_struct.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; timx_ic_cap_struct.ICFilter = 0; HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&g_tpad_timx_cap_handle, &timx_ic_cap_struct, TPAD_TIMX_CAP_CHY);
/* 开启定时器输入捕获 */ HAL_TIM_IC_Start(&g_tpad_timx_cap_handle, TPAD_TIMX_CAP_CHY); } 这和我们《实验9-3 通用定时器输入捕获实验》的代码基本一样，原理就不重复解释了，接下我们通过控制变量法，每次先给TPAD放电（STM32 输出低电平）相同时间，然后释放， 监测 VCC 每次给TPAD 的充电时间，由此可以得到一个充电时间，操作的代码如下： /** * @brief 复位TPAD * @param 无 * @retval 无 */ static void tpad_reset(void) { GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct = {0};
/* 配置TPAD引脚为输出引脚 */ gpio_init_struct.Pin = TPAD_GPIO_PIN; gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLDOWN; gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; HAL_GPIO_Init(TPAD_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
/* 对电容触摸按键放电 */ HAL_GPIO_WritePin(TPAD_GPIO_PORT, TPAD_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); delay_ms(5);
__HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&g_tpad_timx_cap_handle, (TPAD_TIMX_CAP_CHY == TIM_CHANNEL_1) ? TIM_FLAG_CC1 :
(TPAD_TIMX_CAP_CHY == TIM_CHANNEL_2) ? TIM_FLAG_CC2 : ( TPAD_TIMX_CAP_CHY == TIM_CHANNEL_3) ? TIM_FLAG_CC3 :
(TPAD_TIMX_CAP_CHY == TIM_CHANNEL_4) ? TIM_FLAG_CC4 :
(TPAD_TIMX_CAP_CHY == TIM_CHANNEL_5) ? TIM_FLAG_CC5 : TIM_FLAG_CC6); __HAL_TIM_SET_COUNTER(&g_tpad_timx_cap_handle, 0);
/* 配置TPAD引脚为定时器输入捕获引脚 */ gpio_init_struct.Pin = TPAD_GPIO_PIN; gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; gpio_init_struct.Pull = GPIO_NOPULL; gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; gpio_init_struct.Alternate = TPAD_GPIO_AF; HAL_GPIO_Init(TPAD_GPIO_PORT, &gpio_init_struct); }
/** * @brief 获取定时器捕获值 * @param 无 * @retval 捕获值或计数值 * @arg 等待捕获未超时: 捕获值 * @arg 等待捕获超时: 计数值 */ static uint32_t tpad_get_val(void) { uint32_t flag; uint32_t count;
flag = (TPAD_TIMX_CAP_CHY == TIM_CHANNEL_1) ? TIM_FLAG_CC1 : (TPAD_TIMX_CAP_CHY == TIM_CHANNEL_2) ? TIM_FLAG_CC2 : (TPAD_TIMX_CAP_CHY == TIM_CHANNEL_3) ? TIM_FLAG_CC3 : (TPAD_TIMX_CAP_CHY == TIM_CHANNEL_4) ? TIM_FLAG_CC4 : (TPAD_TIMX_CAP_CHY == TIM_CHANNEL_5) ? TIM_FLAG_CC5 : TIM_FLAG_CC6;
/* 复位TPAD */ tpad_reset();
/* 等待捕获到上升沿 */ while (__HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&g_tpad_timx_cap_handle, flag) == RESET) { /* 等待超时，则直接返回计数值 */ count = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&g_tpad_timx_cap_handle); if (count > (TPAD_TIMX_ARR_MAX_VAL - 500)) { return count; } }
/* 返回捕获比较值 */ return __HAL_TIM_GET_COMPARE(&g_tpad_timx_cap_handle, TPAD_TIMX_CAP_CHY); }
/** * @brief 获取定时器连续指定次数捕获值的最大值 * @param times: 指定定时器连续捕获的次数 * @retval 定时器连续指定次数捕获值的最大值 */ static uint32_t tpad_get_maxval(uint8_t times) { uint32_t value; uint32_t value_max = 0;
while (times--) { value = tpad_get_val(); if (value > value_max) { value_max = value; } }
return value_max; } 得到充电时间后，接下来我们要做的就是获取没有按下 TPAD 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_val 来保存这个值，通过多次平均的滤波算法来减小误差，编写的初始化函数tpad_init代码如下。 /** * @brief 初始化电容触摸按键 * @param psc: 捕获定时器分频系数（范围1~65535，越小灵敏度越高） * @retval 初始化结果 * @arg 0: 初始化成功 * @arg 1: 初始化失败 */ uint8_t tpad_init(uint16_t psc) { uint32_t values[10]; uint32_t value; uint8_t i; uint8_t j;
/* 初始化定时器输入捕获 */ tpad_timx_cap_init(TPAD_TIMX_ARR_MAX_VAL, psc - 1);
/* 连续获取10次捕获值 */ for (i=0; i<10; i++) { values = tpad_get_val(); delay_ms(10); }
/* 升序排序 */ for (i=0; i<9; i++) { for (j=i+1; j<10; j++) { if (values > values[j]) { values = values ^ values[j]; values[j] = values ^ values[j]; values = values ^ values[j]; } } }
/* 对中间的6个数据进行均值滤波得到默认捕获值 */ for (i=2; i<8; i++) { value += values; } g_tpad_default_val = value / 6;
/* 检验默认捕获值的合法性 */ if (g_tpad_default_val > (TPAD_TIMX_ARR_MAX_VAL >> 1)) { return 1; }
return 0; } 得到初始值后，我们需编写一个按键扫描函数，以方便在需要监控TPAD的地方调用，代码如下： /** * @brief 扫描TPAD * @param mode: 扫描模式 * @arg 0: 不支持连续按 * @arg 1: 支持连续按 * @retval 扫描结果 * @arg 0: 没有按下 * @arg 1: 按下有效 */ uint8_t tpad_scan(uint8_t mode) { static uint8_t keyen = 0; uint8_t res = 0; uint8_t sample = 3; uint32_t value;
/* 需要支持连续按时，每次进行6次采样 */ if (mode != 0) { sample = 6; keyen = 0; }
/* 获取捕获值 */ value = tpad_get_maxval(sample);
/* 检验捕获值是否有效 */ if (value > (g_tpad_default_val + TPAD_GATE_VAL)) { /* 连续调用时才返回有效 */ if (keyen == 0) { res = 1; }
/* 重新调用次数计数 */ keyen = 3; }
/* 调用次数计数 */ if (keyen != 0) { keyen--; }
return res; } TPAD函数到此就编写完了，接下来我们通过main函数编写测试代码来验证一下TPAD的逻辑是否正确。 2. main.c代码在main.c里面编写如下代码： int main(void) { uint8_t t = 0; uint8_t ret;
sys_mpu_config(); /* 配置MPU */ sys_cache_enable(); /* 使能Cache */ HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */ sys_stm32_clock_init(300, 6, 2); /* 配置时钟，600MHz */ delay_init(600); /* 初始化延时 */ usart_init(115200); /* 初始化串口 */ led_init(); /* 初始化LED */ tpad_init(4); /* 初始化TPAD */
while (1) { ret = tpad_scan(0); /* 扫描TPAD */ if (ret != 0) { LED1_TOGGLE(); /* LED1状态翻转 */ }
if (++t == 20) { t = 0; LED0_TOGGLE(); }
delay_ms(10); } } 初始化了必要的外设后，我们通过循环来实现我们的代码操作。我们在扫描函数中定义了电容按触摸发生后的状态，通过判断返回值来判断是否符合按下的条件，如果按下我们就翻转一次LED1。LED0 通过累计延时次数的方法，既能保证扫描的频率，又能达到定时翻转的目的。 22.4 下载验证 下载代码后，可以看到 LED0 不停闪烁（每400ms 闪烁一次），用手指按下电容按键时，LED1 的状态发生改变（亮灭交替一次）。这里记得 TPAD 引脚和PB0都是连接到开发板上的排针上的，开始测试前需要连接好，否则测试就不准了，如果下载代码前没有连接好，请连接后复位重新测试即可。
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