电容触摸按键实验
1.基本介绍
- 按键种类：机械式按键和电容触摸式按键。
- 机械按键：可以通过检测按键连接的IO口的电平状态可以检测是否按下。
- 电容触摸按键：检测按下后电容的充放电时间可以检测是否按下。
2.电容触摸按键原理
- 电容：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。
- 优势：无机械装置，使用寿命长；非接触式感应，面板不用开孔，简洁美观；防水性好。
- 本实验重点：测量充电时间。充电过程可以看成是一个信号从低电平变为高电平的过程。所以就是求出这个变化过程的时间。
2.1冲电时电容两端电压变化曲线
- RC电路充放电公式：
V0为电容上的初始电压值
V1为电容最终可充到或放到的电压值
Vt为t时刻电容上的电压值
如果V0为0，即从0V开始充电，公式简化为：
- 结论：同样条件下，电容值C和时间值T成正比，电容越大，冲电到达某个临界值时间越长。
- A图是没有按下，B图是按下了。
- R:外接电容充放电电阻
- Cs:TPAD和PCB间的杂散电容
- Cx:手指按下时，手指和TPAD之间的电容开关：电容放电开关，由STM321O口代替
- Vth:STM32认为高电平的最低电压值(1.8V)
- 可以利用定时器输入捕获功能计算充电时间（注意：电容的初始状态要为0，一开始就要放电）。
- 先测量的到无触摸时充电时间TcS作为比较基准，然后定时循环测量充电时间T与TCS作比校，如果超过一定阈值就认为有手指触摸。
3.检测电容触摸按键过程
- 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(IO复位后的状态)，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Vth(上升沿的电压值）)
- 计算充电时间（定时器捕获/比较存器获取）
- 没有按下的时候，充电时间为T1，按下TPAD,电容变大，所以充电时间为T2。我们可以通过检测充电时间来判断是否按下，如果T2-T1大于某个值)就可以判断触摸按键按下。
4.代码
- tpad reset函数：复位TPAD(放电且开始充电，并清空定时器计数器CNT值)
- tpad_get_val函数：获取一次捕获值（复位TPAD,等待捕获上升沿得到充电时间）
- tpad_get_maxvalB函数：多次调用tpad_get_val函数获取充电时间，获取最大的值
- tpad init函数：初始化TPAD,调用tpad get val获取电容触摸按键没有按下的默认充电时间值
- tpad_scan函数：扫描TPAD,调用tpad_get_maxvala获取多次充电中最大充电时间进行判断
- tpad_timx_cap_init函数：输入捕获通道初始化
4.代码解析
- main.c
#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./BSP/LED/led.h"
#include "./BSP/TPAD/tpad.h"
int main(void)
{
uint8_t t = 0;
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 设置时钟, 72Mhz */
delay_init(72); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
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) */
{
LED1_TOGGLE(); /* LED1翻转 */
}
t++;
if (t == 15)
{
t = 0;
LED0_TOGGLE(); /* LED0翻转 */
}
delay_ms(10);
}
}
- tpad.c
#include "./BSP/TPAD/tpad.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.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
*/
volatile uint16_t g_tpad_default_val = 0; /* 空载的时候(没有手按下),计数器需要的时间 */
/*定时器输入边沿捕获*/
static TIM_HandleTypeDef g_timx_cap_chy_handle; /* 定时器x句柄 */
/**
* @brief 初始化触摸按键
* @param psc : 分频系数(值越小, 越灵敏, 最小值为: 1)
* @retval 0, 初始化成功; 1, 初始化失败;
*/
uint8_t tpad_init(uint16_t psc)
{
uint16_t buf[10];
uint16_t temp;
uint8_t j, i;
//定时器初始化函数
tpad_timx_cap_init(TPAD_ARR_MAX_VAL, psc - 1); /* 以72 / (psc - 1) Mhz的频率计数 */
for (i = 0; i < 10; i++) /* 连续读取10次 */
{
buf[i] = tpad_get_val(); //将捕获到的值存放到数组中
delay_ms(10);
}
for (i = 0; i < 9; i++) /* 排序 */
{
for (j = i + 1; j < 10; j++)
{
if (buf[i] > buf[j])/* 升序排列 */
{
temp = buf[i];
buf[i] = buf[j];
buf[j] = temp;
}
}
}
temp = 0;
for (i = 2; i < 8; i++) /* 取中间的6个数据进行平均 */
{
temp += buf[i];
}
g_tpad_default_val = temp / 6;
printf("初始化值：\r\n");
printf("g_tpad_default_val:%d\r\n", g_tpad_default_val);
if (g_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;
}
/**
* @brief 复位TPAD
* @note 我们将TPAD按键看做是一个电容, 当手指按下/不按下时容值有变化
* 该函数将GPIO设置成推挽输出, 然后输出0, 进行放电, 然后再设置
* GPIO为浮空输入, 等待外部大电阻慢慢充电
* @param 无
* @retval 无
*/
static void tpad_reset(void)
{
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
gpio_init_struct.Pin = TPAD_GPIO_PIN; /* 输入捕获的GPIO口 */
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; /* 复用推挽输出 */
gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP; /* 上拉 */
gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM; /* 中速 */
HAL_GPIO_Init(TPAD_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
HAL_GPIO_WritePin(TPAD_GPIO_PORT, TPAD_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); /* TPAD引脚输出0, 放电 */
delay_ms(5);
g_timx_cap_chy_handle.Instance->SR = 0; /* 清除标记 */
g_timx_cap_chy_handle.Instance->CNT = 0; /* 归零 */
gpio_init_struct.Pin = TPAD_GPIO_PIN; /* 输入捕获的GPIO口 */
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; /* 复用推挽输出 */
gpio_init_struct.Pull = GPIO_NOPULL; /* 浮空 */
gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM; /* 中速 */
HAL_GPIO_Init(TPAD_GPIO_PORT, &gpio_init_struct); /* TPAD引脚浮空输入 */
}
/**
* @brief 得到定时器捕获值
* @note 如果超时, 则直接返回定时器的计数值
* 我们定义超时时间为: TPAD_ARR_MAX_VAL - 500
* @param 无
* @retval 捕获值/计数值（超时的情况下返回）
*/
static uint16_t tpad_get_val(void)
{
//判断是来自哪个通道
uint32_t 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:TIM_FLAG_CC4;
tpad_reset();
while (__HAL_TIM_GET_FLAG(&g_timx_cap_chy_handle ,flag) == RESET) /* 等待通道CHY捕获上升沿 */
{
if (g_timx_cap_chy_handle.Instance->CNT > TPAD_ARR_MAX_VAL - 500)
{
return g_timx_cap_chy_handle.Instance->CNT; /* 超时了,直接返回CNT的值 */
}
}
return TPAD_TIMX_CAP_CHY_CCRX; /* 返回捕获/比较值 */
}
/**
* @brief 读取n次, 取最大值
* @param n ：连续获取的次数
* @retval n次读数里面读到的最大读数值
*/
static uint16_t tpad_get_maxval(uint8_t n)
{
uint16_t temp = 0;
uint16_t maxval = 0;
while (n--)
{
temp = tpad_get_val(); /* 得到一次值 */
if (temp > maxval)maxval = temp;
}
return maxval;
}
/**
* @brief 扫描触摸按键
* @param mode ：扫描模式
* @arg 0, 不支持连续触发(按下一次必须松开才能按下一次);
* @arg 1, 支持连续触发(可以一直按下)
* @retval 0, 没有按下; 1, 有按下;
*/
uint8_t tpad_scan(uint8_t mode)
{
static uint8_t keyen = 0; /* 0, 可以开始检测; >0, 还不能开始检测; */
uint8_t res = 0;
uint8_t sample = 3; /* 默认采样次数为3次 */
uint16_t 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, 每次调用该函数都可以检测 */
}
rval = tpad_get_maxval(sample);
if (rval > (g_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:%d\r\n", rval); /* 输出计数值, 调试的时候才用到 */
keyen = 3; /* 至少要再过3次之后才能按键有效 */
}
if (keyen)keyen--;
return res;
}
/**
* @brief 触摸按键输入捕获设置
* @param arr ：自动重装值
* @param psc ：时钟预分频数
* @retval 无
*/
static void tpad_timx_cap_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
TIM_IC_InitTypeDef timx_ic_cap_chy;
TPAD_GPIO_CLK_ENABLE(); /* TPAD引脚 时钟使能 */
TPAD_TIMX_CAP_CHY_CLK_ENABLE(); /* 定时器 时钟使能 */
gpio_init_struct.Pin = TPAD_GPIO_PIN; /* 输入捕获的GPIO口 */
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; /* 复用推挽输出 */
gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLDOWN; /* 下拉 */
gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM; /* 中速 */
HAL_GPIO_Init(TPAD_GPIO_PORT, &gpio_init_struct); /* TPAD引脚浮空输入 */
g_timx_cap_chy_handle.Instance = TPAD_TIMX_CAP; /* 定时器5 */
g_timx_cap_chy_handle.Init.Prescaler = psc; /* 定时器分频 */
g_timx_cap_chy_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; /* 向上计数模式 */
g_timx_cap_chy_handle.Init.Period = arr; /* 自动重装载值 */
g_timx_cap_chy_handle.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; /* 时钟分频因子 */
HAL_TIM_IC_Init(&g_timx_cap_chy_handle);
timx_ic_cap_chy.ICPolarity = TIM_ICPOLARITY_RISING; /* 上升沿捕获 */
timx_ic_cap_chy.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI; /* 映射到TI1上 */
timx_ic_cap_chy.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; /* 配置输入分频，不分频 */
timx_ic_cap_chy.ICFilter = 0; /* 配置输入滤波器，不滤波 */
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&g_timx_cap_chy_handle, &timx_ic_cap_chy, TPAD_TIMX_CAP_CHY); /* 配置TIM5通道2 */
HAL_TIM_IC_Start(&g_timx_cap_chy_handle,TPAD_TIMX_CAP_CHY); /* 使能输入捕获和定时器 */
}
- tpad.h
#ifndef __TPAD_H
#define __TPAD_H
#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
/******************************************************************************************/
/* TPAD 引脚 及 定时器 定义 */
/* 我们使用定时器的输入捕获功能, 对TPAD进行检测
* 这里的输入捕获使用定时器TIM5_CH2, 捕获TPAD按键的输入
* 因为我们的TPAD是连接在PA1引脚上的, PA1只能是TIM2_CH2 / TIM5_CH2
* 所以定时器也只能在这两个里面选, 如果你自己设计的板卡, 则根据原理
* 图进行相应的修改即可, 包括GPIO 及 对应的定时器和通道
*/
#define TPAD_GPIO_PORT GPIOA
#define TPAD_GPIO_PIN GPIO_PIN_1
#define TPAD_GPIO_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); }while(0) /* PA口时钟使能 */
#define TPAD_TIMX_CAP TIM5
#define TPAD_TIMX_CAP_CHY TIM_CHANNEL_2 /* 通道Y, 1<= Y <=4 */
#define TPAD_TIMX_CAP_CHY_CCRX TIM5->CCR2 /* 通道Y的捕获/比较寄存器 */
#define TPAD_TIMX_CAP_CHY_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_TIM5_CLK_ENABLE(); }while(0) /* TIM5 时钟使能 */
/******************************************************************************************/
/* 触摸的门限值, 也就是必须大于 g_tpad_default_val + TPAD_GATE_VAL
* 才认为是有效触摸, 改大 TPAD_GATE_VAL, 可以降低灵敏度, 反之, 则可以提高灵敏度
* 根据实际需求, 选择合适的 TPAD_GATE_VAL 即可
*/
#define TPAD_GATE_VAL 100 /* 触摸的门限值, 也就是必须大于 g_tpad_default_val + TPAD_GATE_VAL, 才认为是有效触摸 */
#define TPAD_ARR_MAX_VAL 0XFFFF /* 最大的ARR值, 一般设置为定时器的ARR最大值 */
extern volatile uint16_t g_tpad_default_val;/* 空载的时候(没有手按下),计数器需要的时间 */
/* 静态函数, 仅限 tapd.c调用 */
static void tpad_reset(void); /* 复位 */
static uint16_t tpad_get_val(void); /* 得到定时器捕获值 */
static uint16_t tpad_get_maxval(uint8_t n); /* 读取n次, 获取最大值 */
static void tpad_timx_cap_init(uint16_t arr, uint16_t psc); /* 定时器输入捕获初始化 */
/* 接口函数, 可以在其他.c调用 */
uint8_t tpad_init(uint16_t psc); /* TPAD 初始化 函数 */
uint8_t tpad_scan(uint8_t mode); /* TPAD 扫描 函数 */
#endif
5.总结
我觉得要想搞清楚这个实验，大家很有必要搞清楚之前的定时器那块的知识。
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