“电容触摸按键实验”实例解析

电容触摸按键实验

电容触摸按键的基本原理(原理图层面)

新电容的产生与作用

我们学过模电的同学知道：我们的手其实相当于一块可以存储感应电荷的金属板，当我们的手靠近屏幕时，我们的手与屏幕下的金属板Cx构成了一个平行电容板，这个电容与Cs杂散电容相并联，“并联电容C=C1+C2”。

充放电性能的变化

我们看见“VCC是一定的；电容C越大代表一定电压下，存储的电荷数量越多(Q=CU)，反之，充电到U所花费的时间也更多；电阻R的值一定代表着对电荷的阻碍作用是固定的”。

充电到V=Vth，花费时间TA明显小于TB；我们真实情况下的矩形脉冲如下图所示：

脉冲如何被捕获

当电容从0充电到Vth时，就相当于一个上升沿脉冲。其实这个充放电过程很快，我们一般用的RC充放电电路是为了观察现象因此将时间常数做的很大，但是现实的话我们要快速识别必须将时间常数缩小到一定范围内才OK。

原理图层面的连接

STM_ADC其实只是这个引脚功能的其中一个，我们这里并不是用的引脚的ADC功能，以下为该引脚的复用：

我们这里使用的是PA1的TIM5_CH2功能，用于快速捕获TPAD的有效脉冲沿变化。

硬件配置的大致流程

注：没有按下的时候，充电时间为T1（default)。按下TPAD，电容变大，所以充电时间为T2。我们可以通过检测充放电时间，来判断是否按下。如果T2-T1大于某个值，就可以判断有按键按下。

电容触摸按键的基本原理(软件配置层面)

函数说明

TPAD_InitConfig()函数

void TPAD_InitConfig() // 读取默认电容充电时间  

{  

    u16 RecordChargeTime[10] = {0};  

    u8 i = 0, temp = 0;  

    uart_init(115200); // 初始化USART1  

    TIM_CAP_InitConfig(0xFFFF, 72-1); // 初始化TIM5_CH2的输入配置  

    for(; i<10; i++)  

    {  

        RecordChargeTime[i] = TPAD_GetValue(); // 连续计算10次默认充电时间  

    }  

for(i=0; i<9; i++)

{

if(RecordChargeTime[i] < RecordChargeTime[i+1]) // 冒泡排序(大->小)

{

temp = RecordChargeTime[i];

RecordChargeTime[i] = RecordChargeTime[i+1];

RecordChargeTime[i+1] = temp;

}

} 

    for(i=1, temp=0; i<9; i++)  

    {  

        temp += RecordChargeTime[i]; // 去掉MAX与MIN求平均充电时间  

    }  

    TPAD_DefaultValue = temp/8; // 求出TPAD无动作时的默认充电时间  

    printf("Default:%dusrn",TPAD_DefaultValue); // 向串口打印未触摸时的电容充电时长  

}  

TPAD_Reset()函数

这里值得注意的是：PA1端口输入输出模式的变化以及TIM_ClearFlag()函数的使用。

PA1端口输入输出模式的变化：

我们会疑问“PA1端口为何要变化输入输出模式？”，在我们上述流程中提及过，我们要对电容充电所造成的上升沿重新计数就必须先将TPAD(PA1)端口置0进行充分的放电。那我们如何放电呢？

在图中，PA1与TPAD通过跳线帽连接在一起，然后为了读取TPAD中产生的上升沿，我们必须将PA1设置为TIM5_CH2的功能，此时PA1为浮空输入模式，但是我们读取完有效的脉冲沿之后，若继续读取必须先进行放电才可以。此时，我们配置PA1为推挽输出模式，放完电后再变成浮空输入模式。

TIM_ClearFlag()库函数的含义：

我们使用库函数的同学会有些疑问：TIM_ClearFlag()函数与 TIM_ClearITPendingBit()函数的区别在哪里？这里我来解说一下。

TIM_ClearFlag()函数是用于“清除标志位的”，比如：当检测到上升沿脉冲(有效的脉冲沿)，相应的TIM_IT_CC2标志会出现，其实这些标志位和TIM_ClearITPendingBit ()函数中的中断标志位是一摸一样的，只不过由于未开启中断，事件一旦发生仅仅会使得标志位置1，不会触发中断。 其实如下的程序中我们就是想清除标志位，因此也可以使用TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC2)，这两个函数的功能就是去除相应的标志位，功能相同可以相互转换使用。

TIM_ClearFlag()与TIM_ClearITPendingBit()的函数体对比

TIM_ClearFlag()函数体

void TIM_ClearITPendingBit(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT)  

{  

  /* Check the parameters */  

  assert_param(IS_TIM_ALL_PERIPH(TIMx));  

  assert_param(IS_TIM_IT(TIM_IT));  

  /* Clear the IT pending Bit */  

  TIMx->SR = (uint16_t)~TIM_IT;  // 操作SR寄存器

}  

TIM_ClearITPendingBit()的函数体

void TIM_ClearFlag(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_FLAG)  

{    

  /* Check the parameters */  

  assert_param(IS_TIM_ALL_PERIPH(TIMx));  

  assert_param(IS_TIM_CLEAR_FLAG(TIM_FLAG));  

  /* Clear the flags */  

  TIMx->SR = (uint16_t)~TIM_FLAG;  // 操作SR寄存器

}  

我们从TIM_ClearFlag()与TIM_ClearITPendingBit()的函数体对比发现，完全一摸一样，可以互换使用。

//复位一次  

void TPAD_Reset(void)  

{  

    GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;   

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);    //使能PA端口时钟  

    //设置GPIOA.1为推挽使出  

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;                //PA1 端口配置  

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;         //推挽输出  

    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  

    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  

    GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1);                        //PA.1输出0,放电  

    delay_ms(5);  // 给予充足的时间进行放电

    TIM_SetCounter(TIM5,0);     //计数器的初始计数值置零

    TIM_ClearFlag(TIM5, TIM_IT_CC2);   // 清除TIM5_CH2的上升沿标志位

    //重新设置GPIOA.1为浮空输入  

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;  //浮空输入  

    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);   

} 

TPAD_GetValue()函数

u16 TPAD_GetValue() // 获取电容充电时间  

{  

    TPAD_Reset(); // 复位一次  

    while(TIM_GetFlagStatus(TIM5, TIM_IT_CC2) == RESET)//不断轮询等待捕获上升沿  

    {  

        if(TIM_GetCounter(TIM5)>MAX_ARR-500)  

        {  

            return TIM_GetCounter(TIM5);//超时了,直接返回CNT的值  

        }  

    };    

    return TIM_GetCapture2(TIM5);     

}  

这里有几行代码特别值得关注：

if(TIM_GetCounter(TIM5)>MAX_ARR-500)    

{    

    return TIM_GetCounter(TIM5);//超时了,直接返回CNT的值    

} 

这里的提出了一个“检查错误”的概念，我们可以在检查是否有上升沿脉冲触发的同时检测“电容充电时间是否过长”，如果充电时间过长直接return值结束轮询(while(1))，此时我们认为有效脉冲沿持续时间为此时的计数器的值。

TPAD_GetMaxValue()函数

u16 TPAD_GetMaxValue(u8 SampleNumber) // 捕获4次取MAX  

{  

    u8 temp = TPAD_GetValue();  

    while(1)  

    {  

        temp = temp>TPAD_GetValue()?temp:TPAD_GetValue();  

        if(--SampleNumber) break;  

    }  

    return temp; // 求出TPAD无动作时的默认充电时间  

}  

TPAD_Scan()

u8 TPAD_Scan() // 扫描TPAD状态且不支持连续按

{  

    u16 TPAD_MaxValue = TPAD_GetMaxValue(3); // 连续采集3次  

    static u8 PressedFlag = 1;  

    uart_init(115200); // 初始化USART1  

    printf("Moment:%dusrn",TPAD_MaxValue); // 向串口打印当前充电时长  

    if((TPAD_MaxValue >= TPAD_Threshold + TPAD_DefaultValue)&&PressedFlag)  

    {  

        PressedFlag = 0;  

        return 1;  

    }  

    else if(TPAD_MaxValue < TPAD_Threshold + TPAD_DefaultValue)  

    {  

        PressedFlag = 1;  

        return 0;  

    }  

    else  

    {  

        return 0;  

    }  

}  

不支持连续按的精髓代码：

    if((TPAD_MaxValue >= TPAD_Threshold + TPAD_DefaultValue)&&PressedFlag)  

    {  

        PressedFlag = 0;  

        return 1;  

    }  

    else if(TPAD_MaxValue < TPAD_Threshold + TPAD_DefaultValue)  

    {  

        PressedFlag = 1;  

        return 0;  

    }  

    else  

    {  

        return 0;  

    }  

// 希望大家理解代码执行的逻辑，我在这里就不仔细讲解了。

我们要清楚的一点是：我们前面编写的所有函数都是为了编写TPAD_Scan()做准备，我们真正在main函数中使用的只有TPAD_Scan()函数。我们在编写函数时的好习惯是：注意哪些是辅助函数，哪些是要在main函数中使用得到的函数，函数的功能一定不要过于集中也不要过于分散。

程序示例

Main.c

#include "tpad.h"  

#include "led.h"  

#include "timer.h"  

#include "stm32f10x.h"  

#include "delay.h"  

#include "usart.h"  

int main()  

{  

    extern u16 TPAD_DefaultValue; // TPAD的默认充电时间  

    u8 TPAD_Status = 0, temp = 0;  

    delay_init(); // systick时钟初始化  

    LED_InitConfig(); // 初始化LED1&LED0  

    TPAD_InitConfig(); // 计算TPAD_DefaultValue  

    uart_init(115200); // 初始化USART1  

    while(1)  

    {  

        TPAD_Status = TPAD_Scan(); // 实时捕获TPAD的动作  

        if(TPAD_Status == 1)  

        {  

            LED1 = !LED1; // 触摸按键动作触发LED1状态翻转  

        }  

        temp++;  

        if(temp == 15)  

        {  

            LED0 = !LED0; // LED0作为状态灯使用  

        }  

    }  

}  

Led.c

#include "led.h"  

#include "stm32f10x.h"  

void LED_InitConfig()  

{  

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;  

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE); // 使能LED1,LED0的时钟  

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;  

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;  

    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;