【常用模块】电容触摸按键模块（原理讲解、STM32实例操作）

电容触摸按键原理

RC充放电电路原理

在模拟及脉冲数字电路中，经常涉及RC电路。在这些电路中，根据电阻R和电容C的取值不同、输入和输出关系以及处理的波形之间的关系，产生了具有不同功能的RC电路，常见的电路应用包括微分电路 、积分电路、耦合电路、滤波电路及脉冲分压器。RC电路在模拟电路、脉冲数字电路中得到广泛的应用。RC电路原理是模、数电的必备基础知识。

RC充放电电路如下图所示：

RC充放电电路原理讲解：

• 图中的开关起初处于开启的状态，电容器C上没有电荷，它两端的电压等于零。
• 当开关闭合时，压降V1通过R向电容器C充电。在电路接通的瞬间，电容器电压Vt=0，充电电流最大值等于V1/R。
• 随着电容器两极上电荷的积累，Vt逐渐增大，电阻器R上的电压VR=V1-Vc，充电电流i=(V1-Vc)/R，且随着时间的增大而越来越小，Vt的上升也越来越慢。当Vt=V1时，i=0，充电过程结束。

电容充电时间与电容大小关系

RC电路充放电公式：

Vt = V0+（V1-V0）* [1-exp(-t/RC)]

其中：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，也就是从0V开始充电。那么公式简化为：

Vt=  V1* [1-exp(-t/RC)]

由此公式可以看出：同样的条件下，电容值C跟时间值t成正比关系，电容越大，充电到达某个临界值的时间越长。

在同一副图中画出两条RC电路曲线，已知电容CB>CA，那么充电到达同一临界值Vth所用的时间关系为：TB>TA。

 

电容触摸按键

电容触摸按键原理

这里是用的是检测电容充放电时间的方法来判断是否有接触，具体的原理图如下所示：

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则是有手指触摸按下的时候，手指与TPAD之间形成的电容，这样的话，有手指触摸按下的时候，电容是Cx+Cs（电容并联相加）。

由之前RC电路的原理讲解，不同的电容，在其他的因素都相同的情况下，充电充电到达同一临界值时需要不同的时间的。电容越大，需要的时间越长。

检测电容触摸按键过程

电容触摸按键模块中，电容放电开关，由STM32的IO口代替。具体的电路图如下：

由此可以得到检测电容触摸按键是否被按下的过程：

• TPAD引脚设置为推挽输出，输出0，实现电容放电到0。
• 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引脚的输入捕获开始捕获。
• 等待充电完成（充电到达Vth,检测到上升沿）。
• 计算充电时间。

输入捕获部分的内容，可以参考学习：【STM32】通用定时器的输入捕获（实例：输入捕获）。

判断依据：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（阈值），就可以判断有按键按下。

 

STM32控制电容触摸按键

硬件连接

• 单片机：STM32F103ZET6
• 模块：电容触摸按键模块
• 引脚连接：TPAD：PA1
• 硬件资源：指示灯DS0、DS1，定时器TIM5通道2

具体的硬件连接的图如下所示：

 

STM32控制程序

STM32控制电容触摸按键的主要步骤：

• 初始化触摸按键：初始化定时器TIM5的输入捕获，捕获10次无触摸按下到达上升沿的时间；
• 触摸按键扫描：捕获3次有触摸按下到达上升沿的时间，阈值判断；

#define TPAD_ARR_MAX_VAL 	0XFFFF	//最大的ARR值
vu16 tpad_default_val=0;//空载的时候(没有手按下),计数器需要的时间


//初始化触摸按键
//获得空载的时候触摸按键的取值.
//返回值:0,初始化成功;1,初始化失败
u8 TPAD_Init(u8 psc)
{
	u16 buf[10];
	u16 temp;
	u8 j,i;
	TIM5_CH2_Cap_Init(TPAD_ARR_MAX_VAL,psc-1);//以1Mhz的频率计数 
	for(i=0;i<10;i++)//连续读取10次
	{				 
		buf[i]=TPAD_Get_Val();
		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++)temp+=buf[i];//取中间的6个数据进行平均
	tpad_default_val=temp/6;
	printf("tpad_default_val:%d\r\n",tpad_default_val);	
	if(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;		     	    					   
}
//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);

	TIM_SetCounter(TIM5,0);		//归0
	TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC2|TIM_IT_Update); //清除中断标志
	//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);

    
}
//得到定时器捕获值
//如果超时,则直接返回定时器的计数值.
u16 TPAD_Get_Val(void)
{				   
	TPAD_Reset();
	while(TIM_GetFlagStatus(TIM5, TIM_IT_CC2) == RESET)//等待捕获上升沿
	{
		if(TIM_GetCounter(TIM5)>TPAD_ARR_MAX_VAL-500)return TIM_GetCounter(TIM5);//超时了,直接返回CNT的值
	};	
	return TIM_GetCapture2(TIM5);	  
} 	 
//读取n次,取最大值
//n：连续获取的次数
//返回值：n次读数里面读到的最大读数值
u16 TPAD_Get_MaxVal(u8 n)
{
	u16 temp=0;
	u16 res=0;
	while(n--)
	{
		temp=TPAD_Get_Val();//得到一次值
		if(temp>res)res=temp;
	};
	return res;
}  
//扫描触摸按键
//mode:0,不支持连续触发(按下一次必须松开才能按下一次);1,支持连续触发(可以一直按下)
//返回值:0,没有按下;1,有按下;										  
#define TPAD_GATE_VAL 	100	//触摸的门限值,也就是必须大于tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,才认为是有效触摸.
u8 TPAD_Scan(u8 mode)
{
	static u8 keyen=0;	//0,可以开始检测;>0,还不能开始检测	 
	u8 res=0;
	u8 sample=3;		//默认采样次数为3次	 
	u16 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	  
	}
	rval=TPAD_Get_MaxVal(sample); 
	if(rval>(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);		     	    					   
		keyen=3;				//至少要再过3次之后才能按键有效   
	} 
	if(keyen)keyen--;		   							   		     	    					   
	return res;
}	
//定时器2通道2输入捕获配置
void TIM5_CH2_Cap_Init(u16 arr,u16 psc)
{
	GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure; 
   	TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
	TIM_ICInitTypeDef  TIM5_ICInitStructure;

	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5, ENABLE);	 //使能TIM5时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	 //使能PA端口时钟
	//设置GPIOA.1为浮空输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;				 //PA1 端口配置
 	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	//速度50MHz
   	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;	 //浮空输入
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);	 //设置为浮空输入

   	//初始化TIM5  
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设定计数器自动重装值   
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; 	//预分频器 	   
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
	TIM_TimeBaseInit(TIM5, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位
	//初始化通道2 
  	TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2; //CC1S=01 	选择输入端 IC2映射到TI5上
  	TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;	//上升沿捕获
  	TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; 
  	TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;	 //配置输入分频,不分频 
  	TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x03;//IC2F=0011 配置输入滤波器 8个定时器时钟周期滤波
  	TIM_ICInit(TIM5, &TIM5_ICInitStructure);//初始化I5 IC2

    TIM_Cmd(TIM5,ENABLE ); 	//使能定时器5
}

 int main(void)
 {	
 	u8 t=0;  	
	delay_init();	    	 //延时函数初始化	  
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级
	uart_init(115200);	 //串口初始化为115200
 	LED_Init();			     //LED端口初始化
  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=!LED1;		//LED1取反
		}
		t++;
		if(t==15)		 
		{
			t=0;
			LED0=!LED0;		//LED0取反,提示程序正在运行
		}
		delay_ms(10);
	}
 }

整个程序基本只要分析一个函数：TPAD_Get_Val()函数。

首先需要TPAD_Reset()，它的意义在于先设置PA1推挽输出，同时设置PA1输出低电平放电，延时等待放电完成：

	//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);

之后设置PA1浮空输入，清零TIM5的输入捕获：

	TIM_SetCounter(TIM5,0);		//归0
	TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC2|TIM_IT_Update); //清除中断标志
	//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);

准备工作做完了之后，就可以进行输入捕获了：

while(TIM_GetFlagStatus(TIM5, TIM_IT_CC2) == RESET)//等待捕获上升沿
	{
		if(TIM_GetCounter(TIM5)>TPAD_ARR_MAX_VAL-500)  return TIM_GetCounter(TIM5);//超时了,直接返回CNT的值
	};	
	return TIM_GetCapture2(TIM5);