1）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：ALIENTEK NANO STM32F411 V1開(kāi)發(fā)板2）摘自《正點(diǎn)原子STM32F4 開(kāi)發(fā)指南（HAL 庫(kù)版》關(guān)注官方微信號(hào)公眾號(hào)，獲取更多資料：正點(diǎn)原子

第十六章電容觸摸按鍵實(shí)驗(yàn)
上一章，我們介紹了 STM32F4 的輸入捕獲功能及其使用。這一章，我們將向大家介紹如
何通過(guò)輸入捕獲功能，來(lái)做一個(gè)電容觸摸按鍵。在本章中，我們將用 TIM3 的通道 4（PB1）來(lái)
做輸入捕獲，并實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的電容觸摸按鍵，通過(guò)該按鍵控制 DS5 的亮滅。從本章分為如下
幾個(gè)部分：
16.1 電容觸摸按鍵簡(jiǎn)介
16.2 硬件設(shè)計(jì)
16.3 軟件設(shè)計(jì)
16.4 下載驗(yàn)證16.1 電容觸摸按鍵簡(jiǎn)介
觸摸按鍵相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵有壽命長(zhǎng)、占用空間少、易于操作等諸多優(yōu)點(diǎn)。大家看看
如今的手機(jī)，觸摸屏、觸摸按鍵大行其道，而傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵，正在逐步從手機(jī)上面消失。本
章，我們將給大家介紹一種簡(jiǎn)單的觸摸按鍵：電容式觸摸按鍵。
我們將利用 NANO STM32 開(kāi)發(fā)板上的觸摸按鍵（TPAD），來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) DS5 的亮滅控制。這
里 TPAD 其實(shí)就是 NANO STM32 開(kāi)發(fā)板上的一小塊覆銅區(qū)域，實(shí)現(xiàn)原理如圖 16.1.1 所示：

圖 16.1.1 電容觸摸按鍵原理
這里我們使用的是檢測(cè)電容充放電時(shí)間的方法來(lái)判斷是否有觸摸，圖中 R 是外接的電容充
電電阻，Cs 是沒(méi)有觸摸按下時(shí) TPAD 與 PCB 之間的雜散電容。而 Cx 則是有手指按下的時(shí)候，
手指與 TPAD 之間形成的電容。圖中的開(kāi)關(guān)是電容放電開(kāi)關(guān)（由實(shí)際使用時(shí)，由 STM32 的 IO
代替）。
先用開(kāi)關(guān)將 Cs（或 Cs+Cx）上的電放盡，然后斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，讓 R 給 Cs（或 Cs+Cx）充電，
當(dāng)沒(méi)有手指觸摸的時(shí)候，Cs 的充電曲線如圖中的 A 曲線。而當(dāng)有手指觸摸的時(shí)候，手指和 TPAD
之間引入了新的電容 Cx，此時(shí) Cs+Cx 的充電曲線如圖中的 B 曲線。從上圖可以看出，A、B
兩種情況下，Vc 達(dá)到 Vth 的時(shí)間分別為 Tcs 和 Tcs+Tcx。
其中，除了 Cs 和 Cx 我們需要計(jì)算，其他都是已知的，根據(jù)電容充放電公式：
Vc=V0*(1-e^(-t/RC))
其中 Vc 為電容電壓，V0 為充電電壓，R 為充電電阻，C 為電容容值，e 為自然底數(shù)，t 為
充電時(shí)間。根據(jù)這個(gè)公式，我們就可以計(jì)算出 Cs 和 Cx。利用這個(gè)公式，我們還可以把戰(zhàn)艦開(kāi)
發(fā)板作為一個(gè)簡(jiǎn)單的電容計(jì)，直接可以測(cè)電容容量了，有興趣的朋友可以搗鼓下。
在本章中，其實(shí)我們只要能夠區(qū)分 Tcs 和 Tcs+Tcx，就已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)觸摸檢測(cè)了，當(dāng)充電
時(shí)間在 Tcs 附近，就可以認(rèn)為沒(méi)有觸摸，而當(dāng)充電時(shí)間大于 Tcs+Tx 時(shí)，就認(rèn)為有觸摸按下（Tx
為檢測(cè)閥值）。
本章，我們使用 PB1(TIM3_CH4)來(lái)檢測(cè) TPAD 是否有觸摸，在每次檢測(cè)之前，我們先配置
PB1 為推挽輸出，將電容 Cs（或 Cs+Cx）放電，然后配置 PB1 為浮空輸入，利用外部上拉電
阻給電容 Cs(Cs+Cx)充電，同時(shí)開(kāi)啟 TIM3_CH4 的輸入捕獲，檢測(cè)上升沿，當(dāng)檢測(cè)到上升沿的
時(shí)候，就認(rèn)為電容充電完成了，完成一次捕獲檢測(cè)。
在 MCU 每次復(fù)位重啟的時(shí)候，我們執(zhí)行一次捕獲檢測(cè)（可以認(rèn)為沒(méi)觸摸），記錄此時(shí)的
值，記為 tpad_default_val，作為判斷的依據(jù)。在后續(xù)的捕獲檢測(cè)，我們就通過(guò)與 tpad_default_val
的對(duì)比，來(lái)判斷是不是有觸摸發(fā)生。
關(guān)于輸入捕獲的配置，在上一章我們已經(jīng)有詳細(xì)介紹了，這里我們就不再介紹。至此，電
容觸摸按鍵的原理介紹完畢。16.2 硬件設(shè)計(jì)
本實(shí)驗(yàn)用到的硬件資源有：
1） 指示燈 DS0 和 DS5
2） 定時(shí)器 TIM3
3） 觸摸按鍵 TPAD
前面兩個(gè)之前均有介紹，我們需要通過(guò) TIM3_CH4（PB1）采集 TPAD 的信號(hào)，所以本實(shí)
驗(yàn)需要用跳線帽短接多功能端口（P3）的 TPAD 和 ADC，以實(shí)現(xiàn) TPAD 連接到 PB1。如圖 16.2.1
所示：

圖 16.2.1 TPAD 與 STM32 連接原理圖
硬件設(shè)置（用跳線帽短接多功能端口的 ADC 和 TPAD 即可）好之后，下面我們開(kāi)始軟件
設(shè)計(jì)。16.3 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)置我們?cè)谥暗霉こ躺厦嬖黾?#xff0c;由于本章我們用不到 timer.c，所以先刪除 timer.c。
然后再 HARDWARE 文件夾下新建 TPAD 得文件夾。然后打開(kāi) USER 文件夾下的工程，新建一
個(gè) tpad.c 的文件和 tpad.h 得頭文件，保存再 TPAD 文件夾下，并將 TPAD 文件夾加入頭文件包
含路徑。
我們?cè)?tpad.c 里輸入了如下代碼：
TIM_HandleTypeDef TIM3_Handler;
//定時(shí)器 3 句柄
#define TPAD_ARR_MAX_VAL 0XFFFF//最大的 ARR 值(TIM3 是 16 位定時(shí)器)
vu16 tpad_default_val=0;
//空載的時(shí)候(沒(méi)有手按下),計(jì)數(shù)器需要的時(shí)間
//初始化觸摸按鍵
//獲得空載的時(shí)候觸摸按鍵的取值.
//psc:分頻系數(shù),越小,靈敏度越高.
//返回值:0,初始化成功;1,初始化失敗
u8 TPAD_Init(u8 psc)
{
u16 buf[10];
u16 temp;
u8 j,i;
TIM3_CH4_Cap_Init(TPAD_ARR_MAX_VAL,psc-1);//設(shè)置分頻系數(shù)
for(i=0;i<10;i++)//連續(xù)讀取 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];//取中間的 8 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均
tpad_default_val=temp/6;
printf("tpad_default_val:%drn",tpad_default_val);
if(tpad_default_val>(vu16)TPAD_ARR_MAX_VAL/2)return 1;
//初始化遇到超過(guò) TPAD_ARR_MAX_VAL/2 的數(shù)值,不正常!
return 0;
}
//復(fù)位一次
//釋放電容電量，并清除定時(shí)器的計(jì)數(shù)值
void TPAD_Reset(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_1;
//PB1
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP; //推挽輸出
GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLDOWN;
//下拉
GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH;
//高速
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_1,GPIO_PIN_RESET); //PB1 輸出 0，放電
delay_ms(5);
__HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&TIM3_Handler,TIM_FLAG_CC4|TIM_FLAG_UPDATE);
//清除標(biāo)志位
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&TIM3_Handler,0); //計(jì)數(shù)器值歸 0
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_PP;
//推挽復(fù)用
GPIO_Initure.Pull=GPIO_NOPULL;
//不帶上下拉
GPIO_Initure.Alternate=GPIO_AF2_TIM3;
//PB1 復(fù)用為 TIM3 通道 4
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);
}
//得到定時(shí)器捕獲值
//如果超時(shí),則直接返回定時(shí)器的計(jì)數(shù)值.
//返回值：捕獲值/計(jì)數(shù)值（超時(shí)的情況下返回）
u16 TPAD_Get_Val(void)
{
TPAD_Reset();
while(__HAL_TIM_GET_FLAG(&TIM3_Handler,TIM_FLAG_CC4)==RESET)
//等待捕獲上升沿
{
if(__HAL_TIM_GET_COUNTER(&TIM3_Handler)>TPAD_ARR_MAX_VAL-500)
return __HAL_TIM_GET_COUNTER(&TIM3_Handler);
//超時(shí)了，直接返回 CNT 的值
};
return HAL_TIM_ReadCapturedValue(&TIM3_Handler,TIM_CHANNEL_4);
}
//讀取 n 次,取最大值
//n：連續(xù)獲取的次數(shù)
//返回值：n 次讀數(shù)里面讀到的最大讀數(shù)值
u16 TPAD_Get_MaxVal(u8 n)
{
u16 temp=0;
u16 res=0;
u8 lcntnum=n*2/3;//至少 2/3*n 的有效個(gè)觸摸,才算有效
u8 okcnt=0;
while(n--)
{
temp=TPAD_Get_Val();//得到一次值
if(temp>(tpad_default_val*5/4))okcnt++;//至少大于默認(rèn)值的 5/4 才算有效
if(temp>res)res=temp;
}
if(okcnt>=lcntnum)return res;//至少 2/3 的概率,要大于默認(rèn)值的 5/4 才算有效
else return 0;
}
//掃描觸摸按鍵
//mode:0,不支持連續(xù)觸發(fā)(按下一次必須松開(kāi)才能按下一次);
1,支持連續(xù)觸發(fā)(可以一直按下)
//返回值:0,沒(méi)有按下;1,有按下;
#define TPAD_GATE_VAL 30 //觸摸的門(mén)限值,也就是必須大于
tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,才認(rèn)為是有效觸摸.
u8 TPAD_Scan(u8 mode)
{
static u8 keyen=0; //0,可以開(kāi)始檢測(cè);>0,還不能開(kāi)始檢測(cè)
u8 res=0;
u8 sample=3;
//默認(rèn)采樣次數(shù)為 3 次
u16 rval;
if(mode)
{
sample=6;
//支持連按的時(shí)候，設(shè)置采樣次數(shù)為 6 次
keyen=0;
//支持連按
}
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:%drn",rval);
keyen=3;
//至少要再過(guò) 3 次之后才能按鍵有效
}
if(keyen)keyen--;
return res;
}
//定時(shí)器 3 通道 4 輸入捕獲配置
//arr：自動(dòng)重裝值(TIM3 是 16 位的!!)
//psc：時(shí)鐘預(yù)分頻數(shù)
void TIM3_CH4_Cap_Init(u32 arr,u16 psc)
{
TIM_IC_InitTypeDef TIM3_CH4Config;
TIM3_Handler.Instance=TIM3;
//通用定時(shí)器 3
TIM3_Handler.Init.Prescaler=psc;
//分頻
TIM3_Handler.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP;
//向上計(jì)數(shù)器
TIM3_Handler.Init.Period=arr;
//自動(dòng)裝載值
TIM3_Handler.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; //分頻因子
HAL_TIM_IC_Init(&TIM3_Handler);
TIM3_CH4Config.ICPolarity=TIM_ICPOLARITY_RISING;
//上升沿捕獲
TIM3_CH4Config.ICSelection=TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;//映射到 TI1 上
TIM3_CH4Config.ICPrescaler=TIM_ICPSC_DIV1;
//配置輸入分頻，不分頻
TIM3_CH4Config.ICFilter=0;
//配置輸入濾波器，不濾波
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&TIM3_Handler,&TIM3_CH4Config,
TIM_CHANNEL_4);//配置 TIM3 通道 4
HAL_TIM_IC_Start(&TIM3_Handler,TIM_CHANNEL_4); //開(kāi)始捕獲 TIM3 的通道 4
}
//定時(shí)器 3 底層驅(qū)動(dòng)，時(shí)鐘使能，引腳配置
//此函數(shù)會(huì)被 HAL_TIM_IC_Init()調(diào)用
//htim:定時(shí)器 3 句柄
void HAL_TIM_IC_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();
//使能 TIM3 時(shí)鐘
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
//開(kāi)啟 GPIOB 時(shí)鐘
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_1;
//PB1
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_INPUT; //推挽復(fù)用輸入
GPIO_Initure.Pull=GPIO_NOPULL;
//不帶上下拉
GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH;
//高速
GPIO_Initure.Alternate=GPIO_AF2_TIM3;
//PB1 復(fù)用為 TIM3 通道 4
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);
}
函數(shù) TIM3_CH4_Cap_Init 函數(shù)，該函數(shù)和上一章的輸入捕獲函數(shù)基本一樣，不同的是上一
章實(shí)驗(yàn)最后調(diào)用得是函數(shù) HAL_TIM_IC_Start_IT，使能駛?cè)氩东@通道的同時(shí)開(kāi)啟了輸入捕獲中
斷，而該函數(shù)最后調(diào)用的函數(shù)是 HAL_TIM_IC_Start，只是開(kāi)啟了輸入捕獲通道，并沒(méi)有開(kāi)啟
輸入捕獲中斷。
函數(shù) HAL_TIM_IC_MspInit 是輸入捕獲通用 MSP 回調(diào)函數(shù)，該函數(shù)的作用是使能定時(shí)器
和 GPIO 時(shí)鐘，配置 GPIO。該函數(shù)功能和輸入捕獲實(shí)驗(yàn)中該函數(shù)作用基本類似。
函數(shù) TPAD_Get_Val 用于得到定時(shí)器的一次捕獲值。該函數(shù)先調(diào)用 TPAD_Reset，將電容放
電，同時(shí)通過(guò)程序__HAL_TIM_SET_COUNTER(&TIM3_Handler,0)將計(jì)數(shù)值 TIM3_CNT 寄存器
為 0，然后死循環(huán)等待發(fā)生上升沿捕獲（或計(jì)數(shù)溢出），將捕獲到的值（或溢出值）作為返回
值返回。
函數(shù) TPAD_Init 用于初始化輸入捕獲，并獲取默認(rèn)的 TPAD 值。該函數(shù)有一個(gè)參數(shù)，用來(lái)
傳遞定時(shí)器分頻系數(shù)，其實(shí)是為了配置 TIM3_CH4_Cap_Init 為 1us 計(jì)數(shù)周期。在該函數(shù)中連續(xù)
10 次讀取 TPAD 值，將這些值升序排列后取中間 6 個(gè)值再做平均（這樣做的目的是盡量減少誤
差），并賦值給 tpad_default_val，用于后續(xù)觸摸判斷的標(biāo)準(zhǔn)。
最后，我們來(lái)看看 TPAD_Scan 函數(shù)，該函數(shù)用于掃描 TPAD 是否有觸摸，該函數(shù)的參數(shù)
mode，用于設(shè)置是否支持連續(xù)觸發(fā)。返回值如果是 0，說(shuō)明沒(méi)有觸摸，如果是 1，則說(shuō)明有觸
摸。該函數(shù)同樣包含了一個(gè)靜態(tài)變量，用于檢測(cè)控制，類似第八章的 KEY_Scan 函數(shù)。所以該
函數(shù)同樣是不可重入的。在函數(shù)中，我們通過(guò)連續(xù)讀取 3 次(不支持連續(xù)按的時(shí)候)TPAD 的值，
取這他們的最大值，和 tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL 比較，如果大于則說(shuō)明有觸摸，如
果小于，則說(shuō)明無(wú)觸摸。其中 tpad_default_val 是我們?cè)谡{(diào)用 TPAD_Init 函數(shù)的時(shí)候得到的值，
而 TPAD_GATE_VAL 則是我們?cè)O(shè)定的一個(gè)門(mén)限值（這個(gè)大家可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，根據(jù)實(shí)際
情況選擇適合的值就好了），這里我們?cè)O(shè)置為 30。該函數(shù)，我們還做了一些其他的條件限制，
讓觸摸按鍵有更好的效果，這個(gè)就請(qǐng)大家看代碼自行參悟了。
函數(shù) TPAD_Reset 顧名思義，是進(jìn)行一次復(fù)位操作。先設(shè)置 PB1 輸出低電平，電容放電，
同時(shí)清除中斷標(biāo)志位并且計(jì)數(shù)器值清零，然后配置 PB1 位復(fù)用功能浮空輸入，利用外部上拉電
阻給電容 Cs(Cs+Cx)充電，同時(shí)開(kāi)啟 TIM3_CH4 的輸入捕獲。
函數(shù) TPAD_Get_MaxVal 就非常簡(jiǎn)單了，它通過(guò) n 此調(diào)用函數(shù) TPAD_GetVal 采集捕獲值，
然后進(jìn)行比較后獲取 n 次采集中的最大值。
接下來(lái)，我們看看主程序里面的 main 函數(shù)如下：
int main(void)
{
u8 t=0;
HAL_Init();
//初始化 HAL 庫(kù)
Stm32_Clock_Init(96,4,2,4);
//設(shè)置時(shí)鐘,96Mhz
delay_init(96);
//初始化延時(shí)函數(shù)
uart_init(115200);
//初始化串口
LED_Init();
//初始化 LED
TPAD_Init(6);
//初始化觸摸按鍵
while(1)
{
if(TPAD_Scan(0)) //成功捕獲到了一次上升沿(此函數(shù)執(zhí)行時(shí)間至少 15ms)
{
LED5=!LED5;
//LED5 取反
}
t++;
if(t==15)
{
t=0;
LED0=!LED0;
//LED0 取反,提示程序正在運(yùn)行
}
delay_ms(10);
}
}
該 main 函數(shù)比較簡(jiǎn)單，TPAD_Init(6)函數(shù)執(zhí)行之后，就開(kāi)始觸摸按鍵的掃描，當(dāng)有觸摸的
時(shí)候，對(duì) DS5 取反，而 DS0 則有規(guī)律的間隔取反，提示程序正在運(yùn)行。
這里還要提醒一下大家，不要把 uart_init(115200);去掉，因?yàn)樵?TPAD_Init 函數(shù)里面，我們
有用到 printf，如果你去掉了 uart_init，就會(huì)導(dǎo)致 printf 無(wú)法執(zhí)行，從而死機(jī)。
至此，我們的軟件設(shè)計(jì)就完成了。16.4 下載驗(yàn)證
在完成軟件設(shè)計(jì)之后，將我們將編譯好的文件下載到 NANO STM32F4 V1 上，可以看到
DS0 慢速閃爍，此時(shí)，我們用手指觸摸開(kāi)發(fā)板上的 TPAD（右下角的白色頭像），就可以控制
DS5 的亮滅了。不過(guò)你要確保 TPAD 和 ADC 的跳線帽連接上了哦！如圖 16.4.1 所示：

圖 16.4.1 觸摸區(qū)域和跳線帽短接方式示意圖
同時(shí)大家可以打開(kāi)串口調(diào)試助手，每次復(fù)位的時(shí)候，會(huì)收到 tpad_default_val 的值，一般為
15 左右。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的判断按键值_「正点原子NANO STM32开发板资料连载」第十六章电容触摸按键实验...的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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