代码收藏家 STM32电容触摸按键开发教程（使用HAL库）
一、触摸按键的原理
本次重点理解触摸按键的整个逻辑，不止于STM32，在以后的开发中也是一样的逻辑，先理解一下电容触摸按键的原理，如图所示
利用触摸按键来控制灯的亮灭，图中的TPAD 其实就是 板子上的一小块覆铜区域，也就是手指按下的位置。原理就是通过检测电容充放电的时间来判断是否发生了触摸，看到时间，肯定是用到我们的定时器，“检测时间”，说明是要用到定时器的输入捕获功能，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 STM32 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。
实际只要能够区分 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），这个检测阈值可以根据时间情况来设定。
现在使用 PB1(TIM3_CH4)
来检测
TPAD
是否有触摸，在每次检测之前，我们先配置 PB1
为推挽输出，将电容
Cs
（或
Cs+Cx
）放电，然后配置
PB1
为浮空输入，利用外部上拉电阻给电容 Cs(Cs+Cx)
充电，同时开启
TIM3_CH4
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 tpad_default_val
，作为判断的依据。在后续的捕获检测，我们就通过与 tpad_default_val 的对比，来判断是不是有触摸发生。说到这里，基本触摸按键的原理就是这样了。下面就看他的硬件设计和软件设计了
二、硬件设计
需要通过
TIM3_CH4
（
PB1
）采集
TPAD
的信号，所以需要用跳线帽短接多功能端口（P3
）的
TPAD
和
ADC
，以实现
TPAD
连接到
PB1
。
三、软件设计
这是触摸按键的函数.c
TIM_HandleTypeDef TIM3_Handler; //定时器 3 句柄
#define TPAD_ARR_MAX_VAL 0XFFFF//最大的 ARR 值(TIM3 是 16 位定时器)
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.
//psc:分频系数,越小,灵敏度越高.
//返回值:0,初始化成功;1,初始化失败
u8 TPAD_Init(u8 psc)
{
u16 buf[10];//接受空载的时候触摸按键的取值
u16 temp;
u8 j,i;
TIM3_CH4_Cap_Init(TPAD_ARR_MAX_VAL,psc-1);//设置分频系数
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 8 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>(vu16)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
//释放电容电量，并清除定时器的计数值
void TPAD_Reset(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_1; //PB1
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP; //推挽输出
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 输出 0，放电
delay_ms(5);
__HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&TIM3_Handler,TIM_FLAG_CC4|TIM_FLAG_UPDATE);
//清除标志位
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&TIM3_Handler,0); //计数器值归 0
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_INPUT; //推挽复用输入
GPIO_Initure.Pull=GPIO_NOPULL; //不带上下拉
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);
}
//得到定时器捕获值
//如果超时,则直接返回定时器的计数值.
//返回值：捕获值/计数值（超时的情况下返回）
u16 TPAD_Get_Val(void)
{
TPAD_Reset();
while(__HAL_TIM_GET_FLAG(&TIM3_Handler,TIM_FLAG_CC4)==RESET)
//等待捕获上升沿
{
if(__HAL_TIM_GET_COUNTER(&TIM3_Handler)>TPAD_ARR_MAX_VAL-500)
return __HAL_TIM_GET_COUNTER(&TIM3_Handler);
//超时了，直接返回 CNT 的值
};
return HAL_TIM_ReadCapturedValue(&TIM3_Handler,TIM_CHANNEL_4);
}
//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;
u8 lcntnum=n*2/3;//至少 2/3*n 的有效个触摸,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++;//至少大于默认值的 5/4 才算有效
if(temp>res)res=temp;
}
if(okcnt>=lcntnum)return res;//至少 2/3 的概率,要大于默认值的 5/4 才算有效
else return 0;
}
//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 30 //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 3 通道 4 输入捕获配置
//arr：自动重装值(TIM3 是 16 位的!!)
//psc：时钟预分频数
void TIM3_CH4_Cap_Init(u32 arr,u16 psc)
{
TIM_IC_InitTypeDef TIM3_CH4Config;
TIM3_Handler.Instance=TIM3; //通用定时器 3
TIM3_Handler.Init.Prescaler=psc; //分频
TIM3_Handler.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP; //向上计数器
TIM3_Handler.Init.Period=arr; //自动装载值
TIM3_Handler.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
TIM3_Handler.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
//使能自动重载
HAL_TIM_IC_Init(&TIM3_Handler);
TIM3_CH4Config.ICPolarity=TIM_ICPOLARITY_RISING; //上升沿捕获
TIM3_CH4Config.ICSelection=TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;//映射到 TI1 上
TIM3_CH4Config.ICPrescaler=TIM_ICPSC_DIV1; //配置输入分频，不分频
TIM3_CH4Config.ICFilter=0; //配置输入滤波器，不滤波
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); //开始捕获 TIM3 的通道 4
}
//定时器 3 底层驱动，时钟使能，引脚配置
//此函数会被 HAL_TIM_IC_Init()调用
//htim:定时器 3 句柄
void HAL_TIM_IC_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE(); //使能 TIM3 时钟
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); //开启 GPIOB 时钟
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_1; //PB1
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_INPUT; //推挽复用输入
GPIO_Initure.Pull=GPIO_NOPULL; //不带上下拉
GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH; //高速
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);
}
函数的理解:
函数TPAD_Get_Val
用于得到定时器的一次捕获值。该函数先调用
TPAD_Reset
，将电容放
电，同时通过程序
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&TIM3_Handler,0)
将计数值
TIM3_CNT
寄存器为 0
，然后死循环等待发生上升沿捕获（或计数溢出），将捕获到的值（或溢出值）作为返回值返回。
函数 TPAD_Init
用于初始化输入捕获，并获取默认的
TPAD
值。该函数有一个参数，用来
传递定时器分频系数，其实是为了配置
TIM3_CH4_Cap_Init
为
1us
计数周期。在该函数中连续
10
次读取
TPAD
值，将这些值升序排列后取中间
6
个值再做平均（这样做的目的是尽量减少误
差），并赋值给
tpad_default_val
，用于后续触摸判断的标准。
最后，我们来看看 TPAD_Scan
函数，该函数用于扫描
TPAD
是否有触摸，该函数的参数
mode
，用于设置是否支持连续触发。返回值如果是
0
，说明没有触摸，如果是
1
，则说明有触
摸。该函数同样包含了一个静态变量，用于检测控制，类似第八章的
KEY_Scan
函数。所以该
函数同样是不可重入的。在函数中，我们通过连续读取
3
次
(
不支持连续按的时候
)TPAD
的值，
取这他们的最大值，和 tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL
比较，如果大于则说明有触摸，如果小于，则说明无触摸。其中 tpad_default_val
是我们在调用
TPAD_Init
函数的时候得到的值，而 TPAD_GATE_VAL
则是我们设定的一个门限值（这个大家可以通过实验数据得出，根据实际情况选择适合的值就好了），这里我们设置为 30
。该函数，我们还做了一些其他的条件限制，让触摸按键有更好的效果，这个就请大家看代码自行参悟了。
函数 TPAD_Reset
顾名思义，是进行一次复位操作。先设置
PB1
输出低电平，电容放电，
同时清除中断标志位并且计数器值清零，然后配置
PB1
位复用功能浮空输入，利用外部上拉电
阻给电容
Cs(Cs+Cx)
充电，同时开启
TIM3_CH4
的输入捕获。
函数 TPAD_Get_MaxVal
就非常简单了，它通过
n
此调用函数
TPAD_GetVal
采集捕获值，
然后进行比较后获取
n
次采集中的最大值。
下面到主函数：
int main(void)
{
u8 t=0;
HAL_Init(); //初始化 HAL 库
Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9); //设置时钟,72M
delay_init(72); //初始化延时函数
uart_init(115200); //初始化串口
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)
{
LED5=!LED5; //LED5 取反
}
t++;
if(t==15)
{
t=0;
LED0=!LED0; //LED0 取反,提示程序正在运行
}
delay_ms(10);
}
}主函数的理解：
TPAD_Init()函数执行之后，就开始触摸按键的扫描，当有触摸的时候，对 DS5
取反，而
DS0
则有规律的间隔取反，提示程序正在运行。
提醒一下，不要把 uart_init(115200);
去掉，因为在
TPAD_Init
函数里面，我们有用到 printf
，如果你去掉了
uart_init
，就会导致
printf
无法执行，从而死机。
实验现象：
可以看到 DS0慢速闪烁，此时，我们用手指触摸
板上的
TPAD
，就可以控制
DS5
的亮灭了。不过你要确保
TPAD
和
ADC 的跳线帽连接上了。同时可以打开串口助手，每次复位的时候，会收到tpad_default_val的值，一般为15 左右。
