一、电容按键简介
电容器(简称为电容)就是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。如图 32-1(俯视图)，有两个金属片，之间有一个绝缘介质，这样就构成了一个电容。这样一个电容在电路板上非常容易实现，一般设计四周的铜片与电路板地信号连通，这样一种结构就是电容按键的模型。当电路板形状固定之后，该电容的容量也是相对稳定的。
电路板制作时都会在表面上覆盖一层绝缘层，用于防腐蚀和绝缘，所以实际电路板设计时情况如图 32-2。电路板最上层是绝缘材料，下面一层是导电铜箔，我们根据电路走线情况设计决定铜箔的形状，再下面一层一般是 FR-4 板材。金属感应片与地信号之间有绝缘材料隔着，整个可以等效为一个电容 Cx。一般在设计时候，把金属感应片设计成方便手指触摸大小。
在电路板未上电时，可以认为电容 Cx 是没有电荷的，在上电时，在电阻作用下，电容 Cx 就会有一个充电过程，直到电容充满，即 Vc 电压值为 3.3V，这个充电过程的时间长短受到电阻 R 阻值和电容 Cx 容值的直接影响。但是在我们选择合适电阻 R 并焊接固定到电路板上后，这个充电时间就基本上不会变了，因为此时电阻 R 已经是固定的，电容 Cx 在无外界明显干扰情况下基本上也是保持不变的。
现在，我们来看看当我们用手指触摸时会是怎样一个情况？如图 32-3，当我们用手指触摸时，金属感应片除了与地信号形成一个等效电容 Cx 外，还会与手指形成一个 Cs 等效电容。
此时整个电容按键可以容纳的电荷数量就比没有手指触摸时要多了，可以看成是 Cx 和 Cs 叠加的效果。在相同的电阻 R 情况下，因为电容容值增大了，导致需要更长的充电时间。也就是这个充电时间变长使得我们区分有无手指触摸，也就是电容按键是否被按下。
现在最主要的任务就是测量充电时间。充电过程可以看出是一个信号从低电平变成高电平的过程，现在就是要求出这个变化过程的时间。我们可以利用定时器输入捕获功能计算充电时间，即设置 TIMx_CH 为定时器输入捕获模式通道。这样先测量得到无触摸时的充电时间作为比较基准，然后再定时循环测量充电时间与无触摸时的充电时间作比较，如果超过一定的阈值就认为是有手指触摸。
图 32-4 为 Vc 跟随时间变化情况，可以看出在无触摸情况下，电压变化较快；而在有触摸时，总的电容量增大了，电压变化缓慢一些。
为测量充电时间，我们需要设置定时器输入捕获功能为上升沿触发，图 32-4 中 VH 就是被触发上升沿的电压值，也是 STM32 认为是高电平的最低电压值，大约为 1.8V。t1 和 t2 可以通过定时器捕获/比较寄存器获取得到。
不过，在测量充电时间之前，我们必须想办法制作这个充电过程。之前的分析是在电路板上电时会有充电过程，现在我们要求在程序运行中循环检测按键，所以必须可以控制充电过程的生成。我们可以控制 TIMx_CH 引脚作为普通的 GPIO 使用，使其输出一小段时间的低电平，为电容 Cx 放电，即 Vc 为 0V。当我们重新配置 TIMx_CH 为输入捕获时电容 Cx 在电阻 R 的作用下就可以产生充电过程。
二、输入捕获
输入捕获模式可以用来测量脉冲宽度或者测量频率。STM32F103 的定时器，除了TIM6、TIM7，其他的定时器都有输入捕获的功能。
2.1 输入捕获的工作原理
①先设置输入捕获为上升沿检测，
②记录发生上升沿时TIMx_CNT(计数器)的值
③配置捕获信号为下降沿捕获，当下降沿到来的时候发生捕获
④记录此时的TIMx_CN(计数器)T的值
⑤前后两次TIMx_CNT(计数器)的值之差就是高电平的脉宽。同时根据TIM的计数频率，我们就能知道高电平脉宽的准确时间。
简单说：
当你设置的捕获开始的时候，cpu会将计数寄存器的值复制到捕获比较寄存器中并开始计数，当再次捕捉到电平变化时，这是计数寄存器中的值减去刚才复制的值就是这段电平的持续时间，你可以设置上升沿捕获、下降沿捕获、或者上升沿下降沿都捕获。
2.2 溢出时间计算
t1时刻检测到高电平，发生中断，在中断里将计数值置0，开始记溢出次数N，
其中每计数0xFFFF次溢出一次，直到t2时刻跳变回低电平，
获取最后一次溢出时到t2时刻的计数值TIM5CH1_CAPTURE_VAL
则 高电平时间 = 溢出次数x65535+TIM5CH1_CAPTURE_VAL us；根据定时器初始化时的频率即可计算出溢出总次数所占用的时间，即为高电平时间。
如果计数器值为 32 bit 那么最大为0xFFFFFFFF
高电平时间：
三、引脚确定
开发板板载一个电容，引脚为 PA1，对应通用定时器 TIM5 的通道 2。充电电容的阻值为 5.1M，电阻的大小决定了电容按键充电的时间。
四、添加通用定时器TIM5输入捕获功能
查看 STM32CubeMX学习笔记（23）——通用定时器接口使用(输入捕获测量脉宽)
五、编程要点
1. 编写定时器输入捕获相关函数
2. 测量电容按键空载的充电时间 T1
3. 测量电容按键有手触摸的充电时间 T2
4. 只需要比较 T2 与 T1 的时间即可检测出按键是否有手指触摸
几个重要函数：
说明：对于不同的平台，区别主要是定时器底层相关以及IO口初始化
5.1 TPAD_Reset(void)
复位 TPAD
设置 IO 口为推挽输出 0，电容放电。等待放电完成之后，设置为浮空输入，从而开始充电。同时把计数器的 CNT 设置为 0。
5.2 TPAD_Get_Val(void)
获取一次捕获值（得到充电时间）
复位 TPAD，等待捕获上升沿，捕获之后，得到定时器的值，计算充电时间。
5.3 TPAD_Get_MaxVal(void)
多次调用 TPAD_Get_Val 函数获取充电时间。获取最大的值。
5.4 TPAD_Init(void)
初始化 TPAD
在系统启动后，初始化输入捕获。先 10 次调用 TPAD_Get_Val() 函数获取 10 次充电时间，然后获取中间 N（N=8或者6）次的平均值，作为在没有电容触摸按键下的时候的充电时间缺省值 tpad_default_val。
5.5 TPAD_Scan(void)
扫描 TPAD
调用 TPAD_Get_MaxVal 函数获取多次充电中最大的充电时间，跟 tpad_default_val 比较，如果大于某个阈值 tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL，则认为有触摸动作。
六、添加TPAD相关函数
/******************** TPAD 引脚配置参数定义 **************************/
#define TOUCHPAD_TIMx TIM5
#define TOUCHPAD_TIM_RCC_CLK_ENABLE() __HAL_RCC_TIM5_CLK_ENABLE()
#define TOUCHPAD_TIM_RCC_CLK_DISABLE() __HAL_RCC_TIM5_CLK_DISABLE()
#define TOUCHPAD_GPIO_RCC_CLK_ENABLE() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define TOUCHPAD_GPIO_PIN GPIO_PIN_1
#define TOUCHPAD_GPIO GPIOA
#define TOUCHPAD_TIM_CHANNEL TIM_CHANNEL_2
#define TOUCHPAD_TIM_FLAG_CCR TIM_FLAG_CC2
//定时器最大计数值
#define TPAD_ARR_MAX_VAL 0XFFFF
//保存没按下时定时器计数值
__IO uint16_t tpad_default_val = 0;
/****************************************
*
* 为电容按键放电
* 清除定时器标志及计数
*
*****************************************/
static void TPAD_Reset(void)
{
/* 定义IO硬件初始化结构体变量 */
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
/* 使能电容按键引脚对应IO端口时钟 */
TOUCHPAD_GPIO_RCC_CLK_ENABLE();
/* 设置引脚输出为低电平 */
HAL_GPIO_WritePin(TOUCHPAD_GPIO, TOUCHPAD_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); //PA.2输出0,放电
/* 设定电容按键对应引脚IO编号 */
GPIO_InitStruct.Pin = TOUCHPAD_GPIO_PIN;
/* 设定电容按键对应引脚IO为输出模式 */
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
/* 设定电容按键对应引脚IO操作速度 */
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
/* 初始化电容按键对应引脚IO */
HAL_GPIO_Init(TOUCHPAD_GPIO, &GPIO_InitStruct);
HAL_Delay(5);
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim5,0); // 清零定时器计数
__HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&htim5, TIM_FLAG_UPDATE|TIM_FLAG_CC2);//清除中断标志
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(TOUCHPAD_GPIO, &GPIO_InitStruct);
HAL_TIM_IC_Start(&htim5,TOUCHPAD_TIM_CHANNEL);
}
/****************************************************
*
* 得到定时器捕获值
* 如果超时,则直接返回定时器的计数值.
*
*****************************************************/
static uint16_t TPAD_Get_Val(void)
{
TPAD_Reset();
while(__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim5,TOUCHPAD_TIM_FLAG_CCR)==RESET)
{
uint16_t count;
count=__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim5);
if(count>(TPAD_ARR_MAX_VAL-500))
return count;//超时了,直接返回CNT的值
};
return HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htim5,TOUCHPAD_TIM_CHANNEL);
}
/****************************************************
*
* 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
*
*****************************************************/
static uint16_t TPAD_Get_MaxVal(uint8_t n)
{
uint16_t temp=0;
uint16_t res=0;
while(n--)
{
temp=TPAD_Get_Val();//得到一次值
if(temp>res)res=temp;
};
return res;
}
/********************************************************
*
* 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
*
*********************************************************/
uint8_t TPAD_Init(void)
{
uint16_t buf[10];
uint32_t temp=0;
uint8_t j,i;
/* 以1MHz的频率计数 */
MX_TIM5_Init();
HAL_TIM_IC_Start(&htim5,TOUCHPAD_TIM_CHANNEL);
/* 连续读取10次 */
for(i=0;i<10;i++)
{
buf[i]=TPAD_Get_Val();
HAL_Delay(10);
}
/* 排序 */
for(i=0;i<9;i++)
{
for(j=i+1;j<10;j++)
{
/* 升序排列 */
if(buf[i]>buf[j])
{
temp=buf[i];
buf[i]=buf[j];
buf[j]=temp;
}
}
}
temp=0;
/* 取中间的6个数据进行平均 */
for(i=2;i<8;i++)temp+=buf[i];
tpad_default_val=temp/6;
printf("tpad_default_val:%d\r\n",tpad_default_val);
/* 初始化遇到超过TPAD_ARR_MAX_VAL/2的数值,不正常! */
if(tpad_default_val>TPAD_ARR_MAX_VAL/2)return 1;
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;
*
*******************************************************************************/
//阈值：捕获时间必须大于(tpad_default_val + TPAD_GATE_VAL),才认为是有效触摸.
#define TPAD_GATE_VAL 100
uint8_t TPAD_Scan(uint8_t mode)
{
//0,可以开始检测;>0,还不能开始检测
static uint8_t keyen=0;
//扫描结果
uint8_t res=0;
//默认采样次数为3次
uint8_t sample=3;
//捕获值
uint16_t rval;
if(mode)
{
//支持连按的时候，设置采样次数为6次
sample=6;
//支持连按
keyen=0;
}
/* 获取当前捕获值(返回 sample 次扫描的最大值) */
rval=TPAD_Get_MaxVal(sample);
/* printf打印函数调试使用，用来确定阈值TPAD_GATE_VAL，在应用工程中应注释掉 */
// printf("scan_rval=%d\n",rval);
//大于tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL,且小于10倍tpad_default_val,则有效
if(rval>(tpad_default_val+TPAD_GATE_VAL)&&rval<(10*tpad_default_val))
{
//keyen==0,有效
if(keyen==0)
{
res=1;
}
keyen=3; //至少要再过3次之后才能按键有效
}
if(keyen)
{
keyen--;
}
return res;
}
七、修改main函数
/**
* @brief The application entry point.
* @retval int
*/
int main(void)
{
/* USER CODE BEGIN 1 */
/* USER CODE END 1 */
/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();
/* USER CODE BEGIN Init */
/* USER CODE END Init */
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_USART1_UART_Init();
TPAD_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
printf("This is TPAD test...\n");
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
if(TPAD_Scan(0))
{
printf("key down\r\n");
}
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
}
八、查看打印
串口打印功能查看 STM32CubeMX学习笔记（6）——USART串口使用
按下电容键，串口会打印信息，可根据 printf("scan_rval=%d\n",rval); 打印的 scan_rval 调整 TPAD_GATE_VAL 的大小，来调整按键灵敏度
九、注意事项
用户代码要加在 USER CODE BEGIN N 和 USER CODE END N 之间，否则下次使用 STM32CubeMX 重新生成代码后，会被删除。
• 由 Leung 写于 2021 年 3 月 29 日
