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「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

2020-4-18 15:41:16 2768

0 1）实验平台：ALIENTEK NANO STM32F411 V1开发板 2）摘自《正点原子STM32F4 开发指南（HAL 库版》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子第十六章电容触摸按键实验上一章，我们介绍了 STM32F4 的输入捕获功能及其使用。这一章，我们将向大家介绍如何通过输入捕获功能，来做一个电容触摸按键。在本章中，我们将用 tiM3 的通道 4（PB1）来做输入捕获，并实现一个简单的电容触摸按键，通过该按键控制 DS5 的亮灭。从本章分为如下几个部分： 16.1 电容触摸按键简介 16.2 硬件设计 16.3 软件设计 16.4 下载验证 16.1 电容触摸按键简介触摸按键相对于传统的机械按键有寿命长、占用空间少、易于操作等诸多优点。大家看看如今的手机，触摸屏、触摸按键大行其道，而传统的机械按键，正在逐步从手机上面消失。本章，我们将给大家介绍一种简单的触摸按键：电容式触摸按键。我们将利用 NANO STM32 开发板上的触摸按键（TPAD），来实现对 DS5 的亮灭控制。这里 TPAD 其实就是 NANO STM32 开发板上的一小块覆铜区域，实现原理如图 16.1.1 所示：图 16.1.1 电容触摸按键原理这里我们使用的是检测电容充放电时间的方法来判断是否有触摸，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。其中，除了 Cs 和 Cx 我们需要计算，其他都是已知的，根据电容充放电公式： Vc=V0(1-e^(-t/RC)) 其中 Vc 为电容电压，V0 为充电电压，R 为充电电阻，C 为电容容值，e 为自然底数，t 为充电时间。根据这个公式，我们就可以计算出 Cs 和 Cx。利用这个公式，我们还可以把战舰开发板作为一个简单的电容计，直接可以测电容容量了，有兴趣的朋友可以捣鼓下。在本章中，其实我们只要能够区分 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）。本章，我们使用 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。关于输入捕获的配置，在上一章我们已经有详细介绍了，这里我们就不再介绍。至此，电容触摸按键的原理介绍完毕。 16.2 硬件设计* 本实验用到的硬件资源有： 1）指示灯 DS0 和 DS5 2）定时器 TIM3 3）触摸按键 TPAD 前面两个之前均有介绍，我们需要通过 TIM3_CH4（PB1）采集 TPAD 的信号，所以本实验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。如图 16.2.1 所示：图 16.2.1 TPAD 与 STM32 连接原理图硬件设置（用跳线帽短接多功能端口的 ADC 和 TPAD 即可）好之后，下面我们开始软件设计。 16.3 软件设计软件设置我们在之前得工程上面增加，由于本章我们用不到 timer.c，所以先删除 timer.c。然后再 HARDWARE 文件夹下新建 TPAD 得文件夹。然后打开 USER 文件夹下的工程，新建一个 tpad.c 的文件和 tpad.h 得头文件，保存再 TPAD 文件夹下，并将 TPAD 文件夹加入头文件包含路径。我们在 tpad.c 里输入了如下代码： 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]; 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=TPAD_Get_Val(); delay_ms(10); } for(i=0;i<9;i++)//排序 { for(j=i+1;j<10;j++) { if(buf>buf[j])//升序排列 { temp=buf; buf=buf[j]; buf[j]=temp; } } } temp=0; for(i=2;i<8;i++)temp+=buf;//取中间的 8 个数据进行平均 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_PP; //推挽复用 GPIO_Initure.Pull=GPIO_NOPULL; //不带上下拉 GPIO_Initure.Alternate=GPIO_AF2_TIM3; //PB1 复用为 TIM3 通道 4 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=n2/3;//至少 2/3n 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_val5/4))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:%drn",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; //分频因子 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 GPIO_Initure.Alternate=GPIO_AF2_TIM3; //PB1 复用为 TIM3 通道 4 HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure); } 函数 TIM3_CH4_Cap_Init 函数，该函数和上一章的输入捕获函数基本一样，不同的是上一章实验最后调用得是函数 HAL_TIM_IC_Start_IT，使能驶入捕获通道的同时开启了输入捕获中断，而该函数最后调用的函数是 HAL_TIM_IC_Start，只是开启了输入捕获通道，并没有开启输入捕获中断。函数 HAL_TIM_IC_MspInit 是输入捕获通用 MSP 回调函数，该函数的作用是使能定时器和 GPIO 时钟，配置 GPIO。该函数功能和输入捕获实验中该函数作用基本类似。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。接下来，我们看看主程序里面的 main 函数如下： int main(void) { u8 t=0; HAL_Init(); //初始化 HAL 库 Stm32_Clock_Init(96,4,2,4); //设置时钟,96Mhz delay_init(96); //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); } } 该 main 函数比较简单，TPAD_Init(6)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。这里还要提醒一下大家，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。至此，我们的软件设计就完成了。 16.4 下载验证在完成软件设计之后，将我们将编译好的文件下载到 NANO STM32F4 V1 上，可以看到 DS0 慢速闪烁，此时，我们用手指触摸开发板上的 TPAD（右下角的白色头像），就可以控制 DS5 的亮灭了。不过你要确保 TPAD 和 ADC 的跳线帽连接上了哦！如图 16.4.1 所示：图 16.4.1 触摸区域和跳线帽短接方式示意图同时大家可以打开串口调试助手，每次复位的时候，会收到 tpad_default_val 的值，一般为 15 左右。 4
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