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 ",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 ",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);