電容觸摸實驗

8.1 電容觸摸簡介

8.1.1 電容觸摸概述

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的機械按鍵正在逐步從設備上面消失，這個原因主要有機械按鍵由于是采用機械接觸的方式，壽命比較短，從用戶體驗上看，機械按鍵也顯得操作復雜，對比現(xiàn)在的電容按鍵，電容按鍵具有壽命長，因為不存在機械接觸，占用空間少，以前的機械按鍵在設計外殼的時候需要考慮尺寸，現(xiàn)在換成電容按鍵后這個問題不再需要考慮。

8.1.2 檢測原理

常規(guī)的檢測方式一般是通過計算電容放電時間來判斷是否有手指按下，這是因為手指會與線路板的銅箔接觸面上產(chǎn)生電容效應，當手指沒有放在銅箔上的時候，銅箔與PCB之間存在雜散電容，這兩個狀態(tài)的電容值差別很大，檢測原理如下圖所示。

在檢測之前首先用開關將電容Cs里面的電荷放盡，然后此時CPU開始計算Cs的充電時間，這一部分是采用捕捉信號來測量，盡管單片機屬于數(shù)字電路，但是數(shù)字電路的邏輯電平也是有電壓限制的，比如在3.3V供電環(huán)境下，當電壓大于2.4V則被認為是邏輯電平1，當電壓小于0.4V則被認為是邏輯電平0，單片機的輸入捕獲功能來判斷輸入信號的電平是否為邏輯電平1，如果檢測到邏輯電平1，則認為電容此時充電達到了2.4V以上，將這個時間記錄下來，當手指放在銅箔上的時候，相當于增加了Cs的容值，此時我們繼續(xù)進行輸入捕獲采樣，將這個捕獲的時間記錄下來，兩個時間求差值，這個差值高于某個閾值的時候就可以認為此時手指按下了電容按鍵，用這種方式就可以實現(xiàn)虛擬按鍵的使用了。這種檢測原理實際是采用了在電路分析中學習到的RC電路的零狀態(tài)響應來實現(xiàn)的。根據(jù)RC電路的零狀態(tài)響應可以得出電容的充電公式為

其中Vc表示電容的充電電壓，VDD為RC電路的輸入電壓，R為電阻的阻值，C為充電電容的容值，通過這個公式我們可以反推得到充點電容的容值。也就是說我們可以利用這個公式實現(xiàn)電容的測量。

8.1.3 預備知識

首先我們在進行電容觸摸檢測的時候需要用到STM32的輸入捕獲功能，從這一章開始，關于寄存器文件的添加，驅(qū)動文件的添加不再作為重點，重點開始轉(zhuǎn)為程序的編寫及小算法的編寫。

   輸入捕獲的工作原理如下圖所示。

首先設置定時器的輸入通道為上升沿捕獲，檢測到上升沿之后，將計數(shù)寄存器CNT中的數(shù)據(jù)存儲在CCRx1中并清空CNT的數(shù)據(jù)，然后設置定時器的輸入通道為下降沿捕獲，檢測到下降沿后將計數(shù)寄存器CNT中的數(shù)據(jù)存儲在CCRx2中并清空CNT的數(shù)據(jù)，此時將CCRx2的值與CCRx1的值做差值就可以得到1個波形中高電平的時間，由于這兩個數(shù)值獲取的過程中，會由于高電平時間過長導致定時器產(chǎn)生多次中斷，這個多次中斷的值記為N，此時高電平的時間計算公式如下所示：

其中M為定時器的計數(shù)周期，N為定時器的溢出次數(shù)，ARR為自動重裝載計數(shù)器的值，CCRx2為捕獲到的數(shù)據(jù)。

8.2 常用寄存器

8.2.1 捕獲/比較寄存器1：TIMx_CCMR1

ICxF[3:0]：輸入捕獲x濾波器（定義輸入采樣頻率及數(shù)字濾波器長度）

ICxPSC[1:0]：輸入/捕獲x預分頻器（一旦CCxE=0，則預分頻器復位）

00：每1個事件觸發(fā)一次捕獲

   01：每2個事件觸發(fā)一次捕獲

   10：每4個事件觸發(fā)一次捕獲

   11：每8個事件觸發(fā)一次捕獲

CCxS[1:0]：捕獲/比較x選擇（用于定義通道x輸入還是輸出）

00：輸出模式

   01：輸入模式，映射在TI1上

   10：輸入模式，映射在TI2上

   11：輸入模式，映射在TRC上，此模式引用于內(nèi)部觸發(fā)器輸入被選中時

8.2.2 捕獲/比較使能寄存器：TIMx_CCER

CCxP：輸入/捕獲x輸入/輸出極性

通道在輸出模式下

0：高電平有效

   1：低電平有效

通道在輸入模式下

0：不反相，上升沿觸發(fā)

   1：反相，下降沿觸發(fā)

CCxE：輸入/捕獲x輸入/輸出使能

通道在輸出模式下

0：關閉輸出

   1：開啟輸出

通道在輸入模式下

0：禁止捕獲

   1：使能捕獲

8.3 電容觸摸例程

現(xiàn)在PA1端口接一個觸摸按鍵（一塊銅箔），利用PA1的觸摸按鍵控制PA0端口的LED狀態(tài)，按下時LED點亮，抬起時LED熄滅。

（1）新建基礎工程，并創(chuàng)建tpad.c，tpad.h，led.c和led.h文件，并導入工程，如下圖所示。

（2）在tpad.h文件內(nèi)添加以下代碼。

（3）在led.h文件內(nèi)添加以下代碼

（4）在led.c文件中添加以下代碼

（5）在tpad.c文件內(nèi)添加以下代碼

#include "tpad.h"
#include "delay.h"
/***************************************************
Name    :TPAD_Get_Value
Function  :觸摸按鍵值獲取
Paramater  :None
Return    :獲取的充電時間
***************************************************/
u16 TPAD_Get_Value()
{
  //電容放電
  GPIOA->CRL &= 0xFFFFFF0F ;          //PA1輸入
  GPIOA->CRL |= 0x00000030 ;          //推挽輸出
  GPIOA->ODR &= ~( 1<<1 ) ;          //輸出低電平放電
  delay_ms( 5 ) ;
  TIM5->SR = 0 ;                //清除標記
  TIM5->CNT = 0 ;                //歸零
  GPIOA->CRL &= 0xFFFFFF0F ;          //PA1輸入
  GPIOA->CRL |= 0x00000040 ;          //浮空輸入
  //等待捕獲上升沿
  while( ( TIM5->SR&0x04 )==0 )
  {
    if( TIM5->CNT>( 65535-500 ) )
      return TIM5->CNT ;
  }
  return TIM5->CCMR2 ;
}
/***************************************************
Name    :TPAD_Get_MaxVal
Function  :觸摸按鍵最大值獲取
Paramater  :None
Return    :獲取的最大充電時間
***************************************************/
u16 TPAD_Get_MaxVal( u8 n )
{
  u16 temp=0;
  u16 res=0;
  while( n-- )
  {
    temp = TPAD_Get_Value() ;
    if( temp>res )
      res = temp ;
  }
  return res ;
}
/***************************************************
Name    :TPAD_Init
Function  :觸摸按鍵初始化
Paramater  :None
Return    :None
***************************************************/
TPADData TPAD_Data ;
void TPAD_Init()
{
  u16 buff[ 10 ], temp ;
  u8 i, j ;
  RCC->APB2ENR |= 1<<2 ;
  GPIOA->CRL &= 0xFFFFFF0F ;            //PA1 輸入
  GPIOA->CRL |= 0x00000040 ;            //浮空輸入
  RCC->APB1ENR |= 1<<3 ;              //TIM5時鐘開啟
  TIM5->ARR = 65535 ;
  TIM5->PSC = 5 ;
  TIM5->CCMR1 |= 1<<8 ;              //選擇輸入端IC2映射到TI2上
  TIM5->CCMR1 &= ~( 1<<12 ) ;            //采樣頻率8分頻
  TIM1->CCMR1 &= ~( 1<<10 ) ;            //配置輸入不分頻
  TIM5->CCER &= ~( 1<<5 ) ;            //上升沿捕獲
  TIM5->CCER |= 1<<4 ;                //允許捕獲功能
  TIM5->CR1 |= 1<<0 ;                //開啟定時器5
  //連續(xù)采樣10次
  for( i=0; i<10; i++ )
  {
    buff[ i ] = TPAD_Get_Value() ;
    delay_ms( 10 ) ;
  }
  //排序
  for( i=0; i<9; i++ )
  {
    for( j=i+1; j<10; j++ )
    {
      //升序排列
      if( buff[ i ]>buff[ j ] )
      {
        temp= buff[ i ] ;
        buff[ i ] = buff[ j ] ;
        buff[ j ] = temp ;
      }
    }
  }
  temp = 0 ;
  //獲取中間數(shù)據(jù)的均值
  for( i=2; i<8; i++ )
    temp += buff[ i ] ;
  TPAD_Data.value = temp/6 ;
}
/***************************************************
Name    :TPAD_Scan
Function  :觸摸按鍵掃描
Paramater  :None
Return    :None
***************************************************/
void TPAD_Scan()
{
  u16 rval ;
  rval = TPAD_Get_MaxVal( 3 ) ;
  if( rval>( TPAD_Data.value+100 ) )
    TPAD_Data.State = 1 ;              //手指按下
}

（6）在1.c文件內(nèi)添加主函數(shù)

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart1.h"
#include "led.h"
#include "tpad.h"
int main()
{
  STM32_Clock_Init( 9 ) ;                  //STM32時鐘初始化
  SysTick_Init( 72 ) ;                    //SysTick初始化
  USART1_Init( 72, 115200 ) ;                //初始化串口1波特率115200
  LED_Init() ;                      //LED初始化
  TPAD_Init() ;                      //觸摸按鍵初始化
  while( 1 )
  {
    TPAD_Scan() ;                    //觸摸按鍵掃描
    if( TPAD_Data.State==1 )
    {
      LED = 0 ;
      TPAD_Data.State = 0 ;
    }
    else
      LED = 1 ;
  }
}

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8.4 STM32工程管理

這里的總結是針對與之前所學的所有嵌入式內(nèi)容進行總結，隨著后續(xù)代碼越來越多，對于工程的管理顯得格外重要，不僅僅是采用本章節(jié)介紹的方法管理工程代碼，對于后續(xù)的Linux開發(fā)和操作系統(tǒng)移植也最好是按照固定的工程格式進行管理。

   對于STM32的工程可以劃分為以下幾個部分：

（1）過程文件以及最終生成的hex文件：這些文件通通放置在工程1級目錄下的OBJECT文件中，文件中的內(nèi)容如下圖所示。

圖中標注部分就是最終生成的hex文件，其他的文件均屬于過程文件，集成開發(fā)系統(tǒng)IDE編譯的實質(zhì)其實就是采用gcc交叉編譯器將我們編寫的代碼轉(zhuǎn)換成對應的機器代碼的過程，具體的步驟會在Linux系統(tǒng)移植中描述，這里只需要知道利用交叉編譯器進行編譯的時候會產(chǎn)生大量的鏈接文件和過程文件，這些文件統(tǒng)統(tǒng)放置在OBJECT目錄下。將工程文件中的過程文件放置在該目錄下的設置方式如下圖所示。

（2）主函數(shù)文件及主工程文件：在Keil中創(chuàng)建的工程，以及包括main函數(shù)的c文件都位于這個目錄內(nèi)。

圖中標注的3個文件都是必不可少的文件，帶有Keil圖標的文件就是工程文件，里面包含了整個工程所需的頭文件，文件路徑以及編譯器位置，文本文件圖標的則是c文件，main函數(shù)就放在這個位置，.s后綴的為匯編啟動文件，用于幫助芯片創(chuàng)建C代碼運行環(huán)境，初始化堆棧等功能，為了達到最快效率，所以采用匯編語言來編寫這個文件。

（3）自定義系統(tǒng)文件：自定義的系統(tǒng)文件位于SYSTEM目錄中，目錄內(nèi)有3個子目錄，分別是sys，delay和usart1，如下圖所示。

delay目錄：是利用SysTick時鐘來實現(xiàn)的延時功能，主要有毫秒級延時和微秒級延時；

usart1目錄：則是利用串口1來實現(xiàn)printf打印輸出的功能，主要用于調(diào)試數(shù)據(jù)的輸出；

sys目錄：是最基礎的工程文件，這個目錄內(nèi)有1個c文件和2個h文件，c文件主要實現(xiàn)STM32時鐘樹的配置和中斷系統(tǒng)的設置功能，是C函數(shù)中最重要的一個文件，stmxx.h文件則是最底層的寄存器定義文件，里面定義了STM32芯片內(nèi)部所有寄存器的地址和結構，通過C語言來調(diào)用這里面的寄存器實現(xiàn)芯片的控制功能。

（4）驅(qū)動文件：驅(qū)動文件位于HEADERWARE目錄中，用于存放項目所用到的驅(qū)動，比如之前實驗所用到的LED，KEY，TIM這些外設都屬于驅(qū)動文件內(nèi)容。

至此整個工程的目錄結構如下圖所示。