触摸按键输入检测

实验目的

• 掌握STM32 GPIO输入检测原理。
• 掌握触摸按键检测电路的设计：触摸芯片的工作原理。
• 掌握触摸按键检测的程序设计及算法。

实验内容

• 编写程序实现对触摸按键的检测。

硬件电路设计

开发板触摸按键硬件电路

触摸按键是电路中常用的一种开关元器件，也是一种常用的人机接口。因触摸按键具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于操作等优点，而得到广泛的应用。

根据工作原理不同，触摸按键可以分为四大类：电阻式、电容式、红外线式和表面声波式。电阻式、红外线式和表面声波式触摸按键主要应用于触摸屏上，单个按键很少使用。

IK-ZET6开发板上设计了1个电容式触摸按键，该触摸按键电路采用专门触摸按键检测芯片JR223B，检测电路如下图。

图1：开发板触摸按键检测电路

• 1个触摸按键占用的单片机的引脚如下表：

表1：触摸按键引脚分配

• 注：独立GPIO表示开发板没有其他的电路使用这个GPIO。

触摸按键检测IC

JR223B是电容式单键触摸按键IC，电压输入范围为2.0V~5.5V。JR223B利用操作者的手指与触摸按键焊盘之间产生电荷电平来进行检测，通过监测电荷的微小变化来确定手指接近或者触摸到感应表面。没有任何机械部件，不会磨损，其感测部分可以放置到任何绝缘层（通常为玻璃或塑料材料）的后面，很容易制成与周围环境相密封的键盘。

下面介绍下JR223B电容式单键触摸芯片的引脚图和引脚定义。

图2：触摸芯片引脚图

表2：触摸芯片引脚定义

• SLH引脚用于设置JR223B的输出方式。

1) SLH = 0：触摸时，JR223B的OUT引脚输出高电平，即高电平有效。

2) SLH = 1：触摸时，JR223B的OUT引脚输出地电平，即低电平有效。

• STG引脚用于设置JR223B的工作模式。

1) STG = 0：JR223B工作在LEVEL Hold模式。

2) STG = 1：JR223B工作在ON/OFF模式。

表3：触摸芯片模式输出控制

• 灵敏度调节：

1) 触摸芯片S0引脚上会外接一个外部电容，该电容称为灵敏度调节电容。

2) 可通过选择不同容值的灵敏度调节电容实现对触摸灵敏度的调节。

3) 灵敏度调节电容的容值必须在(0~50pF)范围内。

4) 灵敏度调节电容的容值越大，灵敏度就越低，感应面板的厚度就越薄，反之，灵敏度调节电容的容值越小，灵敏度就越高，感应面板的厚度就越厚。

• 触摸芯片供电：触摸芯片VDD引脚供电需稳定，必要时可加LDO芯片实现。

选择哪种模式输出控制方式

用户可以根据自己项目应用的需要，来设置触摸芯片的STG和SLH引脚，实现对触摸芯片模式输出控制的选择。艾克姆科技IK-ZET6开发板将触摸芯片的STG和SLH引脚均通过下拉电阻置低，这样，触摸时，JR223B的OUT引脚输出高电平，不触摸时，JR223B的OUT引脚输出高电平。这样设计的原因是：

• 实现触摸按键的输出和轻触按键的电路输出刚好是反的，作为开发板，要方便用户测试，2种不同类型的输出方式更方便我们使用，另外在后续的实验中我们我们还会用到按键信号的上升沿和下降沿，这时就可以通过轻触键和触摸按键来获取，而不需要另外接线。
• 选择LEVEL Hold模式，可保证单片机对触摸按键的检测引脚电平是恒定的，有利于检测。
• 注：开发板轻触按键电路是按键按下时，电路输出低电平，无按键按下时电路输出高电平。

软件设计

GPIO寄存器汇集

STM32F103提供了10个用于操作GPIO的寄存器，如下表所示：

表4：GPIO相关寄存器

• 注：x取值：A、B、C、D、E、F、G ， y取值：1、2、3、4。

每一种寄存器详细的描述在这里不做具体的介绍，大家可以参考目录：“第1部分：开发板硬件资料”--->“2 - 芯片资料”中“STM32英文参考手册_V15”或“STM32中文参考手册_V10”对应的GPIO章节的寄存器部分认真研读。

GPIO库函数版本编写程序

官方提供的最终库函数版本是V3.5版本，该版本库函数提供了17个与GPIO操作有关的库函数，如下表所示：

表5：GPIO相关库函数汇集

• 注：x取值：A、B、C、D、E、F、G 。

每一种寄存器详细的描述在这里不做具体的介绍，大家可以参考目录：“第1部分：开发板硬件资料”--->“2 - 芯片资料”中“STM32固件库使用手册的中文翻译版”对应的GPIO章节的库函数部分认真研读。

触摸按键的输入检测

• 注：本节对应的实验源码是：“实验4：触摸按键输入检测”。

工程需要用到的库文件

在使用库函数建“实验4：触摸按键输入检测”工程时，需要用到的c文件如下表所示。

表6：实验需要用到的C文件

• 注：所建工程必须添加上面c文件。

可按下图所示在新建工程时添加需要的c文件。

图3：在新建工程中添加所需库函数c文件

表7：实验需要用到的H文件

• 注：所建工程必须添加上面h文件所在的目录：..\..\ Lib\ F10x_FWLIB\ inc。

在使用该实验工程时，需要用到的h文件如表5所示。需要在MDK中点击魔术棒，打开工程配置窗口，按照下图所示添加头文件包含路径。

图4：如何添加头文件包含路径

编写代码

首先是调用库函数完成用户指示灯D1和触摸按键的初始化配置，初始化代码如下。

代码清单：初始化用户指示灯D1的GPIO引脚

1. /***************************************************************************
2. * 描 述 : 初始化单片机控制D1的引脚PG6，并将D1的初始状态设置为熄灭
3. * 参 数 : 无
4. * 返回值 : 无
5. **************************************************************************/
6. void led_init(void)
7. {
8. //定义IO初始化配置结构体
9. GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
10. //打开PG端口时钟
11. RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOG, ENABLE);
12. //配置的IO是PG6
13. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
14. //配置为通用推挽输出
15. GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
16. //IO口速度为50MHz
17. GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
18. //调用库函数GPIO_Init()配置IO
19. GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);
20. //设置D1初始化状态为熄灭
21. GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_6);
22. }

代码清单：初始化触摸按键的GPIO引脚

1. /***************************************************************************
2. * 描 述 : 初始化单片机检测触摸按键的引脚PE1
3. * 参 数 : 无
4. * 返回值 : 无
5. **************************************************************************/
6. void touchkey_init(void)
7. {
8. //定义IO初始化配置结构体
9. GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
10. //打开PE端口时钟
11. RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE);
12. //配置的IO是PE1
13. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
14. //配置为上拉输入
15. GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
16. //调用库函数GPIO_Init()配置IO
17. GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);
18. }

然后，在主函数中加入对触摸按键GPIO口PE1检测的函数，一旦检测到PE1为高电平，先软件上进行按键消抖设计，再将用户指示灯D1点亮。若人手不触摸触摸按键，则检测到PE1为低电平，则将用户指示灯D1熄灭。

代码清单：主函数

1. int main(void)
2. {
3. //初始化用于驱动指示灯D1的引脚PG6
4. led_init();
5. //初始化用于检测触摸按键的引脚PE1
6. touchkey_init();
7. 
   
8. //主循环
9. while(1)
10. {
11. //调用库函GPIO_ReadInputDataBit()检测触摸按键对应引脚PE1的电平是否为低电平
12. //（可参考开发板原理图易知当手指触摸触摸按键感应区域时，PE1会有高电平信号）
13. if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_1) == 1 )
14. {
15. //软件延时10ms，如果延时后按键S1的电平依然没有变化，说明按键确实被有效操作，简称按键防抖动
16. sw_delay_ms(10);
17. //检测触摸按键对应引脚PE1的电平依然为低电平，即手指触摸触摸按键
18. if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_1) == 1 )
19. {
20. //驱动LED指示灯D1的引脚(PG6)输出低电平，即点亮D1
21. GPIO_ResetBits(GPIOG,GPIO_Pin_6);
22. //等待触摸按键释放，即如果PE1一直为高电平，会一直执行空命令
23. while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_1) == 1 )
24. {
25. ; //条件GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE,GPIO_Pin_1) == 1成立，会执行这个空命令
26. }
27. //触摸按键释放，会执行下一行语句，即驱动LED指示灯D1的引脚(PG6)输出高电平，熄灭D1
28. GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_6);
29. }
30. }
31. }
32. }

实验步骤

1. 解压“…\第3部分：标准库教程和实验源码\ 1 - 基础实验程序\”目录下的压缩文件“实验4：触摸按键输入检测”，将解压后得到的文件夹拷贝到合适的目录，如“D\STM32F103ZET6”。
2. 启动MDK5.23。
3. 在MDK5中执行“Project→Open Project”打开“…\ TOUCH_KEY \projec”目录下的工程“TOUCH_KEY.uvproj”。
4. 点击编译按钮编译工程。注意查看编译输出栏，观察编译的结果，如果有错误，修改程序，直到编译成功为止。编译后生成的HEX文件“TOUCH_KEY.hex”位于工程目录下的“Objects”文件夹中。
5. 点击下载按钮下载程序。如果需要对程序进行仿真，点击Debug按钮，即可将程序下载到STM32F103ZET6中进行仿真。
6. 程序运行后，可观察到用手触摸开发板右下角的触摸按键对应用户指示灯D1状态会亮，否则用户指示灯D1状态会灭。