esp32 触摸中断 esp32触摸传感器

转载

mob64ca1407d5aa 2024-03-26 06:25:16

文章标签 esp32 触摸中断嵌入式 #define 初始化 #include 文章分类 架构后端开发

触摸传感器

文章目录

触摸传感器

1. 触摸传感器简介

1.1 触摸传感器结构
1.2 触摸传感器原理
1.3 触摸传感器的灵敏度优化
1.4 esp32检测过程

2. 触摸传感器框图剖析

2.1 触发源
2.2 触摸传感器控制器
2.3 触摸传感器执行器
2.4 处理器

3. 触摸传感器配置流程

3.1 触摸传感器初始化
3.2 配置触摸传感器参数

3.2.1 配置触发模式
3.2.2 设置充放电参数
3.2.4 设置IIR滤波器
3.2.5 载入配置

3.3 配置相关的gpio
3.4 配置触发阈值
3.5 配置相关中断

4. 触摸传感器实验

4.1 脉冲读取实验

4.1.1 实验目的
4.1.2 软件设计

4.2 基于轮询的触摸按键检测实验

4.2.1 实验目的
4.2.2 硬件设计
4.2.3 软件设计

4.2.3.1 定义相关的宏
4.2.3.2 定义相关的数据结构体
4.2.3.4 触摸传感器的使能函数
4.2.3.3 触摸传感器的配置
4.2.3.4 按键状态监测
4.2.3.5 主函数

4.2.4 完整代码

4.2.4.1 bsp_touch.h
4.2.4.2 bsp_touch.cpp
4.2.4.4 main

5.参考资料

1. 触摸传感器简介

关于触摸传感器原理非常详细的介绍可以看官方的文章，“ESP32 触摸传感器应用方案简介”。这里做简要讲解。

1.1 触摸传感器结构

我们先来看触摸传感器的结构^[3]。

esp32 触摸中断 esp32触摸传感器_#include

典型的触摸传感器结构包括: 保护层、触摸电极、绝缘基板、走线

保护层:保护层位置处在触摸电极的上层，必须是绝缘的，起到保护电极的作用。但是保护层也会使得触摸灵敏度下降
触摸电极：触摸电极与gnd形成电容，这个电容量用于指示电极有没有被触摸。
绝缘基板：绝缘基板主要对触摸电极起支撑作用
走线：走线会引入干扰和寄生电容，在pcb设计的时候，走线一定要尽可能的短。

1.2 触摸传感器原理

我们知道一个显而易见的道理，就是在充电电流一定的情况下，给电容充电到相同电压，电容容量越大，充电时间越长。其实触摸传感器就是利用这个原理设计的。

我们需要了解的是，构成触摸传感器电容量的要素有那些^[3]：

esp32 触摸中断 esp32触摸传感器_#include_02

电容组成	说明
C_ground	触摸电路参考地和大地之间的电容
C_componet	ESP32 内部寄生电容
C_trace	走线与电路参考地之间的寄生电容
C_electrode	触摸电极与电路参考地之间的寄生电容
C_touch	手指与触摸电极所形成的相对于大地的触摸电容

这其中起到最主要作用的就是触摸电极和参考地之间的电容。当手指触摸到触摸电极的时候，手指与触摸电极之间也会形成电容，增大了触摸电极处的整体电容量。这样的话，对触摸电极进行充电的时候，充电时间就会变长。

esp32 触摸中断 esp32触摸传感器_初始化_03

图A是无手指触摸的充电特性曲线，图B是有手指触摸的充电特性曲线。利用这个充电时间的长短，我们就可以判断触摸电极有没有被触摸

1.3 触摸传感器的灵敏度优化

同时，我们也注意到，影响触摸传感器灵敏度的决定性因素，其实就是触摸电容和寄生电容之间的相对大小。如果触摸电容相对较大，手指触摸以后，整体电容就有明显变化，充电时间也就有明显差异。

因此，如果要提高触摸按键的灵敏度，我们应该减少寄生电容，并且尽量增加触摸电容。

电容类型	组成	电容优化方向	优化方法
寄生电容 Cp	Ctrace + Celectrode + Ccomponet	减少	减少走线长度，优化 PCB 布局
触摸电容	Ctouch	增加	覆盖层与电极紧密贴合，选用介电常数大的覆盖层，减少覆盖层厚度，增大触摸电极的面积
固定电容	Cground	-	-

1.4 esp32检测过程

esp32的触摸传感器检测原理上，大致也是采取的上述原理。

esp32 触摸中断 esp32触摸传感器_esp32 触摸中断_04

当检测开始的时候，触摸传感器的引脚会产生一段时间的三角波，对触摸电极进行不断的充放电，然后esp32会把这段三角波每一个变化周期记录为一个脉冲，最后统计这段时间内产生的脉冲数量。如果手触摸的电极，充电时间变长，脉冲数会减少。因此，设定一个阈值，如果测定的脉冲数量小于阈值，就可认为电极被触摸了。

2. 触摸传感器框图剖析

esp32 触摸中断 esp32触摸传感器_嵌入式_05

触摸传感器可以分为四个功能模块

(1):触发源
(2):触摸传感器控制器
(3):触摸传感器执行器
(4):处理器

2.1 触发源

触摸传感器如果想要发出检测三角波，需要有一个触发源，告诉触摸传感器什么时候发出这个检测电波。

触发源包括硬件触发和软件触发。可以通过touch_pad_set_fsm_mode() 进行设置

硬件触发是指，启动一个定时器，每隔一段时间就自动发送一段检测电波。

软件触发是指，默认情况下不发送检测电波，只有运行touch_pad_read_raw_data() 等需要获取脉冲数的相关函数的时候，才会发送检测电波进行触摸检测。

2.2 触摸传感器控制器

触摸传感器控制器的主要功能是使能相应的触摸传感器，并且对产生的三角波特性进行配置。包括：

使能相应的控制器及引脚
设定每次发送检测电波的持续时间
设定触摸传感器的触发阈值
设定输出检测电波的电压范围
与下游执行器发送指令与交互数据

2.3 触摸传感器执行器

执行器主要完成的任务是，当接收到控制器传输来的检测电波发送命令的时候，按照控制器的设定，进行输出。同时，对输出的电平进行测量，记录产生的脉冲数量，然后把数据返回给控制器

2.4 处理器

处理器主要是处理控制器产生的请求，包括

脉冲计数达到阈值的时候产生的中断请求
触摸传感器产生的cpu唤醒请求。

3. 触摸传感器配置流程

3.1 触摸传感器初始化

//初始化传感器驱动程序
	touch_pad_init();

3.2 配置触摸传感器参数

3.2.1 配置触发模式

//设置硬件触发
touch_pad_set_fsm_mode(TOUCH_FSM_MODE_TIMER);

3.2.2 设置充放电参数

//设置充电门限，必须设置
touch_pad_set_voltage();

//设置充电速率，非必须
 touch_pad_set_cnt_mode();
 
 //设置测量时间，非必须
 touch_pad_set_meas_time();

充电门限

用户可以设置触摸传感器内部电路充放电的电压门限、高电压衰减值（HATTEN）。门限的范围越小，脉冲计数值越大。但门限过小会导致读数的稳定性变差。选择合适的门限电压可以提高读数的稳定性。

下图是示波器抓取某一触摸管脚上的充放电电压波形，不同的电压参数的对比。

电压参数为：refh = 2.4V, refl = 0.8V, atten = 0V。

esp32 触摸中断 esp32触摸传感器_esp32 触摸中断_06

电压参数为：refh = 2.4V, refl = 0.8V, atten = 0.5V。

esp32 触摸中断 esp32触摸传感器_#include_07

可以看到，高电压衰减使得能够达到的最大值减小了。

不同电压值对稳定性和灵敏度有一定的影响，门限电压范围越大，系统抗干扰能力越强。电压值建议选择 (refh = 2.7V, refl = 0.5V, atten = 0V) 或者 (refh = 2.4V, refl = 0.8V, atten = 0V) 组合。
如果高电压门限在供电电源允许范围内，衰减值应设置为 0V。

测量时间

esp32 触摸中断 esp32触摸传感器_#define_08

充电速率

充电速率是通过调节充电电流大小进行调整的。高的充放电电流会增加抗干扰能力，建议选择 TOUCH_PAD_SLOPE_7。

3.2.4 设置IIR滤波器

touch_pad_filter_start(10);

ESP32 触摸传感器驱动包含无限脉冲响应滤波器（IIR）功能，用户可以使用此接口读取滤波之后的脉冲计数值。IIR 产生与 RC 滤波器相类似的阶跃响应。 IIR 滤波器能够衰减高频噪声成分，并忽略低频信号。下图是手指触摸响应的波形。

用户可以通过 API 设置 IIR 滤波器的采样周期。周期越大读数稳定性越高，相应的也会产生延迟。建议滤波周期的范围 10 ms~25 ms。下图是采样周期设置成 10 ms 与 20 ms 的滤波效果和延迟的对比图。黄色是滤波之后的读数，红色是没有经过滤波的读数。

IIR 滤波周期：10 ms

esp32 触摸中断 esp32触摸传感器_esp32 触摸中断_09

IIR 滤波周期：20 ms

esp32 触摸中断 esp32触摸传感器_嵌入式_10

下面两个图分别是 10 ms 和 20 ms 滤波周期滤波效果的对比图，黄色是滤波之后的读数。

IIR 滤波周期：10 ms

esp32 触摸中断 esp32触摸传感器_#include_11

IIR 滤波周期：20 ms

esp32 触摸中断 esp32触摸传感器_#include_12

值得说明的是，如果开启了滤波，数据的读取函数是

touch_pad_read_filtered(); //读取滤波后的数据
touch_pad_read_raw_data(); //读取原始的数据

没开启滤波使用

touch_pad_read();

3.2.5 载入配置

touch_pad_config(channel, 0);

如果这里第二个数字写的不是0，就是配置了触发阈值，如果不想在这里配置，可以写0，然后后面再进行配置

3.3 配置相关的gpio

把gpio配置为输出模式

gpio_pad_select_gpio(gpio);
gpio_set_direction(gpio, GPIO_MODE_OUTPUT);

需要注意的是，触摸传感器的通道与gpio是绑定的，必须对应使用。

触摸传感器通道	管脚
T0	GPIO4
T1	GPIO0
T2	GPIO2
T3	MTDO
T4	MTCK
T5	MTDI
T6	MTMS
T7	GPIO27
T8	32K_XN
T9	32K_XP

3.4 配置触发阈值

触发阈值在后面设定的原因是，有时候，不同的产品设计出来以后，触发阈值可能与较大的差异，可以采用自适应的方法设定阈值。就是在启动后，读取没有触摸的脉冲数量，然后再取其2/3作为触发阈值

//读取初始化没有触摸时候的脉冲数
	uint16_t value;
	
	touch_pad_read_filtered(Touch_Channel, &value);
	

	//这个脉冲数的2/3作为阈值
	Threshold = value * 2 / 3;

如果要使用中断的话，通过
touch_pad_set_thresh() 配置触发阈值

3.5 配置相关中断

中断的配置方法就是

配置中断阈值 touch_pad_config()或touch_pad_set_thresh()
配置中断模式touch_pad_set_trigger_mode()
写中断服务函数
载入中断服务函数touch_pad_isr_register()
使能中断 touch_pad_intr_enable()

不过，触摸传感器的中断使用下来感觉不怎么好用。主要原因是，只要你的手在传感器上，就会不断的触发中断，不太好控制。就比如如果要用这个控制led的话，没有办法很好的控制led亮灭。

4. 触摸传感器实验

4.1 脉冲读取实验

4.1.1 实验目的

读取触摸传感器的脉冲数。

4.1.2 软件设计

这个实验中，不使用中断，因此也不需要配置触发阈值

#include "driver/gpio.h"
#include "driver/touch_pad.h"

uint16_t value;
void setup() {
	touch_pad_init(); //初始化传感器驱动程序
	touch_pad_set_voltage(TOUCH_HVOLT_2V7, TOUCH_LVOLT_0V5, TOUCH_HVOLT_ATTEN_0V); 
	
	touch_pad_set_fsm_mode(TOUCH_FSM_MODE_TIMER);//设置为硬件触发
	touch_pad_config(TOUCH_PAD_NUM0, 0); //不使用中断，因此也不需要设置阈值
	touch_pad_filter_start(10); //设置IIR滤波器
	uint16_t value;
	while (1)
	{
	
	
		
		touch_pad_read_raw_data(TOUCH_PAD_NUM0, &value);  //读取原始数据
		printf("raw data = %d\n", value);
		touch_pad_read_filtered(TOUCH_PAD_NUM0, &value); //读取滤波后的数据
		printf("IIR data = %d\n", value);
		vTaskDelay(10 / portTICK_PERIOD_MS);
		
		
	}
	
}


void loop() {
	


}

4.2 基于轮询的触摸按键检测实验

4.2.1 实验目的

因为感觉触摸传感器的中断不是非常好用，所以这里实现了一个基于轮询的led开关控制的实验。

4.2.2 硬件设计

使用esp32开发板上gpio2带的led进行实验。采用gpio4(touch0)进行触摸检测，并且把gpio4用杜邦线引出。

主要现象就是，手触碰gpio4的时候，led亮灭状态会进行翻转。

4.2.3 软件设计

4.2.3.1 定义相关的宏

//定义触摸按键序号
#define Touch0  0
#define Touch1  1
#define Touch2  2
#define Touch3  3
#define Touch4  4
#define Touch5  5
#define Touch6  6
#define Touch7  7
#define Touch8  8
#define Touch9  9


//定义触摸按键的GPIO
#define T0 GPIO_NUM_4
#define T1 GPIO_NUM_1
#define T2 GPIO_NUM_2
#define T3 GPIO_NUM_15
#define T4 GPIO_NUM_13
#define T5 GPIO_NUM_12
#define T6 GPIO_NUM_14
#define T7 GPIO_NUM_27
#define T8 GPIO_NUM_33
#define T9 GPIO_NUM_32


//定义触摸按键的通道
#define Touch_Channel0  TOUCH_PAD_NUM0
#define Touch_Channel1  TOUCH_PAD_NUM1
#define Touch_Channel2  TOUCH_PAD_NUM2
#define Touch_Channel3  TOUCH_PAD_NUM3
#define Touch_Channel4  TOUCH_PAD_NUM4
#define Touch_Channel5  TOUCH_PAD_NUM5
#define Touch_Channel6  TOUCH_PAD_NUM6
#define Touch_Channel7  TOUCH_PAD_NUM7
#define Touch_Channel8  TOUCH_PAD_NUM8
#define Touch_Channel9  TOUCH_PAD_NUM9

4.2.3.2 定义相关的数据结构体

//定义相关的存储数据结构
gpio_num_t		Touch_Gpio[10] ={T0,T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8,T9}; //引脚
touch_pad_t		Touch_Channel[10] ={Touch_Channel0,Touch_Channel1,Touch_Channel2,Touch_Channel3,Touch_Channel4,Touch_Channel5,Touch_Channel6,Touch_Channel7,Touch_Channel8,Touch_Channel9}; //通道
uint16_t		Threshold[10] = { 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0 }; //用来存储阈值

4.2.3.4 触摸传感器的使能函数

/**
*  @brief 开启触摸按键功能
**/
void touch_init()
{
	//初始化传感器驱动程序
	touch_pad_init();
}

4.2.3.3 触摸传感器的配置

/**
*  @brief 配置触摸按键通道，一共T0-T9 10个通道，这里只定义了T0和T7
*  @param[in] Touchx: Touch[0..9] 使用第几个触摸按键
**/
void touch_config(uint8_t Touchx)
{
	touch_mode_config(Touchx); //初始化触摸按键
	touch_gpio_config(Touchx); //初始化相关的gpio
	touch_thresh_config(Touchx); //初始化阈值

}

4.2.3.4 按键状态监测

/**
*  @brief 检测触摸按键是否被按键
*  @param[in] Touchx: Touch[0..9] 使用第几个触摸按键
*  @retval true:按下  false:没有按下
**/
bool touch_state(uint8_t Touchx)
{
	//用轮询的方法进行检测
	uint16_t value;
	touch_pad_read_filtered(Touch_Channel[Touchx], &value);
	if (value < Threshold[Touchx])
	{
		vTaskDelay(2/ portTICK_PERIOD_MS);
		touch_pad_read_filtered(Touch_Channel[Touchx], &value);
		if (value < Threshold[Touchx])
		{
			while (value < Threshold[Touchx])
			{
				touch_pad_read_filtered(Touch_Channel[Touchx], &value);
			}

			return true;
		}
		
			
		
	}

	return false;
}

4.2.3.5 主函数

void setup() {

	//01 初始化led
	led_init(); 

	//02 初始化触摸按键
	touch_init();
	touch_config(Touch0);



	while (1)
	{
	
		if (touch_state(Touch0) == true)
		{
			led_toggle();
			
		}
	}
}

4.2.4 完整代码

4.2.4.1 bsp_touch.h

#ifndef _BSP_TOUCH_H_
#define _BSP_TOUCH_H_

#include <stdio.h>
#include "driver/gpio.h"
#include "driver/touch_pad.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"


//定义触摸按键序号
#define Touch0  0
#define Touch1  1
#define Touch2  2
#define Touch3  3
#define Touch4  4
#define Touch5  5
#define Touch6  6
#define Touch7  7
#define Touch8  8
#define Touch9  9


//定义触摸按键的GPIO
#define T0 GPIO_NUM_4
#define T1 GPIO_NUM_1
#define T2 GPIO_NUM_2
#define T3 GPIO_NUM_15
#define T4 GPIO_NUM_13
#define T5 GPIO_NUM_12
#define T6 GPIO_NUM_14
#define T7 GPIO_NUM_27
#define T8 GPIO_NUM_33
#define T9 GPIO_NUM_32


//定义触摸按键的通道
#define Touch_Channel0  TOUCH_PAD_NUM0
#define Touch_Channel1  TOUCH_PAD_NUM1
#define Touch_Channel2  TOUCH_PAD_NUM2
#define Touch_Channel3  TOUCH_PAD_NUM3
#define Touch_Channel4  TOUCH_PAD_NUM4
#define Touch_Channel5  TOUCH_PAD_NUM5
#define Touch_Channel6  TOUCH_PAD_NUM6
#define Touch_Channel7  TOUCH_PAD_NUM7
#define Touch_Channel8  TOUCH_PAD_NUM8
#define Touch_Channel9  TOUCH_PAD_NUM9



//函数声明
void touch_init(); //初始化触摸按键
void touch_config(uint8_t Touchx); //配置触摸按键
bool touch_state(uint8_t Touchx); //使用轮询的方法检测按键是否被按键
#endif

4.2.4.2 bsp_touch.cpp

#include "bsp_touch.h"




//定义相关的存储数据结构
gpio_num_t		Touch_Gpio[10] ={T0,T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8,T9}; //引脚
touch_pad_t		Touch_Channel[10] ={Touch_Channel0,Touch_Channel1,Touch_Channel2,Touch_Channel3,Touch_Channel4,Touch_Channel5,Touch_Channel6,Touch_Channel7,Touch_Channel8,Touch_Channel9}; //通道
uint16_t		Threshold[10] = { 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0 }; //用来存储阈值


//设置触摸按键模式
static void touch_mode_config(uint8_t Touchx)
{
	

	//01 设置检测电压范围0-2.7V
	touch_pad_set_voltage(TOUCH_HVOLT_2V7, TOUCH_LVOLT_0V5, TOUCH_HVOLT_ATTEN_0V);

	//02 设置触发模式是硬件定时器触发
	touch_pad_set_fsm_mode(TOUCH_FSM_MODE_TIMER);

	//03 载入配置,设置阈值0就是不设置中断
	touch_pad_config(Touch_Channel[Touchx], 0);

	//04 开启滤波器，如果不开滤波器，读取脉冲数方法不一样
	touch_pad_filter_start(10); 

}

//设置触摸按键相关的gpio
static void touch_gpio_config(uint8_t Touchx)
{
	gpio_pad_select_gpio(Touch_Gpio[Touchx]);
	gpio_set_direction(Touch_Gpio[Touchx], GPIO_MODE_OUTPUT);
}

//设置触摸按键的检测阈值
//手摸按键周期会变长，脉冲数会减少
static void touch_thresh_config(uint8_t Touchx)
{
	//读取初始化没有触摸时候的脉冲数
	uint16_t value;
	
	touch_pad_read_filtered(Touch_Channel[Touchx], &value);
	

	//这个脉冲数的2/3作为阈值
	Threshold[Touchx] = value * 2 / 3;

	
}

/**
*  @brief 开启触摸按键功能
**/
void touch_init()
{
	//初始化传感器驱动程序
	touch_pad_init();
}


/**
*  @brief 配置触摸按键通道，一共T0-T9 10个通道，这里只定义了T0和T7
*  @param[in] Touchx: Touch[0..9] 使用第几个触摸按键
**/
void touch_config(uint8_t Touchx)
{
	touch_mode_config(Touchx); //初始化触摸按键
	touch_gpio_config(Touchx); //初始化相关的gpio
	touch_thresh_config(Touchx); //初始化阈值

}
/**
*  @brief 检测触摸按键是否被按键
*  @param[in] Touchx: Touch[0..9] 使用第几个触摸按键
*  @retval true:按下  false:没有按下
**/
bool touch_state(uint8_t Touchx)
{
	//用轮询的方法进行检测
	uint16_t value;
	touch_pad_read_filtered(Touch_Channel[Touchx], &value);
	if (value < Threshold[Touchx])
	{
		vTaskDelay(2/ portTICK_PERIOD_MS);
		touch_pad_read_filtered(Touch_Channel[Touchx], &value);
		if (value < Threshold[Touchx])
		{
			while (value < Threshold[Touchx])
			{
				touch_pad_read_filtered(Touch_Channel[Touchx], &value);
			}

			return true;
		}
		
			
		
	}

	return false;
}

4.2.4.4 main

#include "bsp_led.h"
#include "bsp_touch.h"

void setup() {

	//01 初始化led
	led_init(); 

	//02 初始化触摸按键
	touch_init();
	touch_config(Touch0);



	while (1)
	{
	
		if (touch_state(Touch0) == true)
		{
			led_toggle();
			
		}
	}
}

5.参考资料

[1] esp32 技术参考指南：29.2 电容式触摸传感器
[2] 触摸传感器
[3] ESP32 触摸传感器应用方案简介

本文章为转载内容，我们尊重原作者对文章享有的著作权。如有内容错误或侵权问题，欢迎原作者联系我们进行内容更正或删除文章。

上一篇：表里多个字段唯一索引一个表多个索引

下一篇：M2M终端是物联网感知控制层的哪个子层 m2m是物联网的关键技术

提问和评论都可以，用心的回复会被更多人看到评论

发布评论

相关文章

官方博客	全部文章	热门标签	班级博客
了解我们	网站地图	意见反馈

鸿蒙开发者社区	51CTO学堂
51CTO	软考资讯