使用单片机设计一款功率测试仪

毕设介绍

USB功率测试器，可测试目前几乎所有协议的快充，短时最高功率160W，长时间最大功率120W。

题目要求

使用单片机设计一款功率测试仪，外观不限，要求可显示电压、电流、功率，且输入最大功率100W以上。不得抄袭，不得使用成品模块。

题目分析

题目要求设计一款功率测试仪，我选择设计一款使用USB接口的可测试手机快充的功率计，具有一定便携性。

设计方案

 

原理图设计说明

降压电路

降压部分为MCU、INA220、OLED屏等提供3.3V电源，由于整个系统消耗的电流最大不会超过60mA，低负载下普通的DC-DC变换器效率较低，所以最好选择带burst、skip、pfm等轻载节能功能的芯片，这里用的是立创商城买的RY9320AT6，上/下管内阻100/50mΩ，频率500k，正常工作是PSM模式，轻载进入PFM模式。

实测5V供电时只需要从VUBS获取9mA电流，而在大部分快充的9-12V区间只需要4mA左右电流，大大降低了测量误差。

电压电流采样

INA220电源添加一颗去耦电容。A0、A1接地设置地址。

接口部分

A口使用5PIN定制接口，用于测试小米、OPPO的快充以及QC等使用普通A口的快充，Type-C接口主要用于测试PD快充。

这种A口实际上是把USB3.0的GND脚复用成了私有协议的识别脚，并且VBUS和GND加宽。

理论上直接用USB3.0接口也能识别，但USB3.0接口过不了太大电流有风险。

Type-C直接立创商城找个大电流的就行，注意不要用只有6PIN的那种“大电流”，因为少一对VBUS和GND。

快充诱骗

本设计带有简单的QC快充诱骗功能，可以当简易调压电源用。

QC2.0、QC3.0协议需要0、0.6V、3.3V三个电压，可以直接使用IO口模拟实现。

QC2.0支持5V、9V、12V、20V四个档位，其中20V档位只有极少数支持QC2.0 ClassB的充电头才支持，这也是后面演示视频中无法诱骗QC2.0 20V的原因。

QC3.0支持以200mV为步长进行连续调压，可输出4.4-20V。大部分30W以上的小米的快充头QC3.0都能支持到20V，这是为了给自家无线充电器供电。

串口下载

串口下载使用CH340K，使用RTS与DTR实现一键下载。

其实CH340K不要也行，调试的时候从板子上飞三根线下来接到CH340模块上，调试完再把飞线移除。

主控

主控使用stm32g030f6p6，体积小，性能较高。

OLED屏

屏幕的原理图直接按照驱动芯片ssd1315的datasheet推荐设计来画。

eeprom

用于存储记录到的电压电流、曲线，用不到这个功能可以不加。

 

PCB设计说明

PCB使用四层板，四层板拥有更强的抗干扰能力，而且可以降低布线难度。

VBUS开窗挂锡以增大载流。

采样电阻布线使用开尔文接法。

OLED屏放在另一块板上，与主板通过FFC排线连接。

3D外壳已经打印，奈何疫情原因，快递无法派送，导致后续实物展示里没有外壳。

软件说明

IDE使用STM32CubeIDE,固件库使用HAL库，初始化代码使用STM32CubeMX生成。

全部代码在附件里，这里仅展示局部。

注意事项

第一次使用STM32G0芯片要谨防变砖！！

因为G0的启动方式默认不是由boot0引脚决定的，而是由内部nboot0 bit寄存器决定的，其默认值是1，如果到手直接往里烧一段程序就没法从System memory启动了。

要先使用STM32CubeProgrammer将OpTIon bytes-User ConfiguraTIon中nBOOT_SEL的勾去掉。这有点类似AVR单片机的配置熔丝。

除功率检测和快充诱骗，还提供了屏幕亮度调整和简单的电压、电流曲线记录的功能。 

演示视频

从左往右第一个按键是选择键；第二三个是上、下键；最后一个是附加功能键，在主界面可以临时开/关显示，防止长时间测量造成OLED屏幕烧屏，在数据记录界面可以切换电压、电流、功率。

审核编辑：刘清