DIY 一个智能 USB 充电器

c11300

使用快充模块，加上MCU和传感器，实现电压、电流、功率、温度等参数采集，可以监测充电状态、统计充电容量，快速查看充电状态、了解设备电池状况、记录设备充电数据。数据还可以通过Wifi或espnow发送到其它设备，更多功能可以通过软件升级实现。
本项目是为了提供一个可以参考的原型，大家可以在此基础上，增加或删除更多功能，按照自己想法DIY出更多有趣的制作。

PCB设计使用了立创EDA软件，程序使用 micropython 开发。
这个DIY项目得到EEWorld论坛的管理员和网友们提供的各种帮助，在此特别表示感谢。更多的DIY步骤、物料选型、设计讨论请参考EEWorld活动贴。



主要器件为了简化DIY的复杂度，主要元件使用了模块，其它元件种类和数量也尽可能少，都是很容易找到的型号，方便DIY。

• 快充模块。现在因为各种原因流入市场上的快充模块型号众多，以18W的模块居多（5V3.4A、9V2A、12V1.5A），可以根据需要选择。尽量选择容易将功率电感输出引出的型号，这样才方便测量电流。虽然价格低，但因为快充模块质量参差不齐，选择时尽量选择评价较高的，使用前需要多测试（请注意安全），确认没有问题后在使用。
• MCU：ESP32S2 mini开发板（也可以使用其它型号，例如ESP32C3）。
• 电流传感器：INA219模块（第一版时使用了霍尔型的ACS712电流传感器），I2C接口，双向电流采集，最高总线电压26V。
• 温度传感器：MF58热敏电阻（3950，10K）。监测充电过程中内部温度，在温度过高时可以提示。
• OLED：128x32，I2C 接口。
• 电源：DC/5V模块。用于将快充模块的输出电压转换为5V。支持快充功能的模块输出是高压，有的模块会动态调节输出电压，直接给ESP32供电会损坏模块，因此需要使用一个单独的DC5V模块。如果快充模块带有单独的USB 5V输出口（非快充口），则可以省略此模块。
• 蜂鸣器：无源蜂鸣器（注意不要使用有源蜂鸣器），用于发出提示声音。
• 光敏电阻（可选），用于采集环境光线亮度，用于动态调整LED输出亮度，避免晚上时 LED 太亮刺眼。
• LED：三色共阳LED，用不同颜色指示充电状态。也可以使用 WS2812。
  

大致成本

• 快充模块：1-3元
• MCU（ESP32S2/ESP32C3）：10元
• 电流传感器（INA219）：4元
• 温度传感器（NTC）：0.1元
• OLED（128x32）：7元
• 5V电源模块：2元
• 无源蜂鸣器：0.2元
• LED：0.1元
• 光敏电阻：0.1元
• 外壳（塑料盒）：1-2元
• 其它（电源线、导线、热缩套管、螺丝、尼龙螺柱）：5元
• 总计：约30元
  

原理图

                               
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下面是打样后的PCB，PCB使用LCEDA（立创EDA）设计，完整的设计文件已经开源，请参考文末的链接。

                               
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制作步骤

• 首先选择需要的器件、辅助材料等。
• 根据快充模块和其它元件大小、安装位置，确定外壳尺寸。
• 制作外壳，可以使用3D打印机打印外壳，或用亚克力板制作外壳，或者使用其它方式制作外壳。演示中是使用一个塑料盒做外壳。
• 设计PCB板，打样并焊接元件。
• 调试硬件，确定各部分工作正常。
• 将快充模块的功率电感输出高压端引线取下，连接到INA219的IN+，INA219的IN-用导线连回到原电感输出端，也就是将INA219串联到电感输出回路中。
• 将快充模块和其它元件固定到外壳中。
  
  • 安装前先测试快充模块，确定功能和功率都是正常的，避免安装后不能使用。
    
• ESP32下载最新固件。
• 编写MCU程序，测试程序功能，校正充电电流、功率。
  
  • INA219 的参数需要根据实际电路进行校正，每个设备有一定差异。
  • 显示的功率是根据USB的充电功率校准的，因此比实际功率要略低一些。
  • 系统检测的电压是总线电压，总线电压比USB的5V电压高，这是正常的。有的快充模块会根据设备情况调整总线电压。
    
• 完成DIY，开始使用。
  

                               
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程序说明

程序使用micropython编写，用 asyncio 实现多任务。将系统功能分解为几个任务，分别完成采样、数据显示、LED状态显示等。
OLED 部分使用了社区的 mpy-lib 驱动中的 I2C OLED ASCII display drive，使用了8x16点阵字体。OLED的分辨率是 128 x 32，正好用两行文字，将主要参数显示出来。以前的 ASCII display drive 只支持128x64，这次顺便也更新了。

程序文件

• main.py，主程序文件，用以启动 SAPF。
• sapfmain.py，SAPF主程序。
• sapf_cfg.py，任务配置文件。
• gv.py，公共变量和函数。
• board.py，板级驱动文件。
• pins.py，引脚配置。
• cfg.py，参数配置。
• task_main.py，初始化、采样任务。
• display.py，显示、触摸键、LED显示任务。
• lib，驱动库文件夹。
  
  • oled.py，OLED驱动。
  • Font_6x8.py，字体文件。
  • Font_8x16.py
  • Font_12x24.py
  • Font_16x32.py
  • ina219.py，INA219驱动。
    

程序功能说明上电后先检查 I2C 设备地址。如果地址不正确，将闪红色LED，程序死循环。
自检通过后，启动各相关任务。

• main() 任务定期采样（100ms），并判断是否处于充电状态。如果处于充电状态，则累计充电时间和充电功率。
• show_info() 任务每秒刷新一次屏幕，显示总线电压、电流、功率、模块温度等参数。
  
  • 显示持续60秒后关闭OLED屏。
  • 当按下触摸键，或检测到充电开始、充电结束时自动打开 OLED。
    
• task_LED() 任务以不同颜色的 LED，指示当前充电功率。
  
  • 小于0.3W时为未充电状态，显示绿色呼吸灯。
  • 小于2W时为小功率模式，显示黄色呼吸灯。
  • 小于6W时为中功率模式，显示橙色呼吸灯。
  • 大于6W时为大功率模式，显示红色呼吸灯。
  • 为了避免夜晚时 LED 刺眼，会自动根据环境光强度调整 LED 亮度。
    
• task_TP() 任务检测触摸键。
• 
  

sunscape

图片挂了……

szcpu

正准备学Python，据说这个非常好学，应用也广，就是不知道从头开始学嵌入式开发难不难。