基于物理农业的数控高压静电场电源设计

摘要：高压静电场可以激化种子内部活力，在物理农业中已得到广泛应用。为此，设计了一种数控高压静电场电源，该电源通过单片机编程进行零点检测和占空比调整，控制晶闸管触发，为高压产生电路提供0～200 V直流电压。同时，通过编程产生方波，作为激励脉冲信号，使高压电路产生0～55 kV的高压静电。经实验测试，该高压静电场电源能够满足不同种子的高压静电场需求。
关键词：物理农业；TA89C52；高压静电场；电源设计

0 引言
随着化肥和农药的过量使用，造成地力衰退、农作物品质下降、环境污染等，严重影响到农业的可持续发展。当前农业正处于由化学农业向生态农业过渡时期，而物理农业是实现生态农业的主要途径之一，即将电、磁、声、光、热、核等基本物理学科的知识和相关领域的高新技术作为有效的物理肥源应用于农业中。
在物理农业中，种子播前进行静电场处理可以实现早出苗、出匀苗、出壮苗，同时，静电场处理种子时能够产生大量的臭氧，对种子有很强的消毒杀菌作用，有效地防止种子霉变，能提高果实的品质。
在静电场处理装置中，高压静电电源是核心，但目前大部分高压静电电源分两种类型：第一类采用驰涨振荡器作为晶闸管的触发控制电路，其工作时，先通过调整可变电位器来改变晶闸管的触发角，然后再利用倍压整流产生高压；第二类采用集成驱动专用模块，虽然外围元件少，驱动简单，如IRF2113，但该器件在使用过程中存在Vss端负过冲较大的问题，使驱动专用模块造成不同程度的损坏。这些产品不论是电源电压的调节精确度还是电压的输出灵敏度都比较低。
本文所设计的数控高压静电电源，采用单片机编程输出脉冲信号，经光电器件隔离后控制晶闸管的触发角，克服了传统高压静电电源的控制电路与输出电路不能完全隔离的弊端，使输出直流电压在0～200 V范围内随意增减变化，高压输出电压能够达到55 kV，满足了多种种子对高压静电场的需求。

1 硬件结构
该系统由TA89C52单片机及键盘、辅助电源电路、零点检测电路、显示电路、方波发生器电路、晶闸管控制电路、高压产生等电路组成，如图1所示。

由于高压产生电路产生的静电可能干扰TA89C52单片机，所以单片机采用独立5 V专用辅助电源，设计为“冷地”。高压产生电路的驱动电路采用12 V辅助电源，并且12 V辅助电源与高压产生电路共地，设计为“热地”；在15 625 Hz方波发生器电路与高压产生电路之间设计了光电耦合器电路，很好的实现了“冷地”与“热地”隔离；根据电磁辐射干扰原理，利用一个密闭的金属盒屏蔽整个TA89C52单片机系统，进一步确保TA89C52单片机工作稳定。
1．1 系统设计
1．1．1 单片机系统及显示电路
以TA89C52单片机为检测和控制核心，控制高压产生电路和晶闸管的触发电路，如图2所示。为了产生多个脉宽度又互不影响的输出脉冲信号，外接晶体振荡器采用35 MHz。其中P3．2口由零点检测电路输入中断信号，与软件完成计数功能，在P2口外接的键盘输入指令作用下，使定时器0输出可变的导通尖脉冲触发信号；定时器1通过编程在P2．4口输出15 625 Hz方波信号，方波高低电平持续时间误差小于0．44μs，精度极高，完全达到高压产生电路的需要，确保高压产生电路振荡频率的稳定。

显示模块采用数码显示管显示，数码显示管有2片74LS48驱动2个共阴极数码显示器，可在误差范围内准确、醒目地显示当前高压值。
1．1．2 键盘电路
键盘采用独立键盘结构，用于确定定时器0的记数值，从而确定晶闸管触发时刻大范围调整输出直流电压(0～55 kV)。[p]
1．1．3 零点监测电路
零点监测电路如图3所示。以U1，Q1，R1，R2，R3组成。采用光电耦合器U1实现交流电由负半轴到正半轴过度点，保证了零点监测的准确，零点监测输出信号由Q1集电极输出，输入到AT89C52的P3．2口，经AT89C52单片机系统处理，由AT89C52的P2．3口输出尖脉冲触发信号，控制U2的工作状态，同时也避免了高、中、低压之间互相干扰，实现了“冷地”与“热地”之间的隔离，确保单片机工作安全可靠。

1．1．4 晶闸管控制电路
晶闸管控制电路如图3所示，由U2，Q2，R4，R5等电路组成。其中U2采用S21ME3，具有光耦兼晶闸管驱动作用，驱动Q2单向晶闸管，使CT1输入的交流220 V／50 Hz电压，在C4，C5及L1组成的滤波器上得到0～200 V可调的直流电压，由CT2输出，供高压产生电路。U2受控于AT89C-52的定时器0(P2．3口)，该尖脉冲触发信号能够准确确定Q2的导通角，可精确到π／22 727。精确度高，调节方便。
1．1．5 高压产生电路
高压产生电路如图4所示。由U3，Q2，Q3，T1，T2，L2等组成。图中U3实现了AT89C52与高压电路的隔离，电路工作安全稳定，输入信号来自AT89C52的定时器91(P2．4口)，信号频率是15625Hz的方波；激励变压器T1与激励晶体管Q2组成方波推动电路，采用反极性推动方式。Q3是功率输出晶体管，内部带阻尼二极管，C9，C10为阻尼电容器，T2是高压输出脉冲输出变压器，磁芯选用软磁铁氧体材料，保证脉冲信号不失真传输，初／次级匝数为105 T／2 700 T。高压产生电路工作频率较高，升压及整流等电路工作效率高，电路简洁，电压调整依据晶闸管导通角实现，精确度高，可产生0～55 kV可控高压。

1．1．6 辅助电源电路
为了避免高压电路对单片机系统的影响，辅助电源电路由两个完全独立的降压变压器T3和T4产生，如图5所示。LM7805稳压集成电路产生5 V电源为AT89C52和检测电路提供工作电源，12 V电源由LM7812集成稳压器产生，为高压激励电路提供专用“热地”电源。5 V电源和12 V电源分别由开关K2和K1控制。LED1指示高压电路工作状态，提高使用安全性。

2 系统软件
主程序框图如图6所示，初始化主要对单片机INT0，T0，T1进行初始化，并设定T0用于产生频率为15 625 Hz的方波，而T1用于产生定时可控的初始值。

如图7所示，INT0中断请求信号由交流电负半周向正半周过渡的零点提供。当零点监测电路送来信号时，开启定时器0，使定时器0按用户预设的时间定时。[p]
图8是定时器0的中断服务程序流程图，输出负脉冲。当定时时间到用户预设时间时，关闭定时器0，输出低电平，图中用L表示；输出低电平延时1 ms后才输出高电平，图中用H表示，完成负脉冲输出，该负脉冲用于触发晶闸管导通。

图9是定时器1程序流程图，主要功能是产生15 625 Hz方波，是高压产生电路的信号源。程序安排控制位翻转，当控制位为高电平时，输出高电平H，设定T1定时时间为信号要求的高电平H时间，而当控制位为低电平L时，输出低电平L，并设定T1定时时间为信号要求的低电平时间。

3 安装与使用
用户安装时，可将高压电源的高压输出E．H．T端与高压静电箱体的阳极输入端相连，高压接地E．H．TGND端负载地相连。使用时，接通200 V／50 Hz交流电源，首先开启“电源开关”，然后开启“高压开关”。此时，系统处于初始状态，高压输出为零。按“升压”按钮可使输出电压升高，按“降压”按钮可使高压降低，高压显示器显示当前高压值，用户依显示调节输出电压，达到用户需要的电压值。“复位”开关可使系统复位，回到初始状态，高压输出为零。关机时，应先关闭高压开关，后关闭低压开关。

4 实验测试
种子的发芽率是指种子在适宜的发芽环境中，发芽种子占全部催芽种子粒数的百分比。种子的发芽势是指种子在适宜的发芽环境中，在规定的时间内发芽种子占全部催芽种子粒数的百分比。应用该高压静电场电源制作的植物种子高压静电场装置，分别对小麦、油菜和南瓜种子在浸种前进行实验。
4．1 高压静电场作用油菜种子
调整高压静电源电压，产生不同的电场对油菜种子处理15 min，其结果如表1所示。

结果表明：处理后的油菜种子，其发芽率高达90％～99％，发芽势达94％，较未经处理的对照组均提高5％～8％。
4．2 高压静电场作用巨型南瓜种子
将高压静电电压调整在50 kV／m，对巨型南瓜种子在浸种前进行了不同的作用时间，其结果如表2所示。
结果显示：巨型南瓜种子浸种前1．5 h采用50 kV的高压静电场处理，其发芽势达54 9／6，比未经处理的对照组高出10个百分点；发芽率为66．5％，比未经处理的对照组高出16个百分点。
4．3 高压静电场作用小麦种子
调整高压静电源使其分别输出20 kV／m，25 kV／m，30 kV／m和35 kV／m，分别处理5 min，10 min，15 min和20 min，其结果如表3所示。

结果显示：对小麦在萌发期的各项生理指标表现出极显著的效果，20 kV，25 kV各时间条件下处理的小麦种子，在萌发期的各项生理指标均有促进作用。

5 结语
在现代农业生产中，物理农业已经得到广泛应用，利用高压静电场处理种子也是近年来发展起来新技术。本文所设计的高压静电场电源由系统控制、零点检测、晶闸管触发和高压产生电路组成，能够产生0～55 kV的高压静电。经对油菜、巨型南瓜和小麦种子在浸种前试验，种子的发芽率和发芽势均有显著提高。高压静电场电源也能够满足多种种子对高压静电场处理的需求。