基于物理农业的数控高压静电场电源设计.pdf

2 0 1 2 年 8月 1 5日 第 3 5卷第 1 6期 现代电子技术 M o d e r n El e c t r o n i c s Te c h n i q u e Au g 2 01 2 Vo I 3 5 NO 1 6 基于物理农业的数控高压静电场电源设计 李本 印 ( 陇东学 院 电气工程学 院，甘肃 庆阳 7 4 5 0 0 0 ) 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 2 0 0 V 直流 电压。同时 ， 通 过编程产 生方渡， 作为激励脉冲信号， 使 高压 电路产生 0 5 5 k V 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；T A8 9 C 5 2 ；高压静 电场 ；电源设计 中图分类 号： T N8 6 文献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 4 - 3 7 3 X( 2 0 1 2 ) 1 6 0 1 8 1 0 4 Po we r s u p pl y d e s i g n o f NC e l e c t r o s t a t i c f i e l d b a s e d o n p h y s i c a l a g r i c u l t u r e LI Be n - y i n ( Co l l e g e o f E l e c t r i c a l En g i n e e r i n g ，Lo n g d o n g Un iv e r s i t y ，Qi n g y a n g 7 4 5 0 0 0 ，Ch i n a ) A b s t r a c t =I t h a s b e e n wi d e l y u s e d i n p h y s i c a l a g r i c u l t u r e t h a t t h e g e r mi n a t i o n r a t e a n d p r o d u c t i v i t y o f s e e d s a r e i n c r e a s e d i n h i g h - v o l t a g e e l e c t r o s t a t i c f i e l d F o r t h i s r ea s o n。a k i n d o f n u me r i c a l - co n t r o l e l e c t r o s t a t ic p o we r s u p p l y i s d e s i g n e d t o p r o d u c e 0 5 5 k V h i g h - v o l t a g e e l e c t ros t a t i c f i e l d ，wh i c h c a n p rod u c e s s q u a r e wa v e c o n t r o l l ed b y a mi c r o c o n t r o l l e r t o t r i g g e r S C R c i r c u i t Th e e x p e r i me n t a l t e s t i n g r e s u l t s h o ws t h a t t h e h i g h - v o l t a g e e l e c t r o s t a t i c f i e l d po we r s u p p l y c a n me e t t h e n e e d s o f d i f f e r e n t s e e d s K e y wo r d s ：p h y s i c a l a g r i c u l t u r e ；mi c r o c o n t r o 1 l e r ；e l e c t r o s t a t i c f i e l d ；p o we r s u p p l y d e s i g n 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 3 。 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 8 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 I RF 2 1 1 3 ， 但该器件在使用过 程中存在 。 。 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 L 1 。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。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 3 1 7 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 O 2 0 0 V范 围 内随意增减变化 ， 高压输 出电压能够达到 5 5 k V， 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 TA8 9 C 5 2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 。 图 1 系统 总 体 框 图 由于高压产生 电路产生 的静 电可能干扰 TA8 9 C - 1 8 2 现代电子技术 2 0 1 2 年第3 5 卷 5 2 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” 1 。高压产生电路的驱动 电路采用 1 2 V 辅助电源， 并且 1 2 V辅助电源与高压产生电路共地 ， 设 计为“ 热地” 1 ； 在 1 5 6 2 5 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 原理口 引， 利 用 一 个密闭的金属盒屏蔽整个 TA 8 9 C 5 2单片机 系统 ， 进 一 步确保 T A8 9 C 5 2 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 TA8 9 c 5 2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 3 5 MHz 。其 中 P 3 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 P 2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 P 2 4口输出 1 5 6 2 5 Hz 方 波信号 ， 方波高低 电平持续时间误差小于 0 4 4肚 s ， 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 7 4 L S 4 8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 。 号 由 Q 集 电极 输 出 ， 输 入 到 AT8 9 C 5 2的 P 3 2口， 经 AT8 9 C 5 2单片机系统处理 ， 由 AT 8 9 C 5 2的 P 2 3口输 出尖脉冲触发信号 ， 控制 U 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。 图 3零 点检 测 及 晶 闸 管控 制 电路 1 1 4 晶 闸管控 制 电路 晶 闸管 控制 电路 如 图 3所 示 ， 由 U ， Q ， R ， R 等 电路组成。其中 U。采用 S 2 1 ME 3 ， 具有光耦兼 晶闸管 驱动作 用， 驱 动 Q ：单 向晶闸管 ， 使 C T1输 入 的交流 2 2 0 V 5 0 Hz电压 ， 在 C 4 ， C 及 L 组 成 的滤 波 器 上 得 到 0 2 0 0 V可调的直流 电压， 由 C T 2输出， 供高压产 生 电路 。U 受控 于 AT8 9 C 一 5 2的定 时 器 0 ( P 2 3口) ， N C上： _ L a A x V C C r脒 _ L -4：=3- 砭 ， b B j = 亡 一 ， c C 二 -_ P1 2，RXD 1 P0 0AD0 L - = ： 3 - U d 7 4 4 8 D P 1 3 似D1 P0 1 ADl eL 一 e L 1 P l 4 ，IN P 0 2 ，A D 2 L 亡 一 ， f 面 丽 雨 P I5IN T 3 P 0 3 A D 3 一 ， 、 z g R B 】 P l 6 ， r N T 4 p 0 -4 A 翻 d d p 8 9 P l 7 P0 5 ， AD5 2 7 0 * 7 l O P0 6 AD6 c 凰 1 l P 3 R X D 0 P 0 7 ， A D7 N C 2 a A I 2 P 3l ， r XDO r g bi 3 =) _ 15 一 b B ! l3 P3 2， n _0 P2 0，A 8 4 C ， 一 c C _ 1 4 P 3 3 Tl P 21 ， A 9 。几 ； 5 _ d 7 4 4 8 D l 5 P 3 0 ，I P 2 2 A lC C_ e L T 1 6 P 3 5 厂 r l P 2 3 Al 1 工 亡一 f 氙 葡 1 7 P 3 6 A V R P 2 4 A1 2 - C： 3 - g R B I _ _ ， P 3 7 ， R D P 2 5 ， Al 3 8 9 JS 9 P 2 6 A1 4 -4 ： =： 3 - - RS T P 2 7 A1 5 ALE 2 7 0 7 R I l 1 0 F 2 9 N X l r_ c 二卜 卜一 3 l E A 2 0 GND S T C8 9 C5 2 RC 图 2 8 9 C5 2单 片 机 系统及 显 示 电路 1 1 2 键盘 电路 键 盘采 用独立 键盘结 构 ， 用于确 定定 时器 O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 5 5 k V) 。 1 1 3零 点监测 电路 零点 监 测 电路 如 图 3所 示 。 以 U。 ， Q ， R ， R。 ， R。 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 该尖脉冲触发信号能够准确确定 Q。 的导通角， 可精确 到 n 2 2 7 2 7 。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 U 3 ， Q 2 ， Q 3 ， T。 ， T 2 ， L 。等组 成。图中 U 3 实现 了 A T8 9 C 5 2与 高压 电路 的 隔 离 ， 电路工作 安全 稳定 ， 输 入信 号 来 自 A T8 9 C 5 2的定时器 9 1 ( P 2 4口) ， 信号 频 率是 1 5 6 2 5 Hz 的方 波 ； 激励 变压 器 T 1 与激励 晶体 管 Q2 组成 方 波推 动 电 路 ， 采用反 极性 推 动方 式 1 引。Q3 是 功 率输 出晶体管 ， 内部 带阻尼 二极 管， C 9 ， C 1 。 为阻尼电容器，T 2 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 1 1 0 5 T 2 7 0 0 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 O 5 5 k V可控高压_ l 引。 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 T。 和 T 产生 ， 如 1 8 4 现代电子技术 2 0 1 2 年第3 5 卷 结 果 表 明 ： 处 理 后 的 油 菜 种 子 ， 其 发 芽 率 高 达 9 O 9 9 ， 发芽 势达 9 4 ， 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 5 0 k V 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 。 裹 1 高压静电场处理油菜种子 表 2 高压静电场处理南瓜种子 结果显示 ： 巨型南瓜种子浸种前 1 5 h采用 5 0 k V 的高压静电场处理 ， 其发芽势达 5 4 ， 比未经处理的对 照组高出1 O 个百分点 ； 发芽率为 6 6 5 ， 比未经处理的 对照组高出 1 6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 2 0 k V m， 2 5 k V m， 3 0 k V m 和 3 5 k V m， 分 别 处 理 5 mi n ， 1 0 mi n ， 1 5 mi n 和 2 0 mi n ， 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 ， 2 O k V， 2 5 k V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。 表 3高压静 电场处理小麦种子 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 5 5 k V 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 。 参考文献 1 孙亚文 物 理农 业技术 在温 室大 棚蔬菜 生产 中的应 用 J 农业科技与装备 ， 2 0 1 1 ( 8 ) ： 6 3 6 4 2 白希尧 ， 马文田 ， 刘慎言 ， 等 静电技术 在农业 中的应 用 J 自然杂志 ， 1 9 8 4 ( 1 2 ) ： 9 0 2 9 0 6 3 阵志远 ， 谢 菊芳 ， 罗治钢 ， 等 高压静 电场预处 理对作 物种子 活力影响 的机理探讨 J 湖北 大学学报 ： 自然科学 版 ， 2 0 0 3 ( 3 )： 2 24 - 22 8 4 张丽萍 ， 张常钟 高压静 电场对 大