基于物理農(nóng)業(yè)的數(shù)控高壓靜電場(chǎng)電源設(shè)計(jì)

摘要：高壓靜電場(chǎng)可以激化種子內(nèi)部活力，在物理農(nóng)業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。為此，設(shè)計(jì)了一種數(shù)控高壓靜電場(chǎng)電源，該電源通過(guò)單片機(jī)編程進(jìn)行零點(diǎn)檢測(cè)和占空比調(diào)整，控制晶閘管觸發(fā)，為高壓產(chǎn)生電路提供0～200 V直流電壓。同時(shí)，通過(guò)編程產(chǎn)生方波，作為激勵(lì)脈沖信號(hào)，使高壓電路產(chǎn)生0～55 kV的高壓靜電。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該高壓靜電場(chǎng)電源能夠滿(mǎn)足不同種子的高壓靜電場(chǎng)需求。
關(guān)鍵詞：物理農(nóng)業(yè)；TA89C52；高壓靜電場(chǎng)；電源設(shè)計(jì)

0 引言
隨著化肥和農(nóng)藥的過(guò)量使用，造成地力衰退、農(nóng)作物品質(zhì)下降、環(huán)境污染等，嚴(yán)重影響到農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前農(nóng)業(yè)正處于由化學(xué)農(nóng)業(yè)向生態(tài)農(nóng)業(yè)過(guò)渡時(shí)期，而物理農(nóng)業(yè)是實(shí)現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)的主要途徑之一，即將電、磁、聲、光、熱、核等基本物理學(xué)科的知識(shí)和相關(guān)領(lǐng)域的高新技術(shù)作為有效的物理肥源應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中。
在物理農(nóng)業(yè)中，種子播前進(jìn)行靜電場(chǎng)處理可以實(shí)現(xiàn)早出苗、出勻苗、出壯苗，同時(shí)，靜電場(chǎng)處理種子時(shí)能夠產(chǎn)生大量的臭氧，對(duì)種子有很強(qiáng)的消毒殺菌作用，有效地防止種子霉變，能提高果實(shí)的品質(zhì)。
在靜電場(chǎng)處理裝置中，高壓靜電電源是核心，但目前大部分高壓靜電電源分兩種類(lèi)型：第一類(lèi)采用馳漲振蕩器作為晶閘管的觸發(fā)控制電路，其工作時(shí)，先通過(guò)調(diào)整可變電位器來(lái)改變晶閘管的觸發(fā)角，然后再利用倍壓整流產(chǎn)生高壓；第二類(lèi)采用集成驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用模塊，雖然外圍元件少，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，如IRF2113，但該器件在使用過(guò)程中存在Vss端負(fù)過(guò)沖較大的問(wèn)題，使驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用模塊造成不同程度的損壞。這些產(chǎn)品不論是電源電壓的調(diào)節(jié)精確度還是電壓的輸出靈敏度都比較低。
本文所設(shè)計(jì)的數(shù)控高壓靜電電源，采用單片機(jī)編程輸出脈沖信號(hào)，經(jīng)光電器件隔離后控制晶閘管的觸發(fā)角，克服了傳統(tǒng)高壓靜電電源的控制電路與輸出電路不能完全隔離的弊端，使輸出直流電壓在0～200 V范圍內(nèi)隨意增減變化，高壓輸出電壓能夠達(dá)到55 kV，滿(mǎn)足了多種種子對(duì)高壓靜電場(chǎng)的需求。

1 硬件結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)由TA89C52單片機(jī)及鍵盤(pán)、輔助電源電路、零點(diǎn)檢測(cè)電路、顯示電路、方波發(fā)生器電路、晶閘管控制電路、高壓產(chǎn)生等電路組成，如圖1所示。

由于高壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生的靜電可能干擾TA89C52單片機(jī)，所以單片機(jī)采用獨(dú)立5 V專(zhuān)用輔助電源，設(shè)計(jì)為“冷地”。高壓產(chǎn)生電路的驅(qū)動(dòng)電路采用12 V輔助電源，并且12 V輔助電源與高壓產(chǎn)生電路共地，設(shè)計(jì)為“熱地”；在15 625 Hz方波發(fā)生器電路與高壓產(chǎn)生電路之間設(shè)計(jì)了光電耦合器電路，很好的實(shí)現(xiàn)了“冷地”與“熱地”隔離；根據(jù)電磁輻射干擾原理，利用一個(gè)密閉的金屬盒屏蔽整個(gè)TA89C52單片機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)一步確保TA89C52單片機(jī)工作穩(wěn)定。
1．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1．1 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路
以TA89C52單片機(jī)為檢測(cè)和控制核心，控制高壓產(chǎn)生電路和晶閘管的觸發(fā)電路，如圖2所示。為了產(chǎn)生多個(gè)脈寬度又互不影響的輸出脈沖信號(hào)，外接晶體振蕩器采用35 MHz。其中P3．2口由零點(diǎn)檢測(cè)電路輸入中斷信號(hào)，與軟件完成計(jì)數(shù)功能，在P2口外接的鍵盤(pán)輸入指令作用下，使定時(shí)器0輸出可變的導(dǎo)通尖脈沖觸發(fā)信號(hào)；定時(shí)器1通過(guò)編程在P2．4口輸出15 625 Hz方波信號(hào)，方波高低電平持續(xù)時(shí)間誤差小于0．44μs，精度極高，完全達(dá)到高壓產(chǎn)生電路的需要，確保高壓產(chǎn)生電路振蕩頻率的穩(wěn)定。

顯示模塊采用數(shù)碼顯示管顯示，數(shù)碼顯示管有2片74LS48驅(qū)動(dòng)2個(gè)共陰極數(shù)碼顯示器，可在誤差范圍內(nèi)準(zhǔn)確、醒目地顯示當(dāng)前高壓值。
1．1．2 鍵盤(pán)電路
鍵盤(pán)采用獨(dú)立鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)，用于確定定時(shí)器0的記數(shù)值，從而確定晶閘管觸發(fā)時(shí)刻大范圍調(diào)整輸出直流電壓(0～55 kV)。