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)。
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。