基于物理農業的數控高壓靜電場電源設計

摘要：高壓靜電場可以激化種子內部活力，在物理農業中已得到廣泛應用。為此，設計了一種數控高壓靜電場電源，該電源通過單片機編程進行零點檢測和占空比調整，控制晶閘管觸發，為高壓產生電路提供0～200 V直流電壓。同時，通過編程產生方波，作為激勵脈沖信號，使高壓電路產生0～55 kV的高壓靜電。經實驗測試，該高壓靜電場電源能夠滿足不同種子的高壓靜電場需求。
關鍵詞：物理農業；TA89C52；高壓靜電場；電源設計

0 引言
隨著化肥和農藥的過量使用，造成地力衰退、農作物品質下降、環境污染等，嚴重影響到農業的可持續發展。當前農業正處于由化學農業向生態農業過渡時期，而物理農業是實現生態農業的主要途徑之一，即將電、磁、聲、光、熱、核等基本物理學科的知識和相關領域的高新技術作為有效的物理肥源應用于農業中。
在物理農業中，種子播前進行靜電場處理可以實現早出苗、出勻苗、出壯苗，同時，靜電場處理種子時能夠產生大量的臭氧，對種子有很強的消毒殺菌作用，有效地防止種子霉變，能提高果實的品質。
在靜電場處理裝置中，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型：第一類采用馳漲振蕩器作為晶閘管的觸發控制電路，其工作時，先通過調整可變電位器來改變晶閘管的觸發角，然后再利用倍壓整流產生高壓；第二類采用集成驅動專用模塊，雖然外圍元件少，驅動簡單，如IRF2113，但該器件在使用過程中存在Vss端負過沖較大的問題，使驅動專用模塊造成不同程度的損壞。這些產品不論是電源電壓的調節精確度還是電壓的輸出靈敏度都比較低。
本文所設計的數控高壓靜電電源，采用單片機編程輸出脈沖信號，經光電器件隔離后控制晶閘管的觸發角，克服了傳統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范圍內隨意增減變化，高壓輸出電壓能夠達到55 kV，滿足了多種種子對高壓靜電場的需求。

1 硬件結構
該系統由TA89C52單片機及鍵盤、輔助電源電路、零點檢測電路、顯示電路、方波發生器電路、晶閘管控制電路、高壓產生等電路組成，如圖1所示。

由于高壓產生電路產生的靜電可能干擾TA89C52單片機，所以單片機采用獨立5 V專用輔助電源，設計為“冷地”。高壓產生電路的驅動電路采用12 V輔助電源，并且12 V輔助電源與高壓產生電路共地，設計為“熱地”；在15 625 Hz方波發生器電路與高壓產生電路之間設計了光電耦合器電路，很好的實現了“冷地”與“熱地”隔離；根據電磁輻射干擾原理，利用一個密閉的金屬盒屏蔽整個TA89C52單片機系統，進一步確保TA89C52單片機工作穩定。
1．1 系統設計
1．1．1 單片機系統及顯示電路
以TA89C52單片機為檢測和控制核心，控制高壓產生電路和晶閘管的觸發電路，如圖2所示。為了產生多個脈寬度又互不影響的輸出脈沖信號，外接晶體振蕩器采用35 MHz。其中P3．2口由零點檢測電路輸入中斷信號，與軟件完成計數功能，在P2口外接的鍵盤輸入指令作用下，使定時器0輸出可變的導通尖脈沖觸發信號；定時器1通過編程在P2．4口輸出15 625 Hz方波信號，方波高低電平持續時間誤差小于0．44μs，精度極高，完全達到高壓產生電路的需要，確保高壓產生電路振蕩頻率的穩定。

顯示模塊采用數碼顯示管顯示，數碼顯示管有2片74LS48驅動2個共陰極數碼顯示器，可在誤差范圍內準確、醒目地顯示當前高壓值。
1．1．2 鍵盤電路
鍵盤采用獨立鍵盤結構，用于確定定時器0的記數值，從而確定晶閘管觸發時刻大范圍調整輸出直流電壓(0～55 kV)。