用于农药喷洒的可控高压静电电源设计



用于农药喷洒的可控高压静电电源设计

杨方1，韩春雨1，潘淑凤1，任雪1，吴江2

（1.东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨150030；2.日本国立千葉大学工学部，千葉市2638522）

摘要：为农作物静电喷雾试验设计一种输出可控直流高压静电的装置。装置硬件部分主要采用PWM控制方式改变开关管的导通与关闭时间比率，实现输出电压的可控性。输出电压可控范围0~30 kV，最小调节量为1 kV，误差为±0.5 kV，输出电流在50。检测显示电路依靠分压采样与A/D转换可测量电压并在液晶屏上显示，能够绘制电压的实时变化曲线，以便对负载阻态的变化进行实时观察。用高压电表对该装置的输出端进行测量，结果表明，该装置的输出端为可控高电压小电流“静电”。

关键词：静电；高压；PWM

网络出版时间2015-1-27 16:01:46

[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150127.1601.016.html

杨方,韩春雨,潘淑凤,等.用于农药喷洒的可控高压静电电源设计[J].东北农业大学学报, 2015, 46(2): 94-99.

传统农药喷洒方式，用喷头直接对作物进行喷洒，喷出药液由一个中心点受重力直接作用扩散到四周，造成喷洒不均，且药物不能直接作用到叶片下面等不易附着部位，药液流失到土壤中会造成环境污染。而以静电喷雾方式进行农药喷洒，会使药物在喷出前其带上电荷，可按意愿改变在重力作用下的喷雾轨迹，使药物尽可能均匀地喷洒至作物各处[1]。

Hampe首次尝试利用静电进行农药喷洒试验，在实验室中对电晕充电方式的电抗线圈喷枪、接触充电方式的微型锥孔旋转喷头、接触充电方式的弥雾喷头和常温烟雾式静电喷雾机做静电喷雾特性试验研究[2]。美国已有数种农用静电喷雾机。我国对农药静电喷雾技术的研究起步较晚。20世纪70年代末何雄奎等研制果园自动对靶静电喷雾机可用于果园病虫害的防治，其后北京植保站运用静电喷雾技术在海淀区对大棚黄瓜美洲斑潜蝇进行防治，效果显著，比普通喷雾防治效果提高40%[3]。国内现已有若干公司在进行静电高压电源的生产，可用于农药静电喷雾试验，但均为模拟调压，不利于该技术后续的智能化发展。鉴于此，本文基于开关电源原理设计一种程序控制的可控高压静电电源装置。

1　可控高压静电电源装置的总体构成

本文设计的装置主要由两大部分构成，分别是高压产生系统和控制系统。该装置总体的硬件如图1所示。

图1　总体硬件Fig. 1　Hardware block

2　高压发生系统的结构与仿真

2.1高压发生系统的硬件电路组成

本文装置若最终要产生30 kV高压，电路中须要包含升压电路，而最常见的升压手段为变压器升压。彩电内的高压包，正名为行输出变压器，也称为行包或行变，其内的硅堆可用作本装置中升压电路的高反压二极管，效果理想[2]。以高压包为核心再对其建立相应的外围电路即可产生上万伏高压。电路简单实用，此部分电路如图2所示。

图中的R5为功率场效应管50N06的源极限流电阻，其阻值很小，其功率较大，选用的是5 W水泥无感电阻。电感L为在行输出变压器的“一次侧”用漆包导线缠绕若干圈形成的线圈绕组。如此在行输出变压器的硅堆一边的“二次侧”即可产生直流脉冲高压静电，此时需要在输出端并接两个耐压40 kV/5 000 pF的电容。便可得到较为稳定的约为脉冲峰值1.4倍的电压输出[4-5]。

图2　升压电路Fig. 2　Boost circuit

2.2电压发生系统的仿真

仿真工具采用英国Lab Center Electronics公司出版的proteus7.8，进行仿真测试时，首先要将所用高压包电路进行等效处理。所用高压包型号为FBT-B-46，通过查阅其相关说明文件，最终其将等效为一个升压变压器并在二次侧串联一个型号为2CLG40KV/100 mA的整流硅堆，变压器磁芯线圈匝数为2 000T。按图2绘制出其他外围电路并设置各个器件的规格、型号与参数，在输出端并联两个高压电容，完成在Proteus上对该电路原理图的绘制。最终界面如图3所示。

由图3可见，在Proteus上绘制电路电源时应注意，VCC的12 V前应有“+”号，否则无法正常仿真，电源负极应接地，否则软件会默认将其两边的电压值设定为+6 V和-6 V。图3中左边PWM是Proteus自带库的脉冲发生器，占空比设成1/2，频率设为37 kHz（对应于高压包的最佳工作频率）用来模拟单片机产生的PWM波。右侧方框为示波器，A、B通道分别显示输入电压与输出的波形变化，D通道接地用以参考。仿真时通过适当变化输入电压和TR1的线圈匝数进行测试。确认电路无误后按下开始运行仿真，这时输入电压源的电压值为12 V，TR1匝数为6 T。输出波形如图4（A）所示。

纵向一格为3 kV，横向一格为20 ms，由图4可知，知道A通道接的是输入电源12 V，D通道接是地，所以A、D通道几乎重叠为图中下面的单独一条线，上面的那条线为B通道波形，其显示即为高压输出，由图4可见，输出值在200 ms之后稳定6~9 kV，约为7.5 kV。

分别将输入电压与线圈匝数组合改为24 V/6 T 和24 V/4 T，得到图4（B）、4（C）的波形。

图3　用proteus绘制的仿真电路图Fig. 3　Simulation circuit designed on proteus

图4　仿真波形Fig. 4　Simulation oscillogram

为观察在输出达到30 kV时的稳定程度，其中图4（B）的横向一格为100 ms，纵向一格仍为3 kV；图4（C）的横向一格仍为100 ms，显示的是开始仿真一段时间待趋于稳定后某一个2 s内的波形。由于此时纵向一格所表示的电压减小至0.5 kV，因此图中无法显示电源与地的信号波形。根据此波形可大致看出，最终高压输出的误差大约为±0.5 kV。

3　控制系统的硬件设计

3.1电压采样及其计算

本文设计的装置最终输出电压将高达30 kV，因此必须将输出电压按比例提取出能由单片机进行处理的5 V以内的电压信号。

在串联电路中，各电阻上的电流相等，各电阻两端的电压之和等于电路总电压，每个电阻上的电压值等于该电阻所占该段电路总电阻的百分比，利用分压原理虽然简单，但是仍需对输出与采样之间进行电气隔离，而且精度不高，很可能影响后续工作。

为了顺利从输出的30 kV电压中等比例地提取出0~5 V的逻辑电平以供A/D转换使用，应采用在高压包原边磁芯上缠绕副绕组的办法提取弱电压信号。经过反复试验、计算和比对，发现在原边磁芯上以漆包线绕上77圈的副绕组并做好绝缘保护措施，再经过恰当的整流与电容滤波，便可以在此处得到与输出电压值等比例的5 V以内电压信号，用以交给单片机以及其他低电压器件进行处理。

3.2 A/D转换模块

由于本文的电源装置对实时性与精度的要求不是特别高，A/D转换模块选用最常见也是最普通的ADC0809芯片即可，其为美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。

ADC0809在工作前首先要输入3位二进制地址，ALE高电平时锁定地址，这个二进制地址对应8路模拟输入通道。因为只采集一路信号，在此可以直接固定一个地址。根据ADC0809的工作机制与A/D转换的根本规律，本设计中电压采样的A/D转换结果的计算公式可以写为：

其中Vin为采样电路最终提取出的弱电压。

至此，可以得出程序中要显示在屏幕上（单位：百伏）的电压值的数据计算公式：

其中Vout为输出电压。

3.3单片机系统与电压采样电路

单片机是系统的核心部分，试验采用宏晶科技公司的8位单片机STC89C52RC，该单片机是8位高性能MCU，超低功耗：掉电模式下典型功耗< 0.1 μA，空闲模式下典型功耗2 mA，正常工作模式下典型功耗4~7 mA。掉电模式可由外部中断唤醒，特别适用于电池供电系统[6]。电压采样模块采用经典的电压采样电路，由副线圈绕组加上快速关断二极管、下拉电阻以及瓷片电容的组合连接提取出5 V以内的电压信号，再由电容C滤除杂波并稳定输出，稳压二极管D用于控制电压一定在5 V以内，以确保ADC0809芯片能够正常工作。如此5 V以内的模拟信号经过A/D转换器处理转换为数字信号送往单片机进行处理，最后在12864液晶屏上显示当前输出的电压值。该采样电路如图5所示。

图5　采样电路Fig. 5　Sampling circuit

3.4显示电路

显示电路主要是由控制芯片、128×64液晶屏和外围驱动电路组成。ST7920是台湾矽创电子公司生产的中文图形控制芯片，是一种内置128× 64-12汉字图形点阵的液晶显示控制模块，可以显示字母、数字符号、中文字型及自定义图块显示，其字型ROM包含8 192个（GB-2312）16×16点阵的中文字型及128个16×8点阵半宽字符号字型，另外绘图显示画面提供一个64×256点阵的绘图区域（GDRAM）及256点的ICON RAM，可以和文字画面混合显示，且其控制器内含的CGRAM提供4组软体可编程式规划的16×16造字功能。该控制芯片可满足本设计显示电压变化曲线的要求[7]。

本文设计的显示电路采用是已将控制芯片、128×64液晶屏和外围驱动电路集成在一起的带有中文字库并可以绘图的LCD12864ZW模块，将其直接与单片机相连，其接线图如图6所示。

图6　LCD12864与单片机接线Fig. 6　The wiring between LCD12864 and MCU

其中，与单片机并口P0相连的D0~D7是8位数据/指令引脚。3脚是对比度（亮度）调节端，所以应与电位器相连以调节亮度[7-8]。

4　控制系统的软件设计

4.1按键功能的确定

除电源键外本装置将设置三个按键，要求这三个按键对电压值百位与十位分别进行数值调节，并可双向调节。实现功能分别是进入/退出调节模式（确认键）、当前位减1和当前位加1。

4.2软件程序流程图

装置开启后，屏幕先显示欢迎字样，首先由用户设定一个电压值，开始显示电压变化曲线。然后等待用户按下确认键，按一次显示三位数的电压值（单位：百伏），并且光标在百位闪烁，按加、减键进行调节，再按确认键是对十位进行调节，当第三次按下确认键时，返回到电压变化曲线图界面。设计出软件的程序流程图如图7所示。

5　试验与分析

本设计在焊接前应先结合单片机开发板在面包板上插线进行参数调试。首先利用单片机的计数器产生37 kHz的PWM激励源，此为高压包最高效工作频率。设定占空比为0.5（即一直保持以当前状态下的最大输出电压进行输出），并接1 000 M的电阻作为负载，根据前面仿真的过程逐渐增加供电电源的电压/电流并逐渐减少高压包原边磁芯上线圈匝数进行试验。每组多次试验并取平均值。结果见表1。

对比发现，表1基本符合前文模拟仿真结果。并考虑到电源内阻的存在，电源作用于大负载上时会有压降，本设计最终采用输入“24 V/4 A、原边磁芯线圈匝数4”这一组参数数据，此时输出电压约为34.3 kV。

图7　程序流程Fig. 7　Program flow

表1　试验电路输入输出关系Table 1　Relation between input and output of the test circuit

6　结　论

通过分析试验数据，可得出在PWM占空比情况下，输出电压与输入电压及电源的最大输出电流成正比，而与原边磁芯线圈匝数成反比，但若将匝数降至4 T以下导致其电感量不够，损耗过大。最终电路设计采用24 V/4 A电源和4 T的原边磁芯匝数的参数，输出略高于30 kV的最大电压值，24 V/4 A的电源规格容易实现且在安全电压等级内，同时满足农药静电喷雾试验对电压等级的要求。

综上所述，本文通过行输出变压器配以相应的升压电路并基于开关电源的原理设计一种可控高压静电电源装置，装置由：电源模块、A/D转换模块、单片机控制系统、键盘操作模块、采样检测电路和显示模块等组成。该装置可以实现由程序控制高压静电输出，在液晶屏上显示设置电压值，还能显示电压的实时变化曲线。电压的调节范围达到0~30 kV，误差不大于0.5 kV，但是由于其为程控调压使得其最小调节量相比于市面现有的模拟调压的高压电源略显不足，达到1 kV。

因该装置为程序控制，可引入闭环反馈，以实现根据负载变化自动调压；屏幕显示还能增加更多内容，如果用其做静电喷雾试验还可以与上位计算机连接自动记录与处理试验数据，并针对不同作物生成处方图与专家系统等等。

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Yang Fang, Han Chunyu, Pan Shufeng, et al. Design of controllable high-voltage electrostatic supply for spraying pesticide [J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2015, 46(2): 94-99. (in Chinese with English abstract)

Design of controllable high-voltage electrostatic supply for spraying

pesticide

/YANG Fang1, HAN Chunyu1, PAN Shufeng1, REN Xue1, WU Jiang2(1. School of Electricity and Information, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 2. Faculty of Engineering, Chiba University, Chiba 2638522, Japan)

Abstract:A controllable DC high voltage electrostatic device was designed for electrostatic spraying experiment on crop. The hardware of the device changed the ratio of conduction and closing by applying PWM control pattern which could control the output voltage magnitude. Output voltage could be controlled in range of 0-30 kV and minimum adjustment amount was 1 kV with error in±500 V. The output current was about 50 μA. Detection and display circuit could measure and display the value of output voltage and the dynamic curve of output in real time by sampling of divided voltage and A/D converting to achieve the real-time state of load observation. The result measured by high voltage meter showed that the device had generated controllable electrostatic with high voltage and low current.

Key words:electrostatic; high voltage; PWM

作者简介：杨方（19-），男，教授，硕士生导师，研究方向为农业电气化与自动化。E-mail: yangfang0451@163. com

基金项目：现代农业产业技术体系专项资金（CARS-25）

收稿日期：2014-03-04

文章编号：1005-9369（2015）02-0094-06

文献标志码：A

中图分类号：S125；TM832