用于農(nóng)藥噴灑的可控高壓靜電電源設(shè)計(jì)

?

用于農(nóng)藥噴灑的可控高壓靜電電源設(shè)計(jì)

楊方1，韓春雨1，潘淑鳳1，任雪1，吳江2

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱150030；2.日本國(guó)立千葉大學(xué)工學(xué)部，千葉市2638522）

摘要：為農(nóng)作物靜電噴霧試驗(yàn)設(shè)計(jì)一種輸出可控直流高壓靜電的裝置。裝置硬件部分主要采用PWM控制方式改變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)閉時(shí)間比率，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的可控性。輸出電壓可控范圍0~30 kV，最小調(diào)節(jié)量為1 kV，誤差為±0.5 kV，輸出電流在50。檢測(cè)顯示電路依靠分壓采樣與A/D轉(zhuǎn)換可測(cè)量電壓并在液晶屏上顯示，能夠繪制電壓的實(shí)時(shí)變化曲線，以便對(duì)負(fù)載阻態(tài)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。用高壓電表對(duì)該裝置的輸出端進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明，該裝置的輸出端為可控高電壓小電流“靜電”。

關(guān)鍵詞：靜電；高壓；PWM

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間2015-1-27 16:01:46

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

楊方,韓春雨,潘淑鳳,等.用于農(nóng)藥噴灑的可控高壓靜電電源設(shè)計(jì)[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 46(2): 94-99.

傳統(tǒng)農(nóng)藥噴灑方式，用噴頭直接對(duì)作物進(jìn)行噴灑，噴出藥液由一個(gè)中心點(diǎn)受重力直接作用擴(kuò)散到四周，造成噴灑不均，且藥物不能直接作用到葉片下面等不易附著部位，藥液流失到土壤中會(huì)造成環(huán)境污染。而以靜電噴霧方式進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，會(huì)使藥物在噴出前其帶上電荷，可按意愿改變?cè)谥亓ψ饔孟碌膰婌F軌跡，使藥物盡可能均勻地噴灑至作物各處[1]。

Hampe首次嘗試?yán)渺o電進(jìn)行農(nóng)藥噴灑試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)電暈充電方式的電抗線圈噴槍、接觸充電方式的微型錐孔旋轉(zhuǎn)噴頭、接觸充電方式的彌霧噴頭和常溫?zé)熿F式靜電噴霧機(jī)做靜電噴霧特性試驗(yàn)研究[2]。美國(guó)已有數(shù)種農(nóng)用靜電噴霧機(jī)。我國(guó)對(duì)農(nóng)藥?kù)o電噴霧技術(shù)的研究起步較晚。20世紀(jì)70年代末何雄奎等研制果園自動(dòng)對(duì)靶靜電噴霧機(jī)可用于果園病蟲害的防治，其后北京植保站運(yùn)用靜電噴霧技術(shù)在海淀區(qū)對(duì)大棚黃瓜美洲斑潛蠅進(jìn)行防治，效果顯著，比普通噴霧防治效果提高40%[3]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)已有若干公司在進(jìn)行靜電高壓電源的生產(chǎn)，可用于農(nóng)藥?kù)o電噴霧試驗(yàn)，但均為模擬調(diào)壓，不利于該技術(shù)后續(xù)的智能化發(fā)展。鑒于此，本文基于開(kāi)關(guān)電源原理設(shè)計(jì)一種程序控制的可控高壓靜電電源裝置。

1　可控高壓靜電電源裝置的總體構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的裝置主要由兩大部分構(gòu)成，分別是高壓產(chǎn)生系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。該裝置總體的硬件如圖1所示。

圖1　總體硬件Fig. 1　Hardware block

2　高壓發(fā)生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與仿真

2.1高壓發(fā)生系統(tǒng)的硬件電路組成

本文裝置若最終要產(chǎn)生30 kV高壓，電路中須要包含升壓電路，而最常見(jiàn)的升壓手段為變壓器升壓。彩電內(nèi)的高壓包，正名為行輸出變壓器，也稱為行包或行變，其內(nèi)的硅堆可用作本裝置中升壓電路的高反壓二極管，效果理想[2]。以高壓包為核心再對(duì)其建立相應(yīng)的外圍電路即可產(chǎn)生上萬(wàn)伏高壓。電路簡(jiǎn)單實(shí)用，此部分電路如圖2所示。

圖中的R5為功率場(chǎng)效應(yīng)管50N06的源極限流電阻，其阻值很小，其功率較大，選用的是5 W水泥無(wú)感電阻。電感L為在行輸出變壓器的“一次側(cè)”用漆包導(dǎo)線纏繞若干圈形成的線圈繞組。如此在行輸出變壓器的硅堆一邊的“二次側(cè)”即可產(chǎn)生直流脈沖高壓靜電，此時(shí)需要在輸出端并接兩個(gè)耐壓40 kV/5 000 pF的電容。便可得到較為穩(wěn)定的約為脈沖峰值1.4倍的電壓輸出[4-5]。

圖2　升壓電路Fig. 2　Boost circuit

2.2電壓發(fā)生系統(tǒng)的仿真

仿真工具采用英國(guó)Lab Center Electronics公司出版的proteus7.8，進(jìn)行仿真測(cè)試時(shí)，首先要將所用高壓包電路進(jìn)行等效處理。所用高壓包型號(hào)為FBT-B-46，通過(guò)查閱其相關(guān)說(shuō)明文件，最終其將等效為一個(gè)升壓變壓器并在二次側(cè)串聯(lián)一個(gè)型號(hào)為2CLG40KV/100 mA的整流硅堆，變壓器磁芯線圈匝數(shù)為2 000T。按圖2繪制出其他外圍電路并設(shè)置各個(gè)器件的規(guī)格、型號(hào)與參數(shù)，在輸出端并聯(lián)兩個(gè)高壓電容，完成在Proteus上對(duì)該電路原理圖的繪制。最終界面如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，在Proteus上繪制電路電源時(shí)應(yīng)注意，VCC的12 V前應(yīng)有“+”號(hào)，否則無(wú)法正常仿真，電源負(fù)極應(yīng)接地，否則軟件會(huì)默認(rèn)將其兩邊的電壓值設(shè)定為+6 V和-6 V。圖3中左邊PWM是Proteus自帶庫(kù)的脈沖發(fā)生器，占空比設(shè)成1/2，頻率設(shè)為37 kHz（對(duì)應(yīng)于高壓包的最佳工作頻率）用來(lái)模擬單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波。右側(cè)方框?yàn)槭静ㄆ?，A、B通道分別顯示輸入電壓與輸出的波形變化，D通道接地用以參考。仿真時(shí)通過(guò)適當(dāng)變化輸入電壓和TR1的線圈匝數(shù)進(jìn)行測(cè)試。確認(rèn)電路無(wú)誤后按下開(kāi)始運(yùn)行仿真，這時(shí)輸入電壓源的電壓值為12 V，TR1匝數(shù)為6 T。輸出波形如圖4（A）所示。

縱向一格為3 kV，橫向一格為20 ms，由圖4可知，知道A通道接的是輸入電源12 V，D通道接是地，所以A、D通道幾乎重疊為圖中下面的單獨(dú)一條線，上面的那條線為B通道波形，其顯示即為高壓輸出，由圖4可見(jiàn)，輸出值在200 ms之后穩(wěn)定6~9 kV，約為7.5 kV。

分別將輸入電壓與線圈匝數(shù)組合改為24 V/6 T 和24 V/4 T，得到圖4（B）、4（C）的波形。

圖3　用proteus繪制的仿真電路圖Fig. 3　Simulation circuit designed on proteus

圖4　仿真波形Fig. 4　Simulation oscillogram

為觀察在輸出達(dá)到30 kV時(shí)的穩(wěn)定程度，其中圖4（B）的橫向一格為100 ms，縱向一格仍為3 kV；圖4（C）的橫向一格仍為100 ms，顯示的是開(kāi)始仿真一段時(shí)間待趨于穩(wěn)定后某一個(gè)2 s內(nèi)的波形。由于此時(shí)縱向一格所表示的電壓減小至0.5 kV，因此圖中無(wú)法顯示電源與地的信號(hào)波形。根據(jù)此波形可大致看出，最終高壓輸出的誤差大約為±0.5 kV。

3　控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1電壓采樣及其計(jì)算

本文設(shè)計(jì)的裝置最終輸出電壓將高達(dá)30 kV，因此必須將輸出電壓按比例提取出能由單片機(jī)進(jìn)行處理的5 V以內(nèi)的電壓信號(hào)。

在串聯(lián)電路中，各電阻上的電流相等，各電阻兩端的電壓之和等于電路總電壓，每個(gè)電阻上的電壓值等于該電阻所占該段電路總電阻的百分比，利用分壓原理雖然簡(jiǎn)單，但是仍需對(duì)輸出與采樣之間進(jìn)行電氣隔離，而且精度不高，很可能影響后續(xù)工作。

為了順利從輸出的30 kV電壓中等比例地提取出0~5 V的邏輯電平以供A/D轉(zhuǎn)換使用，應(yīng)采用在高壓包原邊磁芯上纏繞副繞組的辦法提取弱電壓信號(hào)。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)、計(jì)算和比對(duì)，發(fā)現(xiàn)在原邊磁芯上以漆包線繞上77圈的副繞組并做好絕緣保護(hù)措施，再經(jīng)過(guò)恰當(dāng)?shù)恼髋c電容濾波，便可以在此處得到與輸出電壓值等比例的5 V以內(nèi)電壓信號(hào)，用以交給單片機(jī)以及其他低電壓器件進(jìn)行處理。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

由于本文的電源裝置對(duì)實(shí)時(shí)性與精度的要求不是特別高，A/D轉(zhuǎn)換模塊選用最常見(jiàn)也是最普通的ADC0809芯片即可，其為美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。

ADC0809在工作前首先要輸入3位二進(jìn)制地址，ALE高電平時(shí)鎖定地址，這個(gè)二進(jìn)制地址對(duì)應(yīng)8路模擬輸入通道。因?yàn)橹徊杉宦沸盘?hào)，在此可以直接固定一個(gè)地址。根據(jù)ADC0809的工作機(jī)制與A/D轉(zhuǎn)換的根本規(guī)律，本設(shè)計(jì)中電壓采樣的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的計(jì)算公式可以寫為：

其中Vin為采樣電路最終提取出的弱電壓。

至此，可以得出程序中要顯示在屏幕上（單位：百伏）的電壓值的數(shù)據(jù)計(jì)算公式：

其中Vout為輸出電壓。

3.3單片機(jī)系統(tǒng)與電壓采樣電路

單片機(jī)是系統(tǒng)的核心部分，試驗(yàn)采用宏晶科技公司的8位單片機(jī)STC89C52RC，該單片機(jī)是8位高性能MCU，超低功耗：掉電模式下典型功耗< 0.1 μA，空閑模式下典型功耗2 mA，正常工作模式下典型功耗4~7 mA。掉電模式可由外部中斷喚醒，特別適用于電池供電系統(tǒng)[6]。電壓采樣模塊采用經(jīng)典的電壓采樣電路，由副線圈繞組加上快速關(guān)斷二極管、下拉電阻以及瓷片電容的組合連接提取出5 V以內(nèi)的電壓信號(hào)，再由電容C濾除雜波并穩(wěn)定輸出，穩(wěn)壓二極管D用于控制電壓一定在5 V以內(nèi)，以確保ADC0809芯片能夠正常工作。如此5 V以內(nèi)的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送往單片機(jī)進(jìn)行處理，最后在12864液晶屏上顯示當(dāng)前輸出的電壓值。該采樣電路如圖5所示。

圖5　采樣電路Fig. 5　Sampling circuit

3.4顯示電路

顯示電路主要是由控制芯片、128×64液晶屏和外圍驅(qū)動(dòng)電路組成。ST7920是臺(tái)灣矽創(chuàng)電子公司生產(chǎn)的中文圖形控制芯片，是一種內(nèi)置128× 64-12漢字圖形點(diǎn)陣的液晶顯示控制模塊，可以顯示字母、數(shù)字符號(hào)、中文字型及自定義圖塊顯示，其字型ROM包含8 192個(gè)（GB-2312）16×16點(diǎn)陣的中文字型及128個(gè)16×8點(diǎn)陣半寬字符號(hào)字型，另外繪圖顯示畫面提供一個(gè)64×256點(diǎn)陣的繪圖區(qū)域（GDRAM）及256點(diǎn)的ICON RAM，可以和文字畫面混合顯示，且其控制器內(nèi)含的CGRAM提供4組軟體可編程式規(guī)劃的16×16造字功能。該控制芯片可滿足本設(shè)計(jì)顯示電壓變化曲線的要求[7]。

本文設(shè)計(jì)的顯示電路采用是已將控制芯片、128×64液晶屏和外圍驅(qū)動(dòng)電路集成在一起的帶有中文字庫(kù)并可以繪圖的LCD12864ZW模塊，將其直接與單片機(jī)相連，其接線圖如圖6所示。

圖6　LCD12864與單片機(jī)接線Fig. 6　The wiring between LCD12864 and MCU

其中，與單片機(jī)并口P0相連的D0~D7是8位數(shù)據(jù)/指令引腳。3腳是對(duì)比度（亮度）調(diào)節(jié)端，所以應(yīng)與電位器相連以調(diào)節(jié)亮度[7-8]。

4　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1按鍵功能的確定

除電源鍵外本裝置將設(shè)置三個(gè)按鍵，要求這三個(gè)按鍵對(duì)電壓值百位與十位分別進(jìn)行數(shù)值調(diào)節(jié)，并可雙向調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)功能分別是進(jìn)入/退出調(diào)節(jié)模式（確認(rèn)鍵）、當(dāng)前位減1和當(dāng)前位加1。

4.2軟件程序流程圖

裝置開(kāi)啟后，屏幕先顯示歡迎字樣，首先由用戶設(shè)定一個(gè)電壓值，開(kāi)始顯示電壓變化曲線。然后等待用戶按下確認(rèn)鍵，按一次顯示三位數(shù)的電壓值（單位：百伏），并且光標(biāo)在百位閃爍，按加、減鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)，再按確認(rèn)鍵是對(duì)十位進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)?shù)谌伟聪麓_認(rèn)鍵時(shí)，返回到電壓變化曲線圖界面。設(shè)計(jì)出軟件的程序流程圖如圖7所示。

5　試驗(yàn)與分析

本設(shè)計(jì)在焊接前應(yīng)先結(jié)合單片機(jī)開(kāi)發(fā)板在面包板上插線進(jìn)行參數(shù)調(diào)試。首先利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器產(chǎn)生37 kHz的PWM激勵(lì)源，此為高壓包最高效工作頻率。設(shè)定占空比為0.5（即一直保持以當(dāng)前狀態(tài)下的最大輸出電壓進(jìn)行輸出），并接1 000 M的電阻作為負(fù)載，根據(jù)前面仿真的過(guò)程逐漸增加供電電源的電壓/電流并逐漸減少高壓包原邊磁芯上線圈匝數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。每組多次試驗(yàn)并取平均值。結(jié)果見(jiàn)表1。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，表1基本符合前文模擬仿真結(jié)果。并考慮到電源內(nèi)阻的存在，電源作用于大負(fù)載上時(shí)會(huì)有壓降，本設(shè)計(jì)最終采用輸入“24 V/4 A、原邊磁芯線圈匝數(shù)4”這一組參數(shù)數(shù)據(jù)，此時(shí)輸出電壓約為34.3 kV。

圖7　程序流程Fig. 7　Program flow

表1　試驗(yàn)電路輸入輸出關(guān)系Table 1　Relation between input and output of the test circuit

6　結(jié)　論

通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出在PWM占空比情況下，輸出電壓與輸入電壓及電源的最大輸出電流成正比，而與原邊磁芯線圈匝數(shù)成反比，但若將匝數(shù)降至4 T以下導(dǎo)致其電感量不夠，損耗過(guò)大。最終電路設(shè)計(jì)采用24 V/4 A電源和4 T的原邊磁芯匝數(shù)的參數(shù)，輸出略高于30 kV的最大電壓值，24 V/4 A的電源規(guī)格容易實(shí)現(xiàn)且在安全電壓等級(jí)內(nèi)，同時(shí)滿足農(nóng)藥?kù)o電噴霧試驗(yàn)對(duì)電壓等級(jí)的要求。

綜上所述，本文通過(guò)行輸出變壓器配以相應(yīng)的升壓電路并基于開(kāi)關(guān)電源的原理設(shè)計(jì)一種可控高壓靜電電源裝置，裝置由：電源模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制系統(tǒng)、鍵盤操作模塊、采樣檢測(cè)電路和顯示模塊等組成。該裝置可以實(shí)現(xiàn)由程序控制高壓靜電輸出，在液晶屏上顯示設(shè)置電壓值，還能顯示電壓的實(shí)時(shí)變化曲線。電壓的調(diào)節(jié)范圍達(dá)到0~30 kV，誤差不大于0.5 kV，但是由于其為程控調(diào)壓使得其最小調(diào)節(jié)量相比于市面現(xiàn)有的模擬調(diào)壓的高壓電源略顯不足，達(dá)到1 kV。

因該裝置為程序控制，可引入閉環(huán)反饋，以實(shí)現(xiàn)根據(jù)負(fù)載變化自動(dòng)調(diào)壓；屏幕顯示還能增加更多內(nèi)容，如果用其做靜電噴霧試驗(yàn)還可以與上位計(jì)算機(jī)連接自動(dòng)記錄與處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并針對(duì)不同作物生成處方圖與專家系統(tǒng)等等。

[參考文獻(xiàn)]

[1]韓樹(shù)明.靜電噴霧技術(shù)在植保領(lǐng)域的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2011, 12: 249.

[2]Manfred Hampe S. et al. Semiconductor capacitance accelerometer with electrostatic servo technique. Sensors and Actuators A: Physical[J]. 1948: 316-319.

[3]何雄奎.我國(guó)植保機(jī)械與施藥技術(shù)淺析.第三屆全國(guó)綠色環(huán)保農(nóng)藥新技術(shù)、新產(chǎn)品交流會(huì)暨第二屆全國(guó)生物農(nóng)藥研討會(huì)[C].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社, 2004: 11-16.

[4]孫猛,趙玉林,付巖.農(nóng)村電網(wǎng)自動(dòng)穩(wěn)壓技術(shù)的研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 43(5): 78-82.

[5]裴留慶.電路理論基礎(chǔ)[M].北京:北京師范大學(xué)出版社, 1983.

[6]郭強(qiáng),劉志峰,張愛(ài)平,王建華.基于STC89C52單片機(jī)的智能交通燈控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電一體化, 2008(11): 85-88, 92.

[7]舒鑫,郭其一. ST7920點(diǎn)陣式液晶顯示模塊的應(yīng)用研究和編程[J].液晶與顯示, 2007(2): 192-196.

[8]張斌,陳昌旺,周英.點(diǎn)陣式液晶顯示器LM12864與51單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)[J].世界電子元器件, 2004(2): 42-46.

[9]張長(zhǎng)利,李佼,董守田.基于STM32的灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 44(8): 105-109.

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

作者簡(jiǎn)介：楊方（19-），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化。E-mail: yangfang0451@163. com

基金項(xiàng)目：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)資金（CARS-25）

收稿日期：2014-03-04

文章編號(hào)：1005-9369（2015）02-0094-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：S125；TM832