易藝 郝建衛(wèi) 于新業(yè) 岳慶英 莫燕蘭

關(guān)鍵詞： 高壓發(fā)生器; 植物種苗; 繁育方法; 閉環(huán)控制技術(shù); 生理休眠; STM32

中圖分類號： TN782?34; TM919; TP368 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）14?0009?05

Design of high?voltage generator for cultivating plant seeds and seedlings

YI Yi1， HAO Jianwei1， YU Xinye1， YUE Qingying1， MO Yanlan2

（1. Institute of Information Technology， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China;

2. Guilin Erasun Modern Biotechnology Co.， Ltd.， Guilin 541004， China）

Abstract： A direct?current high?voltage generator for cultivating plant seeds and seedlings is designed by combining the power source technology， detection technology and control technology， so as to use the high?voltage electric field to perform appropriate interference and handling for the cultivation and growth of plant seeds and seedlings， and solve the problem that it is difficult for traditional breeding methods to cultivate high cost?effective plant seeds and seedlings. The high?voltage generator takes the STM32 as the micro?controller to make various software and hardware modules work cooperatively， and can output 0～150 kV DC high voltage. The closed?loop control technology is introduced to improve the accuracy of output voltages. The testing results of the plant seed and seedling cultivation experiment show that the high?voltage generator is easy for operation， has a stable and reliable performance， can set up multiple sets of output voltages and timings， and effectively break the physiological dormancy of seeds， so as to obtain high cost?effective plant seeds and seedlings， and lay a foundation for cultivation researches of plant seeds and seedlings.

Keywords： high?voltage generator; plant seed and seedling; cultivation method; closed?loop control technology; physiological dormancy; STM32

0 ?引 ?言

隨著制藥企業(yè)對藥用植物原料年需求量的增加[1]，單靠消耗野生資源無異于飲鴆止渴。為了解決藥用植物資源可持續(xù)利用的問題，迫切需要人們進(jìn)行規(guī)?；娜斯しN植，而人工種植的關(guān)鍵是如何繁育出高性價比的藥用植物種苗。

近年來，大量的研究和實驗數(shù)據(jù)表明：利用高壓靜電場對植物的種子和幼苗進(jìn)行適當(dāng)?shù)母深A(yù)和處理可以繁育出高性價比的植物種苗[2?4]，解決了人們用傳統(tǒng)的繁育方法對一些生物學(xué)特性脆弱的藥用植物難以繁育出植物種苗的問題[5]。但是，目前用于繁育植物種苗的高壓發(fā)生器存在著參數(shù)調(diào)整范圍不寬、輸出最大值不高，在使用操作時對電壓參數(shù)的調(diào)整與控制比較困難，既不具有對植物種苗處理的多組定時功能，又不能對播種后的植物種子和發(fā)芽后的幼苗用電場進(jìn)行適當(dāng)?shù)母深A(yù)和處理等問題，且在實際應(yīng)用中，用戶難以使用，從而影響了推廣應(yīng)用。例如：文獻(xiàn)[6]通過單片機(jī)產(chǎn)生激勵信號控制高壓電路產(chǎn)生0～55 kV高壓靜電，只能對浸種前的植物種子進(jìn)行處理;文獻(xiàn)[7]通過單片機(jī)控制電壓調(diào)節(jié)電路和逆變電路產(chǎn)生0～50 kV高壓靜電，只有單組定時功能;文獻(xiàn)[8]高壓發(fā)生裝置主要用于污泥細(xì)胞破壁設(shè)備中，提高了細(xì)胞的破壁率，最大只能產(chǎn)生50 kV左右的雙極性脈沖電壓;文獻(xiàn)[9]高壓脈沖發(fā)生裝置只能對種子進(jìn)行處理，不能對幼苗進(jìn)行處理，且輸出的電壓不高。為了克服上述存在的不足，便于用戶使用高壓發(fā)生裝置繁育出高性價比的植物種苗，尤其是生物學(xué)特性脆弱的藥用植物種苗，設(shè)計一種用于繁育植物種苗的直流高壓發(fā)生器，該裝置可以輸出0～150 kV的直流高壓，具有電壓參數(shù)可調(diào)范圍寬、成本低、性能可靠、便于操作、可以設(shè)置多組輸出電壓和定時時間等諸多優(yōu)點。

1 ?系統(tǒng)的組成和原理

用于繁育植物種苗的直流高壓發(fā)生器由控制與處理單元、高壓可調(diào)驅(qū)動電路模塊、高壓包、倍壓模塊和平行極板組成。其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

控制與處理單元是直流高壓發(fā)生器的主控中心，負(fù)責(zé)整個直流高壓發(fā)生器的管理、檢測、控制和處理等任務(wù)，它將用戶輸入的數(shù)據(jù)和指令經(jīng)過處理后送給高壓可調(diào)驅(qū)動電路模塊，控制高壓可調(diào)驅(qū)動電路模塊產(chǎn)生幅度可變、帶負(fù)載能力強(qiáng)的脈沖信號;然后將該脈沖信號送給高壓包和倍壓模塊進(jìn)行放大和倍壓整流;最后在倍壓模塊的輸出端（即直流高壓發(fā)生器的輸出接口的輸出端）輸出直流高壓。在對植物種子和幼苗進(jìn)行處理和干預(yù)的應(yīng)用中，需要將高壓發(fā)生器輸出接口的輸出端與平行極板的上極板相連接，高壓發(fā)生器輸出接口的接地端與平行極板的下極板相連接，兩個平行極板間就形成電場。

PC機(jī)上安裝有客戶端軟件，獲得授權(quán)的用戶可以根據(jù)需要在PC機(jī)的客戶端軟件上輸入任務(wù)命令，通過USB轉(zhuǎn)串口模塊對高壓發(fā)生器進(jìn)行控制，獲取植物種苗生長所需要的各項電壓和時間參數(shù)，并對它們進(jìn)行分析和處理。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括控制與處理單元電路、高壓可調(diào)驅(qū)動電路、高壓包、倍壓模塊和平行極板。

2.1 ?控制與處理單元電路

控制與處理單元電路主要由微控制器最小系統(tǒng)模塊和與之相連接的存儲器模塊、時鐘模塊、射頻卡模塊、旋轉(zhuǎn)編碼器開關(guān)模塊、高壓輸出啟動電路、數(shù)字電位器模塊、電壓檢測模塊、RS 485通信模塊、數(shù)碼管顯示模塊和USB轉(zhuǎn)串口模塊組成。其硬件電路設(shè)計框圖如圖2所示。

微控制器最小系統(tǒng)模塊選用STM32F103VET6 芯片作為控制器，其片內(nèi)集成有ADC，DAC，I2C通信接口，SPI通信接口和USART通信接口等豐富的片上資源[10]，具有性價比高、功耗低、最小系統(tǒng)電路簡單等特點。微控制器是高壓發(fā)生器的控制核心，它承擔(dān)高壓發(fā)生器的監(jiān)控和管理任務(wù)：

第一，微控制器通過控制射頻卡模塊檢測用戶的IC卡是否具有使用高壓發(fā)生器的權(quán)限，若有權(quán)限，則可以進(jìn)行操作，否則無權(quán)操作高壓發(fā)生器。

第二，擁有操作權(quán)限的用戶根據(jù)需要通過旋轉(zhuǎn)編碼器開關(guān)模塊向微控制器輸入一組或多組輸出的電壓值以及每組電壓值對應(yīng)的工作定時時間值，微控制器接收到這些電壓值和時間值后控制存儲器模塊進(jìn)行存儲，并通過控制RS 485通信模塊送給數(shù)碼管顯示模塊進(jìn)行顯示。

第三，高壓發(fā)生器的各項參數(shù)設(shè)置完畢后，用戶根據(jù)需要通過高壓輸出啟動開關(guān)啟動高壓發(fā)生器，微控制器一方面將存儲器模塊中的電壓參數(shù)調(diào)出，分析和處理后送給數(shù)字電位器模塊產(chǎn)生相應(yīng)的電阻值，然后送給可調(diào)開關(guān)電源的電壓調(diào)節(jié)控制端，以產(chǎn)生可變的直流電壓;另一方面將存儲器模塊中的定時時間參數(shù)讀出與從時鐘模塊獲得的時間進(jìn)行比較，以判斷工作定時時間到達(dá)與否，然后通過脈沖使能控制端控制脈沖發(fā)生器是否產(chǎn)生脈沖信號。

第四，微控制器通過控制電壓檢測模塊從場效應(yīng)管驅(qū)動電路模塊中采集輸出電壓的取樣電壓值，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換后與用戶預(yù)置的輸出電壓值進(jìn)行對比，形成閉環(huán)控制，使輸出電壓更準(zhǔn)確。

第五，PC機(jī)可以通過USB轉(zhuǎn)串口模塊與微控制器進(jìn)行通信。

存儲器模塊采用華邦W25Q系列存儲芯片W25Q128B來進(jìn)行設(shè)計，該芯片采用SPI的通信協(xié)議與微控制器進(jìn)行通信。

時鐘模塊選用內(nèi)置晶振電路的DS3231芯片來實現(xiàn)，該芯片采用I2C的通信協(xié)議與微控制器進(jìn)行通信。

數(shù)字電位器模塊選用Microchip公司生產(chǎn)的數(shù)字電位器芯片MCP4151?502E/P來設(shè)計實現(xiàn)。該數(shù)字電位器采用SPI的通信協(xié)議與微控制器進(jìn)行通信。

數(shù)碼管顯示模塊選用自帶RS 485總線接口的LED?485?054顯示模塊來實現(xiàn)。STM32微控制器通過RS 485通信模塊向其發(fā)送顯示的數(shù)據(jù)。

2.2 ?高壓可調(diào)驅(qū)動電路

高壓可調(diào)驅(qū)動電路的硬件設(shè)計主要包含脈沖發(fā)生器、場效應(yīng)管驅(qū)動電路模塊以及可調(diào)開關(guān)電源。其硬件設(shè)計框圖如圖3所示。

可調(diào)開關(guān)電源選用JM?150W?36可調(diào)開關(guān)電源來實現(xiàn)。該電源的AC輸入電壓為220 V，DC輸出電壓調(diào)整范圍為0～36 V，最大輸出電流為4.2 A，通過調(diào)節(jié)精密電位器來調(diào)節(jié)輸出電壓，將其電壓調(diào)節(jié)控制端連接至控制與處理單元電路的數(shù)字電位器端，實現(xiàn)對開關(guān)電源輸出電壓的調(diào)節(jié)。

脈沖發(fā)生器選用NE555定時器芯片來設(shè)計，它的外圍電路如圖4所示。

根據(jù)NE555定時器芯片構(gòu)成多諧振蕩器的工作原理[11]可知，在圖4電路中，電容C1的充電時間為t1=RAC1，放電時間為t2=RBC1，因此脈沖發(fā)生器的振蕩周期T、頻率f和占空比D分別為：

[T=t1+t2=（RA+RB）C1] （1）

[f=1T=1（（RA+RB）C1）] ?（2）

[D=t1T=RA（RA+RB）] ?（3）

由式（1）和式（2）可知，通過改變[RA，RB]和C1的參數(shù)可以改變脈沖發(fā)生器的振蕩周期T和頻率f。在高壓發(fā)生器的設(shè)計過程中，根據(jù)選定高壓包的工作頻率來確定脈沖發(fā)生器的工作頻率，選取電路元件的參數(shù)。當(dāng)脈沖發(fā)生器的振蕩周期T選定后，通過調(diào)整電位器[RP]可以改變脈沖發(fā)生器的占空比，以此來微調(diào)高壓發(fā)生器的輸出電壓。

隔離變壓器選用初級和次級比為1∶1的高頻變壓器，它能將脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號耦合至場效應(yīng)管驅(qū)動電路中，控制場效應(yīng)管工作，隔離高壓信號。

場效應(yīng)管驅(qū)動電路選用STB75NF75器件來實現(xiàn)。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)過三極管驅(qū)動隔離變壓器控制STB75NF75的柵極對可調(diào)開關(guān)電源輸出的直流電壓按脈沖信號的頻率進(jìn)行導(dǎo)通和截止的控制，以此產(chǎn)生驅(qū)動能力強(qiáng)的脈沖信號送給高壓包的輸入端。

2.3 ?高壓包和倍壓模塊

高壓包采用定制的交流輸入，交流輸出的高壓包，最大輸出電壓為20 kV。倍壓模塊選用高壓靜電倍壓模塊1586A來實現(xiàn)，它能將高壓包輸出的高壓交流信號進(jìn)行倍壓整流，倍壓比為1∶10，從而輸出直流高壓。

2.4 ?平行極板

平行極板可以由用戶根據(jù)處理植物種子和幼苗的需要由2塊大小相同的金屬板和PVC管組成。PVC管主要用來搭接承載金屬板的框架，框架一般高50～90 cm，在框架的上面和下面分別放入金屬板，下面的金屬板與高壓發(fā)生器輸出接口的接地端相連接，上面的金屬板與高壓發(fā)生器輸出接口的輸出端相連接。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由控制與處理單元的微控制器軟件和PC機(jī)的客戶端軟件組成。

3.1 ?控制與處理單元的微控制器軟件設(shè)計

控制與處理單元的微控制器軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方法，在Keil μVision5集成開發(fā)環(huán)境下，用C語言來編程實現(xiàn)各個模塊的程序設(shè)計，主要包括旋轉(zhuǎn)編碼器的程序、數(shù)字電位器的程序和RS 485通信模塊的程序等程序設(shè)計。其主程序流程圖如圖5所示。

3.2 ?PC機(jī)的客戶端軟件設(shè)計

PC機(jī)的客戶端軟件采用Visual Basic 6.0開發(fā)，可以根據(jù)用戶的需要向高壓發(fā)生器發(fā)送和存儲控制命令，記錄高壓發(fā)生器對植物種苗作用的電壓參數(shù)和時間等。管理者既可利用PC機(jī)的軟硬件對高壓發(fā)生器工作的各項參數(shù)進(jìn)行分析、處理、存儲和管理，又可根據(jù)需要通過射頻卡模塊獲取操作人員使用高壓發(fā)生器對植物種苗作用的電壓參數(shù)值、作用的時間值和次數(shù)等，對操作人員的工作情況進(jìn)行記錄。

4 ?系統(tǒng)測試實驗

將設(shè)計制作完成的高壓發(fā)生器按照圖6所示搭建測試電路，然后采用PINTECH HVP?40DM型直流高壓測試棒和1 000 MΩ高壓電阻搭接測試電路進(jìn)行測試，得到其部分參數(shù)測量結(jié)果如表1所示。

表1的測試結(jié)果表明，自制的用于繁育植物種苗的高壓發(fā)生器電壓輸出范圍為0～150 kV，具有電壓輸出范圍寬、參數(shù)精度較高、誤差小等特點。將自制的高壓發(fā)生器應(yīng)用于廣西某公司的植物種苗繁育基地的苗床中繁育牛大力的種苗。經(jīng)過一段時間的繁育實驗研究得到，經(jīng)過電場處理和誘導(dǎo)的牛大力的種苗與空白組對照圖如圖7所示。

在圖7中，左邊3棵種苗為經(jīng)過高壓發(fā)生器產(chǎn)生電場處理和誘導(dǎo)繁育出來的牛大力種苗，右邊5棵種苗是未經(jīng)過電場處理和誘導(dǎo)繁育出來的牛大力種苗，可以看出經(jīng)過電場處理和誘導(dǎo)的牛大力種苗根系發(fā)達(dá)、長勢健壯、成苗率高。

5 ?結(jié) ?論

本文以STM32微控制器作為控制核心，采用軟硬件結(jié)合的方式，設(shè)計一種用于繁育植物種苗的高壓發(fā)生器。實驗測試結(jié)果表明，該高壓發(fā)生器既具有操作方便、輸出電壓范圍寬、可以設(shè)置多組輸出電壓和定時時間等眾多優(yōu)點，又可以用于繁育高性價比的植物種苗，為人們進(jìn)行規(guī)模化人工種植難繁育的植物提供保障，具有較高的應(yīng)用價值和良好的市場前景。

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