用于繁育植物种苗的高压发生器的设计

易艺 郝建卫 于新业 岳庆英 莫燕兰

关键词： 高压发生器; 植物种苗; 繁育方法; 闭环控制技术; 生理休眠; STM32

中图分类号： TN782?34; TM919; TP368            文献标识码： A              文章编号： 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

随着制药企业对药用植物原料年需求量的增加[1]，单靠消耗野生资源无异于饮鸩止渴。为了解决药用植物资源可持续利用的问题，迫切需要人们进行规模化的人工种植，而人工种植的关键是如何繁育出高性价比的药用植物种苗。

近年来，大量的研究和实验数据表明：利用高压静电场对植物的种子和幼苗进行适当的干预和处理可以繁育出高性价比的植物种苗[2?4]，解决了人们用传统的繁育方法对一些生物学特性脆弱的药用植物难以繁育出植物种苗的问题[5]。但是，目前用于繁育植物种苗的高压发生器存在着参数调整范围不宽、输出最大值不高，在使用操作时对电压参数的调整与控制比较困难，既不具有对植物种苗处理的多组定时功能，又不能对播种后的植物种子和发芽后的幼苗用电场进行适当的干预和处理等问题，且在实际应用中，用户难以使用，从而影响了推广应用。例如：文献[6]通过单片机产生激励信号控制高压电路产生0～55 kV高压静电，只能对浸种前的植物种子进行处理;文献[7]通过单片机控制电压调节电路和逆变电路产生0～50 kV高压静电，只有单组定时功能;文献[8]高压发生装置主要用于污泥细胞破壁设备中，提高了细胞的破壁率，最大只能产生50 kV左右的双极性脉冲电压;文献[9]高压脉冲发生装置只能对种子进行处理，不能对幼苗进行处理，且输出的电压不高。为了克服上述存在的不足，便于用户使用高压发生装置繁育出高性价比的植物种苗，尤其是生物学特性脆弱的药用植物种苗，设计一种用于繁育植物种苗的直流高压发生器，该装置可以输出0～150 kV的直流高压，具有电压参数可调范围宽、成本低、性能可靠、便于操作、可以设置多组输出电压和定时时间等诸多优点。

1  系统的组成和原理

用于繁育植物种苗的直流高压发生器由控制与处理单元、高压可调驱动电路模块、高压包、倍压模块和平行极板组成。其系统组成框图如图1所示。

控制与处理单元是直流高压发生器的主控中心，负责整个直流高压发生器的管理、检测、控制和处理等任务，它将用户输入的数据和指令经过处理后送给高压可调驱动电路模块，控制高压可调驱动电路模块产生幅度可变、带负载能力强的脉冲信号;然后将该脉冲信号送给高压包和倍压模块进行放大和倍压整流;最后在倍压模块的输出端（即直流高压发生器的输出接口的输出端）输出直流高压。在对植物种子和幼苗进行处理和干预的应用中，需要将高压发生器输出接口的输出端与平行极板的上极板相连接，高压发生器输出接口的接地端与平行极板的下极板相连接，两个平行极板间就形成电场。

PC机上安装有客户端软件，获得授权的用户可以根据需要在PC机的客户端软件上输入任务命令，通过USB转串口模块对高压发生器进行控制，获取植物种苗生长所需要的各项电压和时间参数，并对它们进行分析和处理。

2  系统硬件设计

系统的硬件设计主要包括控制与处理单元电路、高压可调驱动电路、高压包、倍压模块和平行极板。

2.1  控制与处理单元电路

控制与处理单元电路主要由微控制器最小系统模块和与之相连接的存储器模块、时钟模块、射频卡模块、旋转编码器开关模块、高压输出启动电路、数字电位器模块、电压检测模块、RS 485通信模块、数码管显示模块和USB转串口模块组成。其硬件电路设计框图如图2所示。

微控制器最小系统模块选用STM32F103VET6 芯片作为控制器，其片内集成有ADC，DAC，I2C通信接口，SPI通信接口和USART通信接口等豐富的片上资源[10]，具有性价比高、功耗低、最小系统电路简单等特点。微控制器是高压发生器的控制核心，它承担高压发生器的监控和管理任务：

第一，微控制器通过控制射频卡模块检测用户的IC卡是否具有使用高压发生器的权限，若有权限，则可以进行操作，否则无权操作高压发生器。

第二，拥有操作权限的用户根据需要通过旋转编码器开关模块向微控制器输入一组或多组输出的电压值以及每组电压值对应的工作定时时间值，微控制器接收到这些电压值和时间值后控制存储器模块进行存储，并通过控制RS 485通信模块送给数码管显示模块进行显示。

第三，高压发生器的各项参数设置完毕后，用户根据需要通过高压输出启动开关启动高压发生器，微控制器一方面将存储器模块中的电压参数调出，分析和处理后送给数字电位器模块产生相应的电阻值，然后送给可调开关电源的电压调节控制端，以产生可变的直流电压;另一方面将存储器模块中的定时时间参数读出与从时钟模块获得的时间进行比较，以判断工作定时时间到达与否，然后通过脉冲使能控制端控制脉冲发生器是否产生脉冲信号。

第四，微控制器通过控制电压检测模块从场效应管驱动电路模块中采集输出电压的取样电压值，经过处理转换后与用户预置的输出电压值进行对比，形成闭环控制，使输出电压更准确。

第五，PC机可以通过USB转串口模块与微控制器进行通信。

存储器模块采用华邦W25Q系列存储芯片W25Q128B来进行设计，该芯片采用SPI的通信协议与微控制器进行通信。

时钟模块选用内置晶振电路的DS3231芯片来实现，该芯片采用I2C的通信协议与微控制器进行通信。

数字电位器模块选用Microchip公司生产的数字电位器芯片MCP4151?502E/P来设计实现。该数字电位器采用SPI的通信协议与微控制器进行通信。

数码管显示模块选用自带RS 485总线接口的LED?485?054显示模块来实现。STM32微控制器通过RS 485通信模块向其发送显示的数据。

2.2  高压可调驱动电路

高压可调驱动电路的硬件设计主要包含脉冲发生器、场效应管驱动电路模块以及可调开关电源。其硬件设计框图如图3所示。

可调开关电源选用JM?150W?36可调开关电源来实现。该电源的AC输入电压为220 V，DC输出电压调整范围为0～36 V，最大输出电流为4.2 A，通过调节精密电位器来调节输出电压，将其电压调节控制端连接至控制与处理单元电路的数字电位器端，实现对开关电源输出电压的调节。

脉冲发生器选用NE555定时器芯片来设计，它的外围电路如图4所示。

根据NE555定时器芯片构成多谐振荡器的工作原理[11]可知，在图4电路中，电容C1的充电时间为t1=RAC1，放电时间为t2=RBC1，因此脉冲发生器的振荡周期T、频率f和占空比D分别为：

[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，通过改变[RA，RB]和C1的参数可以改变脉冲发生器的振荡周期T和频率f。在高压发生器的设计过程中，根据选定高压包的工作频率来确定脉冲发生器的工作频率，选取电路元件的参数。当脉冲发生器的振荡周期T选定后，通过调整电位器[RP]可以改变脉冲发生器的占空比，以此来微调高压发生器的输出电压。

隔离变压器选用初级和次级比为1∶1的高频变压器，它能将脉冲发生器产生的脉冲信号耦合至场效应管驱动电路中，控制场效应管工作，隔离高压信号。

场效应管驱动电路选用STB75NF75器件来实现。脉冲发生器产生的脉冲信号经过三极管驱动隔离变压器控制STB75NF75的栅极对可调开关电源输出的直流电压按脉冲信号的频率进行导通和截止的控制，以此产生驱动能力强的脉冲信号送给高压包的输入端。

2.3  高压包和倍压模块

高压包采用定制的交流输入，交流输出的高压包，最大输出电压为20 kV。倍压模块选用高压静电倍压模块1586A来实现，它能将高压包输出的高压交流信号进行倍压整流，倍压比为1∶10，从而输出直流高压。

2.4  平行极板

平行极板可以由用户根据处理植物种子和幼苗的需要由2块大小相同的金属板和PVC管组成。PVC管主要用来搭接承载金属板的框架，框架一般高50～90 cm，在框架的上面和下面分别放入金属板，下面的金属板与高压发生器输出接口的接地端相连接，上面的金属板与高压发生器输出接口的输出端相连接。

3  系统软件设计

系统的软件设计主要由控制与处理单元的微控制器软件和PC机的客户端软件组成。

3.1  控制与处理单元的微控制器软件设计

控制与处理单元的微控制器软件设计采用模块化的设计方法，在Keil μVision5集成开发环境下，用C语言来编程实现各个模块的程序设计，主要包括旋转编码器的程序、数字电位器的程序和RS 485通信模块的程序等程序设计。其主程序流程图如图5所示。

3.2  PC机的客户端软件设计

PC机的客户端软件采用Visual Basic 6.0开发，可以根据用户的需要向高压发生器发送和存储控制命令，记录高压发生器对植物种苗作用的电压参数和时间等。管理者既可利用PC机的软硬件对高压发生器工作的各项参数进行分析、处理、存储和管理，又可根据需要通过射频卡模块获取操作人员使用高压发生器对植物种苗作用的电压参数值、作用的时间值和次数等，对操作人员的工作情况进行记录。

4  系统测试实验

将设计制作完成的高压发生器按照图6所示搭建测试电路，然后采用PINTECH HVP?40DM型直流高压测试棒和1 000 MΩ高压电阻搭接测试电路进行测试，得到其部分参数测量结果如表1所示。

表1的测试结果表明，自制的用于繁育植物种苗的高压发生器电压输出范围为0～150 kV，具有电压输出范围宽、参数精度较高、误差小等特点。将自制的高压发生器应用于广西某公司的植物种苗繁育基地的苗床中繁育牛大力的种苗。经过一段时间的繁育实验研究得到，经过电场处理和诱导的牛大力的种苗与空白组对照图如图7所示。

在图7中，左边3棵种苗为经过高压发生器产生电场处理和诱导繁育出来的牛大力种苗，右边5棵种苗是未经过电场处理和诱导繁育出来的牛大力种苗，可以看出经过电场处理和诱导的牛大力种苗根系发达、长势健壮、成苗率高。

5  结  论

本文以STM32微控制器作为控制核心，采用軟硬件结合的方式，设计一种用于繁育植物种苗的高压发生器。实验测试结果表明，该高压发生器既具有操作方便、输出电压范围宽、可以设置多组输出电压和定时时间等众多优点，又可以用于繁育高性价比的植物种苗，为人们进行规模化人工种植难繁育的植物提供保障，具有较高的应用价值和良好的市场前景。

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