Микроконтроллеры и микропроцессорные устройства в электроэнергетике

 
 
 
 
И. А. Бершадский 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ 
УСТРОЙСТВА В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 
ϭ 
 

УДК 621.311 
ББК 31.27731.278 
Б52 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой прикладной математики 
Донецкого национального технического университета В. Н. Павлыш;  
доктор технических наук, профессор, директор института инновационных технологий  
в электромеханике и робототехнике Санкт-Петербургского государственного университета 
аэрокосмического приборостроения В. Ф. Шишлаков  
 
 
 
 
 
 
 
 
Бершадский, И. А. 
Б52     
Микроконтроллеры и микропроцессорные устройства в элекроэнергетике : учебное пособие / И. А. Бершадский. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 216 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-0784-7 
Рассмотрены принципы построения микропроцессорных систем, архитектура и назначение ее отдельных элементов, средства согласования микропроцессорных систем с объектами управления, методы программирования микроконтроллеров AVR, базовые примеры применения микроконтроллеров. Показано использование микроконтроллеров в электроэнергетике. 
Для студентов электроэнергетических направлений подготовки. Может 
быть полезно специалистам в области электроэнергетики и электротехники. 
 
 
 УДК 621.311 
ББК 31.27731.278 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0784-7 
       © Бершадский И. А., 2022 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
Ϯ 
 

 
СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 5 
 
1. Основы микроконтроллеров ................................................................... 8 
1.1. Системы счисления .............................................................................. 8 
1.2. Микропроцессорная система 
............................................................. 11 
 
2. Анализ микроконтроллеров  
в электроэнергетических устройствах ...................................................... 15 
2.1. Архитектура микроконтроллеров ..................................................... 15 
2.2. Типы памяти микроконтроллеров 
..................................................... 21 
2.3. Особенности микроконтроллеров различных компаний ................ 27 
 
3. Структура и характеристики микроконтроллеров AVR  
фирмы Atmel  
.................................................................................................. 32 
3.1. Основные особенности микроконтроллера ATtiny2313 .................. 34 
3.2. Структура микроконтроллера ATtiny2313 ........................................ 36 
3.3. Регистры данных. Работа с памятью  
микроконтроллера ATtiny2313 
.................................................................. 44 
3.4. Порты ввода/вывода микроконтроллера ATtiny2313 
....................... 50 
3.5. Система прерываний микроконтроллера ATtiny2313 
...................... 52 
3.6. Таймеры-счетчики микроконтроллера ATiny2313 
........................... 61 
3.6.1. 8-разрядный таймер/счетчик T / C0 
............................................ 63 
3.6.2. 16-разрядный таймер/счетчик T / C1 
.......................................... 67 
3.7. ШИМ в МК AVR ................................................................................. 72 
3.8. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) в МК AVR ................. 81 
 
4. Язык Си для микрокотроллеров AVR ................................................. 85 
4.1. Определения и операторы языка Си для AVR .................................. 85 
4.2. Основные конструкции языка Си ..................................................... 93 
4.3. Структура программы на языке Си 
................................................... 96 
4.4. Пример программы на Си для МК AVR 
.......................................... 100 
 
5. Простейшие примеры применения микроконтроллеров  
в электротехнике ......................................................................................... 107 
5.1. Управление светодиодами ............................................................... 107 
5.2. Управление звуковым сигналом ..................................................... 114 
5.3. Управление реле ............................................................................... 115 
5.4. Управление нагрузкой 
...................................................................... 117 
5.5. Управление цифровым 7-сегментным индикатором 
..................... 119 
5.6. Управление аналого-цифровым преобразователем.  
Подключение внешнего АЦП (MCP3201)  
к микроконтроллеру AVR 
........................................................................ 121 
ϯ 
 

5.7. Управление шаговым двигателем ................................................... 126 
5.8. Управление жидкокристаллическим индикатором ....................... 141 
5.9. Управление термодатчиком  
............................................................ 144 
 
6. Измерения в электроэнергетике ......................................................... 153 
6.1. Классификация счетчиков электрической энергии ....................... 153 
6.2. Общее устройство и принцип действия электронных и цифровых 
счетчиков электрической энергии.......................................................... 154 
6.3. Трехфазные многотарифные счетчики электроэнергии ............... 171 
6.4. Микропроцессорные устройства измерения сопротивлений ....... 175 
6.4.1. Измерение сопротивления без использования АЦП .............. 175 
6.4.2. Микропроцессорный прибор  
для измерения сопротивления ИС-10 ................................................ 178 
6.4.3. Микропроцессорный измеритель параметров  
электрической сети 1824LP ................................................................ 181 
6.5. Принцип работы цифрового мультиметра ..................................... 182 
 
7. Диагностика состояния электрооборудования ................................ 187 
7.1. Система управления, мониторинга и диагностики  
трансформаторного оборудования 
......................................................... 187 
7.2. Контроль перегрузок трансформатора ........................................... 189 
7.3. Контроль и диагностика электрических машин ............................ 191 
7.3.1. Реле защиты двигателя РДЦ-01 
................................................ 191 
7.3.2. Прибор AMTEST-2 для проведения диагностики  
состояния электрических машин  
....................................................... 194 
7.4. Микропроцессорное устройство определения места  
повреждения 
............................................................................................. 196 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................... 200 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................... 202 
 
ПРИЛОЖЕНИЕ П1 ................................................................................... 206 
 
ПРИЛОЖЕНИЕ П2 .............................................................................. 209 
 
 
ϰ 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
В современном мире важнейшей задачей является энергообеспечение жизнедеятельности всего человечества. В частности, только информационные технологии потребляют значительную долю электроэнергии - около 1,5 тыс. тераватт-часов электроэнергии в год, т. е. почти 10  от всей потребляемой энергии. 
Действующую электроэнергетическую систему можно охарактеризовать как пассивную и централизованную, особенно в части последней 
цепочки - от распределительных сетей до потребителей. Сами распределительные сети не обладают полной информацией об электропотреблении в реальном масштабе времени. Для потребителя такая схема является крайне уязвимой с точки зрения надежности функционирования 
сети в условиях дефицита мощности. 
Уже во многих странах мира активно ведутся работы по формированию интеллектуальных сетей. Они получили название технологии 
Smart Grid, и интегрируют в единый комплекс сети энергоснабжения и 
компьютерные телекоммуникационные сети, основанные на системах 
передачи информации. Главная цель технологии состоит в обеспечении 
мониторинга и оптимизации расхода энергоресурсов, а также повышения безопасности функционирования энергосетей [1]. 
Кроме того, в Smart Grid удаётся обнаруживать в автоматическом 
режиме самые уязвимые, аварийные и опасные участки электросети. 
После этого данная сеть осуществляет изменение характеристик и схемы самой сети для того, чтобы минимизировать потери и риск возникновения аварийных ситуаций.  
Интеллектуальная сеть способна принимать энергию от любого источника (ветер, солнце, уголь и т.д.) и преобразовывать её в конечный 
продукт, который поступает непосредственно к потребителю. Техническим её аппаратом служат цифровые управляющие системы, решающие 
различные задачи искусственного интеллекта. А компьютеризация данной сети потребления даёт возможность максимально точно и эффективно контролировать потребление энергетических ресурсов. 
Реализация электроэнергетического комплекса в русле упомянутой 
технологии Smart Grid становится возможным благодаря применению 
современной элементной базы, способной сделать процесс управления 
«интеллектуальным». 
Масштабный процесс автоматизации, интеллектуализации, как 
электроэнергетики, так и многих других отраслей промышленности, а 
также систем жизнеобеспечения человека неразрывно связан с применением микропроцессорной техники. Более подробно об этом будет идти речь на страницах данного учебного пособия. 
Здесь уместно привести несколько примеров. 
 
ϱ 
 

1. Релейная защита в сетях Smart Grid 
Концепция Smart Grid предполагает совмещение релейной защиты 
с информационно-измерительными функциями. Микропроцессорные 
устройства релейной защиты измеряют токи и напряжение в векторной 
форме, накапливают данные о срабатываниях и аварийных режимах в 
специальных блоках памяти. Таким образом, релейная защита превращается в элемент системы диагностики и мониторинга электрооборудования. 
 
2. Интеллектуальные счетчики в сетях Smart Grid 
Основой системы Smart Grid является постоянный мониторинг состояния всех участников сети посредством интеллектуальных счетчиков, снабжённых коммуникационными средствами для передачи накопленной информации с помощью сетевых технологий с целью осуществления расчётов за коммунальные услуги͘ Интеллектуальные счётчики 
являются экономичным средством для получения информации, позволяющей вводить дифференцированные тарифы на потребление энергии 
в зависимости от времени суток и времени года и проводить мониторинг потребления. Интеллектуальные счетчики могут измерять параметры импульсных перенапряжений и гармонических искажений, что 
позволяет диагностировать проблемы качества электроэнергии. 
 
3. Устройства и технологии управления линиями переменного тока 
(FACTS) 
Это системы компенсации реактивной мощности в распределительных сетях энергоснабжения, служащие для повышения качества передачи электроэнергии. 
FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems) - комплекс технических и информационных средств автоматического управления параметрами линий электропередачи [2]. FACTS системы преобразуют функцию электрической сети из существующей «пассивной» в 
«активную». Важнейшее свойство FACTS систем - их способность поглощать или возвращать реактивную мощность. К техническим средствам реализации относят статические преобразователи напряжения, 
конденсаторные батареи, электромашиновентильные комплексы (машины переменного тока со статическими преобразователями частоты) и 
микропроцессорные средства управления устройствами. 
 
4. Системы «умный дом» («интеллектуальное здание») 
Основные функции, выполняемые системой «умный дом» [3]: 
управление энергопотреблением, освещением, микроклиматом (отопление, кондиционирование, вентиляция), оперативный контроль, индикация, мониторинг, охрана и сигнализация, управление жалюзи и ставнями, взаимодействие с другими системами.  
 
 
ϲ 
 

Это далеко не полный перечень устройств и технологий, осуществление которых стало возможным, благодаря «интеллектуализации» 
микропроцессорных устройств. 
Также следует упомянуть о малой автоматизации сетей и производств, что в значительной степени связано с появлением программируемых логических контроллеров (ПЛК). Программируемый логический 
контроллер PLC (programmable logic controller) - электронная составляющая специализированного промышленного контроллера, используемого для автоматизации технологических процессов [4]. В качестве 
основного режима работы ПЛК выступает его длительное автономное 
использование, без значительно обслуживания и практически без вмешательства человека. Основой ПЛК является микроконтроллер. 
Развитие микропроцессорной техники привело к созданию микроконтроллеров [5], совмещающих на одном кристалле микропроцессор и 
сервисные модули. Совмещение в одной микросхеме достаточно мощного вычислительного ядра с широким набором периферии значительно 
снижает размеры, энергопотребление логической части устройства и его 
стоимость в целом. Микроконтроллеры легко встраиваются в любое 
технические оборудование, расширяя его функциональные возможности. 
В энергетике, как показано выше, микроконтроллеры внедряются 
ускоренными темпами. Совершенствуются и разрабатываются новые 
датчики физических величин, системы сбора и передачи данных, а также различные исполнительные устройства. Количество контролируемых и управляемых параметров значительно расширилось. Созданы 
уникальные средства векторных измерений в энергетике, что позволяет 
организовать эффективное управление нормальными и аварийными режимами в реальном масштабе времени.  
Для уменьшения возможности возникновения аварийных ситуаций 
вследствие старения и износа оборудования разрабатываются различные устройства диагностики. Применение микроконтроллеров позволяет повысить эффективность режимной и противоаварийной автоматики, 
что обеспечивает надлежащее качество и надёжность электроснабжения 
потребителей. Для анализа нормальных и аварийных режимов, а также 
для накопления опыта используются регистраторы переходных процессов в электроэнергетике. 
Цель этого учебного пособия - познакомить студентов с базой новой цифровой электроники и дать представление о ее применениях в 
электроэнергетике и электротехнике.  
 
 
 
 
 
 
ϳ 
 

1. ОСНОВЫ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ 
 
1.1. Системы счисления 
 
Метод изображения любых чисел с помощью ограниченного количества цифр называется системой счисления. В десятичной системе 
счисления для записи чисел используются десять различных цифр от 
нуля до девяти. Число 10 обозначается при помощи двух цифр и является основанием системы счисления. В общем случае основанием системы 
называют количество цифр, используемых для изображения любых чисел. В микропроцессорной технике используются двоичные, шестнадцатеричные и двоично-десятичные числа. 
Двоичная система счисления с основанием 2 использует цифры 0 
и 1 [5]. Общее название у этих цифр - бит информации. Физически в 
электронных цифровых схемах бит 0 представлен низким напряжением 
(L), а бит 1 - высоким напряжением (H). 
Существует эквивалент между десятичными и двоичными числами 
(табл. 1.1). 
 
Таблица 1.1 - Десятичные и двоичные числа 
Десятичное 
0
1 
2
3
4
5
6 
7 
Двоичное 
0000 0001 0010
0011
0100
0101
0110 
0111
Десятичное 
8
9 
10
11
12
13
14 
15 
Двоичное 
1000 1001 1010
1011
1100
1101
1110 
1111
 
Двоичное число может содержать один и более битов. Например, 
двоичное число 10012 содержит 4 бита (или разряда), крайний правый 
бит является младшим, а крайний левый - старшим. Двоичная система 
счисления, как и десятичная, является позиционной. Значение позиций 
вычисляются как 2n, где n - номер позиции, начиная с нуля (с крайнего 
правого бита). Тогда и перевод двоичного числа в десятичное можно 
сделать следующим образом: 
 
3
2
1
0
2
10
1001
1 2
0 2
0 2
1 2
9
=
⋅
+
⋅
+
⋅
+ ⋅
=
 
 
В общем случае для перевода целых чисел из одной системы в другую исходное число и полученные частные от деления последовательно 
делят на основании новой системы до тех пор, пока очередное частное 
не станет меньше делителя. Это и есть цифра старшего разряда. Остаток 
от деления исходного числа - цифра младшего разряда. Остатки от деления частных - соответственно цифры промежуточных разрядов. 
 
ϴ 
 

Рассмотрим преобразование десятичного числа 15510 в соответствующее двоичное число (табл. 1.2). 
 
Таблица 1.2 - Преобразование десятичного числа в двоичное 
№ Делимое Делитель 
Целое  
от деления
Остаток  
от деления
Примечание  
1 
155 
2 
77
1
Младший бит
2 
77 
2 
38
1
 
3 
38 
2 
19
0
 
4 
19 
2 
9
1
 
5 
9 
2 
4
1
 
6 
4 
2 
2
0
 
7 
2 
2 
1
0
 
8 
1 
2 
0
1
Старший бит
 
Остатки образуют двоичное число. Таким образом, десятичное число 15510 равно двоичному 100110112. 
Для проверки полученного результата выполним обратное преобразование: 
 
7
4
3
1
0
2
10
10011011
1 2
1 2
1 2
1 2
1 2
155
=
⋅
+ ⋅
+ ⋅
+ ⋅
+ ⋅
=
 
 
Ячейка 
памяти 
микроконтроллера 
может 
содержать 
число  
10011110. Такая длинная цепь сложна для запоминания и неудобна для 
ввода с клавиатуры, поэтому применяют 16-ричную систему. 
Шестнадцатеричная система счисления с основанием 16 использует цифры от 0 до 9 и буквы A,B,C,D,E,F. Каждый 16-ричный символ 
может быть представлен сочетанием из нулей и единиц. Для преобразования двоичного числа в шестнадцатеричное число нужно, начиная с 
младшего бита, разделить двоичное число на группы по 4 бит. Затем 
надо заменить каждую группу из 4 бит эквивалентной 16-ричной цифрой (табл. 1.3). 
Пример 
1. 
Перевести 
в 
16-ричный 
код 
двоичное 
число 
00111010:10102 - А16,00112 - 316, следовательно, 001110102 = 3А16. 
 
Таблица 1.3 - Десятичные, двоичные и шестнадцатеричные числа 
Десятичное число 
0 
1
2
3
4
5 
6 
7
Двоичное число 
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
Шестнадцатеричное 
число 
0 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
Десятичное число 
8 
9
10
11
12
13 
14 
15
ϵ 
 

Окончание таблицы 1.3
Двоичное число 
1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
Шестнадцатеричное 
число 
8 
9 
A 
B 
C 
D 
E 
F 
 
Правила двоичной арифметики приведены в табл. 1.4. 
 
Таблица 1.4 - Двоичная арифметика 
Сложение
ϭ  ʹ  ̨̪̖̬̖̦̭  
 
  Ϭ
Ϭ
ϭ
ϭ
н 
Ϭ 
ϭ 
ϭ 
ϭ 
̭̱̥̥̌ 
Ϭ 
ϭ 
ϭϬ 
ϭϭ 
Вычитание
ϭϬ    ̖̥̌̚ 
 
Ϭ 
ϭ 
ϭ 
Ϭ 
ʹ 
Ϭ 
Ϭ 
ϭ 
ϭ 
̨̬̦̭̯̌̽̚ 
Ϭ 
ϭ 
Ϭ 
ϭ 
 
Умножение
    ̨̨̛̥̦̙̥̖              Ϭ        ϭ           Ϭ           ϭ 
    ̨̛̥̦̙̯̖̣̽             Ϭ        Ϭ             ϭ           ϭ 
    ̨̛̛̪̬̖̖̦̖̏̔̚       Ϭ        Ϭ             Ϭ           ϭ 
 
В микропроцессорах информация обрабатывается в двоичном коде. 
С целью упрощения аппаратных средств десятичные числа со знаком, 
например, в 8-разрядном регистре, представляются следующим образом 
(табл. 1.5): 
Старший разряд задаёт знак числа, 0 - положительные числа, 1 - 
отрицательные числа. Значение положительного числа представляется в 
той же форме, что и двоичные числа без знака. Отрицательные числа 
представляются в форме дополнительного кода. Вычисление дополнительного кода для отрицательного числа -126 показано в табл. 1.5. 
 
Таблица 1.5 - Дополнительный код 
Число 
Двоичный код
Число
Двоичный код
127 
0111 
1111
-3
1111
1101
126 
0111 
1110
-4
1111
1100
2 
0000 
0010
‡
‡ 
 
ϭϬ