BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT
Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan sistem dan realisasi perangkat keras dan perangkat lunak dari setiap modul yang mendukung alat secara keseluruhan. Alat yang dirancang dan direalisasikan dapat dilihat secara lengkap dalam blok diagram pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1. Blok Diagram Alat
3.1
Cara Kerja Sistem Sistem ini mula-mula bekerja pada keadaan idle. Sampai sistem mendapat
masukkan nilai batas arus dan penekanan pada tombol start. Sesaat setelah mendapat penekanan pada tombol start, sistem akan mulai bekerja. Saat sistem mulai berkerja, sistem akan melakukan pemeriksaan nilai batas arus secara berkala. Apabila suatu ketika nilai arus yang mengalir melewati batas nilai arus, sistem secara otomatis akan memutus aliran listrik dan memberikan
10
11
peringatan kepada pengguna berupa sinyal suara dari buzzer. Saat terjadi kondisi tripping ini, sistem akan mencatat data dan disimpan dalam sebuah memory card. Setelah selang waktu tertentu, secara otomatis sistem akan menyala dan melakukan rutin pemeriksaan nilai arus kembali. Apabila sistem masih mendapatkan nilai arus yang mengalir masih di atas batas nilai arus, sistem akan memutus aliran listrik kembali. Peringatan ini berlaku sebanyak tiga kali. Apabila setelah tiga kali peringatan sistem masih mendapatkan nilai arus yang mengalir masih di atas batas nilai arus, sistem akan memutus aliran listrik sampai ada perintah manual dari pengguna berupa penekanan tombol reset.
3.2
Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras Perangkat keras yang dirancang dan direalisasikan pada alat ini terdiri dari
mikrokontroler sebagai pengendali utama, untai sensor arus, untai sensor tegangan, keypad 4×4 sebagai masukkan data, penampil LCD, dan buzzer.
3.2.1. Keypad 4×4 Modul keypad yang digunakan adalah modul keypad jenis membran dengan ukuran 4 kolom × 4 baris. Bentuk fisik dari keypad 4×4 ditunjukkan oleh Gambar 3.2.
Gambar 3.2. Keypad 4x4
12
Perancangan untuk modul ini menggunakan scanning keypad. Scanning dilakukan dengan mengkonfigurasikan pin-pin dari keypad menjadi masukan dan keluaran untuk mikrokontroler. Ditentukan pin-pin yang dikonfigurasikan sebagai keluaran, dihubungkan dengan pin yang terhubung dengan 4 baris pada keypad dan pin-pin yang dikonfigurasikan sebagai masukan dihubungkan dengan pin yang terhubung dengan 4 kolom pada keypad. Konfigurasi koneksi antar pin ditunjukkan pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1. Konfigurasi Pin Keypad. Pin Keypad (tampak depan)
Pin Mikrokontroler
Fungsi Pin Mikrokontroler
Pin 1
Port D7
output
Pin 2
Port D6
output
Pin 3
Port D5
output
Pin 4
Port D4
output
Pin 5
Port D3
input
Pin 6
Port D2
input
Pin 7
Port D1
input
Pin 8
Port D0
input
3.2.2. Modul Sensor Arus Fungsi dari modul ini adalah untuk mendapatkan besaran arus yang ditarik oleh beban yang terpasang. Selain besar tegangan, besar arus yang ditarik juga merupakan besaran yang perlu diukur karena arus merupakan komponen penyusun daya listrik. Untuk melakukan sensing arus yang ditarik oleh beban yang terpasang, dimanfaatkan sebuah modul praktis ACS712 produksi Allegro MicroSystem, Inc. Pemilihan ACS712 didasarkan pada kepraktisan package sensor dan kinerja sensor yang dapat digunakan untuk sensing arus dengan nilai cukup besar serta kepresisian keluaran sensor. Keluaran sensor arus ACS712
13
adalah tegangan yang besarnya selalu memiliki perbandingan yang tetap terhadap arus yang ditarik. Sensor arus ACS712 menggunakan teknologi hall effect untuk mendeteksi besar arus yang lewat. Selain itu, sensor ini memiliki konsumsi daya rendah. Dalam perancangan sensor arus ACS712 dipasang dengan konfigurasi seri terhadap sumber tegangan dan beban yang diukur. Perancangan dapat dilihat pada Gambar 3.3.
Sensor Arus ACS712
Gambar 3.3. Perancangan penempatan sensor arus ACS712
Pada saat beban menarik arus dari sumber tegangan, sensor akan mengukur besar arus yang ditarik. Besar arus yang ditarik akan diubah menjadi tegangan dengan perbandingan 100 mV tiap kenaikan 1 A. Rangkaian sensor arus yang digunakan sesuai dengan datasheets dari ACS712[5] sesuai Gambar 3.4.
Gambar 3.4. Rangkaian sensor arus ACS712
14
Penjelasan mengenai fungsi kaki-kaki pada ACS712 dapat diilihat pada Tabel 3.2. Tabel 3.2. Tabel kaki-kaki ACS712 Nomor
Nama
Penjelasan
1 dan 2
IP +
Pin untuk arus yang diukur
3 dan 4
IP -
Pin untuk arus yang diukur
5
GND
Pin untuk ground
6
FILTER
7
VIOUT
Pin Keluaran
8
VCC
Pin untuk terminal Vcc
Kaki
Pin untuk eksternal kapasitor untuk menentukan lebarnya banwidth
3.2.3. Modul Sensor Tegangan Sensor tegangan merupakan perangkat yang mendeteksi tegangan masukan dan menghasilkan arus atau tegangan yang sebanding dengan tegangan masukan tersebut. Pada skripsi ini digunakan AC voltage tranducer model AVS075-SD420E yang diproduksi oleh Loulensy Inc.
Gambar 3.5. AC voltage tranducer model AVS075-SD-420E
15
Sensor ini dapat mendeteksi tegangan masukan dari 0~500 VAC. Keluaran sensor ini berupa arus yang bervariasi dari 0~20 mA sesuai tegangan AC masukan. Sensor ini membutuhkan catu 12V. Wujud fisik dari sensor ini ditunjukkan Gambar 3.5.
Gambar 3.6. Skema untai sensor tegangan
Keluaran dari sensor disambungkan dengan resistor 250Ω yang tersusun secara paralel seperti yang terlihat pada Gambar 3.6. Pemilihan nilai resistor ini dikarenakan keluaran dari modul ini yang berupa arus sebesar 0~20 mA. Hal ini bertujuan untuk mengubah arus keluaran menjadi tegangan sebesar 0~5V agar dapat diterjemahkan oleh mikrokontroler untuk diolah lebih lanjut.
3.2.4. Modul Real Time Clock Fungsi real time clock (RTC) dalam perancangan ini adalah untuk mengetahui waktu terjadinya tripping. Pada perancangan ini, RTC yang digunakan adalah IC DS1307 dari Maxim Integrated.
16
Gambar 3.7. Skema untai Real Time Clock (RTC) DS130 DS1307 RTC memerlukan catu daya cadangan berupa baterai CMOS seri CR2032 dengan tegangan 3V untuk memberikan catu daya pada saat catu daya utama dimatikan sehingga RTC tetap menyala setiap saat. Kristal yang dipakai dalam RTC ini adalah 32.768kHz sesuai dengan datasheet DS1307. Pin SCL dan SDA dari DS1307 dikoneksikan ke pin SCL SCL dan SDA dalam mikrokontroler ATmega32 dan komunik komunikasi dilakukan menggunakan protokol I2C.
Gambar 3.8.. Real Time Clock (RTC) DS1307 yang terintegrasi pada board
17
3.2.5. Mikrokontroler Alat yang dirancang ini menggunakan mikrokontroler keluarga AVR jenis ATmega32 sebagai pengendali utama. Pada perancangan ini masukkan melalui keypad,Real Time Clock, sensor arus dan sensor tegangan, sedangkan output berupa LCD, Relay, SDCard serta buzzer. Konfigurasi penggunaan pin/port mikrokontroler ATmega32 dapat dilihat dalam Tabel 3.3 dan skema dari board mikrokontroler dapat dilihat pada Gambar 3.9. Tabel 3.3. Konfigurasi penggunaan pin/port mikrokontroler ATmega32 Nama PORT PORTA.0 PORTA.1
Fungsi Input dari sensor arus ACS712 Input dari sensor tegangan
PORTB.0
I2C bus ( terhubung pada RTC )
PORTB.1
I2C bus ( terhubung pada RTC )
PORTB.2 PORTB.3 PORTB.4 PORTB.5 PORTB.6 PORTB.7 PORTC.0 PORTC.1 PORTC.2 PORTC.3 PORTC.4 PORTC.5 PORTC.6 PORTC.7 PORTD.0 PORTD.1 PORTD.2 PORTD.3 PORTD.4 PORTD.5 PORTD.6 PORTD.7
Output ke relay Output ke buzzer CS SDCard MOSI SDCard MISO SDCard SCK SDCard Data bit 0 LCD karakter Data bit 1 LCD karakter Data bit 2 LCD karakter Data bit 3 LCD karakter Data bit 4 LCD karakter Data bit 5 LCD karakter Data bit 6 LCD karakter Data bit 7 LCD karakter Input dari keypad Input dari keypad Input dari keypad Input dari keypad Output ke keypad Output ke keypad Output ke keypad Output ke keypad
18
Gambar 3.9. Skema board mikrokontroler ATmega32
19
3.2.6. Penampil LCD Modul LCD merupakan modul antarmuka yang digunakan sebagai tampilan berbagai karakter yang dimasukkan melalui keypad. Alat yang dirancang ini menggunakan LCD 20 karakter × 4 karakter, maksudnya bahwa tampilan LCD mampu menampilkan 20 karakter dalam empat baris tampilan, sehingga tampilan yang dihasilkan sejumlah 80 karakter. Untai modul LCD diperlihatkan pada Gambar 3.10.
Gambar 3.10. Untai modul penampil LCD
20
Pada Gambar 3.10 diperlihatkan untai modul LCD yang akan dihubungkan dengan mikrokontroler, di mana di dalamnya terdapat 16 terminal yang mempunyai fungsi masing-masing, yaitu : 1.
DB4-DB7, merupakan pin untuk empat jalur data atas yang dapat digunakan untuk membaca data dari modul ke mikrokontroler atau menulis data dari mikrokontroler ke modul. DB7 juga digunakan sebagai penanda sibuk.
2.
DB0-DB3, merupakan pin untuk empat jalur data bawah yang dapat digunakan untuk membaca data dari modul ke mikrokontroler atau menulis data dari mikrokontroler ke modul. Apabila yang dibutuhkan hanya 4 bit maka, jalur data ini tidak digunakan, sehingga hanya menggunakan jalur data atas.
3.
E (Enable), merupakan pin untuk sinyal operasi awal yang mampu mengaktifkan data tulis atau baca.
4.
R/W (Read/Write), merupakan pin untuk sinyal pemilih baca atau tulis, yang mana bila pin ini diberi logika 1, modul akan melakukan operasi baca, sebaliknya bila diberi logika 0 akan melakukan operasi tulis. Pada aplikasi ini karena LCD digunakan sebagai modul keluaran saja berarti hanya melakukan operasi baca saja.
5.
RS (Register Selection), merupakan pin untuk sinyal pemilih fungsi register yang apabila diberikan logika 0, register berfungsi sebagai register instruksi untuk operasi tulis atau sebagai penanda sibuk, dan sebagai pencacah alamat untuk operasi baca. Apabila diberi logika 1, register berfungsi sebagai register data, baik untuk operasi tulis ataupun baca.
6.
VEE (VLC), merupakan pin untuk terminal catu daya untuk pengendalian tampilan LCD, yaitu mengatur ketajaman tampilan karakter pada layar.
7.
VCC, merupakan pin untuk terminal catu daya 5 volt.
8.
VSS, merupakan pin grounding.
21
3.2.7. Modul Micro SDCard Pada perancangan ini, setiap terjadi tripping alat akan menyimpan sebuah log kerja. Log kerja ini akan disimpan pada sebuah Micro SD Card. Modul SD Card ini menggunakan antarmuka SPI sebagai jalur komunikasi data. Terdapat 6 pin pada modul ini, yaitu GND, VCC, MISO, MOSI, SCK dan CS. GND dan VCC masing-masing terhubung pada ground dan VCC mikrokontroler. MISO,MOSI,SCK terhubung dengan mikrokontroler melalui atarmuka SPI. Sedangkan CS adalah sebagai pin untuk chip select. Susunan pin modul Micro SD Card ini dapat dilihat pada Tabel 3.4.
Gambar 3.11. Modul Micro SDCard dengan interface SPI
Tabel 3.4. Susunan pin dari modul Micro SDCard No Pin Nama Pin
Penjelasan
1
CS
Chip Select
2
SCK
Antarmuka SPI
3
MISO
Antarmuka SPI
4
MOSI
Antarmuka SPI
5
VCC
Terhubung ke terminal VCC
6
GND
Terhubung ke terminal GND
22
3.2.8. Solid State Relay Agar mikrokontroler dapat mengatur kondisi On/Off pada keluaran alat yang dirancang, digunakan Solid State Relay (SSR) sebagai komponen pensaklaran. SSR yang digunakan adalah SSR-100DA yang diproduksi oleh Fotek. Pemilihan komponen ini di dasari atas kelebihan relay SSR dibanding relay mekanik. Kelebihan tersebut antara lain: Tidak ada bagian yang bergerak (kontaktor) seperti halnya pada relay mekanik, sehingga tidak memungkinkan terjadi no contact karena tertutup oleh debu atau karat. Respon perpindahan dari kondisi off ke kondisi on yang sangat cepat hanya membutuhkan waktu sekitar 10 us. Solid state relay sangat sensitif sehingga dapat dioperasikan langsung dengan menggunakan level tegangan TTL.
Gambar 3.12. Solid State Relay SSR-100DA
Relay ini dapat difungsikan dengan tegangan masukan dari 3 ~ 32 VDC dengan arus masukan dari 3 ~ 25 mA pada pin 3 dan 4. Pada pin 1 dan 2 yang terhubung ke beban dapat menyaklarkan beban dengan tegangan 24 ~ 380 VAC dengan arus maksimum 100A.
23
Gambar 3.13. Untai pensaklaran menggunakan SSR
3.2.9. Buzzer Keluaran suara dari buzzer aktif selama 500ms dengan delay antar aktif sebesar 2500ms. Panjang pendeknya bunyi dari buzzer diatur oleh PORTB 3 mikrokontroler.
Gambar 3.14. Skema untai modul buzzer
24
Transistor di sini berfungsi sebagai saklar (on-off) keluaran suara untuk buzzer dari data yang keluar dari mikrokontroler.
Gambar 3.15. Transistor sebagai saklar
Pada saat kondisi mati atau cut-off, tidak ada arus yang mengalir melalui beban Rc kecuali arus bocor yang sangat kecil (Iceo), sehingga besarnya tegangan antara kolektor emitor (Vce) adalah: Vce = Vcc – Iceo × Rc
(3.1)
Karena kondisi mati Iceo = 0 (kondisi ideal), maka tegangan Vce menjadi Vce = Vcc. Sedangkan tegangan pada Rc sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Vce = Vcc – 0 × Rc Vce = Vcc
(3.2)
Bila transistor mendapat tegangan positif pada basis, transistor akan menjadi saturasi sehingga arus basis (Ib) mengalir dan menyebabkan arus mengalir dari kolektor (Ic) ke emitor (Ie) melalui tahanan beban (Rc), sehingga tegangan antara
25
kolektor dan emitor menjadi nol (Vce = 0) dan tegangan jatuh tegangan pada Rc adalah: Vrc = Vcc – Vbuzzer
(3.3)
= 5V – 3V = 2 Volt maka : =
Rc =
= 30 Ω
,
Besarnya arus basis pada saat transistor dalam keadaan saturasi adalah:
Ib = Ib =
(3.4) ,
= 0,00167 A
Anggap Vbe= 0,7 volt, maka Vrb = 5V – 0,7V = 4,3 Volt sehingga : Rb = Rb =
(3.5) ,
=
,
, ,
= 257,48 Ω
Transistor sebagai saklar tertutup, arus yang mengalir pada kolektor (Ic) saat transistor saturasi adalah:
Ic = Ic =
(3.6) = 0,167
Menurut hukum Kirchoff I besarnya arus yang mengalir di emitor (Ie) adalah : Ie = Ib + Ic = 0,00167 A + 0,167 A = 0,168
(3.7)
26
3.3
Perancangan Perangkat Lunak
Gambar 3.16. Diagram Alir Cara Kerja
27
3.3.1. Penjelasan Diagram Alir 1.
Pada saat sistem diaktifkan, maka mikrokontroler menampilkan menu untuk memasukkan nilai batas arus pada LCD karakter.
2.
Setelah memasukkan nilai batas arus, sistem akan meminta konfirmasi dari pengguna.
3.
Apabila input yang dimasukkan benar, secara otomatis sistem akan mengirimkan logika On ke relay sehingga arus akan mengalir ke beban.
4.
Secara berkala sistem akan melakukan checking terhadap besarnya arus yang mengalir. Checking ini akan terus berlangsung sampai saat di mana arus yang mengalir melebihi batas yang sudah ditentukan.
5.
Apabila arus yang mengalir ke beban melewati batas yang ditentukan, sistem akan mengirimkan logika Off ke relay sehingga arus yang mengalir terputus.
6.
Dalam kondisi ini sistem akan memberikan peringatan kepada user melalui sinyal keluaran yang berupa bunyi melalui buzzer. Sistem juga melakukan perekaman data yang berupa nilai arus, nilai tegangan, tanggal dan waktu yang disimpan pada kartu memori dalam format .txt.
7.
Sistem peringatan ini berlangsung selama 60 detik. Apabila sistem peringatan sudah terjadi sebanyak 3 kali, maka sistem akan mematikan aliran arus listrik ke beban sampai ada penekanan tombol reset dari pengguna.
