BAB III PERANCANGAN
Pada bab tiga akan diuraikan mengenai perancangan sistem dari perangkat keras dan perangkat lunak yang digunakan pada Data Logger Parameter Panel Surya. Dimulai dari uraian cara kerja dan penjelasan alat, lalu perangkat keras, dan uraian perangkat lunak. Berikut ini adalah blok diagram keseluruhan sistem.
Sensor tegangan dan sensor arus
RTC
Antena
Sensor suhu
Antena Radio Frequency
mikrokontroler Sensor cahaya
Panel surya
RF
Power Supply
MMC
Power Supply
Gambar 3.1. Blok sistem secara keseluruhan.
13
PC
Mikrokontroler Port B.1 Port B.2
RTC
Port B.4 Port B.5 Port B.6 Port B.7
MMC
Port D.0 Port D.1
Modul RF
Port A.0
Sensor Tegangan
Port A.1
Sensor Arus
Port A.2 Port A.3
Sensor Cahaya Sensor Suhu
Gambar 3.2. blok diagram modul pada panel surya.
Modul RF
PC
Gambar 3.3. Blok diagram modul pada PC.
Pada Gambar 3.1 dapat dilihat secara keseluruhan modul yang dirancang menjadi dua bagian, yaitu modul pada panel surya dan modul pada PC. Modul pada panel surya berfungsi sebagai pengukur parameter ( tegangan, arus, cahaya, suhu ) panel surya dan dikirimkan ke PC melalui radio frequency menggunakan modul RF. Seperti pada Gambar 3.2. modul pada panel surya terdiri dari : Sensor tegangan. Sensor arus. Sensor cahaya. Sensor suhu. Modul RF. Modul RTC MMC.
14
Modul pada PC berfungsi sebagai penerima data parameter panel surya yang sudah terukur pada modul panel surya. Modul ini hanya terdiri dari modul RF yang terhubung ke PC dengan antarmuka serial. 3.1.
Cara Kerja Alat Disaat modul pada panel surya diaktifkan, maka sistem pada
mikrokontroler melakukan inisialisasi modul sensor (sensor tegangan, sensor arus, sensor cahaya, dan sensor suhu), modul RTC, MMC, dan modul RF. Modul sensor langsung mengukur empat parameter (tegangan, arus, cahaya, dan suhu) pada panel surya, kemudian empat parameter tersebut disimpan dalam MMC setelah itu empat parameter yang sudah terukur dikirim melalui modul RF yang ada pada panel surya kemudian diterima pada modul RF pada PC. Empat data parameter panel surya yang diterima pada PC ditampilkan pada aplikasi desktop pada PC dalam bentuk grafik. 3.2.
Panel Surya[11] Panel surya yang dipakai pada perancangan adalah SRM-050D. Berikut
spesifikasi panel surya yang dipakai : Daya maksimum
: 50 W
Tegangan maksimum : 17,4 V Arus maksimum 3.3.
: 2,88 A
Perancangan Perangkat Keras Perancangan perangkat keras terdiri dari modul mikrokontroler, sensor tegangan,
sensor arus, sensor cahaya, sensor suhu, RTC, MMC, dan modul RF. 3.3.1. Modul Mikrokontroler Mikrokontroler merupakan pusat pengendali sistem dan semua modul dikendalikan oleh mikrokontroler. Mikrokontroler yang digunakan adalah ATMega32. Modul mikrokontroler berfungsi melakukan pengukuran empat parameter panel surya (tegangan, arus, cahaya, dan suhu), mencatat waktu pengukuran, menyimpan data ke MMC dan melakukan pengiriman data melalui RF. Berikut adalah konfigurasi mikrokontroler yang digunakan.
15
Gambar 3.4. Modul mikrokontroler. 16
Konfigurasi pin-pin mikrokontroler yang digunakan adalah sebagai berikut : Tabel 3.1. Konfigurasi pin mikrokontroler. Pin Mikrokontroler
Fungsi
Pin A.0
Terhubung ke sensor tegangan
Pin A.1
Terhubung ke sensor arus
Pin A.2
Terhubung ke sensor cahaya
Pin A.3
Terhubung ke sensor suhu
Pin B.0
Terhubung ke SCL DS1307
Pin B.1
Terhubung ke SDA DS1307
Pin D.0
Terhubung ke RXD MAX232
Pin D.1
Terhubung ke TXD MAX232
Pin B.4
Terhubung Pin DAT3/CS MMC
Pin B.5
Terhubung ke CMD/DI MMC
Pin B.6
Terhubung ke CLK MMC
Pin B.7
Terhubung ke DAT0/DO
3.3.2. Modul Sensor Modul sensor yang digunakan dalam alat ini terdiri dari empat modul, yaitu sensor tegangan, sensor arus, sensor cahaya, dan sensor suhu. 3.3.2.1.
Sensor Tegangan Sensor tegangan pada alat yang dirancang adalah pembagi
tegangan. Tegangan maksimum yang dihasilkan panel surya adalah 17,4 V sedangkan tegangan maksimum yang bisa dibaca ADC pada mikrokontroler adalah 5 V, sehingga dibutuhkan pembagi tegangan untuk memperkecil tegangan keluaran. Berikut adalah perhitungan untuk memilih beban yang dipakai pada sensor tegangan. R2 Vo + Vs 17.4V
R1 10k
Gambar 3.5. Pembagi Tegangan. 17
Pada Gambar 3.5. untuk mencari R2 ditentukan dahulu R1 sebesar 10 kΩ. Vo maksimum yang ingin dihasilkan pada R2 sebesar 5 V, sehingga perhitungan untuk mecari R2 adalah sebagai berikut.
Dari perhitungan untuk mendapatkan Vo = 5 V dibutuhkan R2 sebesar 24800 Ω. Untuk memudahkan perhitungan pada ADC dipakai R2 sebesar 30 kΩ. Pemilihan nilai R1 = 10 kΩ dikarenakan untuk membuat sensor tegangan sebisa mungkin arus yang lewat pada sensor tegangan sekecil mungkin. Alasan lain memilih R1 = 10 kΩ adalah agar tidak terjadi drop tegangan yang besar ketika diparalel dengan pin ADC pada mikrokontroler, karena hambatan dalam (Rin) ADC mikrokontroler adalah 10 MΩ. R2 30k
Vo
+ Vs 17.4V
R1 10k
Rin 10Meg
Gambar 3.6. Sensor Tegangan Paralel Rin ADC.
Dari Gambar 3.6. keluaran Vo = 4,347 V, jika dibandingkan dengan keluaran Vo pada Gambar 3.5. sebesar 4,35 V drop tegangan yang dihasilkan sangat kecil. 3.3.2.2.
Sensor Arus Sensor arus yang digunakan pada alat ini adalah modul sensor
ACS712 dengan keluaran tegangan yang sebanding arus yang diukur
18
sebesar 185 mV/A, dan mempunyai hambatan yang kecil sebesar 1,2 mΩ. Sensor ini disusun seri dengan sensor tegangan.
-
+
Sensor Arus Out1
Out2
+
+
+
-
-
Beban Panel Surya
Sensor Tegangan
Gambar 3.7. Sensor arus dan sensor tegangan.
3.3.2.3.
Sensor Cahaya Sensor cahaya yang digunakan adalah LDR (Light Dependent
Resistor). LDR adalah resistor yang nilainya akan berubah jika ada perubahan cahaya. Berikut adalah gambar rangkaian yang digunakan pada LDR : 5V +V
LDR
PinA.2 R
Gambar 3.8. Sensor cahaya. Nilai hambatan LDR menjadi besar jika tidak terkena cahaya/gelap, dan sebaliknya. nilai hambatan LDR menjadi kecil jika terkena cahaya/terang. Catu daya yang digunakan untuk sensor cahaya adalah sebesar 5 V dengan R yang diseri pada rangkaian. R yang diseri dengan rangkaian berguna untuk mengambil output tegangan pada 19
rangkaian yang berubah terhadap cahaya. Pada perancangan digunakan resistor (R) sebesar 100 Ω. Alasan memilih R = 100 Ω, karena saat tidak cahaya (gelap) diharapkan output dari PinA2 sekecil mungkin (mendekati 0 V) dan disaat terdapat cahaya terang ouput dari PinA2 tidak sama dengan nilai Vcc (5 V).
Berdasarkan datasheet nilai
hambatan LDR disaat menerima intensitas cahaya sebesar 1000 lux nilai hambatan LDR menjadi 400 Ω dan disaat gelap hambatan LDR menjadi 1 MΩ[6]. Berikut contoh perhitungan keluaran LDR. Disaat LDR = 400 Ω.
Disaat LDR = 1 ΩM.
3.3.2.4.
Sensor Suhu Sensor suhu yang digunakan adalah LM35. LM35 mempunyai
keluaran tegangan yang sudah terkalibrasi yaitu sebesar 10 mV/ bekerja pada catu daya dari 4 V sampai 20 V.
Gambar 3.9. LM35 [7, h.2].
20
dan
3.3.3. Modul RTC Modul RTC yang digunakan adalah IC DS1307. IC ini menggunakan format komunikasi I2C.
Gambar 3.10. Modul RTC[9]. Pin 5 (SDA) dan 6 (SCL) pada RTC dihubungkan ke PinB.0 dan PinB.1 pada mikrokontroler ATMega32.
3.3.4. Modul RF Modul RF menggunakan YS-1020UB. YS-1020UB berfungsi sebagai alat media perantara jarak jauh untuk menyampaikan data hasil pengukuran menggunakan radio frequency. Modul YS-1020UB mempunyai spesifikasi sebagai berikut : Mempunyai jarak jangkauan maksimum 500 meter (line of sight). Bekerja pada frekuensi 433MHz. Antarmuka RS-232.
21
Memiliki serial port dengan pegaturan baud rate otomatis antara 1200bps sampai 38400bps. Pada perancangan dibutuhkan dua buah modul RF, satu pada panel surya yang berfungsi untuk mengirim data parameter panel surya, dan satu modul RF pada PC yang berfungsi sebagai penerima data parameter panel surya. Modul RF pada panel surya dihubungkan pada mikrokontroler menggunakan IC MAX232, dan modul RF pada PC langsung dihubungkan dengan serial pada PC. Berikut konfigurasi serial IC MAX232 dan YS-1020UB:
Gambar 3.11. Instalasi YS-1020UB [8, h.2].
22
Tabel 3.2. Konfigurasi pin YS-1020UB [8, h.2].
Pin
Nama Pin
Keterangan
Koneksi Terminal
1
GND
Ground catu daya
GND
2
Vcc
Catu daya DC
3
RXD/TTL
Menerima data serial
TxD
4
TXD/TTL
Mengirim data serial
RxD
5
DGND
Digital ground
6
A(TXD)
Pin A RS-485 atau pin TXD RS-232
A(RxD)
7
B(RXD)
Pin B RS-485 atau pin RXD RS-232
B(TxD)
8
Sleep
Sleep control
9
Test
Ex-factory testing
Gambar 3.12. Rangkaian Komunikasi Serial. Pada perancangan sistem komunikasi serial digunakan rangkaian transistor sebagai gerbang not (Gambar 1.14) untuk mengubah level tegangan 23
TTL ke RS 232 dan sebaliknya. Komunikasi serial bekerja dalam level RS-232, dimana logika “satu” ditunjukkan pada tegangan -3V sampai -15V dan logika “nol” pada tegangan +3V sampai +15V. Kondisi ini tidak bisa langsung diproses oleh mikrokontroler yang hanya mengerti data dengan level tegangan TTL. 2 buah transistor yaitu BC337 dan BC557 digunakan untuk mengubah level tegangan RS-232 menjadi TTL dan sebaliknya. Ketika serial pada PC sedang tidak mengirimkan data, maka pin TX bernilai negatif sehingga transistor BC337 dalam kondisi cut-off. Tegangan di kaki kolektor mendekati Vcc. Ketika serial pada PC sedang mengirimkan data dengan logika satu, maka pin TX bernilai positif yang menyebabkan transistor saturasi sehingga tegangan Vce mendekati nol. Prinsip yang sama berlaku bagi transistor BC557 ketika mendapat inputan dari mikrokontroler.
Gambar 3.13. Konfigurasi pin YS-1020 dengan serial DB-9. 3.3.5. MMC Pada data logger digunakan MMC untuk menyimpan data parameter yang sudah terukur. Berikut konfigurasi pin MMC :
24
Gambar 3.14. Pin MMC dan SD[13].
Gambar 3.15. Konfigurasi pin MMC ke Mikrokontroler.
MMC akan aktif jika diberi tegangan sebesar 2,7 V sampai 3,6 V, dan pada perancangan ini MMC diberi tegangan sebesar 3 V.
3.3.6. Modul Regulator Pada perancangan digunakan dua buah regulator LM317. Modul regulator berfungsi untuk mencatu tegangan 5 V ke mikrokontroler dan 3 V ke MMC.
25
Gambar 3.16. Regulator LM317[14]. Berikut rumus regulator LM317 : (3.1) Karena nilai Iadj pada LM317 sangat kecil (50µA-100µA) maka nilai Iadj diabaikan (nol). Sehingga rumus Vo menjadi : (3.2) Untuk mendapatkan nilai tegangan sebesar 5V dan 3V ditentukan dahulu nilai R1 yang digunakan pada rangkaian, kemudian dicari nilai R2. Berikut contoh perhitungan Vo pada regulator LM317 :
Ω Dari contoh perhitungan di atas untuk nilai tegangan 3 V dan R1 = 330 Ω didapat nilai R2 = 462 Ω. Nilai 462 Ω tidak tersedia jadi digunakan R2 sebesar 470 Ω, dengan menggunakan perhitungan yang sama untuk tegangan 5 V digunakan R2 = 1000 Ω.
3.4.
Perancangan Perangkat Lunak Perancangan perangkat lunak terdiri dari 2 bagian, yaitu perangkat lunak
mikrokontroler dan perangkat lunak pada PC.
26
3.3.7. Perangkat Lunak Mikrokontroler Pada perancangan perangkat lunak mikrokontroler digunakan software CodeVisionAVR V2.04.4a. Berikut diagram alir perangkat lunak yang sudah dirancang : Ambil 4 Data Parameter
Inisialisasi sistem
Ambil data RTC
Kalkulasi 4 Data Parameter
Start
Terjemahkan 4 data parameter yang terukur dalam tegangan(Volt), arus(Ampere), suhu(C), dan cahaya(persen)
Tidak
Kirim Data Lewat RF
Stop?
Tulis data RTC dan 4 parameter pada MMC
Ya End
Gambar 3.17. Diagram alir perangkat lunak mikrokontroler.
Berikut penjelasan perangkat lunak mikrokontroler : Sistem menginisialisasi modul (modul sensor, MMC, RTC, dan RF). Mikrokontroler mengambil empat data parameter dan data pada RTC. Melakukan perhitungan empat data parameter. Empat data parameter diterjemahkan dalam tegangan (Volt), arus (Ampere), cahaya (%), dan suhu ( ). Tulis data RTC dan empat parameter pada MMC. Kirim data lewat RF.
27
3.3.8. Perangkat Lunak PC Perancangan perangkat lunak pada PC digunakan bahasa pemrograman C# 2010. Berikut gambar perancangan perangkat lunak yang dibuat :
Gambar 3.18. Perangkat lunak PC.
Sebelum menjalankan program pada PC, pastikan dahulu semua modul sudah terkoneksi. Sebelum menakan tombol Start, buka tab pada serial dahulu untuk memilih port serial yang dipakai. Data pada grafik akan muncul setiap selang waktu 10 detik. Tombol clear berfungsi untuk menghapus data pada grafik. Data yang diterima tidak hanya ditampilkan pada grafik, tapi data yang diterima akan disimpan pada file “data.txt” pada drive c:\. Untuk menutup program dengan menekan tanda silang pada pojok kanan atas.
28
