KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yesus Kristus, karena waktu, hikmat dan ilmu yang diberikannya sehingga penulis dapat menyelesaiakan penelitian ini dengan baik. Penelitian ini diharapkan dapat berguna untuk mengembangkan Fungsi Kelembagaan Perguruan Tinggi di tingkat Program Studi pada Fakultas Teknik Jurusan Elektro Universitas HKBP Nommensen. Penelitian ini dilakukan sebagai penelitian pertama di tahun akademik 2013/2014, dan dibiayai oleh Universitas HKBP Nommensen melalui Lembaga Penelitian dan ditambah biaya sendiri. Penulis belum mengenal ilmu digital seperti ini pada saat kuliah baik S-1 maupun ketika memperoleh Magister Teknik tahun 1983 sampai 1995 di Universitas HKBP Nommensen dan di ITB, tetapi kemajuan zaman dan perkembangan elektronika menuntut perlu melakukan penelitian seperti ini. Setiap tahunnya penulis mengajarkan pengukuran digital dalam mata kuliah otomasi industry, tetapi hanya dengan teknik dasar dan desain sederhana pada saat kuliah, belum pernah berhasil merancang desain dengan program yang otomatis berfungsi untuk mengamati perilaku sistem pengukuran. Barulah setelah penulis melakukan penelitian ini yaitu PERANCANGAN PENGUKUR DAYA
DIGITAL PADA PERALATAN LISTRIK 1000 WATT, pada akhirnya berhasil dibuat peralatan ukur digital dimaksud, dan hasilnya walaupun belum memuaskan sesuai dengan hasil yang diberikan oleh alat ukur standar, karena desain ini dibuat sendiri dan dirancang sendiri menggunakan komponen dan mikroprosesor yang sudah ada. Penulis merasa bersyukur dapat melakukannya, oleh karena itu penulis mengucapkan terimakasih kepada : 1. Ketua Program Studi Teknik Elektro dan Dekan Fakultas Teknik yang memberi dukungan dilaksanakan penelitian ini. 2. Ketua Lembaga Penelitian yang memberi kesempatan kepada penulis untuk ikut serta dalam program penelitian pada semester berjalan. Semoga Lembaga Penelitian jaya dengan memberi semangat penelitian untuk Dosen Universitas HKBP Nommensen.
i
3. Rektor dan Stafnya, Yayasan dan Stafnya yang memberi dukungan dana. Penulis berharap biaya penelitian diberikan tidak sama besarnya, tapi diukur dan disesuaikan dengan tingkat kesulitan yang dilakukan oleh peneliti. 4. Kepada Bangsa dan Negara, kiranya penelitian yang sangat kecil ini dapat menggembirakan orang-orang di dunia Teknik Elektro Indonesia dan Dunia Global.
Banyak orang bisa menyatakan ini dan itu salah, tetapi kiranya semakin banyaklah orang yang mau meneliti juga sehingga nampak salah dan benarnya, dan kiranya mahasiswa makin bersemangat melakukan penelitian sejenisnya. Akhir kata penulis mengucapkan, Slamat Meneliti.
Salam dari Penulis, Timbang Pangaribuan & Sahat P. Siahaan
ii
ABSTRAK
Dunia teknik digital termasuk dalam kategori ilmu tentang sistem kendali cerdas, yang reaalisasinya didukung oleh matematika dan sekelompok teori seperti pemrograman menggunakan linguistik, dan ilmu digital dipadukan dalam sebuah sirkit elektronika digital, mikrokontroler dan komputer. Banyak jenis mikrokontroler yang dapat digunakan, dimulai dari seri 8951 sampai dengan 8535. Perancangan sistem dapat berupa desain belaka dalam kertas dan simulasi, tetapi dapat dibawa ke sistem sirkit digital yang kesemuanya menggunakan proses secara analitik dan logika, dan dalam bidang ilmu teknik elektro perencanaan seperti ini dapat diperoleh pada konsentrasi teknik kendali. Secara khusus pada teknik elektro diperlukan sistem pengukuran digital, sehingga diperlukan suatu pemahaman sederhana merancang sistem pengukuran digital menggunakan mikrokontroler, sehingga mahasiswa dapat memahami perilaku sistem mikroprosesor yang sedang berkembang. Dalam memahami pengukuran digital lebih benar dan tepat, mahasiswa dapat melakukan simulasi elektronik, tetapi perobahan dan perilakunya teori desain dan realisasi dalam dunia digital harus difahami dalam perbedaan tingkat kesulitannya. Rancangan sebuah Pengukur Digital berbasis mikroprosesor adalah salah satu metoda untuk merancang sistem pengukur daya digital yang cerdas. Akan tetapi solusi ini memerlukan sebuah tahapan atau proses pengkajian dan perhitungan yang panjang dan berulangulang, dan untuk dapat menghasilkan data pengukuran dengan error terkecil, data numerik pengukuran digital harus dibandinngkan dengan data analog. Pemograman komputer sangat
diperlukan
khusus
dalam
mengisi perilaku
mikrokontroler 8535, oleh karena itu perlu juga pemahaman khusus tentang piranti mikrokontroler dimaksud dan pemahaman akan pemrograman internalnya.
iii
DAFTAR ISI
Halaman KATA PENGANTAR
i
ABSTRAK
iii
DAFTAR ISI
iv
I.
II.
III.
IV.
PENDAHULUAN
1
I.1.
Latar Belakang
1
I.2.
Perumusan Masalah
3
I.3.
Tujuan
4
I.4.
Kontribusi Penelitian
4
TINJAUAN PUSTAKA
6
II.1. Uraian Pengukur Daya Aktif
6
II.2. Penyearah Tegangan
7
II.2. Pengubah Analog ke Digital
9
II.3. Mikrokontroler ATMega 8535
12
DESAIN SISTEM PENGUKUR DAYA DIGITAL
15
III.1. Metodologi Penelitian
15
III.2. Teori Dasar Desain
16
III.3. Sistem Pengukur Digital dengan Mikrokontroler ATMega 8535
20
III.4. Pemrograman Mikrokontroler
22
HASIL PENGUJIAN
27
IV.1. Realisasi Alat Pengukur Daya Digital
27
iv
V.
VI.
IV.2. Hasil Pengujian Pengukuran
29
KESIMPULAN
31
V.1. Kesimpulan
31
V.2. Saran
31
DAFTAR PUSTAKA
32
v
I. PENDAHULUAN
I.1.Latar Belakang Sistem kelistrikan sekarang dinamakan dengan listrik arus bolak balik (alternating current disingkat dengan ac), terdiri dari tiga fasa dan satu netral untuk standar tegangan fasa ke fasa 380 volt dan tegangan fasa ke netral 220 volt, serta memiliki frekuensi 50 Hz. Hampir semua listrik rumah tangga menggunakan sistem satu fasa, dan peralatan rumah tangga umunya adalah satu fasa dengan daya yang umumnya di bawah 1000 watt. Selanjutnya untuk mendapatkan listrik arus searah (direct current disingkat dengan dc), diperlukan sebuah penyearah (adaptor) seperti yang digunakan untuk keperluan laptop, printer atau handphone. Jika suatu beban listrik seperti AC, kulkas, TV, komputer, charger dan lain sebagainya disambungkan ke sumber ac satu fasa, maka akan mengalir arus dari sumber ac tersebut ke beban listrik yang digunakan. Arus yang mengalir ke beban listrik itu bisa saja sifatnya satu fasa antara tegangan dan arus, dan bisa juga berbeda fasa seperti pada Gambar 1.1
Gambar 1.1 Tegangan dan Arus Berbeda Fasa
1
Perbedaan fasa tegangan dan arus tersebut ditandai dengan sudut φ , dan dalam sistem kelistrikan memberikan faktor kerja sebesar cos φ. Seperti pada Gambar 1.1, gelombang arus (garis lebih tebal) mengikuti (lagging) terhadap gelombang tegangan sebesar 900 atau π/2. Selanjutnya daya listrik ac terdiri dari daya aktif satuan watt dan daya reaktif satuan var, dan jumlah dari daya tersebut dikatakan dengan daya kompleks satuan va, sebagai jumlah vektor daya aktif di sumbu datar dan daya reaktif di sumbu tegak. Daya aktif atau daya nyata suatu beban listrik ditentukan oleh tiga hal yaitu tegangan, arus dan faktor kerja dimaksut. Sedangkan dalam hal untuk mengukur suatu daya listrik digunakan wattmeter analog, tetapi dapat juga diperoleh hasil pengukurannya dengan mengalikan hasil pengukuran dari tiga buah alat ukur yaitu tegangan, arus dan faktor kerja. Jika diinginkan mengukur daya listrik dari sebuah peralatan listrik dengan cara pengukuran analog seperti di atas, maka akan cukup rumit pelaksanaannya. Disamping itu, pengukuran daya untuk alat-alat dengan daya kecil juga akan memiliki kerumitan dalam hal pembacaan jarum penunjuk alat ukur analog. Oleh karena itu untuk dapat mengetahui besar daya peralatan listrik rumah tangga umumnya, perlu dilakukan perancangan sebuah alat pengukur daya digital untuk sistem listrik ac satu fasa, misalnya dengan batas daya sampai dengan 1000 watt. Pengukuran daya listrik digital dapat dirancang dengan menggunakan peralatan semikonduktor yang dipadu sedemikian rupa dengan menggunakan mikrokontroler. Untuk dapat mengukur arus beban listrik yang digunakan, diperlukan sebuah sensor arus, sedang untuk dapat mengukur tegangan juga diperlukan sensor tegangan. Selanjutnya dari hasil deteksi arus dan tegangan, ada masalah dalam hal pendeteksian sudut faktor kerja. Oleh karena itu proses harus dilanjutkan untuk diteliti dan dianalisis, dan dibuat hipotesa bahwa jika dilakukan konversi pengukuran daya dari ac ke dc melalui penyearahan tegangan dan arus, diasumsi bahwa nilai daya aktif hasilnya adalah sama.
2
Untuk dapat mengukur tegangan dan arus yang sifatnya variabel setiap saat tergantung dari jenis beban listrik yang digunakan, diperlukan sebuah alat konversi antara tegangan analog ke digital dikenal dengan Analog to Digital Converter (ADC). Keakuratan pembacaan ADC tergantung dari jumlah bit konversi yang digunakan, karena jumlah bit yang digunakan dalam output digital akan menentukan ketelitian dari hasil konversi. Semakin banyak jumlah bit yang digunakan, semakin tinggi juga ketelitian dari alat konversi. Konversi standar yang umum adalah 8 bit digital, tapi konversi sempurna adalah jika memungkinkan penggunaan data 10 bit digital atau bit biner. Mikrokontroler ATMega 8535 adalah sebuah alat pemroses data digital, tetapi masukannya ada yang double yaitusignal analog dan signal digital. Ada berbagai type mikrokontroler, ada yang hanya menggunakan data biner seperti type 85S31, tetapi ada juga yang menggunakan sekaligus data analog dan data biner untuk dua arah seperti mikrokontroler dengan type ATMega 8535. Jika rangkaian dapat dirancang sedemikian rupa, maka pengukuran daya secara digital diasumsi dapat dibuat dan dapat dilakukan. Sedangkan untuk proses sistem konversinya, tergantung dari algoritma yang dilakukan dalam pembuatan program operasi mikrokontroler yang digunakan.
I.2. Perumusan Masalah Yang menjadi masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana merancang proses pendeteksian arus, tegangan dan faktor daya dalam pengukuran daya beban tersambung. Tegangan dan arus harus terukur dideteksi dengan dua sensor yaitu untuk tegangan dan arus, sementara asumsi bahwa pengukuran daya aktif dilakukan dengan menghitung daya dalam skala dc yang diperkirakan tidak jauh berbeda dengan daya ac. Proses menyelesaikan persamaan konversi sangat diperlukan dan sangat menentukan, dan disinilah letak keilmuwan dari ketelitian alat yang akan dirancang.
3
Dalam proses penggunaan mikrokontroler yang dapat mendeteksi sinyal analog dan digital secara bersamaan, diperlukan minimum dua input analog untuk keperluan sensor tegangan dan arus yang diperlukan. Selanjutnya program harus dapat dibuat sedemikian sehingga komputasi penentuan daya aktif dari kedua sensor tegangan adan arus memiliki error yang kecil dan ketelitian yang baik. Dalam proses menghasilkan output, diharapkan output dapat ditampilkan dalam display dan diharapkan dapat juga data pengukuran dapat terekam dalam bentuk data numerik, dan data dimaksud dalam bentuk tegangan, arus dan daya untuk setiap pengukuran.
I.3. Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini adalah untuk memberikan tahapantahapan dalam menyelesaikan perancangan sebuah wattmeter digital satu fasa beban terbatas maksimum 1000 watt dengan menggunakan mikrokontroler ATMega 8535. Keterbatasan daya ditentukan oleh sensor arus yang digunakan, yaitu arus maksimum sampai 5 ampere, sehingga jika tegangan adalah 220 volt dan arus 5 ampere, maka maksimum pengukuran dibatasi sampai 1100 va. Selanjutnya output dapat ditampilkan dalam bentuk display sebagai hasil dari pengukuran, sehingga data dapat ditampilkan untuk waktu tertentu secara kontinu dan berulang tergantung besar beban listrik yang diukur.
I.4. Kontribusi Penelitian Penelitian ini akan memberikan kontribusi kepada ilmuwan khususnya mahasiswa dan dosen di Program Studi teknik Elektro dalam beberapa hal yaitu,
1. Lebih memahami proses perancangan alat ukur secara digital.
4
2. Mendapat pengetahuan tambahan dalam penggunaan mikrokontroler ATMega 8535 yang sudah familiar di dunia industri, sehingga mahasiswa dapat lebih bersemangat mempelajari sistem digital. 3. Sebagai salah satu motivasi mendorong mahasiswa agar lebih semangat membahas sistem digital yang lebih kompleks yang terkait dengan pengukuran besaran listrik, khususnya dalam listrik arus bolak-balik. 4. Sebagai salah satu kegiatan Tridarma Perguruan Tinggi PSTE UHN, ikut serta dalam meningkatkan akreditasi PSTE.
5
II.
TINJAUAN PUSTAKA
II. 1. Uraian Pengukuran Daya Aktif Secara umum salah satu bentuk pengukuran daya ac dapat dibuat seperti pada Gambar 2.1 berikut.
Gambar 2.1. Pengukuran Daya dengan Tiga Voltmeter
Persamaan untuk penentuan daya listrik dapat diuraikan seperti berikut : V1 adalah tegangan pada sisi beban dengan sudut vektor θ1. V2 adalah tegangan pada resistor referensi dengan sudut vektor θ2. V3 adalah tegangan pada sisi sumber dengan sudut vektor θ3. Maka persamaan tegangan menurut aturan vektor adalah,
𝑉𝑉32 = 𝑉𝑉22 + 𝑉𝑉12 + 2 𝑉𝑉1 𝑉𝑉2 cos ∅ Selanjutnya, terlihat bahwa beban adalah resistif, oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa teganganV2
= I R,
maka diperoleh hasil secara vektor,
6
𝑉𝑉32 = 𝑉𝑉22 + 𝑉𝑉12 + 2 𝑉𝑉1 𝐼𝐼 𝑅𝑅 cos ∅ Perlu diingat bahwa daya beban
(2-1)
P = V I cos φsehingga dari persamaan (2-1) dapat
disederhanakan dengan,
𝑃𝑃 =
𝑉𝑉32 − 𝑉𝑉22 −𝑉𝑉12
(2-2)
2 𝑅𝑅
dimana, V1 , V2 , V3
: adalah tegangan hasil pengukuran
P
: daya aktif atau daya nyata
R
: tahanan referensi
Persamaan (2-2) di atas adalah salah satu perumusan daya jika diukur hanya dengan menggunakan tiga buah volt meter. Sedangkan pengukuran daya dalam bentuk nyata adalah dengan menggunakan wattmeter analog, atau perpaduan antara volt meter, ammeter dan cos φ meter.
II. 2. Penyearah Tegangan Penyearah adalah suatu proses untuk mengobah tegangan ac menjadi tegangan dc, dengan rangkaian seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2. Rangkaian tersebut dikenal dengan penyearah jenis Jembatan (Bridge Rectifier), menggunakan empat buah dioda yang disusun sedemikian rupa. Load adalah berupa resistor, sedangkan kapasitor berfungsi untuk membuat tegangan dc menjadi serata mungkin dengan ripple kecil (smoothing capacitor), tergantung pada besarya kapasitansi dari kapasitor dimaksud.
7
Gambar 2.2 Penyearah Gelombang Penuh
Tegangan ac dalam satu perioda menghasilkan dua siklus, siklus positip untuk setengah gelombang, dan siklus negatip untuk setengah gelombang berikutnya.Penyearah gelombang penuh (full wave rectifier) memiliki empat buah dioda, dimana dalam setiap siklus bekerja dua dioda secara berpasangan. Pada saat siklus positip tegangan sumber, maka dioda D 1 dan D 2 yang bekerja, sedang pada siklus negatip dioda D 3 dan D 4 yang bekerja. Dengan demikian untuk satu siklus tegangan ac dihasilkan dua buah siklus positip di sisi beban, dan tegangan inilah disebut tegangan yang disearahkan. Selanjutnya untuk membuat tegangan searah memiliki amplitudo lebih rata dan tegangan rata-rata Vdc lebih besar, maka dapat dipasang sebuah kapasitor dipasang paralel dengan beban resistor. Sedangkan untuk mengetahui nilai tegangan dc yang dihasilkan, perlu dibandingkan hasil teori dan hasil simulasi ataupun pengukuran melalui percobaan. Besarnya tegangan dc atau Vdc yang dihasilkan dengan adanya kapasitor C dan beban R diberikan dengan persamaan,
8
𝑉𝑉𝑑𝑑𝑑𝑑 = �1 −
0,00417 𝑅𝑅 𝐶𝐶
� 𝑉𝑉𝑝𝑝
(2-3)
dimana, Vdc
= tegangan keluaran penyearah di beban R (volt)
C
= nilai kapassitansi kapasitor
(μF)
R
= nilai resistor
(Ω)
Vp
= tegangan puncak sumber ac
(volt)
Niali ripple tegangan Vrdari gelombang tegangan tersebut adalah,
𝑉𝑉𝑟𝑟 =
0,0024 𝑉𝑉𝑝𝑝
(2-4)
𝑅𝑅 𝐶𝐶
II. 3. Pengubah Analog ke Digital Metoda konversi data analog ke digital selanjutnya diselesaikan dengan menggunakan paket ADC dan dipadu dengan program komputer berbasis assembler dalam mikrokontroler. Dalam hal ini mikrokontroler yang akan digunakan adalah ATMega 8535 dengan memiliki 8 input analog ke digital dan digital ke analog yang berfungsi dua arah. Untuk proses pembacaan ADC, ATMega 8535 dibangun dengan sistem 10 bit. Jika tegangan referensi suatu ADC adalah Vr, dan dikuantisasi dengan bit biner sejumlah n bit, maka kuantisasi dari sistem Q dalam satuan volt/bit dihitung dengan persamaan,
9
𝑄𝑄 =
𝑉𝑉𝑟𝑟
(2-3)
2𝑛𝑛
Sedang nilai tegangan pembacaan hasil konversi untuk sistem unipolar dapat dihitung dengan,
𝑉𝑉𝑑𝑑 =
𝑁𝑁
(2-4)
2𝑛𝑛
Dimana N adalah nilai pembulatan dari hasil pembagian tegangan terukur Vadengan kuantisasi atau ditulis dengan,
𝑉𝑉𝑉𝑉
𝑁𝑁 = 𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 � �
(2-5)
𝑄𝑄
Gambar 2.3 Skema Internal Analog to Digital Converter
10
Cara kerja dari proses pembacaan ADC (Analog to Digital Converter) adalah sebagai berikut : Mula-mula data nilai tegangan analog input dibaca, dan dibandingkan dengan output dari 8 bit DAC (Digital to Analog Converter). Jika nilai input analog lebih besar dari keluaran DAC, maka comparator memberi pulsa clock ke blok 8 bit SAR (Successive Approximation Register), sehingga hitungan digital misalnya 8 bit berobah dari 0000 0000 ke 0000 0001. Selanjutnya blok 8bit DAC mengkonversi keluarannya, selanjutnya dibandingkan lagi dengan iput analog. Jika nilai input analog lebih besar dari keluaran DAC, maka comparator memberi pulsa clock lagi ke blok 8 bit SAR (Successive Approximation Register), sehingga hitungan digital misalnya 8 bit berobah dari 0000 0001 ke 0000 0010. Demikianlah seterusnya proses berlangsung secara loop, sampai ditemukan bahwa nilai comparator menyatakan bahwa input annalog sudaah sama dengan keluaran DAC, dan proses konversi ADC berhenti, sehingga pembacaan digital berakhir dengan nilai 8 bit misalnya 1011 0101. Hasil digital tersebut akan dikonversi langsung didalam mikrokontroler ATMega 8535 dalam proses yang sama tapi untuuk 10 bit, sehingga dapat dibca nilai input analog dimaksud.
Sebaagai contoh, jika tegangan referensi adalah Vr = 5 volt. Jumlah bit n = 10. Maka kuantisasi adalah Q = 5/(210) volt/bit. Katakanlah comparator membaca sebanyak N kali untuk tegangan input 3 volt, maka N = 3/Q = 614 dibulatkan. Pembacaan ADC adalah Vdc = N * Q = 2,9980 volt. Error pembacaan adalah sebesar (3 – 2,9980) *100 % / 3 adalah 0,065 %. Pembacaan 10 bit dinyatakan sangat akurat, atau error sudah ~ nol.
11
II. 3. Mikrokontroler ATMega 8535 Mikrokontroler ATMega 8535 memiliki susunan pena-pena seperti pada Gambar 2.4. Mikrokontroler ini dapat digunakan untuk berbagai fungsi, baik untuk pengukuran digital seperti tensimeter, timbangan digital ataupun untuk pengendalian analog dan digital sekaligus pada motor stepper dan motor servo. Mikrokontroler ini memiliki 3 port digital dan 1 port analog yang dapat digunakan dua arah, sebagai jalur masukan data atau sebagai jalur keluar data, dengan jumlah data digital sebanyak 8 bit dan jumlah data analog sebanyak 8 channel. Pengendalian yang akan dilakukan dari setiap port baik untuk jalur data in ataupun jalur data out, semuanya dikendalikan melalui program internal. Program internal sistem mikrokontroler diisikan secara tersendiri dengan peralatan khusus mmelalui pemrograman dari laptop dibantu dengan sebuah perantara atau interface untuk keperluan proses transfer data.
Gambar 2.4 Pena-Pena ATMega 8535
12
Penjelasan pena-pena mikrokontroler dimaksud dibuat seperti tertera pada Tabel 2.1. Tabel 2.1. Uraian Pena Mikrokontroler ATMega 8535 No
Pin
Penjelasan
1
VCC
Input sumber tegangan(+)
2
GND
Ground (-)
Port A
Sebagai input analog dari AD. Port ini juga berfungsi
(PA7….PAO)
sebagai port I/O dua arah,jika ADC tidak digunakan.
Port B
Sebagai port I/O dua arah port.port PB5,PB6 dan PB7
3
4
juga berfungsi sebagai MOSI,MISO,dan SCK yang (PB7….PBO)
dipergunakan pada proses downloading.
Port C
Berfungsi sebagai port I/O dua arah fungsi lain port ini
5
selengkapnya bisa dibaca pada buku petunjuk “AVR (PC7....PD0)
ATMega8535”.
Port D
Sebagai port I/O dua arah. PD0 dan PD1 berfungsi
6
sebagai RXD dan TXD digunakan untuk komunikasi (PD7….PDO)
serial.
7
RESET
Input reset.
8
XTAL1
9
XTAL2
Output dari amplifier inverting osilator.
10
AVVC
Input tegangan untuk port A dan ADC
11
AREF
Tegangan referensi untuk ADC
Input ke amplifier inverting osilator dan input sirkuit clock internal.
13
Gambar 2.5. USB Programmer
Pemrograman untuk Mikrokontroler dapat digunakan melalui USBASP Programmer dan juga WINAVR Compiler C Language, dengan peralatan seperti pada Gambar 2.5.
Gambar 2.6. Alur Koneksi
Alur koneksi sistem pemrograman terlihat seperti pada Gambar 2.6. Pada sisi Atmel AVR controller tentu dibutuhkan sebuah board untuk mendudukkan mikrokontroller dalam menyembungkanAVR USBasp ke komputer. Software untuk proses ini sudah tersedia dan dapat di download online. Yang menjadi masalah adalah proses pembuatan flowchart dan program untuk setiap ekesekusi yang akan dilakukan. Hasil dari program inilah yang baru bisa di download ke mikrokontroler dimaksud.
14
III.
DESAIN SISTEM PENGUKUR DAYA DIGITAL
III.1. Metodologi Penelitian
Metoda Penelitian yang akan dilakukan adalah dengan melakukan langkahlangkah sebagai berikut :
1.
Menentukan jenis sensor arus dan sensor tegangan yang akan digunakan.
2.
Memilih jenis mikrokontroler yang cocok menggunakan double fungsi sinyal analog dan sinyal digital secara bersamaan.
3.
Menentukan proses penyelesaian persamaan konversi sinyal analog dimaksud dengan persamaan bipolar dalam program komputer yang digunakan.
4.
Menentukan solusi dan algoritma yang tepat yang dituangkan dalam flowchart.
5.
Membuat pengujian dengan membandingkan hasil pada pengukuran analog untuk beberapa jenis peralatan listrik yang ada.
6.
Membuat rencana pengembangan untuk sistem yang lebih besar dengan Multi Input Multi Output, sehingga dapat dikembangkan untuk pengukuran daya dengan beberapa line.
15
III.2. Teori Dasar Desain Desain sistem pengukur daya digital dilakukan dengan diagram seperti pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1 Struktur Sistem Pengukur Daya Digital
Sensor arus yang digunakan adalah sebuah IC type ACS712 seperti pada Gambar 3.2. Sedangkan karakteristik dari sensor arus ACS712 adalah seperti berikut ini : •
Memiliki sinyal analog dengan sinyal-ganguan rendah (low-noise)
•
Ber-bandwidth 80 kHz
•
Total output error 1.5% pada Ta = 25°C
•
Memiliki resistansi dalam 1.2 mΩ
•
Tegangan sumber operasi tunggal 5.0 Volt
•
Sensitivitas keluaran: 66 sd 185 mV/A
•
Tegangan keluaran proporsional terhadap arus AC ataupun DC
•
Fabrikasi kalibrasi
•
Tegangan offset keluaran yang sangat stabil
•
Hysterisis akibat medan magnet mendekati nol
•
Rasio keluaran sesuai tegangan sumber
•
Maksimum Arus yang lewat 5 Ampere
16
Gambar 3.2. Sensor Arus ACS712 dan Penggunaannya
Selanjutnya sensor arus tidak berdiri sendiri begitu saja, tentu harus dirancang sirkit pendukungnya seperti ditunjukkan pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3. Sirkit Sensor Arus
Input dari sensor arus Gambar 3.2 dihungkan seri dengan beban listrik yang akan diukur, sedang outputnya dari terminal VOUT dan GND disambungkan ke sirkit. Sumber tegangan ac Gambar 3.3 dianalogikan sebagai keluaran sensor VOUT dan GND, dan disearahkan dengan sebuah diode sebagai penyearah
17
setengah gelombang, dan paada keluarannya dipasang sebuah resistor 10 KΩ dan sebuah kapasitor 220 µF, dan memberikan gelombang tegangan seperti pada Gambar 3.4. Untuk input ac sebesar 5 volt dengan data di atas dihasilkan output dc sebesar 6,312 volt.Sirkit arus ini diperlukan dalam proses pengukuran digital, karena data ini nantinya akan digunakan sebagai masukan untuk ADC dari mikrokontroler Mega 8535, untuk mengukur arus beban yang sedang diukur.
Gambar 3.4. Keluaran Sensor Arus
Sensor tegangan yang digunakan adalah penyearah jenis jembatan. Akan tetapi tegangan sumber yang diukur adalah ac dengan maksimum diperkirakan 250 volt. Oleh karena itu agar dapat dilakukan pengukuran untuk sistem digital, tegangan referensi untuk mikrokontroler ATMega juga harus dibuat, seperti pada Gambar 3.5.
18
Padas sumber ac dipasang tiga buah resistor sebagai pembagi tegangan, yaitu 220 K , 22 K , dan 220 K . Tegangan 22 K digunakan sebagai input ke penyearah untuk memperoleh nillai maksimum input sebesar (22 * 250 / 464) = 11,85 volt ac. Jika tegangan output penyearah diperoleh dengan persamaaan Vdc = 2 Vmaks / π, maka Vdc yang diperoleh adalah 5.52 volt dc. Tegangan ini akan makin besar jika digunakan kapasitor disisi resistor variabel, oleh karena itu pembagi tegangan resistor variabel di output digunakan untuk mengatur/men-set tegangan penyearah sensor tegangan untuk ukuran maksimum 5 volt dc, seperti pada gambar 3.5.
Gambar 3.5. Sirkit Sensor Tegangan
Keluaran dari sensor tegangan sudah mendekati ratadengan ripple yang kecil layaknya tegangan dc seperti ditunjukkan pada Gambar 3.6, karena resistor diparalel dengan kapasitor 470 µF. Sensor tegangan melalui keluarannya menggunakan potensiometer diset sedemikian rupa sehingga tegangan output dc maksimum 5 volt dc sebanding dengaan tegangan input ac sebesar 250 volt ac.
19
Jika tegangan ac sebesar 220 volt, maka keluaran sensor tegangan dengan analogi ini haruslah linier sebesar 4,4 volt.
Gambar 3.6. Keluaran Sensor Tegangan
III.3. Sistem Pengukur Digital dengan Mikrokontroler ATMega 8535
Rangkaian sistem pengukur digital yang dirancang menggunakan mikrokontroler ATMega 8535 dibuat sedemikian rupa seperti ditunjukkan pada Gambar 3.7. LINE adalah sumber PLN satu fasa. Pada LINE dipasangkan sensor tegangan dan sensor arus sebelum stop kontak menuju beban. Sensor tegangan dan sensor arus adalah diuraikan seperti pada sub-bab III.2 sebelumnya. Keluaran kedua sensor disambungkan ke port A yaitu PA0 dan PA1 sebagai port input analog. Mikrokontroler dipasangkan Oscillator dengan frekuensi
20
4 MHz. Sedangkan untuk display digunakan port C, yaitu PC0, PC1, PC2 dan PC4, PC5, PC6 dan PC7.
Gambar 3.7. Rangkaian Pengukur Digital dengan Mikrokontroler ATMega 8535
Tampilan LCD digunakan untuk menampilkan display untuk Tegangan, Arus dan Daya yang diukur setiap saat.
LCD memiliki dua baris tampilan,
masing-masing baris memiliki 16 karakter (ditulis dengan spesifikasi teknik : 2 lines x 16 characters) , seperti ditunjukkan pada Gambar 3.8. setiap pin adalah seperti ditunjukkan pada Tabel 3.1.
21
Detail
dari
Pin yang digunakan adalah pin 1 dan pin 2 untuk GND dan Sumber 5 volt, pin 4, pin 5 dan pin 6 untuk RS, R/W dan E untuk seleksi register, menulis data dan enable data. Sedangkan untuk data input dari pembacaan mikrocontroler digunakan pin D4, D5, D6 dan D7.
Gambar 3.8. Rangkaian Extended Concise LCD
Tabel 3.1. Detail dari Extended Concise LCD
III. 4. Pemrograman Mikrokontroler
Pemrograman pada mikrokontroler adalah menggunakan bahasa C, tapi menggunakan software khusus yang disebut dengan Code Vision AVR disingkat
22
dengan CVAVR. Pada software inilah dituliskan program, di compile dan di download ke mikrokontroler ATMega 8535 melalui perantara USB Programmer seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5 sebelumnya.
23
Gambar 3.8 Tampilan Software Code Vision AVR
24
Program Komputer yang dibuat untuk sistem dimaksud adalah sebagai berikut ini :
#include <mega8535.h> #asm .equ __lcd_port=0x15 ;PORTC #endasm #include
#include <delay.h>
// tambahkan library delay disini
#include <stdio.h> #define ADC_VREF_TYPE 0x00 unsignedintread_adc(unsigned char adc_input) { ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff); delay_us(10); ADCSRA|=0x40; while ((ADCSRA & 0x10)==0); ADCSRA|=0x10; return ADCW; } void Display(void); unsigned long P,V,I; unsigned long DATA0, DATA1, DATA2,k; unsigned char buf[16]; void main(void) { PORTA=0x00; DDRA=0x00; PORTB=0x00; DDRB=0xFF; PORTC=0x00; DDRC=0x00; PORTD=0xFF; DDRD=0x00;
25
ADMUX=ADC_VREF_TYPE; ADCSRA=0x85; SFIOR&=0xEF; lcd_init(16); lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf(" WATT METER"); lcd_gotoxy(0,1); lcd_putsf("
DIGITAL ");
delay_ms(2000); lcd_clear(); while (1) { DATA0 = read_adc(0); DATA1 = read_adc(1); DATA2 = read_adc(2); if (DATA1 < 5) {k = 1;} if (DATA1 >= 5) {if (DATA1 < 60) {k = 71;}} if (DATA1 >= 60) {if (DATA1 < 150){k = 116;}} if (DATA1 >= 150){if (DATA1 < 230){k = 148;}} if (DATA1 >= 230){if (DATA1 < 320){k = 159;}} if (DATA1 >= 320){if (DATA1 < 400){k = 167;}} if (DATA1 >= 400){if (DATA1 < 500){k = 173;}} if (DATA1 >= 500){if (DATA1 < 575){k = 178;}} if (DATA1 >= 575){if (DATA1 < 650){k = 180;}} if (DATA1 >= 650){if (DATA1 < 730){k = 182;}} if (DATA1 >= 730){k = 183;} V = ((DATA0*100)/200); I = (DATA1 * 100)/k; P = (I * V ); Display();
26
delay_ms(1000); }; } void Display(void) {
sprintf(buf,"V: %i",V);
lcd_gotoxy(0,0); lcd_puts(buf); if (I < 100){ lcd_gotoxy(8,0);lcd_putsf("I: 0.
");
lcd_gotoxy(13,0); lcd_putchar(I/10 %10 + 0x30); lcd_putchar(I %10 + 0x30);} if (I >= 100){ lcd_gotoxy(8,0);lcd_putsf("I:
");
lcd_gotoxy(11,0); lcd_putchar(I/100 %10 + 0x30); lcd_putchar('.'); lcd_putchar(I/10 %10 + 0x30); lcd_putchar(I %10 + 0x30);} lcd_gotoxy(0,1);lcd_putsf("P :
WATT");
lcd_gotoxy(4,1); lcd_putchar(P/10000 %10 + 0x30); lcd_putchar(P/1000 %10 + 0x30); lcd_putchar(P/100 %10 + 0x30); lcd_putchar('.'); lcd_putchar(P/10 %10 + 0x30); }
27
IV.
HASIL PENGUJIAN
IV.1. Realisasi Alat Pengukur Daya Digital
Alat pengukur digital dirancang sedemikian diatas sebuah board plastik seperti kaca, seperti ditunjukkan pada Gambar 4.1. Mikrokontroler ATMega 8535 disusun pada sebuah PCB (Printed Circuit Board) sedemikian rupa, dan senseor tegangan serta sensor arus dan oscillator semuanya disusun pada PCB. Sebuah power suply DC menggunakan transformator step down dirancang sedemikian untuk memberikan tegangan konstant pada mikrokontroler sebesar 5 volt. Pada sisi output disediakan dua buah stop kontak untuk terminal peralatan listrik yang akan diukur.
Gambar 4.1. Realisasi Rancangan Pengukur Daya Digital
28
Gambar 4.2. Beban Listrik untuk Pengujian
Beban listrik yang digunakan untuk pengujian adalah terdiri dari 10 buah lampu pijar masing-masing 100 watt, dan lampu pijar dapat dihidupkan satu persatu sampai hidup semuanya. Proses pengujian adalah sebagai berikut : a. Mula-mula pengukur digital diaktifkan dengan menghubungkannya ke power suplay tegangan sumber PLN. b. Selanjutnya beban listrik Gambar 4.2 disambungkan ke terminal beban pengukur digital Gambar 4.1. c. Lampu dihidupkan satu demi satu, dan untuk setiap pengujian dicatat tegangan, arus dan daya terukur.
29
IV.2. Hasil Pengujian Pengukuran
Hasil pengujian pengukuran untuk kesepuluh buah lampu pijar yang dihidupkan satu per satu diberikan pada Tabel 4.1. Proses pengukuran data adalah sebagai berikut : Mula-mula lampu dihidupkan secara bertahap sampai hidup 10 unit, setelah itu hasil pengukuran dibaca. Kemudian lampu dikurangi satu persatu, dan hasil pengukuran dicatat. Demikian dilakukan hingga semua lampu dimatikan.
Tabel 4.1. Hasil Pengujuan Pengukuran Daya Listrik Lampu Pijar
Tegangan
Arus
Daya
(buah)
(volt)
(Ampere)
(watt)
1
10
203
4,43
899,2
2
9
203
3,96
801,9
3
8
204
3,50
714,0
4
7
206
3,07
632,4
5
6
206
2,64
543,8
6
5
206
2,22
457,3
7
4
208
1,79
372,3
8
3
209
1,33
277,9
9
2
210
0,99
207,9
10
1
213
0,49
104,3
No.
30
Contoh rekaman hasil pengukuran ditunjukkan pada Gambar 4.3 dan Gambar 4.4.
Gambar 4.3. Rekaman Pengukuran untuk 10 buah Lampu Pijar
Gambar 4.4. Rekaman Pengukuran untuk 5 buah Lampu Pijar
31
V. KESIMPULAN
Program teknik kontrol atau teknik kendali belum banyak di wilayah Sumatera Utara, oleh karena itu masih sedikit penelitian tentang sistem perancangan pengukuran daya digital, terutama untuk daya kecil. Dari hasil penelitian yang dilakukan, diberikan kesimpulan dan saran sebagai berikut ini :
IV.1. Kesimpulan
1.
Rancangan pengukur daya digital berhassil dirancang menggunakan mikrokontroler ATMega 8535 sebagai prosesor utama, dan memberikan hasil dalam bentuk display untuk tegangan, arus dan daya aktif watt.
2.
Hasil pengujian dinyatakan telah baik. Jika 10 lampu 100 watt dihidupkan pada tegangan standar 220 volt, tentu hasilnya haruslah 1000 watt. Ternyata hasil pengukuran hanya 899,2 watt dan terjadi selisih sebesar 100,8 watt. Tetapi perbedaan itu terjadi adalah karena tegangan turun menjadi 203 volt. Secara teori penurunan tegangan akan memberi pengurangan daya sebesar (203/220)2 * 1000 watt yaitu menjadi 851,425 watt, dan terbaca sebesar 899,2 sehingga error terdapat sebesar 47,8 watt atau sama dengan 5,6 %. Percobaan awal ini dianggap cukup memadai dan berhasil.
IV.2. Saran Saran peneliti adalah perlu pengembangan dari penelitian ini. Titik kunci keberhasilan terletak pada sensor yang digunakan. Oleh karena itu perlu penelitian lanjut
32
VI. DAFTAR PUSTAKA
1.
Martin U. Reissland, Electrical Measurements Fundamentals, Concepts and Applications, John Wiley & Sons, New York, 1989
2.
William David Cooper, Instrumentasi Elektronik dan Teknik Pengukuran, Lembaga Penerbangan dan Antariksa nasional, Jakarta, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1985
3.
Douglas V. Hal, Microprocessors and Interfacing Programming and Hardware, McGraw Hill International Editions, New York, 1996
4.
Rodnay Zaks & Austin Lesea, Teknik Perantaraan Mikroprosesor, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1993
5.
Carl V. Hamacher, Organisasi Komputer, Jaata, 1993
6.
Paulus Andi Nalwan, Panduan Praktis Teknik Antarmuka dan Pemrograman
Mikrocontroller
AT
89C35,
PT
Elex
Media
Komputindo, Jakarta, 2003 7.
Zuhal, Dasar Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, PT Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1992
8.
Sunarno, Ir, M.Eng, Ph.D, Mekanikal Elektrikal, Penerbit Andi, Yogyakarta, 2005
9.
Ching-Fang Lin, Advanced Control Systems Design, Prentice-Hall Englewood Clifts, New Jersey, 1993
10.
Charles L. Phillips & H. Troy Nagle, Digital Control System Analysis and Design, Prentice-Hall International Editions, London, 1990.
33
