1
RANCANG BANGUN ALAT UKUR DAYA ARUS BOLAK-BALK BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA8535 HILMAN HR. JUFRI1, NASRUDDIN M.N2, BISMAN P3. 1) Mahasiswa. Email :
[email protected] 2) Dosen. Email :
[email protected] 3) Dosen. Email :
[email protected] Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sumatera Utara, MEDAN
INTISARI: Telah dibuat alat ukur daya listrik berupa power meter digital berbasis mikrokontroller AVR ATmega 8535 dengan menggunakan perangkat keras berupa sensor arus ACS 712 5Ampere, perata tegangan DC, rangkaian sistem minimum mikrokontroler AVR ATmega 8535 dengan ADC (analog to digital) di dalamnya, dan LCD 2 x 16 karakter.. Alat ini dapat mengukur dan menampilkan daya listrik suatu peralatan elektronik rumah tangga. Sensor arus ACS 712 dengan keluaran maksimum 5 Ampere dan berfungsi untuk mendeteksi arus AC yang mengalir pada beban dan memberikan output berupa tegangan AC yang kemudian diubah menjadi tegangan DC. ADC internal mikrokontroler AVR ATmega 8535 berfungsi untuk mengkonversi tegangan output sensor arus menjadi data digital agar dapat diolah dan ditampilkan pada LCD. Rangkaian sistem minimum mikrokontroler AVR ATmega 8535 dan tampilan LCD dikendalikan oleh program yang dibuat melalui software CodeVision AVR dan didownload ke mikrokontroler ATmega 8535 melalui software AVR Studio dengan menggunakan downloader ISP untuk AVR ATmega 8535. Dari pengujian dan kalibrasi yang telah dilakukan terhadap alat ukur daya listrik ini diperoleh hasil rata-rata persentase kesalahan sebesar 4,3214% dengan tingkat ketepatan pengukuran sebesar 95,67%. Kata kunci : ATMega 8535, ACS712, Tegangan, Daya ABSTRACT: The electric power gauge has been made based digital power metre AVR microcontroller ATMega 8535 using current sensor in the from of ACS 712 a number of 5 amperes grading DC voltage,microcontroller AVR ATMega 8535 with ADC(Analog to Digital Converter) in it, and also using LCD 2 x 16 characters it can measure and display the electrical power of a household electronic appliances. ACS 712 current sensor with a maximum output a number of 5 amperes and server to detect AC current flowing in the load and provide AC voltage output which is then converted into DC voltage. Internal ADC microcontroller AVR ATMega 8535 server to convert the output voltage of current sensor into digital data then can be processed and displayed on the LCD. The series of minimum system microcontroller AVR ATMega 8535 and the LCD display are controlled by a program that is created through AVR studio software using the downloader ISP for AVR ATMega 8535. Based on the testing and calibration that has been done to measure the electric obtained an average yield of 4.3214% percentage error rate measurement accuracy of 95.67%. Key words: ATMega 8535, ACS712, Voltage, Power
2
PENDAHULUAN Kemajuan teknologi digital meningkat kan kemampuan alat ukur.. Selain itu juga didukung oleh kemajuan teknologi digital. Kemajuan teknologi digital ini menyebabkan penelitian dalam bidang elektro baik tenaga listrik maupun elektronika dapat dilakukan dengan lebih baik dan cepat. Perkembangan teknologi elektronika digital telah mendorong ke arah perubahan yang lebih baik, dari sisi konsumsi daya, harga dan bentuk bahkan kompatibelitasnya. 1 Di masa modern yang semakin canggih ini konsumsi penggunaan listrik yang sangat besar. Tenaga listrik merupakan kebutuhan yang sangat vital dalam kehidupan manusia seharihari baik untuk kepentingan pribadi maupun dalam kehidupan bermasyarakat. Selain itu tenaga listrik juga sangat dibutuhkan untuk industri-industri besar maupun industry kecil, perkantoran, pertokoan dan lain sebagainya. Namun karena jumlah energy yang disediakan terbatas dan berbanding terbalik dengan kebutuhan, selain itu juga dikarenakan PT.PLN sebagai penyedia energi listrik sangat bergantung pada bahan bakar minyak, maka tidak heran jika harga energy listrik tersebut semakin melambung tinggi. Hal tersebut memaksa masyarakat untuk menghemat penggunaan listrik sehari-hari sebaik mungkin.2 Hal ini memunculkan ide untuk membuat prototype sebuah alat yang berfungsi untuk menginformasikan beban penggunaan listrik. Selain itu alat ini yang sangat jarang dipasaran menuntut untuk segera direalisasikan mengingat pentingnya alat tersebut. Alat ini memiliki beberapa kelebihan yaitu desain rangkaian yang ringkas, tidak membutuhkan sumber daya yang besar dan terdapat tampilan untuk memudahkan pengguna mengetahui beban yang sedang digunakan. Selain penggunaannya yang akan lebih praktis, alat pengukur daya listrik ini sangat berguna terutama bagi konsumen perumahan maupun perusahaan yang apabila ingin menambah pengguanaan peralatan elektronik atau peralatan listrik lainnya sehingga harus diukur keseluruhan konsumsi daya listrik yang digunakan pada perumahan atau perusahaan
sehingga harus diukur keseluruhan konsumsi daya listrik yang digunakan pada perumahan atau perusahaan sehingga Main Circuit Bracker (MCB) yang terpasang pada KWH-meter tidak akan turun atau loss. Alat pengukuran daya listrik ini juga sangat bermanfaat bagi para teknisi Perusahaan Listrik Negara (PLN) dalam mengecek penggunaan daya listrik para pelanggan. Selain itu juga alat pengukuran daya listrik ini juga dapat digunakan oleh para teknisi tenaga listrik yang ada di pabrikpabrik untuk mengontrol keseluruhan penggunaan daya listrik di pabrik sehingga MCB listrik yang terpasang di pabrik tidak akan jatuh karena kelebihan beban yang dapat mengakibatkan kegiatan pekerjaan di pabrik jadi terhenti.3 Akan sangat bermanfaat jika dirancang suatu alat yang dapat mengukur pemakaian daya listrik secara otomatis sehingga dapat mengurangi human error pada saat pembacaan dan mempermudah pihak PLN atau teknisi pabrik untuk mengetahui pemakaian daya listrik pada setiap pelanggan atau lingkungan pabrik. Oleh karena adanya permasalahan penghematan listrik dan guna keperluan untuk mengetahui beban daya yang terpakai maka penulis akan merancang sebuah alat pengukur daya berbasis mikrokontroler ATMEGA 8535 dengan tampilan LCD.Mikrokontroler ATMEGA8535 Tidak seperti system komputer, yang mampu menangani berbagai macam program aplikasi (misalnya pengolah kata, pengolah angka dan lain sebagainya),mikrokontroler hanya bisa digunakan untuk satu aplikasi tertentu saja. Perbedaan lainnya terletak pada perbandingan RAM-nya dan ROM. Pada system computer perbandingan RAM dan ROM-nya besar, artinya program-program pengguna disimpan dalam ruang RAM yang relative besar, sedangkan rutin-rutin antarmuka perangkat keras disimpan dalam ruang ROM yang kecil. Sedangkan pada mikrokontroler, perbandingan ROM dan RAM-nya yang besar artinya program control disimpan dalam ROM (bisa Masked ROM atau Flash PEROM) yang ukurannya relatif lebih besar,sedangkan RAM digunakan sebagai tempat penyimpanan
3
sementara, termasuk register-register yang digunakan pada mikrokontroler yang bersangkutan. Secara garis besar, arsitektur mikrokontroler ATMEGA8535 terdiri dari : 1. 32 saluran I/O (Port A, Port B, Port C dan Port D) 2. 10 bit 8 Channel ADC (Analog to Digital Converter) 3. 4 Channel PWM 4. 6 Sleep Modes : Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-Down,Standby and Extended Standby 5. 3 buah timer/counter. 6.AnalogCompararator7.Watchdogtim dengan osilator internal 8. 512 byte SRAM 9. 512 byte EEPROM 10. 8 kb Flash memory dengan kwmampuan Read While Write 11. Unit interupsi (internal dan external) 12. Port antarmuka SPI8535 “memory map” 13. Port USART untuk komunikasi serial dengan kecepatan maksimal 2,5 Mbps 14. 4,5 V sampai 5,5 V operation, 0 sampai 16 MHz6
Tegangan yang di butuhkan oleh peralatan elektronik adalah tegangan rendah yaitu kurang atau sama dengan 24 volt DC. Sehingga diperlukan sebuah alat yang dapat menurunkan tegangan dan disearahkan sehingga menghasilkan tegangan DC sebesar 24 volt. Pada Gambar 2.4 ditunjukkan rangkaian penurun tegangan dan penghasil tegangan DC. Penurun tegangan ini berupa autotrafo dan penghasil tegangan DC berupa penyearah jembatan.
220 VAC
1N4001
1N4001
AC 1N4001
1N4001 12VDC
Gambar 2.3 Rangkaian Penurun Tegangan dan Penghasil Tegangan DC
2. Sensor Tegangan Komponen tegangan adalah sensor tegangan yang berfungsi untuk menentukan tegangan jala-jala listrik setiap saat. Hal ini diperlukan untuk mengukur tegangan setiap saat. Sensor tegangan ini berupa pembagi tegangan. Tegangan yang dihasilkan masih berupa sinyal sinusoidal. Tegangan ini akan diteruskan ke input rangkaian penyearah.4 R1
R2
Vout
Vin 220V AC R3
Gambar 2.3 Rangkaian Pembagi Tegangan
Gambar 2.1 Arsitektur ATMEGA853 1. Catu Daya
3. Sensor Arus
4
Sensor arus adalah alat yang digunakan untuk mengukur kuat arus listrik.Sensor arus ini menggunakan metode Hall Effect Sensor. Hall Effect Sensor merupakan sensor yang digunakan untuk mendeteksi medan magnet.
Gambar 2.4 Sensor arus ACS712 Hall Effect Sensor akan menghasilkan sebuah tegangan yang proporsional dengan kekuatan medan magnet yang diterima oleh sensor tersebut. Pendeteksian perubahan kekuatan medan magnet cukup mudah dan tidak memerlukan apapun selain sebuah inductor yang berfungsi sebagai sensornya. Kelemahan dari detektor dengan menggunakan induktor adalah kekuatan medan magnet yang statis (kekuatan medan magnet nya tidak berubah) tidak dapat dideteksi. Sensor ini terdiri dari sebuah lapisan silikon yang berfungsi untuk mengalirkan arus listrik. Dengan metode ini arus yang dilewatkan akan terbaca pada fungsi besaran tegangan berbentuk gelombang 5 sinusoidal. METODE PENELITIAN
Jala – jala listrik PLN
Sensor arus Sensor tegang an
Beban
AVR ATMEG A 8535 P= V*I
LCD
Gambar 3.1 menunjukkan sketsa perangkat keras pendukung sistem. Dimulai dari jala-jala listrik ada dua pendeteksi yang bekerja pada alat yaitu sensor tegangan yang dipasang secara paralel dan sensor arus yang dipasang secara seri ke beban. Sensor tegangan yang berupa trafo ct beserta pembagi tegangan yang menurunkan tegangan dari jala-jala listrik PLN yang bernilai 240 VAC pada tegangan primer menjadi 6V pada tegangan sekunder trafo kemudian dipasanglah pembagi tegangan untuk membagi 6V menjadi tegangan yang diinginkan sesuai dengan tegangan maksimum yang bisa dibaca ADC mikrokontroler. Kemudian pedeteksi arus yaitu sensor arus ACS 712 yang keluarannya berupa tegangan DC bisa langsung diproses di ADC internal mikrokontroler. Kedua pendeteksi tersebut diolah di ADC internal mikrokontroler. Di mikrokontroler data ADC diolah menggunakan bahasa C dengan mengalikan dua variabel yang telah terdeteksi oleh sensor tegangan (V) dan sensor arus (I) sehingga didapatkan daya yaitu P=V*I dan hasil tersebut tampil di LCD sebagai output dari alat ukur daya tersebut 3.2 arangkaian Mikrokontroler
Sistem
Minimum
Rangkaian tersebut berfungsi sebagai pusat kendali dari seluruh sistem yang ada. Komponen utama dari rangkaian ini adalah IC Mikrokontroler ATMega 8535. Semua program diisikan pada memori dari IC ini sehingga rangkaian dapat berjalan sesuai dengan yang dikehendaki. Pin 12 dan 13 dihubungkan ke XTAL 8 MHz dan dua buah kapasitor 30 pF. XTAL ini akan mempengaruhi kecepatan mikrokontroler ATMega 8535 dalam mengeksekusi setiap perintah dalam program. Pin 9 merupakan masukan reset (aktif rendah). Pulsa transisi dari tinggi ke rendah akan me-reset mikrokontroler ini.
5
Untuk men-download file heksadesimal ke mikrokontroler, Mosi, Miso, Sck, Reset, Vcc dan Gnd dari kaki mikrokontroler dihubungkan ke RJ45. RJ45 sebagai konektor yang akan dihubungkan ke ISP Programmer. Dari ISP Programmer inilah dihubungkan ke komputer melalui port paralel. Kaki Mosi, Miso, Sck, Reset, Vcc dan Gnd pada mikrokontroler terletak pada kaki 6, 7, 8, 9, 10 dan 11. Apabila terjadi keterbalikan pemasangan jalur ke ISP Programmer, maka pemograman mikrokontroler tidak dapat dilakukan karena mikrokontroler tidak akan bisa merespon.
1N5392
6V 240V
1Kohm +
0V
Vout
AC 10uf 1Kohm
6V
1N5392
Gambar 3.3 rangkaian sensor tegangan Pendeteksian tegangan dilakukan dengan menggunakan trafo stepdown 2 Amp dari 240 ACV yang diturunkan menjadi 6 ACV. Setelah melalui dioda (penyearah), beberapa filter dan pembagi tegangan, pembagi tegangan terdiri dari dua resistor yang dipasang secara paralel. Fungsi resistor ini adalah untuk menurunkan tegangan dari tegangan sumber menjadi tegangan yang dikehendaki. Tegangan DC yang dihasilkan berbanding lurus dengan naik turunnya tegangan listrik PLN. Tegangan 6 DC diturunkan menjadi tegangan sekitar 3 VDC melalui rangkaian pembagi tegangan. Output rangkaian tegangan tersebut dimasukkan ke pin adc. Perancangan Sensor Arus
Gambar 3.2 sistem minimum mikrokontroler Perancangan Sensor Tegangan Rangkaian sensor tegangan ditunjukkan pada Gambar 3.3
Pengukuran arus biasanya membutuhkan sebuah resistor shunt yaitu resistor yang dihubungkan secara seri pada beban dan mengubah aliran arus menjadi tegangan. Tegangan tersebut biasanya diumpankan ke current transformer terlebih dahulu sebelum masuk ke rangkaian pengkondisi signal. Teknologi Hall effect yang diterapkan oleh Allegro menggantikan fungsi resistor shunt dan current transformer menjadi sebuah sensor dengan ukuran yang relatif jauh lebih kecil. Aliran arus listrik yang mengakibatkan medan magnet yang menginduksi bagian dynamic offset cancellation dari ACS712 ELC-5A. bagian
6 +5V
ini akan dikuatkan oleh amplifier dan melalui filter sebelum dikeluarkan melalui kaki 6 dan 7, modul tersebut membantu penggunaan untuk mempermudah instalasi arus ini ke dalam sistem. Agar ouput sensor berupa tegangan AC tanpa komponen DC 2,5 volt, maka digunakan rangkaian yang baru setelah dilakukan beberapa percobaan. Menggunakan power supply yang dimodifikasi untuk menghasilkan tegangan ± 2,5 volt dan ground. Power supply menggunakan trafo CT yang dikontrol dengan transistor agar menghasilkan tegangan ± 2,5 volt dan ground. Dengan demikian maka tegangan input sensor VCC-GND tetap 5 volt dan output sensor hanya berupa tegangan AC tanpa komponen DC.
CBYP 0,1uf
R1 100K
R2 100K
AC
1
a1 IP+
VCCb1
1
5
5 + 4
2
a2 IP+
VOUTb2
6
3
4
a3 IP-
a4
IP-
b3
7
FILTER
GND
b4
Rf 1K
ACS712
output
3
2 R3 3,3K
C 0,1uf
Cf 0,01uf 8
Gambar 3.5. Konfigurasi pin LM321 dan rangkaian inverting amplifier Gambar 3.5 menunjukkan rangkaian sensor arus ACS 712 dengan keluaran 5 ampere lengkap dengan rangkaian inverting amplifier. Karena siyal tegangan output dari IC ACS712 5 Ampere inverting maka menggunakan rangkaian inverting amplifier dengan gain 3 kali.
PENGUJIAN DAN HASIL Gambar 3.4. Rangkaian aplikasi sensor arus ACS 712 ,5 Ampere Dari gambar 3.4 rangkaian aplikasi IC ACS 712 diatas, didapatkan hasil output berupa tegangan AC tanpa komponen DC. Setiap perubahan 1 ampere arus input maka hasil output berupa tegangan AC akan berubah tiap 100 mV. Tegangan AC hasil output sensor terlalu kecil, maka diperlukan penguatan agar hasil output sensor menjadi lebih besar. Rangkaian penguatan berupa Op- Amp LM321.
Pengujian Sensor Tegangan Sensor tegangan menggunakan 2 buah dioda sebuah kapasitor untuk mencegah terjadinya riak dan rangkaian pembagi tegangan dengan membagi tegangan pada tegangan sekunder trafo CT. Resistor yang digunakan adalah R1 = 1KΩ dan R2 = 1KΩ dengan membagi tegangan sekunder 6 volt yang setara dengan tegangan primer sebesar 240 VAC sehingga tegangan keluaran yang dihasilkan sebesar 3 Volt. Berdasarkan sistem pembagian tegangan dapat dibuktikan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: Vout = = = = 3V Berikut adalah hasil pengujian sensor tegangan:
7
Tabel 4.2. pengujian sensor tegangan
1. 2. 3.
Vin/tegangan sekunder (V)
6 5,5 5
Vout pembagi tegangan (V) 3 2,75 2,5
No. Arus (ammeter)
Tegangan VAC Tegangan primer (V) 240 220 200
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Tabel 4.2 menunjukkan hasil pengujian sensor tegangan. Tegangan VAC atau tegangan primer pada trafo CT setara dengan Vin/tegangan sekunder pada trafo CT yaitu apabila tegangan primer mengalami penurunan maka tegangan sekunder juga akan mengalami penurunan. Pengujian Sensor Arus Dari rangkaian aplikasi IC ACS712 5 Ampere, didapatkan hasil output berupa tegangan AC tanpa komponen DC. Setiap perubahan 0,1 ampere arus input maka hasil output berupa tegangan AC akan berubah tiap 0,07V. Sinyal output yang dihasilkan IC ACS712 merupakan inverting dari sinyal input. Sehingga diperlukan inverting amplifier agar sinyal output sama dengan sinyal input IC ACS712.
0A 0,1A 0,2A 0,3A 0,4A 0,5A 0,6A 0,7A 0,8A 0,9A 1A 1,1A 1,2A 1,3A 1,4A 1,5A 1,6A 1,7A 1,8A 1,9A 2A
AC Tegangan sensing out ACS 712 2,519V 2,590V 2,660V 2,734V 2,805V 2,880V 2,951V 3,022V 3,094V 3,165V 3,237V 3,310V 3,380V 3,451V 3,522V 3,592V 3,662V 3,733V 3,803V 3,875V 3,946V
Dari tabel 4.3 keluaran sensor arus berupa tegangan yang diujikan dengan menggunakan ammeter. Tegangan yang keluar dari sensor arus berbanding lurus dengan besarnya arus pada ammeter. Hal ini dapat dilihat dari grafik pada gambar 4.1
Vout-vs-I 6 Vout
No.
4 2
Vout
0 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 Arus (I)
Gambar 4.1 Grafik tegangan vs arus
8
N o.
1.
2.
3.
4.
5.
Beba n yang diuk ur
Lam pu pijar 15 watt
Lam pu pijar 25 watt
Lam pu pijar 40 watt
Lam pu pijar 55 watt
Tega ngan out (V)
Arus out (I)
Daya out (Watt )
Da ya Rat arat a
% kesalah an
228 225 225 226 225
0,07 0,08 0,07 0,08 0,07
16,28 18,17 16,07 17,19 16,07
16, 756
11,706 %
227 226 224 225 224
0,11 0,12 0,11 0,12 0,12
25,75 26,70 25,41 27,63 26,46
26, 39
5,56%
221 222 221 219 219
0,17 0,18 0,18 0,17 0,18
38,50 39,71 39,53 37,13 40,56
39, 086
2,285%
217 219 217 218 217
0,23 0,24 0,24 0,23 0,23
50,98 52,48 53,01 50,75 52,01
51, 846
5,374%
212
0,28
semakin tinggi pula tegangan keluaran pada sensor arus ACS712
Pengujian Keseluruhan Sistem
59,36
Lam pu 58, 2,906% pijar 256 60 watt Gambar 4.1 grafik tegangan out vs arus, Vout tersebut berupa keluaran pada sensor arus ACS712 yang berupa tegangan sedangkan arus mewakili keluaran dari ammeter. Linieritas sensor arus dapat dilihat pada gambar 4.1 semakin tinggi nilai arus yang diukur maka
Pengujian sistem secara keseluruhan ini dilakukan dengan menggabungkan semua peralatan ke dalam sebuah sistem yang terintegrasi. Tujuannya untuk mengetahui bahwa rangkaian yang dirancang telah bekerja sesuai yang diharapkan, lalu diberi arus melalui rangkaian power supply, keluaran dari power supply berupa tegangan sebesar 5 volt diteruskan ke rangkaian system minimum dan sensor arus. Ketelitian alat ini diambil dari nilai daya yang tertera pada beban yang akan diukur yaitu lampu pijar 15 watt, 25 watt, 40 watt, 55watt, 60 watt, 65 watt, 75 watt, 85 watt, 90 watt, 100 watt, 115 watt, 135 watt, 140 watt, 160 watt, 175 watt. Data hasil pengukuran dan grafik dapat dilihat pada lampiran. Pada data ini terdapat perbedaan antara data yang didapat dari nilai yang tertera dengan data yang dihasilkan oleh alat, dimana data yang dihasilkan oleh alat memiliki % deviasi = hal ini dapat dilihat dari hasil analisis yang diperoleh %kesalahan = 100%
9
KESIMPULAN Berdasarkan Penelitian yang telah dilaksanakan, penulis memperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Telah dibuat alat ukur, tegangan, arus dan daya menggunakan mikrokontroller dengan tampilan LCD. 2. Dari data uji coba, alat ini telah berfungsi dengan baik, dengan persen ralat rata-rata sebesar 4,321%. Alat ini dapat mengukur daya dari 25 watt sampai 175 watt dan dapat ditentukan lagi sesuai keinginan dengan mengubah sistem kalibrasi pada program mikrokontroler. DAFTAR PUSTAKA [1]Andi, Nalwan Paulus, 2004, Panduan Praktis Penggunaan dan Antarmuka Modul LCD M1632. Jakarta: PT. Elex Media Komputindo. .
[2]Bhisop, Owen, 2004, Dasar-dasar Elektronika, Erlangga, Jakarta. Doebelin, Ernest o., 1983, measurement systems, mcgraw-hill international book company, Tokyo. [3]Endra Pirowarno, 1998, Mikroprocessor dan Interfacing, Edisi 1, Penerbit Andi, Yogyakarta. [4]Gamayel,Rizal,.Budiharto.W, 2007,Belajar sendiri 12 Proyek Mikrokontroler Untuk Pemula,PT.Elex Media Komputindo. Jakarta. [5]Sapiie, Soedjana., Nishino, Osamu, 2000, Pengukuran Dan Alat-Alat Ukur Listrik,cetakan keenam. PT. Pradnya Paramita. Jakarta. [6]Suryatmo S, 1999 .Teknik Pengukuran Listrik dan Elektronika, Bumi Aksara: Jakarta
