RANCANG BANGUN MINIATUR SISTEM KENDALI MOTOR PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA HYBRID BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA 16
Ditulis Untuk Memenuhi Syarat Menyelesaikan Pendidikan Program Dipolma 3
Oleh :
DEDDI NAHAMPUN NIM. 1205042062
FERDINAN SIAHAAN NIM. 1205041021
NURSINTA A. SIREGAR NIM. 1205042090
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRONIKA POLITEKNIK NEGERI MEDAN 2015
ABSTRAK Solar cell adalah pembangkit listrik yang mengubah energy dari matahari menjadi energi listrik melalui sel-sel yang berfungsi menyerap energi listrik. Sedangkan kincir angin merupakan pembangkit listrik yang menguubah energi mekanik menjadi energi listrik dengan memanfaatkan gaya dorongan angin pada bilah kincir. Pada dasarnya solar cell bekerja ketika ada cahaya matahari, dan kincir angin akan bekerja jika ada angin. Dalam hal ini, terdapat masalah yang timbul ketika tidak ada angin sehingga kincir angin tidak bekerja dan pada malam hari solar cell tidak mendapatkan sumber energi sehingga tidak dapat menghasilkan listrik. Untuk itu penulis merancang sebuah sistem yang dapat memperoleh energi secara maksimal. Pada penulisan tugas akhir yang berjudul “Rancang Bangun Miniatur Sistem Kendali Motor pada Pembangkit Listrik Tenaga Hybrid berbasis Mikrokontroller ATmega 16”. Sistem kendali yang digunakan berfungsi untuk mengatur pergerakan solar cell agar tetap berada pada posisi menghadap matahari untuk memaksimalkan penyerapan energi oleh masing-masing solar cell.
Kata kunci : Mikrokontroler, Sensor LDR, Solar Cell
iii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kami panjatkan atas kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat-Nya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dan penulisan laporan ini. Laporan tugas akhir ini berjudul “Rancang Bangun Miniatur Sistem Kendali Motor pada Pembangkit Listrik Tenaga Hybrid Berbasis Mikrokontroler ATmega 16” yang disusun untuk memenuhi syarat kelulusan akademi dan untuk menyelesaikan Pendidikan Diploma III Program Studi Teknik Elektronika Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Medan. Dalam menyelesaikan tugas akhir ini, penulis banyak menghadapi kendala maupun kesulitan, namun berkat bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak maka tugas akhir ini dapat diselesaikan dengan baik. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Bapak M. Syahruddin, S.T., M.T., Sebagai Direktur Politeknik Negeri Medan. 2. Bapak Junaidi, S.T., M.T., sebagai Ketua Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Medan. 3. Bapak Berman P. Panjaitan, S.T., M.T., Sebagai Kepala Program Studi Teknik Elektronika. 4. Ibu Meidi W. Lestari, S.T., M.T., Sebagai Dosen Pembimbing penulis dalam menyelesaikan tugas akhir. 5. Bapak Herri Trisna Frianto, S.T., M.T., Sebagai Penguji I. 6. Bapak Drs. Ansharuddin, S.ST., M.T., Sebagai Penguji II. 7. Ibu Ir. Hj. Sri Rahayu Sutjipto, M.T., Sebagai Ketua Sidang. 8. Bapak Harris Aminuddin, S.ST., M.T., Sebagai kepala bengkel Program Studi Teknik Elektronika Politeknik Negeri Medan. 9. Bapak Ir. Akhirudin, M.T., Sebagai Kepala Laboratorium Program Studi Teknik Elektronika Politeknik Negeri Medan. 10. Bapak Ahmad Hidayat, S.T., M.T., Sebagai Dosen wali kelas EK – 6A.
iv
11. Bapak Benrad Simanjuntak, S.T., M.T., Sebagai Dosen Wali kelas EK6B. 12. Kepada Seluruh Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro Program Studi Teknik Elektronika Politeknik Negeri Medan. 13. Orang tua, keluarga serta seluruh teman-teman mahasiswa seperjuangan yang telah memberikan dukungan, sehingga sekarang ini dapat menyelesaikan studi di Politeknik Negeri Medan. Dalam penulisan Tugas Akhir ini penulis menyadari bahwa tulisan ini mungkin masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu, penulis memohon maaf atas segala kekurangannya. Saran dan kritik yang bersifat membangun akan selalu penulis terima dengan harapan semoga tulisan ini dapat berguna bagi pembaca dan dapat dilanjutkan untuk memperoleh hasil yang bermanfaat di kemudian hari. Akhir kata penulis mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian laporan ini. Semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi siapa saja yang membacanya.
Medan,
September 2015 Hormat Kami,
Penulis
v
DAFTAR ISI LEMBAR PERSETUJUAN .............................................................................. i LEMBAR PENGESAHAN ............................................................................... ii ABSTRAK......................................................................................................... iii KATA PENGANTAR ....................................................................................... iv DAFTAR ISI ..................................................................................................... vi DAFTAR GAMBAR.......................................................................................... x DAFTAR TABEL ........................................................................................... xiii BAB I
PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang .............................................................................. 1 1.2. Rumusan Masalah ......................................................................... 2 1.3. Maksud dan Tujuan ....................................................................... 2 1.4. Batasan Masalah ........................................................................... 2 1.5. Manfaat ......................................................................................... 3 1.6. Metodologi.................................................................................... 3 1.7. Sistematika Penulisan .................................................................... 3
BAB II
DASAR TEORI 2.1. Mikrokontroler .............................................................................. 5 2.1.1.Mikrokontroler ATmega16 ................................................... 6 2.1.2. Arsitektur ATmega16 .......................................................... 6 2.1.3. Konfigurasi PIN ATmega16 ................................................ 8 2.1.4. Peta Memori ATmega16.................................................... 12 vi
2.1.5. Analog to Digital Converter............................................... 13 2.2. Solar Cell .................................................................................... 15 2.2.1. Karakteristrik Solar Cell .................................................... 16 2.2.2. Prinsip Kerja Solar Cell ..................................................... 16 2.2.3. Semikonduktor tipe P dan N ............................................. 18 2.3. Sensor Cahaya (LDR) ................................................................. 20 2.3.1. Aplikasi Sensor LDR ......................................................... 21 2.3.2. Karakteristik LDR ............................................................. 21 2.3.3. Prinsip Kerja LDR ............................................................. 22 2.4. Motor DC.................................................................................... 22 2.4.1. Prinsip Kerja Motor DC..................................................... 23 2.4.2. Prinsip Arah Putaran Motor DC ......................................... 26 2.5. Motor Stepper ............................................................................. 26 2.5.1. Tipe Motor Stepper............................................................ 27 2.6. Driver Motor .............................................................................. 28 2.7. Inverter ....................................................................................... 30 2.7.1. Jenis-jenis Inverter ............................................................ 30 2.7.2. Prinsip Kerja Inverter ........................................................ 31 2.7.3. Tipe inverter ...................................................................... 32 2.8. Baterai ........................................................................................ 33 2.8.1. Spesifikasi Baterai ............................................................. 34 2.9. LCD
........................................................................................ 34 vii
2.9.1. Konfigurasi Pin LCD ......................................................... 35 2.9.2. Prinsip Kerja LCD ............................................................. 36 2.10. Sistem Kendali .......................................................................... 37 2.10.1. Sistem Kendali Loop Terbuka ......................................... 37 2.10.2. Sistem Kendali Loop Tertutup ......................................... 38 2.10.3. Sistem Kendali Kontinyu ................................................ 39 BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN SISTEM 3.1. Perancangan Hardware ................................................................ 40 3.1.1. Blok Diagram .................................................................... 41 3.2. Perancangan Blok Diagram Sistem Kendali ................................ 42 3.3. Perancangan Sistem Kendali ....................................................... 43 3.3.1. Rangkaian sensor cahaya (LDR) ........................................ 43 3.3.2. Rangkaian Driver Motor Stepper ....................................... 44 3.3.3. Rangkaian Driver Motor DC ............................................. 45 3.3.4. Rangkaian Sistem Minimum.............................................. 45 3.3.5. Rangkaian Inverter ............................................................ 47 3.3.6. Rangkaian Charger Baterai dari Kincir angin ..................... 48 3.3.7. Rangkaian Charger Baterai dari Solar Cell......................... 49 3.3.8. Rangkaian LCD ................................................................. 50 3.4. Flowchart .................................................................................... 51 3.5. Perancangan Software ................................................................. 52 3.6. Perancangan Layout .................................................................... 63 viii
3.7. Rangkaian Keseluruhan ............................................................... 64 BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA 4.1. Pengujian Sensor LDR ................................................................ 65 4.2. Pengujian Pada Inverter............................................................... 67 4.3. Pengujian Baterai Terhadap Lampu ............................................. 68 4.4. Pengujian Output Tegangan Solar cell ................................................ 68 4.5. Pengujian Software ..................................................................... 71 BAB V
PENUTUP 5.1. Kesimpulan ................................................................................. 77 5.2. Saran ........................................................................................ 77
DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................... 78 LAMPIRAN-LAMPIRAN
ix
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Halaman
2.1. Blok Diagram ATmega16 .............................................................................. 7 2.2. Konfigurasi PIN ATmega16 ........................................................................... 8 2.3. Cara Kerja Solar cell ................................................................................... 15 2.4. Rangkaian persamaan Solar Cell ................................................................. 16 2.5. Cara Kerja Solar Cell .................................................................................. 17 2.6. Semikonduktor Tipe P dan N ...................................................................... 18 2.7. Sambungan P-N .......................................................................................... 19 2.8. Cara Kerja Sambungan P-N ........................................................................ 20 2.9. Simbol dan Bentuk Sensor Cahaya LDR ..................................................... 20 2.10. Motor DC Sederhana................................................................................. 23 2.11.Medan Magnet yang Membawa Arus Mengelilingi Konduktor................... 23 2.12. Medan Magnet Mengelilingi Konduktor dan Diantara Kutub .................... 24 2.13. Reaksi Garis Fluks .................................................................................... 24 2.14. Prinsip Kerja Motor DC ............................................................................ 25 2.15. Motor Stepper ........................................................................................... 27 2.16. Penampang Melintang Motor Stepper Tipe VR ......................................... 27 2.17. Penampang Motor Stepper Tipe Hybrid .................................................... 28 2.18. Rangkaian Driver Motor DC H-Bridge Transistor ..................................... 29 2.19. Prinsip Kerja Inverter ................................................................................ 32
x
2.20. Rangkaian Inverter Setengah Gelombang .................................................. 32 2.21. Baterai ...................................................................................................... 34 2.22. LCD 2x16 ................................................................................................. 35 2.23. Sistem Kendali Loop Terbuka ................................................................... 38 2.24. Sistem Kendali Loop Tertutup................................................................... 38 2.25. Sistem Kendali Kontinyu .......................................................................... 39 3.1. Blok Diagram.............................................................................................. 41 3.2. Sistem Kendali Tertutup .............................................................................. 42 3.3. Rangkaian Sensor Cahaya (LDR) ................................................................ 43 3.4. Rangkaian Driver Motor Stepper................................................................. 44 3.5. Rangkaian Driver Motor DC ....................................................................... 45 3.6. Rangkaian Sistem Minimum ....................................................................... 46 3.7. Layout Sistem Minimum ............................................................................. 46 3.8. Rangkaian Inverter ...................................................................................... 47 3.9. Layout Rangkaian Inverter .......................................................................... 48 3.10. Rangkaian Charger Baterai........................................................................ 48 3.11. Layout Auto Charger................................................................................. 49 3.12. Rangkaian Charger Baterai Dari Solar Cell ............................................... 49 3.13. Rangkaian LCD......................................................................................... 50 3.14. Flowchart .................................................................................................. 51 3.15. Ikon CodeVision AVR pada Dekstop ........................................................ 52 3.16. Tampilan Splash Screen ............................................................................ 53
xi
3.17. IDE Codevision AVR................................................................................ 53 3.18. Membuat File Baru ................................................................................... 54 3.19. Membuat Project Baru .............................................................................. 54 3.20. Memilih untuk Menggunakan Wizard AVR .............................................. 55 3.21. Code Wizard AVR pada Tab Chip ............................................................ 55 3.22. Setting Port A............................................................................................ 56 3.23. Setting Port B ............................................................................................ 57 3.24. Setting LCD pada PORT C ....................................................................... 57 3.25. Menyimpan Setting ................................................................................... 58 3.26. Menyimpan File Pertama .......................................................................... 59 3.27. Menyimpan File Kedua ............................................................................. 59 3.28. Menyimpan File Ketiga ............................................................................. 60 3.29. Project Baru Siap Untuk Di program ......................................................... 60 3.30. Program Untuk Membaca nilai ADC ......................................................... 61 3.31. Informasi Setelah di kompilasi .................................................................. 62 3.32. Layout Keseluruhan .................................................................................. 63 3.33. Tata Letak Komponen ............................................................................... 63 3.34. Rangkaian Keseluruhan ............................................................................. 64 4.1. Posisi Sensor LDR1, LDR2 dan LDR3 Pada Mekanik .................................... 65 4.2. Arah Pergerakan Solar Cell .................................................................................. 71
xii
DAFTAR TABEL
Tabel
Halaman
2.1.Fungsi Khusus Port B..................................................................................... 9 2.2.Fungsi Khusus Port C................................................................................... 10 2.3.Fungsi Khusus Port D .................................................................................. 11 2.4.Konfigurasi Clock ADC ............................................................................... 14 2.5.Tabel Konfigurasi Pin LCD.......................................................................... 35 4.1.Hasil Pengujian Pembacaan ADC Sensor LDR ................................................. 66 4.2.Data Acuan Pembuatan Program ........................................................................ 66 4.3.Hubungan Sensor LDR1, LDR2, dan LDR3 Terhadap Motor Stepper................. 67 4.4.Pengujian Daya Inverter ............................................................................... 67 4.5.Pengujian Baterai Terhadap Lampu 3 Watt........................................................... 68 4.6.Pengujian Output Solar Cell Pada Posisi Tetap dan Mengikuti Cahaya Matahari................................................................................................................. 69
xiii
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Perkembangan teknologi dewasa ini telah mengalami kemajuan
pesat baik dibidang industri, pertanian, perkantoran dan lain-lain. Berbagai penemuan dan perkembangan teknologi menyebabkan banyak perubahan terhadap berbagai macam tatanan kehidupan yang berkembang di masyarakat.
Perkembangan
ini
memudahkan
manusia
dalam
menyelesaikan pekerjaan yang dianggap sulit. Hal ini dapat dibuktikan dengan semakin banyaknya alat-alat elektronik yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Salah satunya adalah di bidang kontrol dengan ditemukannya mikrokontroller sebagai alat bantu pengendali otomatis. Salah satu alat yang dapat membantu manusia adalah sistem kendali motor pada kincir angin dan solar cell, dengan kajian dapat membantu manusia dalam pengendalian motor kincir angin agar tidak cepat rusak dan mengendalikan solar cell untuk bergerak mengikuti arah matahari. Salah satunya dapat kita lihat pada industri sumber daya listrik tenaga angin dan solar cell yang lebih hemat energi dan ramah lingkungan. Pada pembangkit listrik dengan tenaga surya, solar cell yang biasa digunakan hanya menghadap satu arah. Dengan demikian, apabila solar cell dalam posisi membelakangi cahaya matahari maka solar cell tidak menyerap energi. Dari permasalahan diatas, agar dapat mengefisiensikan tenaga yang dihasilkan dari solar cell maka penulis merencanakan perancangan dan pembuatan sebuah sistem atau alat dengan judul “Rancang Bangun Miniatur Sistem Kendali Motor pada Pembangkit Listrik Hybrid Berbasis
ATMega16”.
Sistem
ini
menggunakan
sensor
LDR,
Mikrokontroller, kincir angin, solar cell, motor, dan bahasa pemrograman C. LDR menerima cahaya pada posisi tertentu matahari dan datanya dikirim ke mikrokontroller. mikrokontroller ATmega 16 berfungsi untuk mengontrol
sistem.
Seluruh
data
dari
sensor
akan
masuk
ke
2
mikrokontroller untuk diolah. Bahasa pemrograman C dipakai sebagai bahasa pemrograman untuk mikrokontroller ATmega16. Untuk solar cell, mikrokontroller akan mengendalikan driver motor untuk menggerakkan motor stepper pada sudut yang telah ditentukan mengikuti arah cahaya. Pembuatan alat ini juga diharapkan dapat meningkatkan efisiensi penggunaan pembangkit listrik hybrid di daerah yang sulit terjangkau listrik.
1.2
Rumusan Masalah Adapun rumusan masalah yang diangkat pada laporan ini adalah :
1.
Bagaimana Mikrokontroller dapat mengendalikan motor stepper.
2.
Bagaimana mengefisiensikan pengisian baterai.
1.3
Maksud dan Tujuan Maksud dan tujuan dari pembuatan tugas akhir ini adalah :
1.
Merancang dan membuat sistem kendali motor pada pembangkit listrik tenaga hybrid dengan mikrokontroller ATmega16.
2.
Mengetahui dan memahami mikrokontroller ATmega16 secara umum,
sensor-sensor
dan
komponen
yang
terdapat
pada
pembuatan tugas akhir ini. 3.
Sebagai syarat untuk menyelesaikan perkuliahan di Politeknik Negeri Medan.
1.4
Batasan Masalah Untuk memaksimalkan pembahasan dalam perancangan dan pembuatan tugas akhir ini, maka penulis membuat batasan-batasan masalah sebagai berikut :
1.
Perancangan
dan
pembuatan
kendali
motor
menggunakan
mikrokontroller ATmega16. 2.
Alat ini bekerja di luar ruangan (outdoor).
3.
Kincir angin hanya digunakan sebagai pembangkit listrik.
3
4.
Menggunakan sensor cahaya (LDR) sebagai pendeteksi arah cahaya matahari.
5.
1.5
Alat ini digunakan pada daerah yang jauh dari jangkauan listrik.
Manfaat Tugas akhir ini sekiranya akan berguna untuk :
1.
Membantu memaksimalkan penyerapan energi pada solar cell.
2.
Membantu memaksimalkan pembangkitan energi listrik secara terus-menerus.
3.
Membantu daerah-daerah yang sulit dijangkau listrik PLN karena struktur geografis, jarak yang terlalu jauh, dan mengefisiensikan biaya.
4.
Mahasiswa dan mahasiswi dapat menambah pengetahuan dan wawasan dalam melaksanakan proyek tugas akhir.
1.6
Metodologi Dalam Penulisan Tugas Akhir ini penulis mengumpulkan data yang dilakukan sebagai berikut :
1.
Pengumpulan data dengan cara melakukan studi kepustakaan dengan mencari buku-buku atau informasi yang berhubungan dengan alat ini.
2.
Mengadakan konsultasi dan bimbingan dari dosen pembimbing serta sumber-sumber lain yang dapat dijadikan sebagai acuan dan perbandingan dalam merancang alat ini.
3.
Mencari data-data yang diperlukan dalam pembuatan proyek ini dengan menggunakan fasilitas internet.
1.7
Sistematika Penulisan Adapun yang akan menjadi sistematika penulisan yang akan digunakan dalam penulisan laporan tugas akhir ini adalah sebagai berikut:
4
BAB I :
PENDAHULUAN Pada bab ini berisi latar belakang, rumusan masalah, tujuan, batasan masalah, manfaat, metodologi penulisan
dan
perancangan
dan
sistematika
penulisan.
BAB II :
DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas mengenai dasar teori dan teori terapan dari komponen yang digunakan dalam rangkaian
keseluruhan
sistem
elektronik
dan
mekanik. Literatur-literatur yang mendukung akan disertakan untuk pemahaman yang baik.
BAB III:
PERANCANGAN SISTEM Pada bab ini dibahas mengenai langkah-langkah perancangan
sistem
elektronika
dan
mekanik
berdasarkan blok diagram yang telah disertakan.
BAB IV:
PENGUJIAN DAN ANALISA Pada bab ini dibahas mengenai pengujian dari komponen sistem yang ada berdasarkan spesifikasi komponen. Pengujian sensor terhadap variable objek dan besaran untuk mendapatkan data. Data yang diperoleh akan diolah menjadi kesimpulan berbentuk dan sistematik.
BAB V:
PENUTUP Pada bab ini akan dibahas tentang inti simpulan dari hasil pengujian sistem dan data hasil pengujian, saran yang dating setelah realisasi rancangan dan pembuatan ini selesai.
