RANCANG BANGUN SISTEM INFORMASI BIAYA PEMAKAIAN ENERGI LISTRIK PADA INDUSTRI BERBASIS MIKROKONTROLLER ATmega8
LAPORAN TUGAS AKHIR
Disusun Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Menyelesaikan Program Diploma III Oleh :
ANDI PRAMANA NIM. 120 503 2059
BENJOVA LUMBANTOBING NIM. 120 5032 063
RISKI HUSEIN NASUTION NIM. 120 503 2101
PROGRAM STUDI TEKNIK LISTRIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2015
ABSTRAK Perkembangan teknologi pada zaman sekarang ini sangat pesat dibidang elektronik dan pada umumnya bertujuan untuk memberi kemudahan dan memanjakan konsumen. Monitoring Alat penghitung biaya Energi listrik terpakai merupakan sebuah alat ukur energi listrik kWh (kilo Watt hour ) yang dikonversikan dalam harga rupiah. Instrumen ini menggunakan metode pengukuran volt-ampere untuk menentu-kan daya kWh, perubahan tampilan harga dalam setiap jam dapat memonitoring harga pemakaian listrik. Pembuatan alat ini menjadi penting karena kemajuan teknologi yang terus berkembang, karena pencatatan kWh meter PLN yang terpasang di industri dalam satuan energi listrik terpakai Watt. Metode pengukuran volt-ampere, Pada prinsipnya adalah mengasumsikan perubahan tegangan Vac pada resistor pendeteksi arus sebagai perubahan arus Iac terpakai. Vac dalam bentuk analog dikonversikan ke data digital dengan ADC( Analog to Digital Converter ), kemudian data ini sebagai input VCO (Voltage Controlled Oscillator ) yang dibangun dengan mikrokontroller. Frekuensi inilah yang menjadi data input untuk dikomputasi pada mikrokontroller menjadi harga rupiah sebagai konversi dari pemakaian energi listrik kWh dengan mengacu pada perhitungan biaya PLN. Kata kunci: Mikrokontroller ATmega8, kWh meter
iii
KATA PENGANTAR Puji dan syukur atas kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat-Nya berupa kesehatan dan kesempatan kepada kami, sehingga dapat menyelesaikan Proyek Tugas Akhir dengan judul“RANCANG BANGUN SISTEM
INFORMASI
BIAYA PEMAKAIAN
ENERGI
LISTRIK
PADA INDUSTRI BERBASIS MIKROKONTROLLER ATmega 8 ” Proyek Tugas Akhir ini merupakan salah satu persyaratan untuk menyelesaikan studi pada Program Studi Teknik Listrik Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Medan. Penulis menyadari bahwa terlaksananya pembuatan proyek ini dan penyusunan laporan tugas akhir ini tidak terlepas dari bantuan berbagai pihak. Pada kesempatan ini juga penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar- besarnya kepada : 1. Bapak M. Syahruddin Selaku Direktur Politeknik Negeri Medan. 2. Selaku Bapak Junaidi, ST.MT ketua jurusan teknik elektro Politeknik Negeri Medan. 3. Bapak Gunoro, M.T selaku kepala program studi teknik elektro Politeknik Negeri Medan. 4. Bapak Ir. Martin Sembiring, M.T selaku pembimbing
yang telah
memberikan saran dan bimbingan kepada penulis. 5. Bapak Drs. Bahtera Taringan, MT selaku wali kelas EL-6D yang telah menasehati kami dan memberikan saran. 6. Seluruh staff pengajar khususnya jurusan teknik elektro yang telah memberikan banyak ilmu pengetahuan dan keterampilan selama penulis menuntut ilmu di Politeknik Negeri Medan. 7. Teristimewa kepada Orang Tua kami tercinta yang telah memberikan nasehat-nasehat dan membiayai kami selama pengerjaan proyek tugas akhir sehingga kami dapat menyelesaikan pendidikan Diploma III di Politeknik Negeri Medan.
iv
8. Rekan-rekan seperjuangan di Politeknik Negeri Medan khususnya Elektro6D dan, Teman- teman di EL-6A, 6B, dan 6C. 9. Semua pihak yang telah mendukung kami dalam pembuatan dan penyelesaian laporan tugas akhir ini. Pada kesempatan ini, secara khusus penulis mempersembahkan rasa hormat dan cinta serta terima kasih kepada kedua orangtuaku juga buat abang dan kakak yang selalu setia mendukungku khususnya dalam pengerjaan tugas akhir ini. Penulis menyadari sepenuhnya bahwa dalam penyusunan laporan tugas akhir ini masih terdapat kelemahan dan kekurangan. Penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun demi perbaikan dan kesempurnaan tugas akhir ini. semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak yang membacanya. Akhir kata, kepada Tuhan penulis memohon ampun dan kepada pembaca penulis meminta maaf, seperti ada kata bijak mengatakan “ Kekurangan hanya milik manusia dan kesempurnaan hanya milik Tuhan “. Medan, 07 September 2015
Penulis,
v
DAFTAR ISI LEMBAR PERSETUJUAN..................................................................................... i LEMBAR PENGESAHAN .................................................................................... ii ABSTRAK ............................................................................................................. iii KATA PENGANTAR ........................................................................................... iv DAFTAR ISI .......................................................................................................... vi DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. xi DAFTAR TABEL ................................................................................................ xiii BAB I ...................................................................................................................... 1 PENDAHULUAN .................................................................................................. 1 1.1
Latar Belakang ......................................................................................... 1
1.2
Rumusan Masalah .................................................................................... 1
1.3
Batasan masalah ....................................................................................... 2
1.4
Tujuan Tugas Akhir .................................................................................. 2
1.5
Manfaat Tugas Akhir ................................................................................ 3
1.6
Metode Pengumpulan Data ...................................................................... 3
1.7
Keterbatasan Proses Tugas Akhir ............................................................. 3
1.8
Sistematika Penulisan ............................................................................... 3
BAB II ..................................................................................................................... 5 LANDASAN TEORI .............................................................................................. 5 2.1.
Sistem Listrik 3 Fasa ................................................................................ 5
A. Tegangan Line to Netral ( L – N ) ........................................................... 5 B. Tegangan Line to Line (L – L) ................................................................. 6 2.2.
Arus Pada Sistem Tiga Fasa ..................................................................... 7
A. Daya Listrik 3 Fasa ................................................................................... 7 B. Menentukan kVA ..................................................................................... 7 vi
C. Menentukan Energi Listrik ...................................................................... 8 2.3.
Pengertian Dasar kWh Meter ................................................................... 8
A. Prinsip Kerja kVARh Meter ..................................................................... 9 2.4
Mikrokontroler ATmega8 ...................................................................... 10
A. Mikrokontroler AVR ATmega8 ............................................................. 11 B. Konfigurasi Pin ATmega8...................................................................... 12 C. Memori AVR ATmega8 ......................................................................... 17 D. Komunikasi Serial Pada ATmega 8 ....................................................... 18 2.5.
Current Transformer (CT) ...................................................................... 19
A. Design ..................................................................................................... 19 B. Penggunaan CT ...................................................................................... 20 C. Akurasi Curent Transformer................................................................... 20 D. Perhitungan CT ....................................................................................... 20 E. Pemasangan CT ...................................................................................... 21 2.6.
Resistor ................................................................................................... 21
A. Resistor Tetap (Fixed Resistor) .............................................................. 23 B. Resistor Tidak Tetap (Variable Resistor) ............................................... 23 C. Resistor NTC dan PTC ........................................................................... 24 2.7.
Resistor Sebagai Pembagi Tegangan ..................................................... 24
A. Rangkaian Dasar Pembagi Tegangan ..................................................... 24 B. Rangkaian Pembagi Tegangan Terbebani .............................................. 25 2.8.
LCD (Liquid Crystal Display) ................................................................ 26
2.9.
Kapasitor ................................................................................................ 28
2.10. Transformator ......................................................................................... 30 A. Prinsip Kerja Transformator ................................................................... 31 2.11. Penyearah ............................................................................................... 32
vii
A. Regulator ................................................................................................ 32 2.12. Alat Pemograman .................................................................................. 32 A. Downloader ............................................................................................ 33 B. Kabel ISP ................................................................................................ 33 C. Software.................................................................................................. 33 2.13. Transistor ................................................................................................ 34 A. Fungsi Transistor .................................................................................... 34 B. Cara Kerja Transistor ............................................................................. 34 2.14.
IC ( LM324) .......................................................................................... 36
2.15. Kendali Loop Tertutup dan Loop Terbuka ............................................ 37 A. Kendali Loop tertutup ............................................................................ 37 B. Kendali Loop Terbuka ............................................................................ 38 BAB III ................................................................................................................. 40 PERANCANGAN DAN PEMASANGAN .......................................................... 40 3.1.
Block Diagram ....................................................................................... 40
A. Diagram Blok Loop Terbuka Pada kWh ................................................ 41 3.2.
Deskripsi Kerja ....................................................................................... 42
3.3.
Perancangan Perangkat Keras Sistem .................................................... 43
A. Rancang Rangkaian Pengendali Sistem ................................................. 43 B. Rancangan Rangkaian Pengendali ......................................................... 46 3.4.
Rancangan Perangkat Lunak Sistem ...................................................... 50
A. Rancangan Flow chart Perangkat Lunak ................................................ 50 B. Rancangan Program Kendali .................................................................. 51 3.5.
Langkah - Langkah Perancangan Program ............................................ 52
3.6.
Beban Yang Digunakan .......................................................................... 53
3.7.
Catu Daya ............................................................................................... 53
viii
3.8.
Pemilihan CT .......................................................................................... 54
3.9.
Perhitungan Biaya kWh Meter ............................................................... 54
A. Abodemen .............................................................................................. 56 3.10. Perhitungan Untuk Menentukan Nilai Resistor...................................... 56 3.11. Alat Dan Bahan Yang Digunakan .......................................................... 57 A. Alat Yang Digunakan ............................................................................. 57 B. Bahan dan Komponen Yang Digunakan ................................................ 58 BAB IV ................................................................................................................. 60 PEMOGRAMAN, PENGUJIAN DAN ANALISA DATA.................................. 60 4.1.
PEMOGRAMAN ................................................................................... 60
4.2.
Cara Memprogram ATmega 8 Menggunakan Perangkat Lunak ........... 60
A. Langkah-langkah Pemograman .............................................................. 61 B. Pembahasan Pemograman ...................................................................... 67 C. Pengecekan Program .............................................................................. 71 4.3.
Mendownload Program Menggunakan Software PC ............................. 72
A. Mentransfer Data Program ke ATmega8 ............................................... 72 4.4.
Pengukuran Tegangan Dan Arus Pada Tiap Fasa .................................. 74
4.5.
Pengukuran Pin ATmega 8..................................................................... 74
4.6.
Pengukuran IC LM324 Penguat Sensor CT ........................................... 75
4.7.
Pengukuran LCD .................................................................................... 76
4.8.
Hasil Perhitungan Alat ........................................................................... 77
4.9.
Hasil Perhitungan Manual ...................................................................... 77
4.10. Analisa .................................................................................................... 79 BAB V................................................................................................................... 80 PENUTUP ............................................................................................................. 80 5. 1
Kesimpulan ............................................................................................. 80
ix
5. 2
Saran ....................................................................................................... 81
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 82 LAMPIRAN .......................................................................................................... 83
x
DAFTAR GAMBAR GAMBAR 2. 1 HUBUNGAN ANTARA LINE TO NETRAL......................................................... 5 GAMBAR 2. 2 HUBUNGAN ANTARA LINE TO LINE.............................................................. 6 GAMBAR 2. 3 POLARITAS KUMPARAN TEGANGAN KWH ................................................... 9 GAMBAR 2. 4 SEGITIGA DAYA ............................................................................................ 9 GAMBAR 2. 5 ATMEGA8 ................................................................................................... 10 GAMBAR 2. 6. KONFIGURASI PIN ATMEGA8 .................................................................... 12 GAMBAR 2. 7 BLOK DIAGRAM ATMEGA8 ........................................................................ 14 GAMBAR 2. 8 STATUS REGISTER ATMEGA8 ..................................................................... 15 GAMBAR 2. 9 PETA MEMORI ATMEGA8 ........................................................................... 17 GAMBAR 2. 10 CURRENT TRANSFORMATOR .................................................................... 19 GAMBAR 2. 11 RESISTOR .................................................................................................. 22 GAMBAR 2.12 PENENTUAN NILAI RESISTOR MELALUI CINCIN WARNA .......................... 22 GAMBAR 2.13 KODE WARNA PADA CINCIN RESISTOR .................................................... 23 GAMBAR 2. 14 RANGKAIAN PEMBAGI TEGANGAN ........................................................... 24 GAMBAR 2. 15 DISPLAY LCD ........................................................................................... 26 GAMBAR 2.16 KAPASITOR ................................................................................................ 28 GAMBAR 2.17 DIELEKTRIKA KONDENSATOR ................................................................... 29 GAMBAR 2.18 SIMBOL, BAGIAN – BAGIAN DAN CONTOH TRANSFORMATOR .................. 31 GAMBAR 2. 19 BENTUK GELOMBANG KELUARAN PENYEARAH GELOMBANG PENUH .... 32 GAMBAR 2. 20 PENSTABIL TEGANGAN ............................................................................. 32 GAMBAR 2.21 KOMPONEN PEMPROGRAMAN ................................................................... 33 GAMBAR 2.22 DOWNLOADER ........................................................................................... 33 GAMBAR 2.23 KABEL ISP ................................................................................................. 33 GAMBAR 2. 24 TRANSISTOR BIPOLAR .............................................................................. 34 GAMBAR 2. 25 STRUKTUR DAN SIMBOL TRANSISTOR TIPE N-P-N DAN P-N-P. ................ 35 GAMBAR 2. 26 IC LM324 DAN PIN DIAGRAM .................................................................. 36 GAMBAR 2. 27 DIAGRAM BLOK UNTUK KENDALI LOOP TERTUTUP ................................. 37 GAMBAR 2. 28 DIAGRAM BLOK UNTUK KENDALI LOOP TERBUKA .................................. 38 GAMBAR 3. 1 GAMBAR DIAGRAM BLOK .......................................................................... 40 GAMBAR 3. 1 DIAGRAM BLOK ......................................................................................... 41 GAMBAR 3. 2 KESELURUHAN ALAT KWH DIGITAL .......................................................... 42 GAMBAR 3. 3 RANGKAIAN PENGENDALI SISTEM ............................................................. 43 GAMBAR 3. 4 RANGKAIAN PADA PCB ............................................................................. 46
xi
GAMBAR 3. 5 MIKROKONTROLLER ................................................................................... 47 GAMBAR 3. 6 RANKAIAN CT DAN PENGUAT.................................................................... 47 GAMBAR 3. 7 RANGAKAIAN SENSOR TEGANGAN............................................................. 48 GAMBAR 3. 8 DISPLAY LCD ............................................................................................. 49 GAMBAR 3. 9 RANGKAIAN TOMBOL RESET...................................................................... 49 GAMBAR 3. 10 FLOW CHART PERANGKAT LUNAK........................................................... 51 GAMBAR 3. 11 LAMPU PIJAR ............................................................................................ 53 GAMBAR 3. 12 RANGKAIAN CATU DAYA5 VOLT DC ....................................................... 53 GAMBAR 3. 13 CURRENT TRANSFORMATOR .................................................................... 54 GAMBAR 3. 14 TABEL TDL UNTUK INDUSTRI .................................................................. 55 GAMBAR 3. 15 RESISTOR CICIN WARNA .......................................................................... 56 GAMBAR 4. 1 SOFWARE CODE VISION AVR ..................................................................... 60 GAMBAR 4. 2 SOFTWARE CODE VISION AVR .................................................................. 61 GAMBAR 4. 3 TAMPIAN CODE WIZART............................................................................. 61 GAMBAR 4. 4 PEMILIHAN CHIP ......................................................................................... 62 GAMBAR 4. 5 PIN PADA LCD............................................................................................ 62 GAMBAR 4. 6 PENGAKTIFAN ADC .................................................................................... 63 GAMBAR 4. 7 LISTING PROGRAM ...................................................................................... 67 GAMBAR 4. 8 TAMPILAN PERINGATAN ERROR PADA PROGRAM ..................................... 71 GAMBAR 4. 9 PROGRAM YANG ERROR ............................................................................ 71 GAMBAR 4. 10 DOWNLOADER .......................................................................................... 72 GAMBAR 4. 11 PEMILIHAN CHIP ....................................................................................... 72 GAMBAR 4. 12 DATA PADA ATMEGA8 ............................................................................. 73 GAMBAR 4. 13 GAMBAR FLASH ........................................................................................ 73 GAMBAR 4. 14 MENDOWNOAD ATMEGA 8....................................................................... 73
xii
DAFTAR TABEL TABEL 2. 1 FUNGSI PORT DISPLAY LCD .......................................................................... 27 TABEL 2. 2 FUNGSI PIN IC LM324 .................................................................................... 36 TABEL 3. 1 DAFTAR PERALATAN YANG DIGUNAKAN ...................................................... 57 TABEL 3. 2 DAFTAR BAHAN DAN KOMPONEN YANG DIGUNAKAN ................................... 58 TABEL 4. 1 PENGUKURAN TEGANGAN PADA TIAP PHASA ............................................... 74 TABEL 4. 2 TEGANGAN PADA TIAP PIN ATMEGA 8 .......................................................... 74 TABEL 4. 3TEGANGAN INPUT IC PENGUAT UNTUK CURRENT TRANSFORMATOR (CT) ... 76 TABEL 4. 4 TEGANGAN INPUT LCD................................................................................. 76 TABEL 4. 5 DATA PENGUKURAN DENGAN ALAT ............................................................. 77 TABEL 4. 6 DATA ANALISA .............................................................................................. 79
xiii
BAB I
PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Perusahaan Listrik Negara (PLN) sebagai perusahaan BUMN yang mengurusi aspek kelistrikan di Indonesia salah satu fungsinya yaitu untuk mengetahui besarnya pemakaian energi listrik. Besarnya pemakaian energi listrik oleh konsumen dapat diketahui dengan memasang alat kWh meter yang dipasang disetiap pelanggan dapat berupa kWh analog maupun kWh meter prabayar, masing – masing kWh meter ini memiliki fungsi yang sama yaitu membaca beban listrik pelanggan. Dalam hal ini penulis membuat pengukuran daya 3 fasa pada industri yang menggunakan Mikrokontroller sebagai penkonversi yang akan ditampilkan menggunakan tampilan LCD guna untuk mendapatkan keakuratan dan ketransparan pembacaan beban listrik. Prinsip kerja alat ini ialah dengan mendeteksi banyaknya daya yang digunakan atau disuplai ke beban, dengan menggunakan Mikrokontroller ATmega 8 sebagai sebuah piranti yang dapat menjalankan perintah-perintah yang diberikan dalam bentuk baris-baris program yang dibuat untuk pekerjaan tertentu, dalam hal ini Mikrokontroller berperan sebagai pengendali yang menerima masukan dari tiga buah CT dan tiga buah sensor tegangan yang terhubung langsung dengan beban, yang akan dikonversikan dalam bentuk tampilan LCD berupa banyaknya biaya pemakaian yang telah diubah kedalam bentuk nominal rupiah. Dengan demikian penggunaan alat ini sangat membantu untuk mendapatkan keakuratan dan ketransparan pembacaan energi listrik, yang digunakan oleh konsumen. Sehingga dalam penggunaan alat ini dapat diharapkan tidak ada kesalah pahaman antara pihak konsumen maupun PLN dalam pembayaran tagihan listrik yang dilakukan tiap perbulannya. 1.2 Rumusan Masalah Permasalahan yang ditangani dari pembuatan Proyek Tugas Akir ini adalah bagaimana caranya agar dapat menghitung daya yang dipakai dikonversikan
1
menjadi informasi biaya dalam angka digital dan nilai rupiah dalam tampilan display
LCD,
menggunakan
Mikrokontroller
ATmega
8
sebagai
alat
pengendaliannya. Adapun masalah yang harus diperhatikan adalah : 1. Bagaimana cara merancang dan mengatur sistem informasi biaya pemakaian energi listrik dapat bekerja secara otomatis seperti yang diinginkan. 2. Bagaiman merancang dari beberapa rangkaian sehingga menjadi sebuah sistem atau alat penghitung dalam penggunaan daya listrik pada suatu industri. 1.3 Batasan masalah Pembatasan masalah Tugas akhir ini membahas tentang Perancang alat penghitung daya pemakain energi listrik sebagai media pengukuran daya pada beban 3 fasa disuatu industri dibatasi ruang lingkupnya untuk pembahasan : 1. Sistem yang dirancang menggunakan tegangan 3 fasa 2. Sistem pemerosesannya menggunakan mikrokontroler ATmega 8 3. Keluaran yang ditampilkan LCD meliputi besarnya daya yang digunakan pada beban, nilai kWh, dan nilai rupiah 1.4 Tujuan Tugas Akhir Tujuan yang ingin dicapai dalam perancangan tugas akhir ini adalah membuat suatu model sistem yang dapat memonitoring pemakaian energi listrik pada suatu industri sehingga dapat diketahui berapa banyaknya energi dan biaya pemakaian dalam kurun waktu tertentu dan juga ditampilkan dalam rupiah, sehingga dapat mengetahui biaya pemakaian energi listrik pada PLN.
2
1.5 Manfaat Tugas Akhir Adapun Manfaat dari pada pembuatan Proyek Tugas Akhir ini adalah : 1. Pengguna dapat monitoring pemakaian daya energi listrik dalam kurun waktu tertentu, dan tampil dalam rupiah, hasil pemakaian daya listrik di tampilkan pada display LCD 2. Mendapatkan hasil nilai yang akurat dan transparan sehingga tidak terjadi kesalahan dalam pembayaran tagihan listrik dan Memudahkan pelanggan dalam pembayaran. 3. Digunakan untuk 3 fasa dalam indutri menengah 1.6 Metode Pengumpulan Data Untuk dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini maka penyusun menerapkan beberapa metode studi diantaranya : 1. Metode pustaka yaitu dengan cara mencari buku referensi diperpustakaan yang berhubungan dengan topik yang dibahas dan melalui internet. 2. Metode lapangan yaitu dengan melihat tayangan movie mancanegara. 3. Metode bimbingan yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik Tugas Akhir ini dengan dosen pembimbing 1.7 Keterbatasan Proses Tugas Akhir Alat yang kami rancang ini digunakan pada industri kecil 3 fasa karna batas sensor arus-nya sampai 50A, dan batas sensor tegangan 400 Vac 1.8 Sistematika Penulisan Laporan ini ditujukan untuk memaparkan hasil rancangan dan pengujian sistematis yang dibuat. Untuk mempermudah pemahaman hasil rancangan tersebut maka, penulis menyusun Tugas Akhir ini dalam beberapa bab, yang mana setiap bab mempunyai hubungan yang saling terkait dengan bab yang lain, yaitu seperti berikut ini:
3
BAB I. PENDAHULUAN Pada bab ini berisi latar belakang penulisan, pokok permasalahan, batasan masalah, tujuan, manfaat, metode pengumpulan data serta sistimatika penulisan laporan. BAB II. LANDASAN TEORI Bab ini mambahas teori-teori dasar dan teori-teori pendukung tentang sistem kontrol dalam perancangan alat dan komponen yang digunakan, khususnya yang menunjang perancangan dan pembuatan tugas akhir ini. BAB III. PERANCANGAN SISTEM Bab ini berisikan langkah-langkah perencanaan pembuatan proyek, perancangan mekanik.Rancang bangun sistem informasi biaya pemakaian energi listrik pada industri berbasis mikrokontroller ATmega 8. BAB IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Bab ini berisikan analisa rangkaian, hasil uji rangkaian , petunjuk pengoperasian dan cara kerja dari sistem informasi biaya pemakaian listrik secara otomatis berbasis mikrokontroler ATmega 8 di industri. BAB V. PENUTUP Bab ini berisikan mengenai kesimpulan yang diperoleh dalam perancangan dan pembuatan proyek tugas akhir serta saran yang ingin disampaikan penulis. LAMPIRAN – LAMPIRAN Berisi lembar data sheet sebagai informasi dan acuan dalam pembuatan tugas akhir.
4
