RANCANG BANGUN SISTEM MONITORING SEL SURYA PADA LAPTOP MENGGUNAKAN MIKROKONTROLER ARDUINO UNO ATMEGA 328P
TUGAS AKHIR
Diajukan guna memenuhi sebagian persyaratan Dalam rangka menyelesaikan pendidikan sarjana strata satu (S1) Jurusan Teknik Elektro
Oleh I MADE SUTAMA NIM. 0704405053
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA JIMBARAN-BALI JULI 2012
LEMBAR PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam skripsi (tugas akhir) ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Denpasar, Juli 2012
I Made Sutama NIM. 0704405053
ii
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR JUDUL
: RANCANG BANGUN SISTEM MONITORING SEL SURYA PADA LAPTOP MENGGUNAKAN MIKROKONTROLER ARDUINO UNO ATMEGA 328P
NAMA
: I MADE SUTAMA
NIM
: 0704405053
KONSENTRASI
: ELEKTRONIKA TERAPAN
JURUSAN
: TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS
: TEKNIK
PERIODE
: 2011/2012 Menyetujui
Dosen Pembimbing I
Dosen Pembimbing II
(Pratolo Rahardjo, ST, MT)
(I.G.A.P. Raka Agung, ST ,MT)
NIP. 19720714 200003 1 003
NIP. 19670701 199603 1 001
Mengetahui Ketua Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana
(Ir.I Nyoman Setiawan, MT) NIP. 19631229 199103 1 001 iii
ABSTRAK
Perkembangan teknologi di bidang komputer setiap tahun mengalami perubahan-perubahan yang sangat pesat. Tanpa kita sadari penggunaan sel surya sudah begitu banyak disetiap rumah. Pada sel surya sering terjadi perubahan pada tegangan sel surya yang disebabkan oleh cuaca Perancangan alat untuk memonitoring sel surya menggunakan mikrokontroler Arduino Uno ATmega 328P sebagai penerima data analog dari sensor dan pengubah nilai analog ke nilai digital. Data dari sel surya disimpan dalam bentuk file txt melalui program Borland Delphi 7.0. Pada program alat monitoring sel surya yang menggunakan mikrokontroler Arduino Uno ATmega 328P pada LCD menampilkan tegangan sel surya dan arus pada beban. Pengiriman data dikirim setiap 3 detik dari sensor ke mikrokontroler. Data dari tegangan sel surya dan arus pada beban disimpan di laptop pada drive D. Hasil dari ADC mikrokontroler ATmega 328P sudah mampu mengirim data ke program Borland Delphi 7.0. Data yang disimpan dalam bentuk file txt berisikan tegangan dari sel surya, arus pada beban dan waktu saat penyimpanan.
Kata Kunci : Monitoring menggunakan Mikrokontroler ATMega 328P, Monitoring tegangan arus sel surya
iv
ABSTRACT
Technological developments in the field of computers each year experience changes very rapidly. Without us knowing the use of solar cells are so much in every home. In the solar cell is often a change in the solar cell voltage caused by weather Design tool for monitoring the solar cell using an microcontroller Arduino Uno ATmega 328P as a data receiving from sensors and converting analog values to digital values. Data from the solar cells is stored in a txt file through a program Borland Delphi 7.0. On program monitoring tool that uses solar cells microcontroller Arduino Uno ATmega 328P on LCD display the solar cell voltage and current in the load. Shipment data is sent every 3 seconds from the sensor to the microcontroller. Data from the solar cell voltage and current in the load is stored in the laptop on drive D. The results of the ADC microcontroller ATmega 328P is capable of sending data to the program Borland Delphi 7.0. The data stored in the form of a txt file containing the voltage of the solar cell, the current in the load and time of storage.
Keywords: Monitoring using the microcontroller ATMega 328P, Monitoring the solar cell voltage.
v
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadapan Tuhan Yang Maha Esa yang senantiasa memberikan rahmat dan perlindungan-Nya, sehingga Tugas Akhir ini dapat diselesaikan tepat pada waktunya. Tugas Akhir ini berjudul “RANCANG BANGUN SISTEM MONITORING SEL SURYA PADA SEBUAH LAPTOP MENGGUNAKAN ARDUINO UNO BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA 328P”. Tugas akhir ini disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan dalam rangka menyelesaikan pendidikan sarjana strata satu (S1) pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana. Dalam penyusunan tugas akhir ini, penulis mendapatkan petunjuk dan bimbingan dari berbagai pihak. Sehubungan dengan hal tersebut pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada : 1. Bapak Prof. Ir. I Wayan Redana, MA.Sc, PhD. sebagai Dekan Fakultas Teknik Universitas Udayana. 2. Bapak Ir. I Nyoman Setiawan, MT. sebagai Ketua Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana. 3. Bapak Pratolo Rahardjo, ST., MT. sebagai Dosen Pembimbing I yang telah memberikan banyak petunjuk, semangat, waktu
dan bimbingan kepada
penulis selama penyusunan Tugas akhir ini. 4. Bapak I.G.A.P.Raka Agung, ST., MT. sebagai Dosen Pembimbing II yang telah memberikan banyak petunjuk, semangat, waktu dan bimbingan kepada penulis selama penyusunan Tugas akhir ini. 5. Bapak Gede Sukadarmika, ST.,MSc. sebagai Pembimbing Akademis yang telah memberikan bimbingan, perhatian dan dorongan selama menempuh kuliah di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana. 6. Bapak Widyadi Setiawan,ST.,MT. Sebagai Penguji I pada Tugas akhir. 7. Bapak Anak Agung Ketut Agung Cahyawan W, ST., MT. Sebagai Penguji II pada Tugas akhir.
vi
8. Bapak I Gusti Agung Komang Diafari Djuni H.,ST.,MT. Sebagai Penguji III pada Tugas akhir. 9. Anggota keluarga yang telah memberikan dukungan, baik jasmani maupun rohani selama penulis menyusun Tugas akhir ini. 10. Terima kasih kepada teman-teman (Irwan, Denny dan Tangkas) dalam penyusunan Tugas akhir ini. Penulis menyadari sepenuhnya bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, segala bentuk ide pengembangan, kritik dan saran baik yang konstruktif dari berbagai pihak, sangat penulis hargai dan harapkan. Akhir kata, semoga Tugas akhir ini dapat bermanfaat dalam pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi bagi semua pihak.
Denpasar, Juli 2012
Penulis
vii
DAFTAR ISI
LEMBAR JUDUL …………………………………………………………. i LEMBAR PERNYATAAN…….………………………………………….
ii
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR …………………………….. iii ABSTRAK ………………………………………………………………… iv ABSTRACT …………………………………………………………………. v KATA PENGANTAR …………………………………………………….. vi DAFTAR ISI ………………………………………………………………. viii DAFTAR GAMBAR .................................................................................... xii DAFTAR TABEL ......................................................................................... xvi DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................. xvii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ........................................................................................... 1 1.2 Rumusan Masalah ...................................................................................... 2 1.3 Tujuan Penelitian ....................................................................................... 2 1.4 Manfaat Penelitian ..................................................................................... 2 1.5 Batasan Masalah......................................................................................... 2 1.6 Sistematika Penulisan ............................................................................... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Mikrokontroler ..................................................................... . 5 2.2 Mikrokontroler Board Arduino .............................................................. . 6 2.3 Fungsi blok pada masing-masing komponen dalam sistem Mikrokontroler ATMega 328P .......................................................................................... 9 2.3.1 AVR CPU Core ................................................................................. 9 2.3.2 AVR ATMega 328P Memory ........................................................... 12 2.3.2.1 In system Reprogrammable Flash program memory ............... .. 12 2.3.2.2 SRAM Data Memory .................................................................. 12 2.3.2.3 EEPROM Data Memory ............................................................ 13 viii
2.4 Tata letak setiap komponen Arduino Uno beserta penjelasan fungsi setiap komponen.................................................................... ............................. 14 2.4.1 14 pin input/output digital (0-13) ...................................................... 15 2.4.2 USB ................................................................................................ .... 15 2.4.3 Sambungan SV1................................................................................. 15 2.4.4 Q1-Kristal (quartz crystal oscillator)................................................ . 15 2.4.5 Tombol Reset 1 ................................................................................ .. 15 2.4.6 In-Circuit Serial Programming (ICSP) ............................................ . 16 2.4.7 IC 1 – Mikrokontroler ATMega....................................................... .. 16 2.4.8 X1 – Sumber Daya external ............................................................. . 16 2.4.9 6 Pin Input analog (0-5)................................................................... ... 16 2.5 Software Arduino ................................................................................... .. 16 2.6 LCD (Liquid Cristal Display) ............................................................... ... 17 2.6.1 Tampilan LCD 2x16 yang memiliki 16 Pin ....................................... 17 2.6.2 Penjelasan 16 Pin pada LCD ............................................................ . 18 2.6.2.1 Pin Vdd, Vss dan Vee ............................................................... ..... 18 2.6.2.2 Pin RS (Register Select)............................................................. . 18 2.6.2.3 Pin R/W (Read / Write) ............................................................. . 18 2.6.2.4 Pin D0 – D7 (Bus Data) ............................................................ . 18 2.6.2.5 Pin En (Enable) ......................................................................... . 19 2.6.2.6 Special Intruksi LCD ................................................................ .. 19 2.6.2.7 LCD Programming .................................................................... . 19 2.6.2.8 Rutin untuk LCD Command ..................................................... . 19 2.6.2.9 Rutin untuk sending data / karakter ke LCD ............................. . 20 2.6.2.10 Rutin untuk membaca status LCD .............................................. 20 2.6.2.11 Inisialisasi LCD ......................................................................... . 21 2.7 Pengertian Arus, Tegangan, Daya dan Energi ........................................ . 22 2.7.1 Arus ................................................................................................... 22 2.7.2 Tegangan ........................................................................................... 23 2.7.3 Daya .................................................................................................. . 24 2.7.4 Energi ................................................................................................. 25
ix
2.8 Sel Surya ................................................................................................ .. 27 2.9 Antarmuka USB ...................................................................................... . 35 2.9.1 Protokol USB ...................................................................................... 37 2.9.1.1 Persinyalan USB .......... ............................................................... 37 2.9.1.2 Paket data umum USB ................................................................ 38 2.10 Sensor tegangan dan arus ......................................................................... 39 2.11 Rangkaian LM317 …………. .................................................................. 40 2.12 Pengenalan Aplikasi Borland Delphi 7.0 …………….. .......................... 43 2.13 Analog to Digital Converter….. ............................................................... 48 2.13.1 Analog to Digital Concerter pada pin analog input arduino ............... 49
BAB III
METODE DAN PERANCANGAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian................................................................... 50 3.2 Data .................... ...................................................................................... 50 3.2.1 Sumber Data .. .................................................................................... 50 3.2.2 Jenis Data ... ........................................................................................ 50 3.2.3 Teknik Pengumpulan Data ... ............................................................. 51 3.3 Metode Perancangan ................................................................................ 51 3.3.1 Perangkat keras ... ............................................................................... 51 3.3.2 Perangkat Lunak ... ............................................................................. 52 3.3.3 Peralatan Kerja ............................... ................................................... 52 3.4 Prosedur Perancangan Perangkat Keras .... .............................................. 52 3.4.1 Gambaran Umum .... .......................................................................... 52 3.4.2 Cara Kerja ...................................... .................................................... 54 3.4.3 Perancangan Perangkat Keras pada Penelitian ……………………. . 54 3.4.3.1 Perancangan Rangkaian Sensor tegangan dan arus pada sel surya..... .................................................................................. 54 3.4.3.2 Rangkaian Regulator LM317 pada baterai. ................................ 56 3.4.3.3 Rangkaian sensor pada inverter yang dipasangkan beban .......... 57 3.4.3.2 Rancangan mikrokontroler pada LCD .... ................................... 58 3.4.3.3 Rangkaian keseluruhan monitoring sel surya ... ......................... 61
x
3.5 Alur Software pada mikrokontroler ATMega 328P... .............................. 62 3.6 Alur perencanaan software pada Borland Delphi 7.0.. ............................. 63
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1
Realisasi Alat Monitoring Sel Surya Memakai ATmega 328P ……. .... 64
4.2
Pengujian dan Pembahasan Alat Monitoring Sel Surya Memakai ATmega 328P.. ....................................................................................... 67
4.2.1 Pengujian dan Pembahasan LCD …. ................................................ 67 4.2.2 Pengujian dan Pembahasan ADC pada mikrokontroler ATmega328P .................................................................................... 68 4.3
Aplikasi Monitoring Sel Surya Memakai ATmega 328P ....................... 75
4.4
Pengujian dan Pembahasan pengukuran menggunakab beban tetap ...... 81
4.4.1 Pengukuran Menggunakan Beban Lampu Pijar 25 watt ................... 83 4.4.2 Pengukuran Menggunakan Beban Lampu Pijar 40 watt ................... 87
BAB V PENUTUP 5.1
Kesimpulan ............................................................................................. 91
5.2
Saran ........................................................................................................ 91
DAFTAR PUSTAKA ............... ..................................................................... 92 LAMPIRAN ............................................................... .................................... 94 1. Datasheet Arduino Uno ...................... .............................................. 95 2. Datasheet Sensor tegangan dan arus ………… ................................ 116 3. Datasheet LM317 .............................................................................. 119 4. Listing Program ................................................................................. 135 5. Jadwal Pelaksanaan ........................................................................... 150 6. Daftar Riwayat Hidup Penulis....................................................... ... 151
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Mikrokontroler ........................................................................... 5 Gambar 2.2. Diagram blok mikrokontroler ATmega 328 ............................... 8 Gambar 2.3. Diagram Blok Arsitektur MCU AVR........................................... 9 Gambar 2.4. Diagram Blok AVR CPU General Purpose Working Registers... 11 Gambar 2.5. Tiga register pengalamatan ......................................................... 11 Gambar 2.6. Peta Memory Program................................................................... 12 Gambar 2.7. Peta Memory Data ........................................................................ 13 Gambar 2.8. Register EEPROM ....................................................................... 14 Gambar 2.9. Komponen pada Arduino Uno ..................................................... 14 Gambar 2.10. Tampilan IDE Arduino ............................................................. 17 Gambar 2.11. LCD 2x16. .................................................................................. 17 Gambar 2.12. Arus searah (DC) ........................................................................ 23 Gambar 2.13. Terminal/Kutub A dan Kutub B ................................................. 24 Gambar 2.14. Penyerapan energi ....................................................................... 25 Gambar 2.15. Pengiriman energi ....................................................................... 26 Gambar 2.16. Satelit yang menggunakan sel surya ........................................... 29 Gambar 2.17. Contoh pengontrolan jenis semikonduktor p dan n..................... 30 Gambar 2.18. Semikonduktor jenis p dan n sebelum digabungkan ................... 31 Gambar 2.19. Semikonduktor jenis p dan n digabungkan ................................ 31 Gambar 2.20.Semikonduktor n disatukan dengan hole .................................... 32 Gambar 2.21. Timbulnya medan listrik internal E ............................................. 32 Gambar 2.22. Tata letak semikonduktor p dan n ............................................... 33 Gambar 2.23. Fotogenerasi elektronik hole ........................................................ 34 Gambar 2.24. Contoh saat lampu dipasang pada semikonduktor ...................... 35 Gambar 2.25. Ilustrasi cara kerja sel surya ......................................................... 35 Gambar 2.26. Konektor USB (Tipe A dan B) .................................................... 36 Gambar 2.27. Konektor USB Tipe A ................................................................. 36 Gambar 2.28. Fungsi dari setiap kaki USB ......................................................... 37
xii
Gambar 2.29. Hasil komplementasi 4 bit PID .................................................. 39 Gambar 2.30. Rangkaian sensor tegangan dan arus ........................................... 40 Gambar 2.31. Rangkaian internal M317………………………………………. 41 Gambar 2.32. Rangkaian regulator tegangan variable LM317 ….…………… 42 Gambar 2.33. Tampilan untuk para user ……………………………………… 44 Gambar 2.34. Tampilan menu Bar …………………………………………… 44 Gambar 2.35. Tool bar……………………………………………………….. 45 Gambar 2.36. Component Palette …………………………………….……… 45 Gambar 2.37. Tampilan Form………………….…………………………….. 46 Gambar 2.38. Object Inspector ……………………………………………………… 47 Gambar 2.39. Object Tree View ……………………………………………..
48
Gambar 2.40. Code Editor …………………………………………………… 49 Gambar 3.1. Diagram blok sistem monitoring sel surya laptop pribadi berbasis mikrokontroler ATMega 328P..........................
53
Gambar 3.1. Tampilan sensor tegangan dan arus ............................................. 54 Gambar 3.2. Rangkaian sensor tegangan dan arus pada sel surya ................... 55 Gambar 3.3. Rangkaian Regulator LM317 pada baterai……………………... 56 Gambar 3.4. Rangkaian sensor ke inverter menuju ke beban………………… 57 Gambar 3.5. Skematik LCD 2 baris x 16 kolom dan Mikrokontroler .............. 58 Gambar 3.6. Tampilan pada LCD ………………………………………….. 59 Gambar 3.7. Rangkaian keseluruhan monitoring sel surya .............................. 61 Gambar 3.8. Diagram Alur Software pada mikrokontroler ATMega328 ........ 62 Gambar 3.9. Diagram Alur perencanaan software pada Borland Delphi 7.0... 63 Gambar 4.1. Gambar Alat Ukur Monitoring sel surya memakai ATmega 328P dilihat dari atas ………………………………………….. 64 Gambar 4.2. Alat Monitoring sel surya memakai ATmega 328P. Gambar a tampilan Output tegangan sensor 1, gambar b tampilan input tegangan sensor 1 dan gambar c tampilan output dan input sensor 2 …………….…… 65 Gambar 4.3. Bagian-bagian dari alat ukur monitoring sel surya memakai ATmega 328P ……………………………………… 66
xiii
Gambar 4.4. Diagram blok pengujian LCD………………………………… 67 Gambar 4.5. Hasil Pengujian LCD…….……………………………………
68
Gambar 4.6. Diagram blok pengujian ADC pada mikrokontroler ATmega 328P…………………………………………………… 69 Gambar 4.7. Contoh pengukuran pada salah satu input pin analog serta hasil pengukuran ADC pada LCD …………………..………... 70 Gambar 4.8. Contoh pengukuran pada salah satu input pin analog serta hasil pengukuran ADC pada LCD ………………………
71
Gambar 4.9. Grafik perbandingan ADC dengan AVO-meter pada pin A1 ..
73
Gambar 4.10. Grafik perbandingan ADC dengan AVO-meter pada pin A3 …. 75 Gambar 4.11. Tampilan Form Utama Monitoring Sel Surya Delphi …………………………………………………………. 76 Gambar 4.12. Bagian-bagian tampilan form utama monitoring sel surya Borland Delphi 7.0……………………………………………
77
Gambar 4.13. Tampilan form monitoring sel surya Borland Delphi 7.0 saat button setup com ………………………..……………………. 78 Gambar 4.14. Tampilan Form monitoring sel surya Delphi Button Koneksi….. 79 Gambar 4.15. Tampilan form monitoring sel surya Delphi saat Button menyimpan data………………………………….…….. 80 Gambar 4.16. Alat ukur yang digunakan untuk membandingkan hasil pengukuran………………………………………………
81
Gambar 4.17. Diagram blok pengukuran menggunakan beban tetap………… 82 Gambar 4.18. Setting pengukuran dengan alat ukur dan beban lampu ……….. 83 Gambar 4.19. Pengujian menggunakan beban lampu pijar 25 watt ………….. 83 Gambar 4.20. Pengujian menggunakan beban lampu pijar 25 watt (a) hasil ukur dari Voltmeter, (b) Hasil ukur Arduino, (c) Amperemeter………………………………………………. 84 Gambar 4.21. Aplikasi Monitoring sel surya saat dibebankan dengan lampu pijar 25 watt .…………………………………………… 84 Gambar 4.22. Grafik perbandingan voltmeter dengan volt arduino pada beban 25 watt………………………….………………………
xiv
85
Gambar 4.23. Grafik perbandingan Arus arduino dengan Amperemeter dengan beban 25watt ………………………………..………..
86
Gambar 4.24. Pengujian menggunakan beban lampu pijar 40 watt………….. 87 Gambar 4.25. Pengujian menggunakan beban lampu pijar 40 watt (a) hasil ukur dari Voltmeter, (b) Hasil ukur Arduino, (c) Amperemeter………………………………….…………… 87 Gambar 4.26. Aplikasi Monitoring sel surya saat dibebankan dengan lampu pijar 40 watt…………………………………………………… 88 Gambar 4.27. Grafik perbandingan voltmeter dengan volt arduino pada beban 40 watt………………………………………………….
89
Gambar 4.28. Grafik perbandingan Arus arduino dengan Amperemeter dengan beban 40 watt…………………………………………. 90
xv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Satuan SI dalam electromagnetic ................................................. 26 Tabel 2.2. Nilai-nilai pada PID ...................................................................... 38 Tabel 2.3 Kinerja sensor tegangan dan arus DC........................................... 40 Tabel 4.1 Hasil pengukuran ADC pin A1…………………………………. 72 Tabel 4.2 Hasil pengukuran ADC pin A3 ………………………………… 74 Tabel 4.3 Perbandingan hasil pengukuran pada beban 25 watt …………… 85 Tabel 4.4 Perbandingan hasil pengukuran pada beban 40 watt …………… 88
xvi
DAFTAR LAMPIRAN
1.
Datasheet Arduino Uno ...................... .................................................... 95
2.
Datasheet Sensor tegangan dan arus ………… ...................................... 116
3.
Datasheet LM317 .................................................................................... 119
4.
Listing Program ....................................................................................... 135
5.
Tabel Kegiatan ………………………………………………………… 150
6.
Daftar Riwayat Hidup Penulis....................................................... ......... 151
xvii
