RANCANG BANGUN SISTEM PENGENDALI MOTOR DC PENGGERAK SOLAR CELL MENGIKUTI ARAH CAHAYA MATAHARI BERBASIS MIKROKONTROLER
Disusun Sebagai Satu Syarat Untuk Menyelesaikan Pendidikan Diploma III Program Studi Teknik Elektronika
Oleh :
ANDRI FIRMANSYAH NIM : 1105041003
KAMSINEL TANJUNG NIM : 1105041023
LINA MELINDA MELIANA NIM : 1105041024
SATRIA ERLAMBANG NIM : 1105041039
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRONIKA POLITEKNIK NEGERI MEDAN 2014
ABSTRAK
Solar cell adalah pembangkit listrik yang memanfaatkan tenaga matahari. Saat ini solar cell mulai dikembangkan untuk keperluan sumber energi listrik sederhana seperti yang ada di jalan raya. Solar cell dikenal sebagai pembangkit listrik tenaga surya dimana kuat cahaya matahari diubah menjadi tenaga listrik. Sistem yang ada saat ini pengambilan energi cahaya matahari belum maksimal karena pemasangan solar cell tersebut masih bersifat statis (tetap). Untuk itu perlu sebuah sistem yang dapat mengambil energi secara maksimal setiap jamnya. Untuk itu penulis merancang sebuah sistem yang dapat memperoleh energi secara maksimal. Pada penulisan tugas akhir yang berjudul “Rancang Bangun Sistem Pengendali Motor DC Penggerak Solar Cell mengikuti Arah Cahaya Matahari
Berbasis Mikrokontroler”. Mikrokontroler diaplikasikan
untuk mengontrol sistem penggerak panel solar cell dan lampu secara otomatis. Sistem ini akan bekerja mendeteksi keberadaan cahaya matahari dengan menggunakan sensor LDR. Dari mulai terbit matahari solar cell akan terus mengikuti sumber cahaya matahari sampai matahari terbenam. Daya yang didapat akan disimpan pada sebuah baterai, daya tersebut dapat digunakan untuk sumber energi listrik sederhana. Pada perancangan ini energi digunakan untuk penerang jalan raya sederhana.
Kata kunci : Mikrokontroler, Sensor LDR
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 Sistem Pengendali Motor DC Penggerak Solar Cell mengikuti Arah Cahaya Matahari
Berbasis
Mikrokontroler 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 Kepala Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Medan. 3. Bapak Berman P. Panjaitan, S.T., M.T., Sebagai Kepala Program Studi Teknik Elektronika. 4. Bapak Benrad E. Simanjuntak, S.T., M.T., Sebagai
Dosen
Pembimbing penulis dalam menyelesaikan tugas akhir. 5. Bapak Harris Aminuddin, S.ST., M.T., Sebagai kepala bengkel Program Studi Teknik Elektronika Politeknik Negeri Medan. 6. Bapak Ir. Akhirudin, M.T., Sebagai Kepala Laboratorium Program Studi Teknik Elektronika Politeknik Negeri Medan. 7. Bapak Ahmad Hidayat, S.T., M.T., Sebagai Dosen wali kelas EK – 6B yang telah memberikan nasehat dan arahan bagi kami. 8. Kepada Seluruh Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro Program Studi Teknik Elektronika Politeknik Negeri Medan.
9. Orang tua serta keluarga yang telah memberikan dukungan materi sehingga sekarang ini dapat menyelesaikan studi di Politeknik Negeri Medan. 10. Semua teman-teman mahasiswa seperjuangan, khususnya EK-6B Program Studi Teknik Elektronika Jurusan Teknik Elektro yang turut membantu dalam penyelesaiaan Tugas Akhir ini. 11. Dan kepada seluruh pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu, namun tidak mengurangi rasa terimakasih penulis dalam pengerjaan tugas akhir ini baik dalam bentuk apapun. 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, Agustus 2014 Hormat Kami,
Penulis
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. Batasan Masalah ...............................................................................1 1.3. Tujuan ...............................................................................................2 1.4. Manfaat .............................................................................................2 1.5. Metodologi Penulisan Dan Perancangan ..........................................2 1.6. Sistematika Penulisan .......................................................................3
BAB II
DASAR TEORI 2.1. Mikrokontroler .................................................................................4 2.1.1.Mikrokontroler ATmega16 .....................................................4 2.1.2. Arsitektur ATmega16 .............................................................5 2.1.3. Konfigurasi PIN ATmega16...................................................7 2.1.4. Deskripsi Mikrokontroler ATmega16 ....................................7
2.1.5. Peta Memori ATmega16 ......................................................11 2.1.5.1. Memori Program ......................................................11 2.1.5.2. Memori Data (SRAM) .............................................11 2.1.5.3. Memori Data EEPROM ...........................................12 2.2. Sensor Cahaya LDR (Light Dependent Resistor) ..........................12 2.2.1. Aplikasi Sensor Cahaya LDR (Light Dependent Resistor) ..13 2.2.2. Karakteristik Sensor Cahaya LDR (Light Dependent Resistor) ..............................................................................13 2.2.3. Prinsip Kerja Sensor Cahaya LDR (Light Dependent Resistor) ..............................................................................14 2.3. Sensor Air .......................................................................................14 2.4. Driver Motor ...................................................................................15 2.5. Driver Lampu .................................................................................17 2.6. Motor DC........................................................................................19 2.6.1. Prinsip Kerja Motor DC .......................................................20 2.6.2. Prinsip Arah Putaran Motor..................................................23 2.7. Solar Cell ........................................................................................23 2.7.1. Karakteristik Solar Cell ........................................................23 2.7.2. Prinsip Kerja Solar Cell ........................................................26 2.8. Baterai ............................................................................................29 2.9. Limit Switch ...................................................................................29 2.9.1. Prinsip Kerja Limit Switch ...................................................30 2.10. Transformator ...............................................................................31
2.11. Jenis-Jenis Transformator .............................................................31 2.11.1. Prinsip Kerja Transformator ...............................................35 2.12. Konverter DC Ke AC ...................................................................36 BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN SISTEM 3.1. Pendahuluan ...................................................................................38 3.2. Rangkaian Sensor air ......................................................................41 3.3. Rangkaian Sensor Arah Cahaya .....................................................41 3.4. Rangkaian Sistem Minimun ...........................................................44 3.5. Rangkaian Driver Motor DC ..........................................................46 3.6. Rangkaian Kontrol Charger Baterai ...............................................49 3.7. Rangkaian Inverter .........................................................................50 3.8. Rangkaian Driver Lampu ...............................................................51 3.9. Perancangan Perangakat Lunak ......................................................52 3.10. Pengambilan Data ADC ...............................................................53 3.11. Menginisialisasi Sensor ................................................................54 3.12. Pengaturan dan Pengambilan Arah Putaran Motor ......................55 3.13. Pengontrolan Charger Baterai ......................................................57 BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA 4.1. Pengujian Sensor ............................................................................58 4.2. Analisa Hasil Pengujian Output Driver Motor ...............................62 4.3. Pengujian Output Tegangan Solar cell.................................................. 63 4.3.1. Pengujian Solar Cell Pada Posisi Tetap................................64
4.3.2. Pengujian Solar Cell yang Bergerak Secara Otomatis .........65 4.4. Perbedaan Daya Yang Dihasilkan.....................................................66 4.5. Daya Baterai Terhadap Lampu .......................................................67 BAB V
PENUTUP 5.1. Simpulan .........................................................................................70 5.2. Saran ............................................................................................70
DAFTAR PUSTAKA ...........................................................................................71 LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Halaman
2.1. Mikrokontroler ATmega16 ...............................................................................4 2.2. Blok Diagram ATmega16 .................................................................................6 2.3. Konfigurasi PIN ATmega16 ..............................................................................7 2.4. Arsitektur Memori Program ATmega16 .........................................................11 2.5. Peta Memori ATmega16 .................................................................................12 2.6. Simbol dan Bentuk Sensor Cahaya LDR ........................................................13 2.7. Sensor Air .......................................................................................................15 2.8. Rangkaian Driver Motor DC H-Bridge Transistor .........................................16 2.9. Relay 12 Volt ..................................................................................................17 2.10. Konstruksi Relay Elektro Mekanik Posisi NC (Normally Close) .................18 2.11. Konstruksi Relay Elektro Mekanik Posisi NO (Normally Open) .................18 2.12. Motor DC Sederhana.....................................................................................19 2.13. Medan Magnet yang Membawa Arus Mengelilingi Konduktor ...................20 2.14. Medan Magnet Mengelilingi Konduktor dan Diantara Kutub ......................20 2.15. Reaksi Garis Fluks ........................................................................................21 2.16. Prinsip Kerja Motor DC ................................................................................22 2.17. Rangkaian Persamaan Solar Cell ..................................................................24 2.18. Grafik I - V pada Solar Cell ..........................................................................25 2.19. Diagram Kerja Solar Cell ..............................................................................26
2.20. PN Junction Solar Cell ..................................................................................28 2.21. Simbol dan Bentuk Limit Switch ...................................................................30 2.22. Konstruksi dan Simbol Limit Switch .............................................................31 2.23. Transformator................................................................................................31 2.24. Bagan Fluks Magnetik Bocor Pada Pasangan Kumparan .............................32 2.25. Hubungan Primer dan Sekunder ...................................................................32 2.26. Lambang Transformator Step-Up .................................................................32 2.27. Lambang Transformator Step-Down .............................................................33 2.28. Lambang Autotransformator .........................................................................33 2.29. Lambang Autotransformator Variabel .........................................................34 2.30. Bagian-Bagian Transformator.......................................................................35 2.31. Pengaruh Kumparan Primer Dan Sekunder Terhadap Medan Magnet .........36 2.32. Struktur Trafo ................................................................................................36 2.33. Rangkaian Konverter 12 V DC ke AC 220 V ...............................................37 3.1. Blok Diagram Perancangan Alat .....................................................................38 3.2. Diagram Alir ...................................................................................................40 3.3. Rangkaian Sensor Air .....................................................................................41 3.4. Mekanik Sensor Arah Cahaya pada Penampang Solar Cell ...........................42 3.5. Mekanik Sensor Arah Cahaya Sisi Kiri ..........................................................42 3.6. Mekanik Sensor Arah Cahaya Sisi Kanan ......................................................43 3.7. Rangkaian Sensor Cahaya (LDR) ...................................................................44 3.8. Rangkaian Mikrokontroler ..............................................................................46
3.9. Rangkaian H-Bridge Sederhana ......................................................................47 3.10. Rangkaian H-Bridge Sederhana Berputar Secara CW ..................................47 3.11. Rangkaian H-Bridge Sederhana Berputar Secara CCW ...............................48 3.12. Rangkaian Driver Motor DC.........................................................................49 3.13. Rangkaian Kontrol Charger Baterai ..............................................................50 3.14. Rangkaian Inverter ........................................................................................51 3.15. Rangkaian Driver Lampu ..............................................................................52 3.16. Program Pengambilan Data ADC .................................................................54 3.17. Program Inisialisasi Sensor ...........................................................................55 3.18. Program Kondisi Arah Putaran Motor ..........................................................56 3.19. Program Kontrol Charger ..............................................................................57 4.1. Posisi Sensor LDR1, LDR2 dan LDR3 Pada Sistem Mekanik ...........................58 4.2. Posisi Sensor LDR4, LDR5, Sensor Air dan Sensor Limit Switch ........................ 60 4.3. Arah Pergerakan Solar Cell .............................................................................63 4.4. Grafik Data Keluaran Daya (Psc) Terhadap Waktu Untuk Solar Cell Pada Posisi Tetap .............................................................................................................. 65 4.5. Grafik Data Keluaran Daya (Psc) Terhadap Waktu Untuk Solar cell yang Bergerak Secara Otomatis ....................................................................................... 66 4.6. Grafik Tegangan DC Terhadap Waktu ...........................................................68 4.7. Grafik Tegangan AC Terhadap Waktu ...........................................................69
DAFTAR TABEL
Tabel
Halaman
2.1.Fungsi KhususPortB ..........................................................................................8 2.2.Fungsi KhususPort C .........................................................................................9 2.3.Fungsi KhususPort D .......................................................................................10 4.1.Hasil Pengujian Tegangan Sensor LDR ............................................................... 59 4.2.Data Acuan Pembuatan Program ........................................................................... 59 4.3.Kebenaran Sensor LDR1, LDR2 dan LDR3 Terhadap Motor DC ....................... 60 4.4.Hasil Pengujian Tegangan Sensor Air .............................................................61 4.5.Hasil Pengujian Tegangan Limit Switch ................................................................. 61 4.6.Kebenaran Hubungan Antara Sensor LDR4, Sensor LDR5,Sensor Air dan Limit Switch ........................................................................................................................ 62 4.7.Hasil Pengujian Daya Motor DC .....................................................................63 4.8.Data PengujianSolar Cell pada Posisi Tetap............................................................ 64 4.9.Data PengujianSolar Cell yang Bergerak Secara Otomatis .................................... 65 4.10.Perbedaan Daya dan Energi yang Dihasilkan Oleh Solar Cell yang Tetap dengan Solar Cell yang Bergerak Otomatis ...................................................................... 67 4.11.Daya Baterai Terhadap Lampu ......................................................................68
BAB I PENDAHULUAN
1.1.Latar Belakang Penerangan jalan raya pada saat ini masih menggunakan sumber listrik dari PLN sebagai energi utama untuk lampu jalan. Hal ini nantinya membebani PLN karena energi listriknya diambil dari PLN. Untuk itu PLN harus melakukan pemadaman listrik bergiliran untuk menimalisir kekurangan energi listrik tersebut. Namun seiring dengan perkembangan zaman ditemukannya solar cell sebagai energi alternatif untuk penerangan jalan raya. Dewasa ini sudah banyak diterapkan sistem ini namun pada pengambilan energi tersebut kurang maksimal karena pemasangan solar cell tersebut masih bersifat statis (tetap), dimana daya yang di hasilkan kurang maksimal sehingga kami merancang suatu sistem dimana solar cell bergerak mengikuti arah cahaya matahari agar daya yang dihasilkan maksimal.
1.2.Batasan Masalah Dalam perancangan dan pembuatan tugas akhir ini diberikan batasan masalah sebagai berikut : 1.
Perancangan dan pembuatan sistem ini berbasis Mikrokontroler ATmega16.
2.
Menggunakan sensor cahaya (LDR) sebagai pendeteksi cahaya dan sensor air sebagai sensor pendeteksi air hujan agar solar cell dapat berlindung dari air hujan.
3.
Daya dari solar cell disimpan pada baterai 12 volt DC untuk dimanfaatkan sebagai sumber daya lampu penerangan simulasi jalan raya dan sumber daya sistem kontrol solar cell.
4.
Sistem ini menggunakan lampu sebagai penerang jalan raya dengan 2 set lampu LED yang masing-masing menggunakan daya 5 watt.
1.3.Tujuan Adapun tujuan dari pembuatan tugas akhir ini adalah : 1.
Untuk mengetahui bagaimana merancang dan membuat sistem penggerak solar cell mengikuti arah matahari dan melindungi solar cell dari air hujan berbasis Mikrokontroler ATmega16.
2.
Diharapkan nantinya solar cell dapat bergerak mengikuti arah cahaya matahari yang akan memaksimalkan fungsi dari solar cell tersebut.
3.
Untuk mencegah kerusakan solar cell yang diakibatkan cuaca seperti hujan.
4.
Untuk memperpanjang umur pemakaian solar cell.
1.4.Manfaat Tugas akhir ini sekiranya akan bermanfaat untuk : 1.
Tenaga listrik yang dihasilkan dapat dimanfaatkan untuk penerangan jalan raya.
2.
Membantu PLN untuk meringankan beban energi listrik yang harus dikeluarkan PLN untuk penerangan jalan raya.
3.
Penulis sendiri dengan melakukan perancangan ini dapat menambah wawasan, pengalaman, pengetahuan dan mampu menerapkan ilmu yang telah diperoleh selama mengikuti perkuliahan kelak memasuki dunia kerja.
1.5.
Metodologi Penulisan dan Perancangan Adapun pengumpulan data yang dilakukan penulis dalam penyusunan
laporan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut : 1.
Pengumpulan data dengan cara melakukan studi kepustakaan dengan jalan mencari buku-buku atau informasi yang berhubungan dengan alat ini.
2.
Mengadakan konsultasi, arahan/bimbingan dari dosen pembimbing serta sumber-sumber lain yang dapat dijadikan sebagai acuan dan perbandingan dalam merancang alat ini.
3.
Mencari data-data yang dapat disajikan sebagai referensi penulisan laporan ini dengan menggunakan fasilitas internet.
1.6.Sistematika Penulisan Adapun sistematika penulisan yang digunakan dalam penulisan laporan tugas akhir ini adalah sebagai berikut:
BAB I :
PENDAHULUAN Pada bab ini berisi tentang latar belakang, batasan masalah, tujuan, manfaat,
metode
penulisan
dan
pengumpulan
data
beserta
sistematika penulisan. BAB II :
TEORI DASAR Pada bab ini dibahas mengenai teori dasar 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 DAN PEMBUATAN SISTEM Pada bab ini akan dibahas mengenai langkah-langkah perancangan sistem elektronika dan mekanik berdasarkan sistematika blok diagram yang telah disertakan.
BAB IV :
PENGUJIAN DAN ANALISA Pada bab ini akan dibahas mengenai pengujian dari komponen sistem yang ada berdasarkan spesifikasi komponen. Pengujian sensor terhadap
variabel
objek
dan
besaran
yang berbeda untuk
mendapatkan data. Data yang telah didapat 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 datang setelah realisasi rancangan dan pembuatan alat selesai.
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
