RANCANG BANGUN SISTEM PENGENDALIAN PENERANGAN RUANGAN BERBASIS MIKROKONTROLER (SOFTWARE) Ir. Yahya Chusna Arif.MT 1, Suhariningsih. S.ST.MT 2 , Fajar kurniawan 3 1 Dosen Jurusan Teknik Elektro Industri 2 Dosen Jurusan Teknik Elektro Industri 3 Mahasiswa D3 Jurusan Teknik Elektro Industri Politeknik Elektronika Negeri Surabaya - ITS Kampus ITS Sukolilo Surabaya 60111 Email :
[email protected]
ABSTRAK Suatu penerangan ruang diperlukan oleh manusia untuk mengenali objek secara visual. Oleh karena itu diperlukan lampu sebagai sumber penerangan utama yang dapat menunjang fungsi ruangan. Umumnya untuk pengaturan penerangan ruangan digunakan prinsip on-off. Pengaturan penerangan dengan prinsip on-off hanya berdasarkan pada kondisi gelap terang ruangan, tanpa menghiraukan kontribusi dari luar. Hal ini sering mengakibatkan ketidaknyamanan dan ketidakefisienan penggunaan energi listrik. Dari permasalahan diatas maka dibuat suatu sistem pengendalian penerangan ruangan berbasis mikrokontroler. Pada proyek akhir ini diciptakan suatu Sistem yang menggunakan sensor cahaya (LDR) untuk mendeteksi iluminasi cahaya pada ruangan. Dari pembacaan sensor cahaya diolah sedemikian rupa oleh mikrokontroler sehingga dapat digunakan sebagai input bagi pengatur tegangan. Tegangan yang dihasilkan pengatur tegangan akan mengatur pencahayaan lampu LED. Dengan dibuatnya sistem pengendalian penerangan ruangan berbasis mikrokontroler ini diharapkan dapat meminimalisir pemborosaan energi listrik dan memaksimalkan effisiensi energi listrik. Kata kunci : Prinsip on-off, Sensor cahaya, Lampu LED
Abtract An illumination space is needed by humans to recognize objects visually. Therefore we need like a lamp as the main lighting source that can support the room function. Generally used for indoor lighting arrangements on-off principle. Lighting setting swith on-off principleis based only on the condition of the light dark room, regardless of the contribution from outside.It’s resulted in inconvenience and inefficiency use of electrical energy. The problems above hence made a room lighting control system based microcontroller. In this final project will be created a system that uses a light sensor(LDR) to detect the illumination lightin the room. From reading the light sensoris processed by the microcontroller in such a way so that it can be used as input for the voltage regulator. The resulting voltage regulator wil lregulate voltage LED lighting .We make room lighting control system based on microcontrolleris expected to minimize a looses,maximize the efficiency of electrical energy and electrical energy. Keyword: on-off principal, LDR, PI
1. PENDAHULUAN Kondisi kehidupan modern saat ini semakin tinggi intensitas kegiatan yang membutuhkan pencahayaan, maka energi yang digunakan juga semakin lama semakin tinggi. Tuntutan akan inovasi teknologi dalam upaya penghematan energisemakin dibutuhkan. PenggunaanLampu LED(Light Emitting Diode) merupakan salah satu hasi linovas iteknologi dalam bidang pencahayaan .Lampu LED memiliki kelebihan yaitu sangat hemat energi sampai 80% dari
pemakaian energi lampu hemat energi CFL (Compact Fluorescent Lamp), aman bagi lingkungan, dan tahan lama. Ketika Lampu dinyalakan pada saat mendung siang hari, sore ataupun malam, lampu menyala seratus persen. Padahal pada saat mendung di siang hari dan sore hari lampu tidak perlu menyala seratus persen karena pada ruangan tersebut masih terdapat cahaya matahari. Dari permasalahan tersebut maka dibuat sistem pengaturan penyalaan lampu (LED) berdasarkan
intensitas cahaya matahari berbasis proposiaonal Integrator kontroller. Sistem ini menggunakan rangkaian TCA785 untuk mengatur tegangan pada lampu yang dikontrol mikrokntroler AVR dengan metode Proposiaonal Controller. Dengan menggunakan Proposional Controller, masukan (eror dan delta eror) akan diproses guna mendapatkan nilai sudut penyalaan (α) pada rangkaian TCA785 sesuai intensitas cahaya matahari yang terdeteksi pada ruangan tersebut. 2 .Perencanaan dan pembuatan alat 2.1 Konfigurasi Sistem Secara Umum Secara umum konfigurasi sistem dari pengaturan beban secara elekronik pada kontrol ini terdiri dari input, kontroller dan output. Dari sisi masukan (input) terdiri dari sensor cahaya(ldr). kontroller yang di gunakan adalah mikrokontroller ATmega 16. Dari sisi keluaran (output) yang di hubungkan dengan driver TCA785 melalui rangkaian totempole.
2.2.Sistem mikrokontroler Sistem mikrokontroler yang digunakan adalah ATMega 16 yang memiliki fasilitas internal ADC 8 channel dan menggunakan resolusi10 bit. Mikrokontroler ini memiliki 512 byte EEPROM, 3 timer serta 8 Kbytes flash programming memory. 2.2.1 Perencanaan Input Output Mikrokontroler ATMega16 memiliki 4 buah port 8 bit. Tabel perencanaan input output dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 2.1. Perencanaan input / output Port Keterangan Input sensor PORTA.0 cahaya PORTB PORTC PORTD
Input keypad Output LCD Output DAC
cahaya
Lamp u
Sensor cahaya
AC-AC conv
Keypad
Mikrokontroler Sumber AC
LCD DAC
KEYPAD
TCA 785
Driver PWM
TCA 785
Gambar 2.1. Blog diagram system MIKROKONTROLER PadaDISPLAY blok diagram Gambar 2.1, sensor cahaya LCD ATMEGA 16L yang berupa ldr, keluaran dari sensor itu diolah di mikrokontroler ATMega16. Dengan mengatur sudut penyulutan pada rangakaian tca785 oleh SENSOR mikrokontroler. point cahaya antara CAHAYA Dengan set CAHAYA antar 0-100%, maka mikrokontroler akan mengolah data dan mengatur output pada rangkaian dac .
Gambar 2.2. Gambar sistem pengaturan cahaya
2.2.2 Perencanaan input sensor Pada perencanaan input sensor cahaya ini, digunakan range antara 0 lux sampai 120 lux. Nilai cahaya normal di sesuaikan dengan nilai cahaya normal pembacaan dari pengukuran luxmeter. Untuk inputan ke ADC , karena tegangan yang diterima ADC berkisar antara 0 sampai 4,98V sedangkan range cahaya yang SUMBER berkisar antara 0 lux sampai 120 lux, digunakan AC maka dibuat suatu perbandingan. 2.3 Perencanaan Perangkat Lunak perangkat lunak disusun untuk mendukung perangkat keras yang telah dibuat dengan bahasa pemrograman C. Pada bagian ini LAMPU menjelaskan rutin-rutin penting dari keseluruhan perangkat lunak yang dibuat. 2.2.1 Perencanaan Software menu Keypad 4x4 Keypad merupakan interface dari pengguna dengan setting kontrol sistem yang terdiri dari menu yang berisi informasi tentang output dan setting konstanta increment dan decrement pada control PI sehingga sistem dapat berfungsi dengan baik. Desain dari software keypad sangat bervariasi sehingga pemilihan metode scanning ditentukan oleh desain hardware dari keypad itu sendiri. Pada Tugas Akhir ini metode scanning dilakukan tiap kolom dengan memanfaatkan PORTB sebagai scanner. Setiap tombol pada keypad hanya mempunyai 1
OPTOCOUPLER + Perencanaan TRIAC
fungsi. Perencanaan software menu keypad dapat disajikan dalam Gambar 2.3.
* #
* #
Start
3.3 Konfigurasi software Tampilan LCD: "Iluminasi System" " Control " Tampilan LCD: Set point= lux
Input [1-3 digit]
N
Tekan ENTER Y
Tampilan LCD: SP=...lux LDR=… PI=… Error=….
Tekan EXIT
N
Y
Gambar 2.4 flowchart menu 2.2.2 Pengujian keypad 4x4 Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui apakah keypad dapat bekerja dengan baik. Pengujian ini tidak jauh beda dengan proses penentuan baris dan kolom dari sebuah tombol pada keypad. Keterangan lebih lengkap dapat dilihat pada bab sebelumnya. Analisa pengetesan keypad Tombol yang ditekan sesuai dengan yang diinginkan sehingga dapat dipastikan keypad dapat bekerja dengan baik. Untuk mempermudah tombol yang ditekan oleh keypad, status tersebut bisa ditampilkan ke LCD. Tabel 2.2. Pengujian keypad 4x4 Tampilan Input Keypad LCD 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 A A B B C C D D
Pada konfigurasi software disini yaitu berisi tentang algoritma pemrograman. pembuatan perangkat lunak / program dalam mikrokontroler menggunakan CodeVisionAVR C Compiler. Selanjutnya program akan disimpan dalam memori data dan memori program. Sistem pengaturan terang redup lampu ini yaitu menggunakan sistem close loop, dimana keluaran pada sistem terdapat feedback sebagai koreksi dari keluaran yang diinginkan. Feedback dari sistem yaitu berupa sensor cahaya (LDR) yang akan membaca tingkat intensitas dari lampu. Nilai keluaran dari LDR akan digunakan sebagai feedback dan masuk ke dalam ADC internal pada mikrokontroler sehingga dapat diproses dan dihasilkan suatu keluaran yang diinginkan dari sistem close loop itu sendiri. Gambar 3.15 merupakan algoritma dari kontrol siatem untuk mengatur terang redup pada lampu.
SET POIN T
+ E DA C
AD C
TC A7 85
LD R
MIKROKO NTROLER
Gambar 3.4. Algoritma kontrol Dari Gambar 3.3 diketahui bahwa masukan yaitu dari nilai setting point. Nilai setting point akan diolah untuk dibandingkan dengan nilai dari ADC / nilai feedback dari sensor LDR. Dari sini akan menghasilkan suatu error yang akan digunakan untuk membangkitkan mikrokontroler agar menghasilkan tegangan dengan proses menggunakan kontrol Proporsi-Integral (PI). Kontrol P disini cukup mampu untuk memperbaiki respon transien khususnya rise time dan settling time, namun kontrol
LAM PU
ini cenderung memiliki beberapa keterbatasan yaitu sifat kontrol yang tidak dinamis (osilasi). Sehingga dengan perpaduan kontrol Proporsi-Integral (PI) diharapkan dapat mengurangi osilasi yang ada. Dari kontrol Proporsi-Integral ini akan digunakan untuk masukan dari DAC. Jadi nilai DAC disini adalah hasil dari nilai kontrol PI. Dari pengaturan DAC disini akan menghasilkan tegangan yang diinginkan untuk mengatur terang redup pada lampu LED. Start
Inisialisasi PORT input,output
Baca sensor
Tampil nilai set point dan iluminasi
Dari Gambar 3.4 diketahui bahwa setelah proses membandingkan antara setting point dengan nilai feedback dari sensor LDR maka akan menghasilkan suatu error. Error disini akan dicek dan dengan harapan bahwa error harus mendekati atau error = 0. Jika error belum mendekati 0 maka kontrol PI akan terus mengejar dan mengkoreksi hingga error mencapai seminimal mungkin atau mencapai error = 0. Dengan kontrol Proporsi-Integral ini diharapkan dapat mengontrol lampu terang-redup sesuai dengan nilai yang diinginkan dari settingpoint. Dari kontrol PI disini dibutuhkan suatu filter ADC dikarenakan karakteristik dari sensor LDR terlau cepat. Pemfilteran ADC disini diperlukan untuk mengurangi respon dari sensor LDR yang cukup sensitive terhadap perubahan intensitas cahaya yang cepat sehingga respon dari LDR perlu diperlambat agar dalam pengontrolan menggunakan PI lebih mudah untuk menjaga plan lampu agar tidak berkedip. Pemfilteran yaitu dengan algoritma berikut: Output
LD R y Cahaya<=set point
Increment output
α
+ 1-α
n y Cahaya>=setp oint
Decrement output
n
output
End
Gambar 3.5. Flowchart program utama
Dalam menyalakan lampu disini dengan mengaktifkan. Nyala lampu disini bisa diatur dengan masukan dari setting point, dimana nilai dari setting value berdasarkan pada keinginan pengguna/user dalam bentuk %. Saat lampu sudah menyala maka sensor LDR disini akan mendeteksi keadaan intensitas cahaya sekitar dan nilai keluaran LDR ini akan masuk ke ADC internal pada mikrokontroler untuk diolah dan selanjutnya akan dibandingkan dengan nilai dari setting point.
Gambar 3.6. Algoritma pemfilteran ADC Dari Gambar 3.7 diketahui suatu perumusan yang dapat dimasukkan ke dalam bahasa pemrograman C pada AVR sebagai berikut: Output =Output*(1-α) + LDR* α Dimana :1 ≥ α ≥ 0 Jadi dari perumusan filter ADC diketahui bahwa jika α semakin kecil maka respon dari ADC semakin lambat dan juga akan mempengaruhi dalam pengontrolan PI sendiri.
perbandingan antara ldr yang di filter dan tanpa filter nilai ADC
300
Ldr dengan filter
200
100
Ldr tanpa filter
0 1 4 7 10 13
Gambar 3.7. grafik perbandingan ldr dengan filter dan tanpa filter 3.2 Pembuatan sensor cahaya (LDR) Untuk mendapatkan data pengukuran cahaya dari masing-masing blok diperlukan sensor cahaya yang bersifat linear sehingga mudah dalam konversi tegangan ke data biner. Untuk membaca sensor cahaya di perlukan program konversi dari analog ke digital. Prinsip dari konversi dapat dilihat sebagai berikut: a) Masukan data pointer ke alamat dari sensor cahaya b) Keluarkan perintah ADC c) Setelah ADC selesai di konversi akan di simpan ke dalam memori mikrokontroler. d) Ulangi perintah untuk konversi setiap alamat dari sensor cahaya e) Dari data didapat nilai pengukauran cahaya. Agar lebih jelas dari pembacaan sensor cahaya dapat dilihat pada gambar di bawah ini: 100% 50% 0% 2 24 20 112 150 173 Gambar 3.8. Data cahaya dengan kenaikan nilai LDR Dari data di atas dapat di analisa bahwa semakin banyak cahaya semakin besar nilai LDR. 2.2.5 Perencanaan software menu keypad 4x4 Keypad merupakan interface dari pengguna dengan setting kontrol sistem yang terdiri dari menu yang berisi informasi tentang frekuensi output dan setting konstanta increment dan decrement pada kontrol proporsional-
integral sehingga sistem dapat berfungsi dengan baik. Desain dari software keypad sangat bervariasi sehingga pemilihan metode scanning ditentukan oleh desain hardware dari keypad itu sendiri. Pada Tugas Akhir ini metode scanning dilakukan tiap kolom dengan memanfaatkan PORTB sebagai scanner. Setiap tombol pada keypad hanya mempunyai 1 fungsi. Perencanaan software menu keypad dapat disajikan dalam Gambar 2.5. 3 pengujian alat 3.1Pengujian rangkaian DAC Pada tugas akhir ini digunakan perangkat elektronik DAC yang digunakan untuk konversi data analog pada mikrokontroler menjadi tegangan analog. Tegangan analog akan digunakan untuk memberikan sinyal kontrol pada TCA 785. Pengujian Rangakaian Totem pole ini dilakukan untuk mengetahui keluaran dari sistem. Berikut ini data pengujian rangakaian ttem pole pada Tabel 3.4.
Tabel 2.7 Pengujian data DAC Tegangan Tegangan Data output setelah input praktik penguatan 0x00 0.00 0.00 0x10 0.29 0.58 0x20 0.60 1.20 0x30 0.90 1.79 0x40 1.26 2.53 0x50 1.56 3.13 0x60 1.68 3.74 0x70 2.16 4.33 0x80 2.51 5.05 0x90 2.81 5.64 0xA0 3.12 6.25 0xB0 3.41 6.85 0xC0 3.78 7.59 0xD0 4.08 8.18 0xE0 4.38 8.80 0xF0 4.68 9.39 0xFF 4.94 9.92 3.2 Pengujian rangkaian sensor Pengujian rangakain sensor di lakukan di dalam ruang uji dengan luas ruang uji 1,5x1,5x2 m. pengujian dilakukan dengan menggunakan sensor cahaya (LDR) dan sebagai pembanding data adalah luxmeter digital. Berikut table pengambilan data sensor LDR:
lcd_gotoxy(0,1); lcd_putsf(" Control "); delay_ms(3000); Analisa Pengujian LCD : Setelah program pengujian LCD didownload ke modul, maka pada layar LCD akan menghasilkan tampilan sebagai berikut : Pada baris 1 tampil “Iluminasi System” dan baris 2 tampil “Control”. Seperti terlihat pada Gambar 4.3. 3.4 PENGUJIAN DATA DAC
Gambar 3.1. Blok diagram pengujian karakteristik LDR Berikut merupakan hasil pengukuran sensor cahaya: Table 3.1 perbandingan data LDR dan luxmeter intensitas cahaya ruangan (C) 70 60 50 40 30 20 10
tegangan output sensor cahaya (volt) 3,34 3,2 3,12 2,523 1,95 1,45 0,4
0
0,0045
80 60 40 0
3.34 3.2 3.12 2.523 1.95 1.45 0.4 0.00…
20
hubunga n cahaya dengan tegangan output sensor cahaya dengan ilumnisa
Gambar 3.2 Hubungan iluminasi dengan tegangan output sensor cahaya 3.3 Pengujian LCD Pengetesan ini bertujuan untuk mengetahui apakah LCD tersebut dapat menampilkan pesan-pesan sesuai dengan proses yang diharapkan. Listing program pengetesan LCD : lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf("Iluminasi System");
Pada proyek akhir ini data output digital dari mikrokontroler terlebih dahulu dikonversi menjadi data analog menggunakan DAC R2R sebelum digunakan sebagai sinyal kontrol pada TCA 785. Pengujian DAC dilakukan untuk mengetahui keluaran dari sistem minimum mikrokontroler. Berikut ini hasil pengujian DAC pada tabel 3.2. Tabel 3.2. Data pengujian DAC Tegangan Tegangan Data input output setelah praktik penguatan 0x00 0.00 0.00 0x10 0.29 0.58 0x20 0.60 1.20 0x30 0.90 1.79 0x40 1.26 2.53 0x50 1.56 3.13 0x60 1.68 3.74 0x70 2.16 4.33 0x80 2.51 5.05 0x90 2.81 5.64 0xA0 3.12 6.25 0xB0 3.41 6.85 0xC0 3.78 7.59 0xD0 4.08 8.18 0xE0 4.38 8.80 0xF0 4.68 9.39 0xFF 4.94 9.92 3.5 Pengujian control PI dengan variasi nilai Kp, Ki Dalam pengujian disini kontrol PI diuji dengan memberikan variasi nilai Kp dan Ki yang bebeda-beda. Dari pengujian disini dapat diketahui beberapa respon terhadap pengontrolan plan lampu yang sesuai. Adapun pemberian variasi nilai Kp,Ki terhadap control PI sebagai berikut: 1. Pengontrolan dengan nilai Kp=2, Ki=0.25
Gambar 3.3. Kontrol PI saat set point 60% dengan Kp=2, Ki=0.25 Tabel 3.3 Hasil respon PI saat Kp=2, Ki=0.25 PERIODE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
ERROR -1 -1 -1 0 -1 0 0 0 1 0
RESPON PI 87.7500 87.5000 87.2500 89.7500 87.0000 89.0000 89.0000 89.0000 91.2500 91.5000
100
Dari table di atas dapat di grafikan sebagai berikut:
respon kp=2 ki=0.25 300 200 100 0
PI 0
5
10
Gambar 3.5. repon transient saat kp=2 ki=0.25
50 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
-50
Dari data percobaan di atas saat nilai di ambil set point 40% ,kp=2 dan ki=0.25 didapat bahwa waktu respon adalah t=4.46 detik dan respon baik data saat stedy state juga baik sesuai respon stedy di atas. Sehingga nilai ini dapat di implementasikan pada system. 4. PENUTUP
ERROR
RESPON PI
Gambar 3.4. Hasil respon PI saat Kp=2, Ki=0.25 Pada Kp=2;Ki=0.25 ini respon PI relative bagus tidak terlihat berkedip dan respon disini relative cepat karena nilai Kp yang sesuai. Dari data try in error di atas di dapat system transient dari percobaan KP dan KI yanga berbeda di atas sebagai berikut: Table 3.4. data transient kp dan ki try in error
4.1 Kesimpulan Setelah melalui beberapa proses dalam pengerjaan proyek akhir ini secara keseluruhan, maka dapat disimpulkan sebagai berikut: 1.
Sistem ini hanya dapat bekerja pada range pengaturan frekuensi putaran motor antara 70 lux sampai dengan 40 lux. Hal ini dikarenakan pada intensitas dibawah nilai tersebut lampu LED tidak dapat bekerja secara maksimal.
2.
Pencahayaan lampu LED dapat menghasilkan pencahayaan 70 lux diukur pada jarak 50 cm dari sumber cahaya.
4.2 Saran 1.
2. 3.
Dalam pembuatan sistem pengaturan penerangan ruangan sebaiknya juga menggunakan PC untuk memonitoring respon output dari sistem. Sebaiknya di tentukan letak fix dari sensor cahaya Tunning kp atau ki sebaiknya di lakukan dengan simulasi
5. Daftar pustaka Suryo Krido Laksono. Pengaturan Sudut Fasa Berbasis Logika Fuzzy untuk Sistem Pengaturan Temperatur. Tugas Akhir Universitas Diponegoro
______. (2006) Thyristor Theory and Design Consideration. (Handbook), http://www.onsemi.com,diakses 14 September 2006 _______ (2006). TRIACs Data Sheet, (http://www.onsemi.com, diakses 5 September 2006. _______ (2006). Thyristors Used as Ac Static Switches and Relays,
