ARDUINO UNO
LAPORAN TUGAS AKHIR
CHRISMEN HUTAURUK 162408020
PROGRAM STUDI D-3 FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2019
ARDUINO UNO
LAPORAN TUGAS AKHIR
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat memperoleh gelar Ahli Madya
CHRISMEN HUTAURUK 162408020
PROGRAM STUDI D-3 FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2019
PROTOTYPE SISTEM OTOMATIS LAMPU SOLAR PANEL HEMAT ENERGI BERTENAGA SURYA BERBASIS
ARDUINO UNO
LAPORAN TUGAS AKHIR
Saya menyatakan bahwa laporan tugas akhir ini adalah hasil karya sendiri, kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, Juli 2019
Chrismen Hutauruk 162408020
PROTOTYPE SISTEM OTOMATIS LAMPU SOLAR PANEL HEMAT ENERGI BERTENAGA SURYA BERBASIS
ARDUINO UNO
ABSTRAK
Solar panel berfungsi untuk menangkap cahaya sinar matahari yang akan diubah menjadi energi listrik melalui proses photovoltaic. Listrik yang dihasikan oleh solar panel langsung disimpan di dalam baterai litium. Saat solar panel bekerja (mengecas), tegangan panel surya dinaikkan maka kondisi relay dalam keadaan tertutup dan baterai dalam proses diisi. Jika proses pengisian energi dari solar panel ke baterai sudah penuh maka kondisi relay dalam keadaan terbuka secara otomatis.
Lampu ini akan bekerja ketika sensor LDR terkena cahaya maka nilai hambatan dari sensor akan berkurang sehingga pada input dari mikrokontroler arduino uno akan berada dalam posisi High dan dapat diputuskan apakah lampu akan dinyalakan atau tidak. Dalam pemrograman mikrokontroler arduino uno lampu akan menyala dalam keadaan gelap. Ketika sensor dalam posisi Low memiliki hambatan yang besar maka sensor akan otomatis menyalakan lampu dan ketika posisi High maka lampu akan otomatis padam. Alat ini menggunakan sensor tegangan ACS712 untuk mengukur tegangan baterai. LCD akan menampilkan data lux LDR dan tegangan baterai.
Tujuan dari alat ini adalah untuk mengotomatiskan lampu penerangan yang berada di ruangan sehingga tidak perlu lagi lampu tersebut dimatikan atau dihidupkan secara manual.
Kata kunci :Arduino Uno, BateraiLhitium, LCD, LDR, Panel Surya
PROTOTYPE AUTOMATIC SYSTEM SOLAR PANEL LAMP SAVE ENERGY USING SOLAR POWERED BASED ON
ARDUINO UNO
ABSTRACT
Solar panels function to capture the light of sunlight which will be converted into electrical energy through the photovoltaic process. Electricity produced by solar panel is stored directly in a lithium battery. When the solar panel works (charging), the solar panel voltage is increased, so the relay condition is closed and the battery is charged. If the process of charging energy from the solar panel to the battery is full, the relay condition will open automatically. This lamp will work when the LDR sensor is exposed to light, the resistance value of the sensor will decrease so that the input from the Arduino Uno microcontroller will be in the High position and it can be decided whether the light will be turned on or not. In the Arduino Uno microcontroller programming the lights will turn on in the dark. When the sensor in Low position has a large resistance, the sensor will automatically turn on the light and when the High position the light will automatically turn off. This tool uses an ACS712 voltage sensor to measure battery voltage. The LCD will display LDR lux data and battery voltage. The purpose of this tool is to automate the lighting that is in the room so there is no need for the lamp to be turned off or turned on manually.
Keywords : Arduino Uno, Lhitium Battery, LCD, LDR, Solar Panel
PENGHARGAAN
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Pemurah dan Maha Penyayang, dengan limpah karunia-Nya. Penulis dapat menyelesaikan penyusunan laporan tugas akhir ini dengan judul “Prototype Sistem Otomatis Lampu Solar Panel Hemat Energi Bertenaga Surya Berbasis Arduino Uno”.
Terima kasih penulis sampaikan kepada Ibu Dr. Diana Alemin Barus, M.Sc selaku pembimbing yang telah meluangkan waktunya selama penyusunan laporan tugas akhir ini. Terima kasih kepada Bapak Drs. Takdir Tamba, M.Eng.Sc selaku ketua program studi dan Bapak Drs. Aditia Warman, M.Si selaku sekretaris program studi D-3 Fisika FMIPA USU. Terima kasih juga kepada Bapak Dr. Kerista Sebayang, M.S selaku dekan FMIPA USU dan wakil dekan FMIPA USU, seluruh staf dan dosen Program studi D-3 Fisika FMIPA USU, pegawai dan rekan-rekan kuliah. Akhirnya tidak terlupakan kepada Bapak, Ibu dan seluruh keluarga yang selama ini memberikan bantuan motivasi, dan dorongan yang diperlukan. Semoga Tuhan Yang Maha Esa akan membalasnya.
Penulis mengharapkan, para pembaca dapat memperoleh sebagian ilmu pengetahuan dalam instrumentasi. Namun penulis menyadari masih banyak kekurangan tulisan ini. Oleh sebab itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi kemajuan kita bersama. Akhirnya penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat dan kiranya Tuhan memberkati kita semua
Medan, Juli 2019
Penulis
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL
PERNYATAAN ORISINALITAS
LEMBAR PENGESAHAN ... i
ABSTRAK ... ii
ABSTRACT ... iii
PENGHARGAAN ... iv
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL... ix
BAB 1 PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 2
1.3 Batasan Masalah... 2
1.4 Tujuan ... 2
1.5 Manfaat ... 3
1.6 Metodologi ... 3
1.7 Sistematika Penulisan... 4
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Sensor ... 5
2.1.1 Sensor Light Dependent Resistor ... 5
2.2 Sensor Tegangan DC... 6
2.3 Arduino Uno... 6
2.3.1 Konfigurasi Pin Arduino Uno ... 9
2.4 Panel Surya... 10
2.4.1 Cara Kerja Panel Surya ... 12
2.5 Baterai ... 13
2.5.1 Cara Kerja Baterai Lithium ... 14
2.6 LCD ... 15
2.6.1 I2C ... 17
2.7 Relay ... 18
2.7.1 Konfigurasi Kontak Relay... 19
2.7.2 Prinsip Kerja Relay ... 20
2.8 Lampu Solar Panel ... 20
BAB 3 PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI ... 22
3.1 Perancangan Sistem ... 24
3.2 Flowchart Sistem ... 24
3.3 Gambar Rangkaian ... 25
3.3.1 Mikrokontroler Arduino Uno ... 25
3.3.2 Rangkaian Sensor LDR dengan Arduino Uno ... 26
3.3.3 Rangkaian Sensor Tegangan dengan Arduino Uno ... 27
3.3.4 Rangkaian LCD dengan Arduino Uno ... 28
3.3.5 Rangkaian Relay dengan Arduino Uno... 29
3.3.6 Rangkaian Output Sistem Otomatis Lampu Hemat Energi ... 30
3.3.7 Gambar Rangkaian Seluruh Sistem ... 32
3.4Gambar Layout PCB ... 33
BAB 4 PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN ... 34
4.1 Pengukuran dan Hasil Pengukuran ... 34
4.1.1 Pengujian Arduino Uno... 34
4.1.2 Pengujian LCD ... 35
4.1.3 Pengujian Sensor LDR ... 36
4.1.4 Pengujian Sensor ACS712 Voltage ... 37
4.1.5 Pengujian Panel Surya... 38
4.1.6 Pengujian Modul Relay ... 39
4.1.7 Pengukuran Tegangan Baterai ... 40
4.1.8 Pengujian Sensor LDR ... 43
4.1.9 Pengukuran Lampu ... 44
4.2 Analisis dan Pembahasan ... 45
4.2.1 Sensor ACS712 Voltage ... 45
4.2.2 Sensor LDR ... 46
4.3 Pengujian Alat Keseluruhan ... 47
4.4 Gambar Fisik Keseluruhan Sistem ... 51
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 52
5.1 Kesimpulan ... 52
5.2 Saran ... 52
DAFTAR PUSTAKA ... 53 LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1.1 Sensor LDR ... ..5
Gambar 2.2 Sensor Tegangan ... ..6
Gambar 2.3 Arduino Uno ... 8
Gambar 2.4 Panel Surya ... 11
Gambar 2.4.1 Struktur Panel Surya... 11
Gambar 2.5 Baterai Lithium Ion ... 14
Gambar 2.5.1 Rangkaian Elektronika Baterai... 14
Gambar 2.6 LCD 16x2 ... 15
Gambar 2.6.1 Rangkaian LCD ... 15
Gambar 2.6 Modul I2C ... 18
Gambar 2.6.2 RangkaianModul I2C ... 18
Gambar 2.7 Modul Relay ... 19
Gambar 2.7.1 RangkaianModul Relay ... 19
Gambar 2.8 Lampu Solar Panel ... 21
Gambar 2.8.1 Rangkaian Lampu Solar Panel ... 21
Gambar 3.1 Diagram Blok RangkaianSistem ... 22
Gambar 3.3.1 Mikrokontroler ... 25
Gambar 3.3.2 Rangkaian Input Sensor LDR ... 26
Gambar 3.3.3 Rangkaian Input Sensor Tegangan ... 27
Gambar 3.3.4 Rangkaian LCD ... 28
Gambar 3.3.5 Rangkaian Relay ... 29
Gambar 3.3.6 Rangkaian Output ... 30
Gambar 3.3.7 Rangkaian Sistem Otomatis Lampu Hemat Energi... 32
Gambar 3.4 Gambar Layout PCB ... 33
Gambar 4.1.7 Pengukuran Tegangan Menggunakan Multimeter ... 42
Gambar 4.2.1 Program Sensor Tegangan ... 45
Gambar 4.2.2 Program Sensor LDR ... 46
Gambar 4.3 Gambar Fisik Pada Saat Lampu Mati ... 51
Gambar 4.3.1 Gambar Fisik Pada Saat Lampu Hidup ... 51
DAFTAR TABEL
Tabel 2.3 Indeksdari Board Arduino ... 8
Tabel 2.4 Spesifikasi Panel surya... 12
Tabel 2.6 Konfigurasi Pin LCD ... 16
Tabel 3.4.1 Pengujian Arduino Uno ... 35
Tabel 3.4.2 Pengujian LCD dengan I2C ... 36
Tabel 3.4.3 Pengujian LDR ... 37
Tabel 3.4.4 Pengujian Sensor Teganagan ... 38
Tabel 3.4.5 Pengujian Panel Surya ... 38
Tabel 3.4.6 Pengujian Relay ... 40
Tabel 4.1.1 Pengukuran Hari ke 1 ... 40
Tabel 4.1.2 Pengukuran Hari ke 2 ... 43
Tabel 4.1.4 Pengujian Sensor LDR ... 44
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Perkembangan era globalisasi saat ini berdampak pada kebutuhan konsumsi energi listrik yang semakin meningkat. Energi Surya adalah sumber energi yang tidak akan pernah habis ketersediaannya dan energi ini juga dapat di manfaatkan sebagai energi alternatif yang akan di ubah menjadi energi listrik, dengan menggunakan solar panel. Penggunaan energi alternatif adalah solusi terbaik untuk memecahkan masalah berkurangnya pasokan listrik dari PLN. Dimana dengan menggunakan energi surya yang disimpan pada baterai akan dapat digunakan secara otomatis sebagai penerangan di malam hari tanpa harus menggunakan energi listrik dari PLN.
Melimpahnya energi di sekitar kita yang bisa didapatkan gratis bisa dimaksimalkan untuk mendapatkan energi listrik. Adalah sinar matahari, sumber energy yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik. Sudah banyak bentuk pemanfaatan sinar matahari untuk menghasilkan listrik. Salah satunya adalah lampu yang memanfaatkan sumber daya matahari sebagai energi utama untuk menyalakan lampu. Hingga saat ini, lampu yang memanfaatkan sinar matahari banyak digunakan sebagai lampu penerangan jalan atau lampu penerangan di dalam ruangan.
Penggunaan listrik secara berlebihan bisa menimbulkan emisi karbon yang mencemari lingkungan. Sangat diperlukan sumber energi terbarukan untuk memenuhi kebutuhan listrik saat ini salah satunya menggunakan energi matahari (Solar Panel). Solar panel sejak tahun 1970- an telah mengubah cara pandang kita tentang energi dan memberi jalan baru bagi manusia untuk memperoleh energi listrik. Solar panel berfungsi untuk mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik. Prinsip utama kerja lampu ini adalah menangkap energi matahari dan menyimpan energi tersebut di dalam baterai. Pada siang hari, solar panel yang berada di bagian atas lampu menangkap cahaya atau sinar. Tak hanya sinar matahari yang ditangkap tetapi juga sinar UV pada saat matahari tidak bersinar terang juga bisa ditangkap oleh perangkat solar panel. Dengan demikian, dalam kondisi cuaca mendung atau berawan, solar panel masih dapat melakukan fungsinya.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan berbagai hal yang telah dikemukakan diatas, maka rumusan masalah yang akan dikaji dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut. Bagaimana sistem kerja, perancangan, pembuatan dan pengaplikasian dari Prototype Sistem Otomatis Lampu Solar Panel Hemat Energi Bertenaga Surya Berbasis Arduino.
1.3 Batasan Masalah
Dalam perancangan dan pembuatan tugas akhir ini di berikan batasan batasan masalah sebagai berikut :
1. Perancangan dan pembuatan alat ini berbasis Arduino Uno.
2. Sensor yang digunakan adalah sensor LDR dan densor Tegangan ACS712.
Sensor LDR (Light Dependent Resistor) yang berfungsi untuk dipasang pada berbagai macam rangkaian elektronika dan dapat memutus dan menyambungkan aliran listrik berdasarkan cahaya. Semakin banyak cahaya yang mengenai LDR maka nilai resistansinya akan menurun, dan sebaliknya semakin sedikit cahaya yang mengenai LDR maka nilai hambatannya akan semakin membesar. Sensor tegangan DC berfungsi untuk mendeteksi tegangan baterai.
3. Solar Cell berfungsi sebagai pengkonversi energi matahari ke energy listrik dan sebagai sensor cahaya.
4. Baterai lithium ionsebagai tempat penyimpanan energi listrik.
1.4 Tujuan
Adapun tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah :
1. Memanfaatkan sensor LDR (Light Dependent Resistor) sebagai sensor cahaya dan sensor tegangan DC sebagai sensor tegangan.
2. Mengetahui dan memahami Arduino Uno secara umum, sensor yang digunakan, serta komponen yang terdapat pada pembuatan alat.
3. Memanfaatkan Arduino Uno sebagai pengontrol, penerima dan pengolah data pada Prototype Sistem Otomatis Lampu Solar Panel Hemat Energi Bertenaga Surya.
4. Melakukan pengujian terhadap aktif nya lampu hemat energi dari sistem kerja sensor LDR.
1.5 Manfaat
Manfaat dari penulisan tugas akhir ini adalah :
1. Energi surya yang disimpan pada baterai akan dapat digunakan secara otomatis sebagai penerangan di malam hari tanpa menggunakan energi listrik dari PLN.
2. Mengotomatiskan lampu hemat energi yang berada di ruangan, sehingga tidak perlu lagi lampu tersebut dimatikan atau di hidupkan secara manual.
3. Menambah pengetahuan penulis dalam bidang elektronika.
1.6 Sistematika Penulisan
Berikut merupakan sistem penulisan yang digunakan dalam penyusunan laporan tugas akhir :
1. BAB I PENDAHULUAN
Bab ini berisi penjelasan mengenai latar belakang pemilihan judul, batasan masalah, motivasi dan tujuan tugas akhir, sasaran tugas akhir, metode tugas akhir dan sistematika penulisan.
2. BAB II LANDASAN TEORI
Bab ini berisi landasan teori yang menjadi referensi utama dalam penulisan tugas akhir. Teori yang dibahas berhubungan dengan sistem yang akan dibuat dan juga yang akan digunakan untuk kepentingan analisis dan perancangan.
3. BAB III PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI
Bab ini membahas tentang perancangan prototipe alat, pembuatan rangkaian prototipe, blok diagram, pengukuran dan cara kerja rangkaian yang dapat menghasilkan Prototype Sistem Otomatis Lampu Solar Panel Hemat Energi Bertenaga Surya Berbasis Arduino Uno.
4. BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA RANGKAIAN
Pada bab ini akan dibahas hasil analisa dari rangkaian dan sistem kerja alat, penjelasan mengenai program-program yang digunakan untuk mengaktifkan rangkaian, penjelasan mengenai program yang diisikan ke mikrokontroler.
5. BAB IV PENUTUP
Bab ini menjelaskan tentang kesimpulan dari pengujian dan saran masukan untuk mengembangkan dan melengkapi sistem yang sudah dibangun untuk masa yang mendatang
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sensor
Sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejala-gejala atau sinyal-sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi seperti energi listrik, energi fisika, energi kimia, energi biologi, energi mekanik dan sebagainya. Contoh: Camera sebagai sensor penglihatan, telinga sebagai sensor pendengaran, kulit sebagai sensor peraba light dependent resistance (LDR) sebagai sensor cahaya, dan lainnya. Pada proyek ini digunakan sensor light dependent resistance (LDR).
2.1.1 Sensor Light Dependent Resistor (LDR)
Light Dependent Resistor atau disingkat dengan LDR adalah jenis Resistor yang nilai hambatan atau nilai resistansinya tergantung pada intensitas cahaya matahari yang diterimanya. Light Dependent Resistor, terdiri dari sebuah cakram semikonduktor yang mempunyai dua buah elektroda pada permukaannya. Pada saat gelap atau cahaya redup, bahan dari cakram tersebut menghasilkan elektron bebas dengan jumlah yang relatif kecil. Nilai hambatan LDR akan menurun pada saat cahaya terang dan nilai hambatannya akan menjadi tinggi jika dalam kondisi gelap.
Prinsip kerja LDR sangat sederhana yaitu LDR dipasang pada berbagai macam rangkaian elektronika dan dapat memutus dan menyambungkan aliran listrik berdasarkan cahaya. Semakin banyak cahaya yang mengenai LDR maka nilai resistansinya akan menurun, dan sebaliknya semakin sedikit cahaya yang mengenai LDR maka nilai hambatannya akan semakin membesar.
Gambar 2.1.1 Sensor LDR
2.2 Sensor Tegangan DC
Sensor tegangan ini digunakan untuk mengukur tegangan AC atau DC. Prinsip kerja modul sensor tegangan yaitu didasarkan pada prinsip penekanan resistansi, dan dapat membuat tegangan input berkurang hingga 5 kali dari tegangan asli. Dalam alat ini, sensor tegangan DC berfungsi untuk mendeteksi berapa besarnya tegangan dalam baterai dan di tampilkan dalam LCD. Bentuk modul sensor tegangan seperti ditunjukkan pada gambar.
Gambar 2.2 Sensor Tegangan DC
Fitur-fitur dan kelebihannya:
1. Variasi Tegangan masukan: DC 0 - 25 V
2. Deteksi tegangan dengan jangkauan: DC 0.02445 V - 25 V 3. Tegangan resolusi analog: 0,00489 V
4. Tegangan DC masukan antarmuka: terminal positif dengan VCC, negative dengan GND
5. Output Interface: "+" Koneksi 5 / 3.3V, "-" terhubung GND, "s" terhubung Arduino pin A0
6. DC antarmuka masukan: red terminal positif dengan VCC, negatif dengan GND
2.3 Arduino Uno
Arduino adalah pengendali mikro single-board yang bersifat open-source, diturunkan dari Wiring platform, dirancang untuk memudahkan penggunaan elektronik dalam berbagai bidang. Hardwarenya memiliki prosesor Atmel AVR dan softwarenya memiliki bahasa pemrograman sendiri. Saat ini Arduino sangat populer di seluruh dunia. Banyak yang belajar mengenal robotika dan elektronika lewat
Arduino karena mudah dipelajari. Bahasa yang dipakai dalam Arduino bukan assembler yang relatif sulit, tetapi bahasa C yang disederhanakan dengan bantuan pustaka-pustaka (libraries) Arduino. Arduino juga menyederhanakan proses bekerja dengan mikrokontroler.
Arduino menggunakan keluarga mikrokontroler ATMega yang dirilis oleh Atmel sebagai basis, namun ada individu/perusahaan yang membuat clone arduino dengan menggunakan mikrokontroler lain dan tetap kompatibel dengan arduino pada level hardware. Untuk fleksibilitas, program dimasukkan melalui bootloader meskipun ada opsi untuk mem-bypass bootloader dan menggunakan pengunduh untuk memprogram mikrokontroler secara langsung melalui port ISP. Dalam alat ini saya menggunakan Arduino Uno.
Arduino Uno adalah sebuah board mikrokontroler yang didasarkan pada ATmega328 (datasheet). Arduino UNO mempunyai 14 pin digital input/output (6 di antaranya dapat digunakan sebagai output PWM), 6 input analog, sebuah osilator Kristal 16 MHz, sebuah koneksi USB, sebuah power jack, sebuah ICSP header, dan sebuat tombol reset. Arduino UNO memuat semua yang dibutuhkan untuk menunjang mikrokontroler, mudah menghubungkannya ke sebuah computer dengan sebuah kabel USB atau mensuplainya dengan sebuah adaptor AC ke DC atau menggunakan baterai untuk memulainya. Arduino Uno berbeda dari semua board Arduino sebelumnya, Arduino UNO tidak menggunakan chip driver FTDI USB-to- serial. Sebaliknya, fitur-fitur Atmega16U2 (Atmega8U2 sampai ke versi R2) diprogram sebagai sebuah pengubah USB ke serial. Revisi 2 dari board Arduino Uno mempunyai sebuah resistor yang menarik garis 8U2 HWB ke ground, yang membuatnya lebih mudah untuk diletakkan ke dalam DFU mode. Arduino UNO adalah sebuah seri terakhir dari board Arduino USB dan model referensi untuk papan Arduino, untuk suatu perbandingan dengan versi sebelumnya.
Tabel 2.3 Indeks dari board Arduino
Mikrokontroler ATmega 328
Tegangan pengoperasian 5 V Batas tegangan input 6-20 V
Jumlah pin I/O digital 14 (diantaranya menyediakan keluaran PWM) Jumlah pin input analog 6
Arus DC tiap pin I/O 40 mA Arus DC untuk pin 3,3 V 50 mA
Memori Flash 32 KB (ATmega), sekitar 0,5 KB digunakan oleh bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)
Clock Speed 16 MHz
Tegangan input yang disarankan
7-12 V
Gambar 2.3 Arduino UNO
2.3.1 Konfigurasi Pin Arduino Uno
Arduino Uno memiliki 14 digital pin input/output, Berikut Konfigurasi pin Arduino Uno :
1. SPI (Serial Peripheral Interface)
Fungsi dari SPI adalah untuk singkronisasi yang digunakan oleh mikrokontroller untuk berkomunikasi dengan satu atau lebih perangkat dengan cepat dalam jarak pendek
2. SCK (Serial Clock)
SCK berfungsi untuk menseting Clock dari master ke slave 3. MOSI (Master out, Slave In)
MOSI di gunakan pada SPI, dimana data di transfer dari Master Ke Slave 4. MISO (Master In, Slave Out)
MISO digunakan pada SPI, dimana data di transfer dari Slave ke master 5. I2C
Protokol yang menggunakan jalur clock(SCL) dengan (SDA) untuk bertukar informasi
6. SCL
Jalur data yang digunakan oleh I2C untuk mengidentifikasi bahwa data sudah siap di transfer
7. SDA
Jalur data (dua arah) yang digunakan oleh I2C 8. ICSP (In Circuit Serial Programming)
ICSP digunakan untuk memprogram sebuah mikrokontroller seperti Atmega328 menggunakan jalur USB Atmega16U2. ICSP sendiri menggunakan jalur SPI untuk transfer data.
9. VCC
Jalur suplay tegangan biasanya +5V 10. IOREF
Input/Output referensi yang berguna untuk melindungi board agar tidak terjadi overvoltage.
11. Vin
Pin ini berfungsi untuk mensuplay tegangan dari ekseternal misal adapter.
(jangan mensuplay tegangan dari luar bila board anda sudah mendapatkan suplay dari USB)
12. GND
Jalur Ground 13. USB
Digunakan untuk mentrasfer data dari komputer ke board anda 14. PWM (Pulse Width Modulation)
Pin yang di tandai dengan "~" mendukung Signal PWM, PWM sendiri berfungsi untuk mengatur kecepatan motor, atau kecerahan lampu dan lain lain.
15. Analog Pins
A0-A5 merupakan Pin Analog, membaca nilai analog dari 0-1023
2.4 Panel Surya
Solar panel adalah konversi cahaya sinar matahari menjadi listrik, baik secara langsung dengan menggunakan photovoltaic, atau tidak langsung dengan menggunakan tenaga surya terkonsentrasi sehingga menghasilakn tenaga listrik untuk rumah anda atau untuk perusahaan anda. Solar panel tidak hanya hanya digunakan di rumah-rumah, surya panel digunakan dalam kawasan dan daerah terpencil lokasi sekolah yang kekurangan listrik, masyarakat dan peralatan telekomunikasi dan pompa air. Kelebihan solar panel yaitu ramah lingkungan, pemasangan yang mudah, tidak memerlukan bahan bakar minyak, tahan lama, kapasitas daya listrik dapat di tambah sesuai dengan kebutuhan, dan harga solar panel yang masih terjangkau.
Energi radiasi matahari merupakan sumber energi alternatif yang jumlahnya tidak terbatas, terutama untuk negara-negara tropis seperti Indonesia. Oleh karena itu, pengembangan energi alternatif berbasis tenaga martahari akan sangat menjajikan. Salah satu cara pemanfaatan energi radiasi matahari tersebut dilakukan berdasarkan sistem konversi fotofoltaik melalui suatu piranti optoelektronik yang disebut sel surya. Sel surya merupakan salah satu sumber energi alternatif dan dapat
mengonversi secara langsung energy matahari menjadi energi listrik. Maka Pada siang hari, solar panel yang berada di bagian atas lampu menangkap cahaya atau sinar. Tak hanya sinar matahari yang ditangkap tetapi juga sinar UV pada saat matahari tidak bersinar terang juga bisa ditangkap oleh perangkat solar panel.
Dengan demikian, dalam kondisi cuaca mendung atau berawan, solar panel masih dapat melakukan fungsinya untuk menangkap energi. Hal ini berbeda jika tidak ada sinar matahari seperti pada saat malam, maka solar panel tak bisa mendapatkan energi. Dalam solar panel ini memiliki tegangan sebesar 15-17 Volt dan daya sebesar 1 Watt.
Gambar 2.4 Panel Surya
Gambar 2.4.1 Struktur Panel Surya
\
Tabel 2.4 Spesifikasi Panel Surya 5 V
Spesifikasi Keterangan
Maximum Power 1 W
Production Tolerance ± 10 %
Maximum Power Voltage 6 V
Maximum Power Current 0.17
Open Circuit Voltage 6.9
Short Circuit Current 0.18
Cells Thickness 0.18mm ± 20 μm
Size of Panel 125*63*3mm
Number of Cells 12
Weight pier piece 0.12
2.4.1 Cara Kerja Panel Surya
Solar panel terbuat dari bahan semikonduktor. Dalam satu solar panel terdapat dua lapisan semikonduktor, yakni lapisan semikonduktor positif dan negatif. Pada dasarnya prinsip dari sel surya adalah mengubah energi matahari menjadi energi listrik. Prinsip kerjanya adalah ketika suatu cahaya matahari yang mengandung energi foton menyinari sel surya yang terbuat dari material yang memiliki celah pita energi. Saat energi foton lebih kecil dari celah pita energi , energi foton tersebut akan diabsorpsi oleh material sel surya sehingga elektron-elektron yang berada pada pita valensi akan tereksitasi ketingkat yang lebih tinggi yaitu pita konduksi dan meninggalkan hole. Pada bagian depan sel surya persambungan p-i-n , pasangan elektron dan hole lebih banyak dibangkitkan. Hal ini terjadi karena foton lebih sukar menembus ke lapisan belakang sel surya yang jaraknya jauh dari permukaan depan sel surya.
Maka Pada siang hari, solar panel yang berada di bagian atas lampu menangkap cahaya atau sinar. Tak hanya sinar matahari yang ditangkap tetapi juga sinar UV pada saat matahari tidak bersinar terang juga bisa ditangkap oleh perangkat solar panel. Dengan demikian, dalam kondisi cuaca mendung atau berawan, solar panel masih dapat melakukan fungsinya untuk menangkap energi. Hal ini berbeda jika tidak ada sinar matahari seperti pada saat malam, maka solar panel tak bisa
mendapatkan energi. Sinar atau energi ini kemudian diubah menjadi energi listrik melalui proses photovoltaic. Listrik yang dihasilkan oleh solar panel langsung disimpan di dalam baterai. Saat solar panel bekerja, lampu indikator yang berwarna merah akan menyala. Jika proses pengisian energi dari solar panel ke baterai sudah penuh, lampu indikator akan mati secara otomatis.
2.5 Baterai Li-ion (Lithium ion)
Baterai merupakan media penyimpanan energi yang mampu mengkonversi energi kimia menjadi energi listrik, melalui reaksi elektrokimia reduksi-oksidasi atau biasa disebut reaksi redoks. Tidak seperti mesin kalor (yang ada di sepeda motor atau mesin pendingin) yang memiliki batasan efisiensi yang rendah sebagai konsekuensi hukum II termodinamika, baterai memiliki efisiensi yang lebih tinggi karena mekanisme konversi energinya berlangsung secara elektrokimia. Baterai lithium ion (biasa disebut Li-ion atau LIB) termasuk dalam keluarga baterai sekunder atau baterai yang dapat diisi ulang dan merupakan perangkat penyimpanan energi yang paling populer digunakan terutama pada perangkat portable. Terdapat beberapa kelebihan yang dimiliki oleh baterai lithium ion antara lain:
1. Memiliki bobot yang lebih ringan dibanding baterai lainnya untuk ukuran yang sama, karena kedua elektrodanya terbuat dari unsur lithium dan karbon yang memiliki bobot yang ringan. Selain itu, lithium juga merupakan unsur yang amat reaktif, sehingga mampu menyimpan energi dalam jumlah yang lebih banyak.
Energi tersebut disimpan dalam ikatan kimianya. Hal ini yang membuat baterai lithium memiliki karakteristik energi density (rapat energi) yang tinggi.
2. Tidak memiliki efek memori, artinya kita tidak perlu menghabiskan baterai sebelum melakukan isi ulang.
3. Self-discharge yang rendah (1-2% per bulan). Self-discharge merupakan karakteristik dari sebuah baterai, dimana reaksi kimia yang terjadi di dalam baterai.
4. Siklus charge-discharge yang lebih lama, artinya baterai lithium ion lebih awet meskipun digunakan terus menerus.
Baterai yang di gunakan dalam alat ini mempunyai 3 baterai lithium ion, dimana 1 baterai memiliki tegangan 4 Volt. Jadi kapasitas baterai memiliki tegangan 12 Volt.
Untuk mencukupkan menyalakan lampu 12 Volt.
Gambar 2.5 Baterai Li-ion
Gambar 2.5.1 Rangkaian Elektronika Baterai
2.5.1 Cara Kerja Baterai Li-ion
Mekanisme charge-discharge pada baterai lithium ion ditunjukkan pada gambar di bawah. Proses charge (ketika baterai diisi ulang) dan discharge (ketika baterai sedang digunakan) pada baterai ion lithium terjadi melalui perpindahan ion lithium antara elektroda negatif dengan elektroda positif dan juga perpindahan elektron pada rangkaian di luar baterai. Pada proses charge, katoda mengalami oksidasi, sedangkan anoda mengalami reduksi. Ion lithium terlepas (de-intercalated) dari katoda dan menuju anoda melewati elektrolit. Ion lithium selanjutnya mengalami penyisipan (intercalation) pada anoda. Sebaliknya, pada proses discharge, ion lithium yang semula ada pada anoda terlepas dan bergerak menuju katoda melewati diikuti dengan pelepasan elektron dari anoda menuju katoda yang bergerak melalui rangkaian di luar baterai sebagai arus listrik.
2.6 LCD (Liquid Cristal Display)
Display elektronik adalah salah satu komponen elektronika yang berfungsi sebagai tampilan suatu data, baik karakter, huruf ataupun grafik. LCD (Liquid Cristal Display) adalah salah satu jenis display elektronik yang dibuat dengan teknologi CMOS logic yang bekerja dengan tidak menghasilkan cahaya tetapi memantulkan cahaya yang ada di sekelilingnya terhadap front-lit atau mentransmisikan cahaya dari back-lit. LCD sudah digunakan diberbagai bidang misalnya alal-alat elektronik seperti televisi, kalkulator, ataupun layar komputer. Pada postingan aplikasi LCD yang digunakan ialah LCD dot matrik dengan jumlah karakter 2 x 16. LCDsangat berfungsi sebagai penampil yang nantinya akan digunakan untuk menampilkan status kerja alat.
Gambar 2.6 LCD 2x16
Gambar 2.6.1 Rangkaian LCD
Teknologi LCD memberikan keuntungan dibandingkan dengan teknologi CRT, kaena pada dasarnya, CRT adalah tabung triode yang digunakan sebelum transistor ditemukan.LCD memanfaatkan silicon atau gallium dalam bentuk Kristal cair sebagai pemendar cahaya.Pada layar LCD, setiap matrik adalah susunan dua dimensi piksel yang dibagi dalam baris dan kolom.Dengan demikian, setiap pertemuan baris dan kolom adalah sebuah LED terdapat sebuah bidang latar (backplane), yang
merupakan lempengan kaca bagian belakang dengan sisi dalam yang ditutupi oleh lapisan elektroda trasparan.Dalam keadaan normal, cairan yang digunakan memiliki warna cerah. Beberapa keuntungan LCD dibandingkan dengan CRT adalah konsumsi daya yang relative kecil, lebih ringan, tampilan yang lebih bagus, dan ketika berlama-lama di depan monitor, monitor CRT lebih cepat memberikan kejenuhan pada mata dibandingkan dengan LCD. Keuntungan dari LCD ini adalah :
1. Dapat menampilkan karakter ASCII, sehingga dapat memudahkan untuk membuat program tampilan.
2. Mudah dihubungkan dengan port I/O karena hanya mengunakan 8 bit data dan 3 bit control.
3. Ukuran modul yang proporsional.
4. Daya yang digunakan relative sangat kecil.
Operasi dasar pada LCD terdiri dari empat, yaitu instruksi mengakses proses internal, instruksi menulis data, instruksi membaca kondisi sibuk, dan instruksi membaca data. ROM pembangkit sebanyak 192 tipe karakter, tiap karakter dengan huruf 5x7 dot matrik.Kapasitas pembangkit RAM 8 tipe karakter (membaca program), maksimum pembacaan 80x8 bit tampilan data.Perintah utama LCD adalah Display Clear, Cursor Home, Display ON/OFF, Display Character Blink, Cursor Shift, dan Display Shift. Saat ini telah dikembangkan berbagai jenis LCD, mulai jenis LCD biasa, Passive Matrix LCD (PMLCD), hingga Thin-Film Transistor Active Matrix (TFT-AMLCD). Kemampuan LCD juga telah ditingkatkan daru yang monokrom hingga yang mampu menampilkan ribuan warna. LCD membutuhkan tegangan dan daya yang kecil sehingga sangat popular untuk aplikasi pada kalkulator, arloji digital, dan instrument elektroniks lain seperti Global Positioning System (GPS), paragraph display dan multimeter digital.
Tabel 2.6 Konfigurasi Pin LCD Pin
No. Keterangan Konfigurasi Hubung
1 GND Ground
2 VCC Tegangan 5V DC
3 Contrast Ground
4 RS Kendali RS
5 RW Ground
6 EN Kendali E/Enable
7 D0 Bit 0
8 D1 Bit 1
9 D2 Bit 2
10 D3 Bit 3
11 D4 Bit 4
12 D5 Bit 5
13 D6 Bit 6
14 D7 Bit 7
15 A Anoda (+5VDC)
16 K Katoda (Ground)
2.6.1 I2C (Inter Integrated Circuit)
Pada dasarnya komunikasi serial I2C telah kita aplikasikan penggunaannya yaitu komunikasi antara Arduino Microcontroller dengan modul clock DS1307.
Artikelnya bisa anda baca disini. Selain itu, pada artikel lain yang akan datang, akan kita buat aplikasi yang lebih kompleks dengan memanfaatkan pengetahuan pada artikeI2C ini. Seperti yang kita tahu, bahwa komunikasi yang paling banyak digunakan dalam system elektronika adalah jenis komunikasi serial. Alasan utamanya adalah komunikasi serial lebih sedikit memerlukan hardware daripada serial sehingga menjadi lebih efisien. Komunikasi serial I2C hanya memerlukan 2 kabel/saluran, sehingga sering juga disebut sebagai TWI/Two Wire Interface. Jika anda menggunakan metode komunikasi dengan I2C, anda tidak perlu repot untuk mengatur baudrate baik pada bagian pengirim data maupun pada bagian penerima data. Kelebihan Utama dari komunikasi I2C antara lain :
1. Hanya memerlukan 2 saluran/bus 2. Tidak diperlukan setting baudrate
3. Komunikasi bisa dilakukan dengan lebih dari 2 perangkat elektronika dalam 2 bus dan untuk membedakan setiap slave digunakan pengalamatan yang berbeda-beda.
4. Terdapat hubungan master dan slave dalam setiap komunikasi. Proses pertukaran data sepenuhnya diatur oleh master.
Komunikasi I2C antara Microcontroller ada kalanya dalam suatu system kita memerlukan lebih dari 1 Microcontroller yang saling bertukar data/berkomunikasi.
Prinsip master dan slave tetap berlaku meski proses komunikasi dilakukan oleh microcontroller. Yakni clock berasal dari master sebagai sinkronisasi data. Kendala utamanya adalah, slave tidak bisa langsung mengirim data, karena slave juga memerlukan waktu untuk kedalam interrupt service routine, menyimpan data kedalam variable, dan menyesuikan alamat data yang diminta oleh master. Bebrapa hal diatas memerlukan waktu, sehingga jika master tetap saja mengirim clock maka data yang diterima dari slave akan error/respon yang diberikan salah. Caranya, slave bisa menahan SCL pada posisi low saat pertama menerima perintah read dari master, kemudian slave menyiapkan data yang diminta, setelah siap maka slave melepas SCL untuk kembali menjadi High.
Gambar 2.6.1 Modul I2C
Gambar 2.6.2 Rangkaian Modul I2C
2.7 Relay
Relay adalah saklar (Switch) yang dioperasikan secara listrik dan merupakan komponen Electromechanical (Elektromekanikal) yang terdiri dari 2 bagian utama yakni Elektromagnet (Coil) dan Mekanikal (seperangkat Kontak Saklar/Switch).
Relay menggunakan Prinsip Elektromagnetik untuk menggerakkan Kontak Saklar
sehingga dengan arus listrik yang kecil (low power) dapat menghantarkan listrik yang bertegangan lebih tinggi. Sebagai contoh, dengan Relay yang menggunakan Elektromagnet 5V dan 50 mA mampu menggerakan Armature Relay (yang berfungsi sebagai saklarnya) untuk menghantarkan listrik 220V 2A. Relay arduino mempunyai 3 buah input yang masing masing berfungsi sebagai kontrol untuk menghidupkan relay. Pin tersebut adalah pin GND, VCC, Dan IN. GND untuk ground atau tegangan 0 volt (-), VCC Untuk tegangan positif +5v , Sedangkan IN Untuk masukkan dari sensor yang lainnya yang berfungsi untuk menggerakan sebuah sensor relay tersebut.
Secara sederhana relay elektromekanis ini didefinisikan sebagai alat yang menggunakan gaya elektromagnetik untuk menutup (atau membuka) kontak saklar.
Saklar yang digerakkan (secara mekanis) oleh daya/energi listrik.
Gambar 2.7 Modul Relay
Gambar 2.7.1 Rangkaian Elektronika Relay
2.7.1 Konfigurasi Kontak Relay
Dalam pemakaiannya biasanya relay yang digerakkan dengan arus DC dilengkapi dengan sebuah dioda yang di-paralel dengan lilitannya dan dipasang terbaik yaitu anoda pada tegangan (-) dan katoda pada tegangan (+). Ini bertujuan
untuk mengantisipasi sentakan listrik yang terjadi pada saat relay berganti posisi dari on ke off agar tidak merusak komponen di sekitarnya. Konfigurasi dari kontak- kontak relay ada tiga jenis, yaitu:
• Normally Open (NO), apabila kontak-kontak tertutup saat relay dicatu • Normally Closed (NC), apabila kontak-kontak terbuka saat relay dicatu • Change Over (CO), relay mempunyai kontak tengah yang normal tertutup
Tetapi ketika relay dicatu kontak tengah tersebut akan membuat hubungan dengan kontak-kontak yang lain. Penggunaan relay perlu memperhatikan tegangan pengontrolnya serta kekuatan relay men-switch arus/tegangan. Biasanya ukurannya tertera pada body relay. Misalnya relay 12VDC/4 A 220V, artinya tegangan yang diperlukan sebagai pengontrolnya adalah 12Volt DC dan mampu men-switch arus listrik (maksimal) sebesar 4 ampere pada tegangan 220 Volt. Sebaiknya relay difungsikan 80% saja dari kemampuan maksimalnya agar aman, lebih rendah lagi lebih aman.Relay jenis lain ada yang namanya reedswitch atau relay lidi. Relay jenis ini berupa batang kontak terbuat dari besi pada tabung kaca kecil yang dililitin kawat. Pada saat lilitan kawat dialiri arus, kontak besi tersebut akan menjadi magnet dan saling menempel sehingga menjadi saklar yang on. Ketika arus pada lilitan dihentikan medan magnet hilang dan kontak kembali terbuka (off).
2.7.2 Prinsip Kerja Relay
Relay terdiri dari coil & contact. Coil adalah gulungan kawat yang mendapat arus listrik, sedang contact adalah sejenis saklar yang pergerakannya tergantung dari ada tidaknya arus listrik dicoil. Contact ada 2 jenis : Normally Open (kondisi awal sebelum diaktifkan open), dan Normally Closed (kondisi awal sebelum diaktifkan close). Secara sederhana berikut ini prinsip kerja darir elay : ketikaCoil mendapat energi listrik (energized), akan timbul gaya elektromagnet yang akan menarik armature yang berpegas, dan contact akan menutup.
2.8 Lampu Solar Panel
Bola lampu adalah komponen elektronika yang dapat memancarkan cahaya monokromatik ketika diberikan tegangan. Bola Lampu banyak yang tersedia di pasaran mulai dari yang memiliki wat rendah sampai yang memiliki daya yang
tinggi. Semakin besar daya yang digunakan akan semakin mahal harga bola lampu tersebut namun hal ini sejalan dengan daya pancar dari lampu tersebut. Bentuk bohlam (bola lampu) yang kecil dan dapat dipasangkan dengan mudah ke dalam berbagai perangkat elektronika.
LED (Light Emitting Diode-dioda cahaya) yaitu semikonduktor yang memancarkan cahaya monokromatik yang tidak koheren ketika diberi tegangan maju. Gejala ini termasuk bentuk elektroluminesensi, warna yang dihasilkan bergantung pada bahan semikonduktor yang dipakai, dan bisa juga ultraviolet dekat atau inframerah dekat. Beberapa Keuntungan menggunakan lampu Led daripada lampu neon/pijar. Dengan menggunakan lampu LED kita bisa menghemat tagihan listrik karena lampu pijar hanya bisa mengubah sekitar 8 % dari konsumsi listrik yang digunakan menjadi cahaya. Bandingkan dengan lampu LED yang bisa mengubah dua kali lipatnya yaitu sekitar 15-25% . LED menghasilkan panas lebih sedikit. Dengan begitu selain hemat konsumsi listrik dari lampu juga hemat untuk konsumsi lsitrik pendingin. Panas yang dihasilkan lampu yang sering kita gunakan selain tidak nyaman untuk mata juga bisa merubah warna dekorasi rumah. Apabila menggunakan Lampu Led hal tersebut bisa dihindari karena kualitas dari pencahaan lampu dan manajemen panas LED lebih baik. Lampu LED jauh lebih tahan lama, 60 kali dari lampu pijar dan 10 kali dari lampu neon.
Gambar 2.8 Lampu Solar Panel
Gambar 2.8.1 Rangkaian Elektronika Lampu
BAB III
PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI
Dalam perancangan dan implementasi sistem pada alat, dijelaskan tentang cara kerja sistem dan selain itu juga diberitahukan perancangan dan pembuatan hardware yang terdiri atas rangkaian mekanik dan rangkaian elektronika yang digunakan untuk sistem otomatis lampu hemat energy bertenaga surya dengan menggunakan mikrokontroller ATMega328 dalam Arduino Uno.
3.1 Perancangan Sistem
Pada bagian ini dijelaskan secara garis besar pembuatan bagaimana sistem otomatis lampu hemat energi bertenaga surya bekerja. Dengan menggunakan diagram blok sangat efektif untuk menyederhanakan sistem perancangan yang rumit.
Adapun diagram blok dari sistem rancang bangun, seperti berikut.
(5 V)
Gambar 3.1 Diagram Blok Rangkaian Sistem ARDUINO UNO
SENSOR TEGANGAN
SENSOR LDR
LCD 16 x 2 PANEL
SURYA BATERAI
RELAY LAMPU
Adapun fungsi setiap rangkaian sistem antara lain : 1. Sensor LDR berfungsi untuk mendeteksi cahaya.
2. Sensor Tegangan DC berfungsi untuk mendeteteksi tegangan baterai.
3. Mikrokontroller ATMega328 berfungsi sebagai media pengolah data dalam mengirim sinyal ataupun menerima sinyal dari sistem rangkaian lain.
4. LCD 16x2 berfungsi sebagai display dalam menampilkan data keluaran.
5. Panel Surya berfungsi untuk mengubah energi matahari menjadi energi listrik dan sebagai sumber energi.
6. Relay berfungsi sebagai pensakelar yang dapat aktif apabila diberi arus listrik pada coil magnetiknya.
7. Baterai berfungsi untuk menyimpan energi yang di transfer dari panel surya.
8. Lampu berfungsi sebagai sumber cahaya, untuk penerangan.
3.2 Flowchart Sistem
Ya
Tidak
STAR T
Inisialisasi Program
Relay (Normally Open)
Sensor Mendeteksi Cahaya
Tegangan Aktif
Lampu Nyala
Tegangan Tidak Aktif Relay (Normally Close)
Lampu Mati
END Ada Cahaya Read Cahaya
3.3 Gambar Rangkaian
3.3.1 Mikrokontroler Arduino Uno
Untuk rangkaian mikrokontroler arduino uno dapat dilihat pada gambar 3.3.1 seperti berikut.
Gambar 3.3.1 Mikrokontroler
Mikrokontroler adalah sebuah chip yang berfungsi sebagai pengontrol rangkaian elektronik dan umunya dapat menyimpan program, dan terdiri dari CPU (Central Processing Unit), memori, I/O tertentu dan unit pendukung seperti Analog-to-Digital Converter (ADC) yang sudah terintegrasi di dalamnya.
3.3.2 Rangkaian Sensor LDR dengan Arduino Uno
Untuk rangkaian input sensor pendeteksi cahaya dapat dilihat pada gambar 3.3.2 seperti berikut.
Gambar 3.3.2 Rangkaian Input Sensor LDR
Dari gambar tersebut dapat diketahui bahwa rangkaian merupakan bagian input yang difungsikan sebagai pendeteksi cahaya. Sensor LDR adalah salah satu jenis resistor yang dapat mengalami perubahan resistansinya apabila mengalami perubahan penerimaan cahaya. LDR (Light Dependent Resistor) merupakan salah satu komponen elektronika yang dapat berubah resistansinya ketika mendeteksi perubahan intensitas cahaya yang diterimanya sehingga LDR dapat juga dikatakana sebagai sensor cahaya, karakteristik dari LDR ini ialah LDR akan berubah resistansinya/tahanannya ketika terjadi perubahan cahaya yang dideteksinya. Dengan karakteristik seperti itu, dengan menggunakan prinsip pembagi tegangan dalam merancang suatu sensor sederhana.
Resistansi sensor cahaya LDR akan berubah seiring dengan perubahan intensitas cahaya yang mengenainya atau yang ada disekitarnya. Dalam keadan gelap, resistensi LDR sekitar 10 mOhm, dan dalam keadaan terang sekitar 1 Kohm atau kurang. LDR terbuat dari bahan semi konduktor seperti kadmium sulfide.
3.3.3 Rangkaian Sensor Tegangan DC dengan Arduino Uno
Untuk rangkaian input sensor pendeteksi tegangan dapat dilihat pada gambar 3.3.3 seperti berikut.
Gambar 3.3.3 Rangkaian Sensor Tegangan DC
Dari gambar tersebut dapat diketahui bahwa rangkaian merupakan bagian input yang difungsikan sebagai pendeteksi tegangan yang masuk ke dalam baterai. Prinsip kerja modul sensor tegangan yaitu didasarkan pada prinsip penekanan resistansi, dan dapat membuat tegangan input berkurang hingga 5 kali dari tegangan asli. Sensor tegangan ini terlebih dahulu di program dalam arduino, dan di kalibrasi sesuai program. Sensor ini dapat mengukur tegangan baterai hingga 25 V.
3.3.4 Rangkaian LCD dengan Arduino Uno
Untuk gambar rangkaian LCD dapat dilihat pada gambar 3.3.4 seperti berikut.
Gambar 3.3.4 Rangkaian LCD
Dari gambar tersebut dapat diketahui bahwa rangkaian merupakan bagian layar LCD 2x16 yang difungsikan sebagai penampil data keluaran. Display elektronik adalah salah satu komponen elektronika yang berfungsi sebagai tampilan suatu data, baik karakter, huruf ataupun grafik. LCD (Liquid Cristal Display) adalah salah satu jenis display elektronik yang dibuat dengan teknologi CMOS logic yang bekerja dengan tidak menghasilkan cahaya tetapi memantulkan cahaya yang ada di sekelilingnya terhadap front-lit atau mentransmisikan cahaya dari back-lit. LCD (Liquid Cristal Display) berfungsi sebagai penampil data baik dalam bentuk karakter, huruf, angka ataupun grafik.
Pada gambar, detailnya bahwa LCD 16x2 tidak langsung dihubungkan ke pin arduino, namun ke pin modul I2C yang terhubung secara serial ke pin arduino, dan hanya menggunakan dua pin SCL dan SDA ( pin A5 dan A4 arduino) sebagai instruksi data dari arduino. Tujuan dalam pemakaian modul tersebut, agar tidak memakan banyak pemakaian pin arduino yang berguna untuk rangkaian lainnya.
3.3.5 Rangkaian Relay dengan Arduino Uno
Untuk gambar rangkaian relay dapat dilihat pada gambar 3.3.5 seperti berikut.
Gambar 3.3.5 Rangkaian Relay
Dari gambar tersebut dapat diketahui, dalam pembuatan rangkaian, relay tersambung ke pin digital arduino. Pada dasarnya tegangan output tidak sanggup mengendalikan relay dan akan mengalami kerusakan arduino jika dihubungkan secara langsung. Maka dengan itu relay dibuat rangkaian transistor jenis npn.
Tegangan output pada pin arduino akan menghidupkan led pada optocoupler. Led menyala ini akan memicu photo transistor, sehingga tegangan 5volt akan di lewatkan ke basis nya transistor.Relay terdiri dari coil & contact. Coil adalah gulungan kawat yang mendapat arus listrik, sedang contactadalah sejenis saklar yang pergerakannya tergantung dari ada tidaknya arus listrik dicoil. Contact ada 2 jenis : Normally Open (kondisi awal sebelum diaktifkan open), dan Normally Closed (kondisi awal sebelum diaktifkan close). Secara sederhana berikut ini prinsip kerja dari relay : ketika Coil mendapat energi listrik (energized), akan timbul gaya elektromagnet yang akan menarik armature yang berpegas, dan contact akan menutup.
3.3.6 Rangkaian Arduino Uno, Panel Surya, LCD, Relay, Baterai, dan Lampu
Gambar 3.3.6 Rangkaian Output
Dari gambar tersebut dapat diketahui bahwa rangkaian merupakan proses output dari LCD, Converter Boost, Relay, Baterai dan Lampu. Sinar matahari yang masuk ke panel surya memiliki tegangan maksimal 16 V. Tegangan yang ada pada baterai dan lampu adalah sebesar 12 V. Dari baterai sudah bisa untuk menghidupkan lampu yang 12 V. Mekanisme charge-discharge pada baterai lithium ion ditunjukkan pada gambar di bawah. Proses charge (ketika baterai diisi ulang) dan discharge (ketika baterai sedang digunakan) pada baterai ion lithium terjadi melalui perpindahan ion lithium antara elektroda negatif dengan elektroda positif dan juga perpindahan elektron pada rangkaian di luar baterai.
Pada LCD detailnya bahwa LCD 16x2 tidak langsung dihubungkan ke pin arduino, namun ke pin modul I2C yang terhubung secara serial ke pin arduino, dan hanya menggunakan dua pin SCL dan SDA ( pin A5 dan A4 arduino) sebagai instruksi data dari arduino. Tujuan dalam pemakaian modul tersebut, agar tidak memakan banyak pemakaian pin arduino yang berguna untuk rangkaian lainnya.
Pada relay, jika sensor LDR mendeteksi cahaya sinar matahari dan pada LCD menampilkan (≥500 Lux Cahaya) relay dalam keadaan Normally Open (NO) dan lampu dalam keadaan menyala sebaliknya pada saat sensor LDR mendeteksi cahaya sinar matahari dan pada LCD menampilkan (<500 Lux Cahaya) relay dalam keadaan Normally Closed (NC) dan lampu dalam keadaan mati. Pada saat keadaan Normally Closed, baterai sebagai tempat sumber tegangan akan diisi dari panel surya.
Pada dasarnya tegangan output tidak sanggup mengendalikan relay dan akan mengalami kerusakan arduino jika dihubungkan secara langsung. Maka dengan itu relay dibuat rangkaian transistor jenis NPN. Tegangan output pada pin arduino akan menghidupkan led pada optocoupler. Led menyala ini akan memicu photo transistor, sehingga tegangan 5volt akan di lewatkan ke basis nya transistor.Relay terdiri dari coil & contact. Coil adalah gulungan kawat yang mendapat arus listrik, sedang contact adalah sejenis saklar yang pergerakannya tergantung dari ada tidaknya arus listrik dicoil. Contact ada 2 jenis : Normally Open (kondisi awal sebelum diaktifkan open), dan Normally Closed (kondisi awal sebelum diaktifkan close). Secara sederhana berikut ini prinsip kerja dari relay : ketikaCoil mendapat energi listrik (energized), akan timbul gaya elektromagnet yang akan menarik armature.
3.3.7 Gambar Rangkaian Seluruh Sistem
Gambar 3.3.7 Rangkaian Sistem Otomatis Lampu Hemat Energi
Dari gambar tersebut dapat diketahui merupakan seluruh rangkaian untuk menjalankan sistem otomatis lampu hemat energi bertenaga surya. Pada rangkaian terdapat sensor LDR sebagai sensor terang cahaya yang memungkinkan mikrokontroler untuk memutuskan apakah lampu akan dinyalakan atau tidak. Ketika kondisi gelap lampu akan otomatis menyala dan ketika kondisi terang maka lampu akan otomatis mati. Dari hasil pengujian alat ini, sistem kerja dari alat ini adalah baterai memberikan suplai DC 5 V ke arduino uno. Arduino uno akan membaca outpt dari sensor LDR untuk menginstruksikan relay bekerja. Pada relay jika sensor LDR mendeteksi cahaya sinar matahari dan pada LCD menampilkan (≥500 Lux) relay menunjukkan dalam keadaan Normally Open (NO) dan lampu dalam keadaan menyala sebaliknya pada saat sensor LDR mendeteksi cahaya sinar matahari dan pada LCD menampilkan (<500 Lux) relay menunjukkan dalam keadaan Normally Closed (NC) dan lampu dalam keadaan mati. Pada LCD detailnya bahwa LCD 16x2 tidak langsung dihubungkan ke pin arduino, namun ke pin modul I2C yang terhubung secara serial ke pin arduino.
3.4 Gambar PCB Layout Pada Rangkaian Keseluruhan
Printed circuit board (PCB) adalah sebuah papan tembaga yang berfungsi untuk menghubungkan antar komponen pada rangkaian elektronik. Sebelum ada PCB komponen dihubungkan menggunakan kabel sehingga terlihat sangat tidak rapi.
Setiap pcb mempunyai fungsi yang berbeda-beda tergantung dari spesifikasi produk yang dibuat, sehingga PCB mempunyai desain yang berbeda-beda pula. Kita bisa mendesain PCB dengan cara manual maupun dengan bantuan software. Proses desain dengan software biasanya diawali dengan cara membuat skematik dari kumpulan komponen lalu menghubungkannya. Pada gambar rangkaian sistem otomatis lampu hemat energi menggunakan sensor LDR bertenaga surya berbasis arduino uno telah dirangkai pada PCB Layout. Rangkaian PCB Layout disusun berdasarkan gambar elektronika keseluruhan.Dalam rangkaian terdapat garis warna biru sebagai jalur rangkaian PCB. Sementara garis warna merah dibuat sebagai jumper menghubungkan komponen satu ke yang lain.
Gambar 3.4 Layout PCB
BAB IV
PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Pengukuran dan Hasil Pengukuran
Pengukuran serta pembuatan tugas akhir yang berjudul “Prototype Sistem Otomatis Lampu Solar Panel Hemat Energi Bertenaga Surya Berbasis Arduino Uno”
menghasilkan pembuatan alat dengan fungsi yang baik. Sebelum pembuatan pada alat terlebih dilakukan pengujian dan pengukuran pada setiap komponen untuk mendukung sistem kerja alat. Maka dilakukan pengujian dan pembuatan tabel hasil percobaan untuk setiap data keluaran dari komponen-komponen pendukung alat.
4.1.1 Pengujian Arduino Uno
Pengujian arduino uno ini bertujuan mengetahui apakah board arduino ini bekerja jika diberikan tegangan sebesar 5 V dan menguji pin-pin input/output pada arduino uno dapat berfungsi dan dapat digunakan dengan baik. Dilakukan pengujian dengan sebuah led terhubung ke pin Arduino Uno dan diprogram. Pemograman menggunakan mode ISP (In System Programming) mikrokontroller harus dapat diprogram langsung pada papan rangkaian dan rangkaian mikrokontroller harus dapat dikenali oleh program downloader. Pada pengujian ini berhasil di lakukan dengan di kenalinya jenis mikrokontroller oleh program downloader yaitu Atmega328.
void setup() {
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
delay(1000);
}
Tabel 4.1.1 Pengujian Mikrokontroler Arduino Uno Waktu (Second) Output Avometer (PIN 4)
1 1
2 0
3 1
4 0
5 1
6 0
Setelah dilakukan uji coba pada Arduino Uno dapat disimpulkan bahwa Arduino Uno dapat digunakan dalam sistem kontrol rangkaian.
4.1.2 Pengujian LCD
Tujuan pengujian ini dilakukan untuk mengetahui bahwa sistem pada LCD dengan I2C dihubungkan dengan pin Arduino Uno ini dapat menampilkan karakter dan berjalan dengan baik. LCD di hubungkan langsung ke port B dari mikrokontroller yang berfungsi mengirimkan data hasil pengolahan untuk di tampilkan dalam bentuk alfabet dan numerik pada LCD. Display karakter pada LCD diatur oleh pin EN, RS dan RW: jalur EN di namakan Enable. Jalur ini digunakan untuk memberitahu LCD bahwa anda sedang mengirimkan sebuah data. Untuk mengirimkan data ke LCD, maka melalui program EN harus dibuat logka low
“0”dan set (high) pada dua jalur konrol yang lain RS dan RW. Jalur RW adalah jalur kontrol Read/Write. Ketika RW berlogika low (0), maka informasi pada bus data akan di tuliskan pada layar LCD. Kerika RW berlogika high “1”, maka program akan melakukan pembacaan memori dari LCD. Sedangkan pada aplikasi umum pin RW selalu diberi logika low (0). Adapun program yang diisikan ke mikrokontroller untuk menampilkan karakter pada display LCD adalah sebagai berikut:
#include <LiquidCrystal.h>
LiquidCrystal lcd(8, 6, 5, 4, 3, 2);
void setup() { lcd.begin(16, 2);
lcd.print("hello, world!");
}
void loop() {
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print(millis() / 1000);
}
Tabel 4.1.2 Pengujian LCD 16x2 dengan I2C
Keadaan Kondisi Display Tampilan
Terprogram Hidup Ada Karakter
Tanpa program Hidup Tidak Ada Karakter
Dari pengujian tersebut dapat disimpulkan bahwa LCD dengan I2C, harus terlebih dahulu di program untuk menampilkan data atau karakter dan berjalan dengan baik.
4.1.3 Pengujian Sensor LDR
Tujuan dari pengujian terhadap sensor cahaya LDR ini untuk mengetahui apakah sensor dapat bekerja pada saat mendeteksi intensitas cahaya jika dihubungkan pada sebuah board Arduino uno. Dan mengukur nilai resistansi sensor LDR pada saat sensor berada dalam kondisi lingkungan cahaya terang dan kondisi gelap. Berikut program untuk menjalankan sensor cahaya ldr.
byte ldr= A1;
byte led= 13;
int nilai;
void setup(){
pinMode(led, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
}
void loop(){
nilai= analogRead(ldr);
Serial.print("Nilai LDR: ");
Serial.println(nilai);
if(nilai <500){
digitalWrite(led, HIGH);
} else{
digitalWrite(led, LOW);
} }
Tabel 4.1.3 Pengujian Sensor LDR
Kondisi Cahaya Nilai LDR Keadaan Lampu
Terang (< 500 ) Ohm Mati
Gelap (≥ 500) Ohm Hidup
Dari pengujian tersebut dapat disimpulkan bahwa sensor LDR mendeteksi cahaya dan nilai ldr (<500 ohm) lampu dalam keadaan mati. Sebaliknya pada saat sensor LDR mendeteksi cahaya dan nilai lux (≥ 500 ohm) lampu dalam keadaan hidup.
Dapat disimpulkan sensor LDR setelah diprogram berjalan dengan baik.
4.1.4 Pengujian Sensor ACS712 Voltage
Tujuan dari pengujian terhadap sensor tegangan ini untuk mengetahui apakah sensor dapat bekerja pada saat mendeteksi tegangan baterai jika dihubungkan pada sebuah board Arduino uno. Dan mengukur nilai tegangan (V) baterai tersebut.
#include <Wire.h>
int Volt1;
int Volt;
void setup() {
Serial.begin(9600);
Serial.println("Voltage: ");
}
void loop() {
Volt1=analogRead(2);
Volt=((Volt1*0.00489)*5);
Serial.print(Volt);
Serial.println("V");
delay(1000);
}
Tabel 4.1.4 Pengujian Sensor Tegangan Sensor ACS712
Voltage
Tampilan LCD
Terprogram Ada Tegangan
Tanpa program Tidak ada Tegangan
Dari pengujian tersebut dapat disimpulkan bahwa sensor ACS712 Voltage, harus terlebih dahulu di program untuk menampilkan data tegangan dan berjalan dengan baik.
4.1.5 Pengujian Panel Surya
Tujuan dari pengujian panel surya ini untuk memastikan bahwa panel surya yang digunakan tidak rusak dan mengetahui output tegangan yang di hasilkan panel surya. Pengujian dilakukan dengan mengukur output panel surya menggunakan multimeter dalam rentang waktu tertentu.
Tabel 4.1.5 Pengujian Panel Surya
Waktu (per jam) Output Panel Surya (V)
11:00 15,67 V
12:00 16 V
13:00 15,75 V
Dari hasil pengujian tersebut dapat disimpulkan output tegangan panel surya dapat meghasilkan tegangan sampai 16 Volt. Dan dapat disimpulkan bahwa Panel Surya dapat digunakan dan dalam kondisi baik.
4.1.6 Pengujian Modul Relay
Pengujian Modul Relay dilakukan untuk mengetahui apakah sistem otomatis lampu hemat energi berjalan dengan baik. Pengujian dilakukan dengan menghubungkan ke pin 12 Arduino Uno dan diprogram.
// constants won’t change. They’re used here to // set pin numbers:
const int buttonPin = 7; // the number of the pushbutton pin
const int relay1 = 13; // the number of the relay1 pin// variables will change:
int buttonState = 0; // variable for reading the pushbutton status void setup() {
// initialize the relay pin as an output:
pinMode(relay1, OUTPUT);
// initialize the pushbutton pin as an input:
pinMode(buttonPin, INPUT);
}
void loop(){
// read the state of the pushbutton value:
buttonState = digitalRead(buttonPin);
// check if the pushbutton is pressed.
// if it is, the buttonState is HIGH:
if (buttonState == HIGH) { // turn relays on:
digitalWrite(relay1, HIGH);
} else {
// turn relays off:
digitalWrite(relay1, LOW);
}
Tabel 4.1.6 Pengujian Relay
Kondisi Relay Output Lampu Baterai
Normally Closed (NC) 0 Mati Diisi
Normally Open (NO) 1 Hidup Tidak diisi
Dari pengujian tersebut dapat disimpulkan bahwa Modul Relay yang digunakan dalam sistem otomatis pada lampu setelah di program berjalan dengan baik.
4.1.7 Pengukuran Tegangan Baterai
Pengukuran ini dilakukan pada saat panel surya di chas langsung dibawah sinar matahari dengan cuaca cerah pada saat pagi, siang maupun sore dengan menggunakan hasil bacaan sensor tegangan DC dan hasil bacaan alat pembanding multimeter.
Tabel 4.1.7 Pengukuran Hari ke 1 Jam Panel Surya
(V)
Sensor Tegangan (V)
Multimeter (V)
Ralat (100 %)
08:00 14,30 6,5 6,70 2,98 %
09:00 15,25 8,5 8,78 3,18 %
10:00 15,36 9,7 9,96 2,61 %
11:00 15,17 10,1 10,34 2,32 %
12:00 16,12 11,2 11,43 2,01 %
13:00 16,76 11,6 11,80 1,69 %
14:00 15,12 10,8 11,06 2,35 %
15:00 15,97 11,3 11,51 1,82 %
16:00 15,94 11,1 11,39 2,54 %
17:00 15,12 10,9 11,19 2,59 %
18:00 14,70 10,7 10,98 2,55 %
Rata-rata ralat (%) 2,42 %
Dari hasil pengukuran tegangan baterai pada hari pertama telah di dapat beberapa data perbandingan pembacaan sensor tegangan dengan multimeter. Dalam gambar 4.1.1 terlihat bahwa pengujian sensor tegangan DC pada alat ukur tegangan ini, dilakukan dengan membandingkan pengukuran tegangan antara yang terbaca
oleh alat dibandingkan dengan pembacaan oleh voltmeter yang terstandar kalibrasi.
Hasil yang didapatkan pada perbandingan pembacaan tegangan yang dilakukan oleh alat dengan multimeter. Dalam pengukuran hari ke 1, rata-rata (%) ralat sekitar 2,42.
Terdapatnya sebuah persentase kesalahan dapat diakibatkan resolusi pembacaan antara sensor tegangan DC dengan alat ukur yang berbeda, dan dapat juga disebabkan ketidakstabilan tegangan saat proses pengukuran baterai sehingga terdapat selisih pembacaan yang masih dalam tahap wajar. Persentase kesalahan dalam mengukur tegangan baterai pada hari pertamasebesar 2,42% dan dapat dikategorikan dalam kondisi baik.
Tabel 4.1.7 Pengukuran Hari ke 2 Jam Panel Surya
(V)
Sensor Tegangan (V)
Multimeter (V)
Ralat (100 %)
08:00 14,21 6,8 7,19 5,42 %
09:00 15,12 8,4 8,68 3,22 %
10:00 15,52 9,1 9,40 3,19 %
11:00 15,67 10 10,29 2,81 %
12:00 16,36 9,8 10,15 3,44 %
13:00 16,21 10,1 10,37 2,60 %
14:00 14,88 10,2 10,45 2,39 %
15:00 14,23 10,6 10,85 2,30 %
16:00 15,43 10,8 11,16 3,22 %
17:00 14,21 10,7 10,98 2,55 %
18:00 14,14 10,4 10,58 1,70 %
Rata-rata ralat (%) 2,98 %
Gambar 4.1.7 Pengukuran Tegangan Menggunakan Multimeter
Dari hasil pengukuran tegangan baterai pada hari ke 2 telah di dapat beberapa data perbandingan pembacaan sensor tegangan dengan multimeter. Dalam gambar 4.1.2 terlihat bahwa pengujian sensor tegangan DC pada alat ukur tegangan ini, dilakukan dengan membandingkan pengukuran tegangan antara yang terbaca oleh alat dibandingkan dengan pembacaan oleh voltmeter yang terstandar kalibrasi. Hasil yang didapatkan pada perbandingan pembacaan tegangan yang dilakukan oleh alat dengan multimeter. Dalam pengukuran hari ke 1, rata-rata (%) ralat naik dari hari pertama menjadi sekitar 2,98.
Data kesalahan atau error yang didapat dari pengamatan tabel 4.1.1., dilakukan perhitungan persentase kesalahan yang didapatkan, dengan perhitungan menggunakan persamaan (4-1 dan 4-2) sebagai berikut:
% Ralat =
(4-1)
% Ralat Rata – Rata =
(4-2) Dimana n merupakan banyaknya pengujian yang dilakukan,
Perhitungan persentase kesalahan pembacaan tegangan (% Ralat) terhadap hasil pengukuran voltmeter sebagai berikut:
% Ralat =
= 1,70%
Terdapatnya sebuah persentase kesalahan dapat diakibatkan resolusi pembacaan antara sensor tegangan DC dengan alat ukur yang berbeda, dan dapat juga disebabkan ketidakstabilan tegangan saat proses pengukuran baterai sehingga terdapat selisih pembacaan yang masih dalam tahap wajar. Persentase kesalahan dalam mengukur tegangan baterai pada alat ini sebesar 1,70 % dan dapat dikategorikan sebagai alat ukur cermat atau presisi.
4.1.8 Pengujian Sensor LDR
Pengujian sensor LDR dilakukan untuk mengetahui nilai ADC yang dihasilkan.
Pengujian sensor LDR dilakukan dengan meletakkan sensor pada area cukup cahaya yang variatif untuk dapat dilihat data tegangan dan nilai ADC melalui mikrokontroler dan tampilan LCD. Tujuan dari pengujian terhadap sensor cahaya LDR ini untuk mengetahui apakah sensor dapat bekerja pada saat mendeteksi intensitas cahaya jika dihubungkan pada sebuah board Arduino uno. Pengujian ini langsung dilakukan dalam ruangan terbuka. Dan mengukur nilai resistansi sensor LDR pada saat sensor berada dalam kondisi lingkungan cahaya terang dan kondisi gelap.
Tabel 4.1.8 Pengujian Sensor LDR
Jam Nilai Resistansi LDR Keadaan Lampu
13:30 8 ohm Mati
14:30 25 ohm Mati
15:30 50 ohm Mati
16:30 85 ohm Mati
17:30 230 ohm Mati
18:30 530 ohm Hidup
19:30 1052 ohm Hidup
20:30 2252 ohm Hidup
