32
Prototipe Aplikasi KWh Meter Digital Menggunakan Mikrokontroler
ATMEGA8535 untuk Ruang Lingkup Kamar
ANDI SETIONO
Pusat Penelitian Fisika – LIPI, Komplek PUSPIPTEK Tangerang, Indonesia E-MAIL :andisetiono@gmail.com
SUHARTO
Jurusan Fisika – FMIPA, Universitas Gadjah Mada Sekip Utara Bls, Yogyakarta 55281
INTISARI : Telah dibuat prototipe Kwh meter digital menggunakan mikrokontroler Atmega8535 untuk ruang lingkup kamar. Alat ini berfungsi menghitung besar Watthours dan besar biaya beban listrik yang telah terpakai dari dua kamar yang berbeda. Untuk mengukur besar Watthours, yang paling penting adalah pengukuran arusnya. Salah satu sensor arus yang dapat digunakan adalah sensor ACS712T ELC D5B. Prinsip kerja sensor arus ini adalah mendeteksi medan magnet dari kawat berarus dengan IC Hall efek yang sudah terintegrasi didalamnya. Besar arus yang masuk sebanding dengan besar medan magnet yang ditimbulkan. Sistem ini terdiri dari empat bagian, yaitu sensor, kontroler, display dan rangkaian relay. Bagian sensor terdiri dari sensor arus ACS712T ELC D5B dan trafo step down sebagai sensor tegangan. Bagian kontroler menggunakan sistem minimum ikrokontroler Atmega8535. LCD 16 x 2 digunakan untuk menampilkan hasil penghitungan. Karena dalam alat ini menggunakan satu buah sensor arus, maka perlu adanya mekanisme pengukuran arus yang dilakukan secara bergiliran dalam rentang waktu yang sama. Rangkaian relay berperan dalam fungsi pergantian tersebut.
KATA KUNCI : Kwh Meter Digital, ACS712T ELC D5B
ABSTRACT : Have been created digital Kwh meter using microcontroller Atmega8535 for room scale area. This instrument can count watthours value and electrical cost of two different room. The important thing to count Watthours is current measuring. One of current sensor is ACS712T ELC D5B. The principal of this sensor is detect magnetic field around current counductor use internal hall effect. Magnetic field around current in counductor is proportional to that current.There are four part of this system, those are sensor part, controller part, display part and relay part. Sensor part consist of current sensor ACS712T ELC D5B and step down transformator as voltage sensor. Contoller part use minimum system of microcontroller Atmega8535. LCD 16 x 2 is used to display counting result. As in this system just use one current sensor so it need substitution mechanism to detect current in same time. Relay part have role in this mechanism.
KEYWORDS : digital Kwh meter, ACS712T ELC D5B
1. PENDAHULUAN
KWH meter merupakan suatu alat ukur yang banyak dipakai baik di lingkungan perumahan, perkantoran maupun industri. Alat ukur ini sudah mengalami perkembangan yang begitu luar biasa dalam beberapa tahun terakhir ini.
Pada umumnya KWH meter dipasang di tiap rumah yang berlangganan listrik kepada PLN sebagai penyedia listrik di Indonesia. Masalah muncul jika yang berlangganan adalah para penghuni kos (anak kos) khususnya mengenai besarnya nilai tagihan yang harus dibayarkan oleh masing-masing penghuni kos kepada bendahara kos. Pada umumnya penentuan tagihan kamar dilakukan dengan melihat jumlah peralatan listrik yang digunakan oleh masing-masing penghuni kos kemudian diprosentasekan sesuai kesepakatan bersama. Namun hal tersebut dirasa kurang valid dan tidak terlalu objektif. Oleh karena itu, salah satu cara untuk memudahkan penentuan besar tagihan per kamar maka dirancang wattmeter yang ruang lingkupnya kamar. Alat ini memiliki output nilai watthours dan besar tagihan yang harus dibayar (dalam rupiah). Dengan demikian perhitungan akan lebih fair dan adil.
Masalah utama pada sistem watt meter ini adalah bagaimana menentukan nilai arus dan tegangan yang dihubungkan ke beban dengan daya yang bervariasi dan dalam jumlah yang sulit terkontrol/termonitor dengan baik. Dengan beban yang bersifat variable maka akan menimbulkan nilai arus yang bervariasi pula. Selanjutnya bagaimana menampilkan nilai keluaran dengan hardware yang efisien dan tidak terlalu banyak sehingga mengurangi kompleksitas rangkaian pada sistem. Masalah terakhir adalah bagaimana melakukan kalibrasi alat dengan tepat.
Untuk mengukur daya listrik lampu pijar, salah satu aspek yang penting adalah pengukuran arusnya. Beberapa cara untuk mengukur arus diantaranya adalah dengan menggunakan shunts, pembagi tegangan atau transformer arus [3]. Dapat juga mengukur arus dengan cara mengukur medan magnetic yang ditimbulkannya [3]. Teknik pengukuran medan magnet untuk mengetahui besar arus listrik diterapkan dalam aplikasi ini. Saat ini sudah diproduksi sensor arus, seperti ACS712T ELC D5B yang dapat mendeteksi arus hingga range 5 A. Prinsip sensor ini
33 merespon medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang masuk. Besar medan magnet disekitar kawat berarus selalu sebanding dengan arus yang melewati kawat tersebut. Sedangkan untuk menentukan nilai tegangannya, tegangan AC yang akan diukur diturunkan terlebih dahulu dengan trafo, disearahkan, dan difilter riaknya agar menjadi DC sehingga dapat dibaca ADC sebagai hasil pengukuran. Karena bila terjadi penurunan tegangan AC, maka akan terjadi pula penurunan tegangan DC.
LCD dengan format 16 x 2 dapat menjadi solusi untuk menampilkan hasil pengambilan data sensor, bahkan bias untuk interaksi antara mikrokontroler dengan manusia [1]. Dengan menggunakan teknik pemrograman, berbagai data yang diperlukan dapat ditampilkan secara bergantian melalui konfigurasi relay sebagai switch. Sehingga diperoleh efisiensi dalam penampilan nilai keluaran dan kompleksitas hardware dapat dihindari.
Kalibrasi dilakukan dengan menggunakan multimeter. Mulitimeter dapat mengukur tegangan dan arus yang melalui suatu beban. Perkalian antara tegangan V dengan arus I akan diperoleh nilai daya P.
Proses penghitungan dan kontrol terhadap berbagai komponen dilakukan oleh mikrokontroler ATMega8535. ADC internal ATMega8535 akan memudahkan perancangan dan dapat mengurangi kompleksitas hardware.
2. METODOLOGI/EKPERIMEN
Pada prinsipnya, daya merupakan hasil perkalian antara tegangan dengan arus yang diukur dalam satuan watt [3]. Wattmeter digital adalah alat pengukur daya yang menampilkan nilai daya secara digital, dimana penghitungan nilai daya diperoleh dengan mengacu pada rumus dasarnya kemudian disusun menggunakan program dan ditampilkan melalui LCD. Secara sederhana, aplikasi wattmeter dapat diperoleh dengan menggabungkan voltmeter digital dan amperemeter digital. Dengan demikian, untuk membuat wattmeter digital dibutuhkan beberapa komponen penting diantaranya sensor arus sebagai detector arus beban, transformer step down sebagai detector tegangan dan chip mikrokontroler sebagai pengolah data daya.
Berkaitan dengan hal tersebut, tulisan ini memuat bagaimana aplikasi wattmeter digital digunakan untuk menampilkan besar daya dari 2 kamar dengan waktu pengukuran yang relative bersamaan. Beberapa komponen yang digunakan dalam aplikasi ini adalah sebagai berikut:
2.1 Rangkaian Relay
Rangkaian relay 5 V dibutuhkan agar wattmeter digital dapat melakukan penghitungan daya 2 kamar dengan relatife bersamaan.
Gambar 1. Rangkaian Relay
Rangkaian relay bekerja untuk memilih diantara 2 beban (A dan B), sehingga sensor arus dapat melakukan pengukuran terhadap kedua beban tersebut secara bergantian dalam rentang waktu yang sama, dalam hal ini 10 s. Kontrol terhadap rangkaian ini dilakukan oleh mikrokontroler melalui portB.6 dan portB.7. Ketika terdapat logika ‘1’ pada POTRB.6 atau PORTB.7 maka relay akan OFF. Sebaliknya ketika logika ‘0’ yang diberikan maka relay akan ON.
B
A
PB.7
PB.6
VCC
34
Penempatan sensor arus yang terlihat pada gambar diatas memungkinkan sensor arus hanya dapat mendeteksi setengan dari arus beban yang sebenarnya. Untuk mengatasinya, maka nilai daya pada program dikalikan dengan konstanta dua.
2.2 Rangkaian detektor arus
Rangkaian sensor arus menggunakan ACS712T ELC D5B sebagaimana ditunjukkan pada Gb 2.
Gambar 2. Rangkaian Sensor arus
Rangkaian sensor arus ini mengkondisikan arus listrik PLN disearahkan terlebih dahulu oleh konfigurasi diode sebelum masuk ke pin sensor. Karena alasan penyearahan ini maka sensor arus mendeteksi setengah dari arus beban yang sebenarnya. Arus tersebut masuk ke dua pin IP+ kemudian keluar dua pin IP_. Prinsip kerja sensor arus ini adalah mendeteksi medan magnet dari kawat berarus dengan IC Hall efek yang sudah terintegrasi didalamnya. Besar arus yang masuk akan sebanding dengan besar medan magnet yang ditimbulkan. Agar riak yang dihasilkan berkurang maka output sensor difilter sebelum masuk ke pin ADC pada mikrokontroler. Ketika pertama kali diberi catu daya, sensor ini akan mengeluarkan output tegangan sekitar 1,3 V. Nilai tegangan ini selanjutnya akan dijadikan set point secara software di dalam program.
2.3 Rangkaian detector tegangan
Rangkaian detector tegangan ditunjukkan pada Gb 3.
Gambar 3. Rangkaian Sensor Tegangan
Deteksi tegangan dilakukan dengan menggunakan transformer 1A stepdown dari 220 ACV yang diturunkan menjadi 12 ACV. Setelah melalui diode bridge (penyearah), beberapa filter dan pembagi tegangan, dihasilkan tegangan DC yang berbanding lurus dengan naik turunnya tegangan listrik PLN. Tegangan 12 DC diturunkan menjadi tegangan sekitar 1,5 VDC melalui rangkaian pembagi tegangan. Output rangkaian tegangan tersebut dimasukkan ke pin adc.
35
2.4 Rangkaian pegolah data daya
Rangkaian pengolah data berbasis mikrokontroler ATmega8535. Sistem minimum mikrokontroler ATMega8535 seperti yang terlihat pada Gb 4 [2] digunakan sebagai pengolah nilai daya.
Gambar 4. Sistem Minimum Kontroler
Rangkaian ini berfungsi sebagai rangkaian controller. Kontroller adalah bagian yang terpenting dalam sistem yang dibuat, komponen yang terpenting adalah IC mikrokontroller jenis ATMega8535 berfungsi sebagai otak yang menjalankan instruksi-instruksi yang tersimpan dalam hal penghitungan arus, tegangan dan daya serta untuk melakukan pengontrolan terhadap beberapa device.
Mikrokontroler adalah sebuah computer didalam chip yang berfungsi untuk mengontrol perangkat elektronik [4]. Untuk dapat melakukan hal yang berguna dengan menggunakan mikrokontroler maka dibutuhkan kombinasi antara perangkat keras dan perangkat lunakyang cocok [5]. Jadi perangkat keras dan perangkat lunak untuk aplikasi embedeed system yang menggunakan mikrokontroler sangat terkait erat, dan kedua aspek desain sistem yang lengkap perlu dipertimbangkan bersama-sama.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Pengujian Sensor Arus
Rangkaian sensor arus menggunakan ACS712T ELC D5B sebagai komponen utama. Arus yang diukur adalah arus efektif atau Irms. Dalam pengujiannya, penulis mengambil beberapa sampel beban dengan pertamabahan
besar daya 100 W yang diakukan selama 5 kali percobaan. Hal tersebut dimaksudkan untuk mengetahui berapa besar kenaikan rata-rata hasil konversi ADC tiap beban naik 100 W dengan tegangan referensi 2,5 V.
36
Tabel 1. Percobaan 1 Tabel 2. Percobaan 2
Daya ADC ∆ADC Arus ∆Arus
0 535 0 100 541 6 0,18 0,18 200 547 6 0,37 0,19 300 554 7 0,55 0,18 400 559 5 0,74 0,19 500 567 8 0,92 0,18 rata-rata 6,4 0,184
Tabel 3. Percobaan 3 Tabel 4. Percobaan 4
Daya ADC ∆ADC Arus ∆Arus
0 535 0 100 541 6 0,18 0,18 200 547 6 0,36 0,18 300 554 7 0,55 0,19 400 559 5 0,73 0,18 500 567 8 0,92 0,19 rata-rata 6,4 0,184
Tabel 5.Percobaan 5 Tabel 6.Rerata ad(0)c, arus dan standar deviasi adc(0),arus
Daya ADC ∆ADC Arus ∆Arus
0 535 0 100 541 6 0,18 0,18 200 548 7 0,37 0,19 300 554 6 0,56 0,19 400 560 6 0,74 0,18 500 568 8 0,93 0,19 rata-rata 6,6 0,186
Tabel. 6 menunjukkan bahwa setiap daya beban naik 100 W, rata-rata arus naik 0,1836 ± 0.00167 A. Sedangkan konversi ADC rata-rata naik 6,4 ± 0.14 digit setiap kenaikan daya 100 W. Dengan demikian sensitivitas rata-rata
yang diperoleh sebesar
34
,
86
00167
,
0
1936
,
0
14
,
0
5
,
6
86
,
34
offset
nilai
0
ADC
baca
arus
(1)
Daya ADC ∆ADC Arus ∆Arus
0 534 0 100 540 6 0,17 0,17 200 547 7 0,37 0,2 300 553 6 0,54 0,17 400 559 6 0,73 0,19 500 566 7 0,91 0,18 rata-rata 6,4 0,182
Daya ADC ∆ADC Arus ∆Arus
0 535 0 100 541 6 0,18 0,18 200 547 6 0,37 0,19 300 554 7 0,55 0,18 400 559 5 0,73 0,18 500 566 7 0,91 0,18 rata-rata 6,2 0,182
Percobaan Rata-rata adc (X) Rata-rata arus (Y)
1 6,4 0,182 2 6,4 0,184 3 6,2 0,182 4 6,4 0,184 5 6,6 0,186 Rata-rata 6,4 0,1836 standar deviasi 0,141421356 0,00167332
37 Sebagai referensi pengujian arus, digunakan multimeter Heles UX-838TR. Hasil pengujian arus ditampilkan dalam Tabel. 7.
Tabel 7. Pengujian Arus
Lampu I Multimeter I Alat Error %error
100 0,18 0,19132 0,01132 6,288889 140 0,25 0,27313 0,02313 9,252 160 0,29 0,3004 0,0104 3,586207 175 0,32 0,32767 0,00767 2,396875 200 0,36 0,35494 0,00506 1,405556 240 0,44 0,43675 0,00325 0,738636 260 0,47 0,49129 0,02129 4,529787 275 0,51 0,49129 0,01871 3,668627 300 0,54 0,51856 0,02144 3,97037 340 0,62 0,60037 0,01963 3,166129 360 0,65 0,62764 0,02236 3,44 375 0,68 0,65491 0,02509 3,689706 400 0,72 0,70945 0,01055 1,465278 440 0,8 0,79126 0,00874 1,0925 460 0,84 0,8458 0,0058 0,690476 475 0,87 0,8458 0,0242 2,781609 500 0,9 0,873307 0,026693 2,965889 rata-rata error 0,015608 3,242855 standar deviasi 0,007993 2,13699
Tabel diatas menunjukkan bahwa pengujian arus memiliki error 0.016 ± 0.008 atau 3.24 ± 2.14 %.
3.2.Sensor tegangan
Sama halnya dengan arus, untuk menghitung tegangan terlebih dahulu dilakukan beberapa pencuplikan yang membandingkan tegangan sesungguhnya dengan adc yang terbaca. Penghitungan tegangan menggunakann rumus sebagai berikut:
1
_
337
204
adc
baca
tegangan
(2)
Multimeter DT-830B digunakan sebagai referensi tegangan. Tegangan yang diukur adalah tegangan efektif atau Vrms. Tab. 8 menunjukkan hasil pengujian tegangan.
38
Tabel 8. Pengujian Tegangan
V pada multimeter V pada Alat error % error
198 200,3 2,3 1,161616 199 200,9 1,9 0,954774 200 201,5 1,5 0,75 201 202,8 1,8 0,895522 202 203,4 1,4 0,693069 203 204,6 1,6 0,788177 rata-rata 1,75 0,87386 standar deviasi 0,327109 0,170404
Tabel. 8 menunjukkan bahwa pengujian tegangan memiliki error rata-rata 1.75 ± 0.33 atau 0.87 ± 0.17 %.
3.3 Pengujian Watthours
Pengujian nilai watthours dilakukan dengan menggunakan lampu 500 W. Pengujian dilakukan dalam rentang waktu 15 menit selama 1 jam. Tabel 9 menunjukkan hasil pengujian watthours.
Tabel.10Pengujian Watthours
Waktu Wh alat Wh pembanding (Imultimeter x 200 x t) Error % Error
15 menit 91,2 91 0,2 0,21978022 30 menit 183,2 182 1,2 0,65934066 45 menit 273,4 273 0,4 0,14652015 60 menit 366,2 364 2,2 0,6043956 rata-rata 1 0,40750916 S. deviasi 0,91 0,22668304 Nilai Wh pembanding=Imultimeter x 200 x t, dengan menganggap tegangan konstan pada nilai 200 V.
Watthours pada alat didapatkan melalui perhitungan sebagai berikut:
90
3600
20
2
I
V
V
I
waktu
daya
watthours
(3)Selama 1 jam percobaan ditampilkan jumlah rupiah sebesar Rp 110,5 untuk beban dengan daya 500 W. Sebagai perbandingan, apabila tegangan dianggap konstan 200 V, dan biaya per Kwh sebesar diasumsikan Rp300 maka jumlah uang = 0,91x2x200x1x300/1000=109,2. Error uang=(110,5-109,2)/109,2=0,0119 atau 1,19%.
4. KESIMPULAN DAN SARAN
Wattmeter digital ini dapat mengukur daya lampu merk dop dengan relative baik dalam rentang daya 100 watt s/d 500 watt. Ralat rata-rata daya ukurnya adalah 0.41%. Untuk dapat meningkatkan kualitas pengukurannya
39 sebaiknya diperhatikan bentuk rangkaian yang memiliki gangguan interferensi magnetic sekecil mungkin. Wattmeter digital ini tentunya masih memiliki banyak kekurangan, sehingga masih perlu pengembangan lebih lanjut.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Heryanto, M.Ary & Adi P, Wisnu. 2008. Pemrograman Bahasa C untuk Mikrokontoler Atmega 8535. ANDI OFFSET. Yogyakarta.
[2] Bejo, Agus. 2008. C & AVR. Graha Ilmu. Yogyakarta.
[3] Iwansson, K; Sinapius, G and Hoornaert, W. 1999. Measuring Current, Voltage and Power. ELSEVIER SCIENCE B.V. Amsterdam.
[4] Parab, Jivan S.; Shelake, Vinod G.; Kamat, Rajanish K. And Naik, Gourish M. 2007. Exploring C For Microcontrollers. Springer. Dordrecht.
