BAB III PERANCANGAN ALAT

(1)

34

BAB III

PERANCANGAN ALAT

3.1. Tujuan

Perancangan dimaksudkan untuk memudahkan realisasi alat sehingga perancangan alat mempunyai peranan yang cukup penting. Tanpa perancangan yang matang, maka pembuatan alat menjadi sulit, karena tidak ada acuan dasar. Pada saat perancangan dilakukan sketsa rangkaian dan diagram blok sistem dari alat yang akan dibuat, kemudain dilakukan pemilihan rangkaian dan nilai komponen, termasuk harga komponen tersebut sehingga diharapkan biaya pembuatan alat menjadi murah namun tidak mengurangi kerja dari alat yang akan dibuat.

3.2. Diagram Blok dan Cara Kerja

Alat yang dibuat mempunyai diagram blok sebagai berikut :

Gambar 3.1 Diagram Blok Alat Prinsip Kerja Alat :

Pada dasarnya, merupakan alat pencatat pemakaian daya seperti KWH meter yang umum dipakai pada rumah, namun disini menggunakan komputer sebagai pengolah data dan daya, dimana object yang dapat diukur jumlahya lebih dari satu. Alat ini sangat bermanfaat untuk digunakan pada perumahan atau kontrakan/kost, dimana setiap kamar dapat dimonitor pemakaian dayanya, dengan pengolahan data oleh komputer maka harga atau biling setiap kamar dapat diketahui.

Sebagai jantung rangkaian, digunakan bahasa pemprograman yang dibuat menggunakan visual basic for application (vba) sebagai pengganti mikro kontroller, dimana program ini akan membaca data dari trafo arus dan mengirim bit data dari ADC tersebut ke PC

Current Current ADC 0809 Port para rel Sistem Vba Monitor Pin1 Pin8 DAT A CONTROL

(2)

35 melalui port pararel yang ada pada PC. Untuk membaca daya yang terpakai digunakan trafo arus, dimana arus yang terdeteksi akan menunjukkan daya yang terpakai sesuai dengan rumus daya yaitu P = V x I. Arus yang terbaca kemudian diteruskan ke rangkaian ADC 0809, mengingat program VBA yang ada di sistem PC hanya dapat membaca data dalam format digital. ADC 0809 digunakan karena mempunyai 8 masukan, dimana sistem pembacaan data dikontrol oleh program VBA dimana setiap input (Pin1 –Pin8) dibaca secara bergantian melalui port pararel dalam waktu setiap 100 mS sgga semua data dapat terbaca.

3.3. Rangkaian Sensor Arus

Rangkaian ini berfungsi sebagai pembaca arus yang terpakai, dimana arus yang terpakai menjukkan daya yang terpakai sesuai dengan rumus daya yaitu P = V x I. Sebagai sensor digunakan trafo arus dan resistor 1KΩ yang dipasang pararel. Tegangan yang terjadi pada trafo daya, disearahkan oleh resistor, sehingga dapat dihitung sesuai dengan rumus V = R x I. Gambar rangkaian keseluruhan dari trafo arus ditunjukkan pada gambar 3.2 berikut :

(3)

36 Prinsip kerja trafo arus sama dengan trafo daya,jika pada kumparan primer mengalir arus I1, maka pada kumparan primer timbul gaya gerak magnet N1.I1, gaya gerak magnet ini mempruduksi fluks pada inti,kemudian membangkitkan gaya gerak listrik (GGL) pada kumparan sekunder,jika kumparan sekunder tertutup maka kumparan sekunder mengalir arus I2 sehingga menimbulkan (GGL) magnet N1I1 sehinnga berlaku persamaan :

N1I1=N2I2 atau I1/ I2 = N1/N2. Rumus perhitungan daya dimana : R (tahanan pada resistor )

P1 ( beban resistive ) V ( tegangan pada beban )

N1 ( lilitan primer pada trafo daya ) N2 ( lilitan sekunder pada trafo daya )

Rumus P= V.I V= I. R Sehingga P = I . R

Sebagai contoh, jika daya beban sekitar 350 Watt maka arus yang mengalir pada sensor adalah I1 = P1 : V = 350 : 220 = 1.6 Amp

I2=N1/N2*I1

Misal : N1 = 2 lilit R = 1 k ohm N2 = 100 lilit

P1= 350 watt (beban resistive ) I1= P1 = P1/220 = 350/ 220 = 1,6 A I2= N1/N2*I = 2/ 100*1,6 = 32 mA VR = I2 * R = 32 mA * 1 k ohm = 32 volt IR max = 32 mA IR max = akar 32 = 5,65 A

(4)

37 Jadi untuk trafo daya dapat menghantarkan arus sampai 1244w jadi tidak terjadi kerusakan pada tahanan.

IR= 1244 : 220 =5,65 A VR = 5,65 × 1kΩ = 5,65 volt PR = 5,65 A × 5,65 V=31,9 watt

Jadi dengan menggunakan trafo daya memungkinkan, tegangan yang terjadi pada sensor kemudian diperkuat oleh rangkaian penguat diferensial yaitu oleh Op-Amp U3A dengan penguatan 1 kali dan diperkuat kembali oleh U3B dengan penguatan yang dapat distel, yaitu dengan mengatur POT 1. Untuk mendapatkan penguatan maksimal dihitung dengan rumus :

A = Rf : Ri

Dimana Rf = POT 1= 100 K ohm dan Ri = R7 = 10 K ohm Sehingga :

A = 100K : 10 K = 10 kali

Penguatan 10 kali adalah penguatan maksimal karena POT 1 maksimal 100 K ohm. Dengan demikian penguatan pada U3B dapat diatur 0 – 10 kali.

Tegangan yang sudah dikuatkan kemudian disangga oleh U3C dan disearahkan oleh D1 sehingga levelnya DC dan dihaluskan oleh C2 10 uF. Karena rangkaian ADC 0809 bekerja pada level TTL sehingga tegangan kerja maksimal sekitar 5 VDC, sementara tegangan hasil penguatan dari sensor arus mungkin saja melebihi dari 5 VDC sehingga perlu pengaman agar ADC 0809 tidak rusak. Hal ini dilakukan oleh Dioda zener yang akan membatasi tegangan input ke ADC 0809 pada 5 VDC. IC U3 D adalah penyangga antar rangkaian sensor arus dengan rangkaian ADC 0809. Dalam hal ini harus diperhatikan adalah penguatan tegangan yang diset ditentukan oleh POT 1 dan besarnya disesuaikan dengan konversi perhitungan pada program yang dibuat. Karena ADC 0809 mempunyai lebar data 8 bit, maka format data maksimal adalah 255 data, sehingga untuk memudahkan perhitungan, maka dibuat konversi daya 1 watt untuk setiap bit data sehingga maksimal daya yang dapat diukur adalah 255 Watt, meskipun pada prakteknya konversi dapat diperluas sesuai program yang dibuat. Oleh sebab

(5)

38 itu tegangan output pada rangkaian sensor arus harus disesuaikan. Dimana untuk setiap 1 watt harus mempunyai level tegangan output sekitar 19,5 mV dan hal ini akan dijelaskan pada sub pembahasan ADC 0809.

3.4. Rangkaian ADC 0809

Rangkaian ini berfungsi untuk mengubah level tegangan analog menjadi digital dengan lebar data 8 bit. Karena mempunyai lebar data 8 bit, maka jumlah format data sekitar 255 data. ADC 0809 mempunyai tegangan referensi sebagai acuan dalam konversi bit / volt. Jika pada ADC 0809 digunakan tegangan referensi 5 VDC maka setiap bit akan diwakili oleh tegangan dengan perhitungan sebagai berikut :

Diketahui lebar data 8 bit mempunyai format data = 255 bit Vref = 5 VDC = 5000 mV sehingga

1 bit = 5000 : 255 = 19,5 mV

Dengan demikian konversi untuk setiap bit data adalah 19.5 mV /bit. Tegangan ini harus disesuaikan dengan tegangan output dari sensor arus.

(6)

39

Gambar 3.3 Rangkaian ADC 0809

Rangkaian ADC 0809 mempunyai 8 buah masukan dimana untuk memilih saluran yang aktif ditentukan oleh bit data address pada pin 3 – 5 port paralel (A0-A2) sedangkan untuk saluran data output adc di hubungkan ke pin 1,14,17,15,13,12,10dan 11 port pararelel(D0-D7). Untuk memilih saluran tersebut dikendalikan program yang dibuat menggunakan VBA, pengendalian dalam control konversi diseting secara otomatis(free runing). Dalam hal ini sistem VBA akan memilih secara bergantian, mulai dari saluran 1 sampai saluran 8 dengan rentang waktu 100 mS untuk setiap saluran. ADC 0809 membutuhkan frekuensi clock agar dapat bekerja dan hal ini dapat dibuat rangkaian osilator oleh U2A-U2C dengan nilai f out sekitar 500 KHz sesuai rekomendasi pabrik pembuat ADC 0809.

Tegangan referensi ADC 0809 dapat diatur dengan memberikan tegangan tertentu pada pin ref + dan ref – (pin 12 dan 16). Pada prototype alat digunakan Vref sekitar 5 VDC dengan

ENABLE J1 INPUT1 1 2 GND J1 INPUT3 1 2 U2D 74LS04 9 8 EOC A0 EOC# J3 CONTROL 1 2 3 4 U2B 74LS04 3 4 R1 1K J1 INPUT5 1 2 U1 ADC0809 26 27 28 1 2 3 4 5 12 16 10 9 7 17 14 15 8 18 19 20 21 25 24 23 6 22 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 REF+ REF-CLK OE EOC D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A0 A1 A2 START ALE U2A 74LS04 1 2 EOC VCC J1 INPUT8 1 2 J2 ADDRESS 1 2 3 J1 INPUT4 1 2 J4 DATA OUT 1 2 3 4 5 6 7 8 A1 J1 INPUT2 1 2 J1 INPUT6 1 2 J1 INPUT7 1 2 A2 U2C 74LS04 5 6 C1 820pF EOC# START R2 1K

(7)

40 cara menghubungkan pin referensi pada catu daya. Data keluaran 8 bit kemudian diumpankan pada sistem VBA dalam PC pada port 0 untuk diolah lebih lanjut.

3.5. Sistem VBA Excel

Rangkaian sistem ini berfungsi untuk mengendalikan data masukan dan mengirimkan data tetsebut ke PC. Sebagai jantung rangkaian digunakan program menggunakan VBA Excel.

Sebagai masukan data digunakan port 379h dan port 37Ah, pengendalian saluran masukan ADC 0809 digunakan sebagian port 378h,D1,D2,D3 ( A0-A2). Data yang diterima kemudiian diolah melalui VBA excel untuk kemudian ditampilkan pada grafik dan colom biling Untuk menjamin bahwa program dieksekusi dari awal maka ADC harus di-reset terlebih dahulu, namun jika reset secara manual tentunya merepotkan. Agar praktis maka dibuat reset otomatis saat pertama kali catu daya dihidupkan. Hal ini dilakukan oleh C1 dan R1 dan umum disebut sebagai rangkaian power on reset dimana prinsipnya membangkitkan satu pulsa untuk reset dengan proses pengisian dan pengosongan kapasitor.

3.6. Pengaksesan port pararel dengan VBA

Sebelum melangkah lebih jauh, kita harus melihat dulu beberapa keterbatasan dalam VBA, dimana tidak bisa mengakses hardware secara langsung dalam system operasi windows, maka semua permintaan pengaksesan hardware harus melalui windows. Oleh karena itu harus menggunakan program eksternal untuk melakukan pengaksesan hardware secara langsung pada program, program tersebut berupa file DLL ( Dynamic Link Library ).

File ini harus diletakan (di copy-kan) ke directory / folder” // windows/system” atau diikutkan dalam satu folder program yang kita buat. File DLL yang akan digunakan nanti adalah “inpout32.dll” sebelum kita menggunakan fungsi yang ada dalam file DLL ini terlebih dahulu harus dideklarasikan di VB kedalam module.

Cara mendeklarasikannya adalah :

Public Declare Function Inp Lib “inpout32.dll”_

Alias”Inp32”(ByVal PortAddress As Integrer) As Integer Public Declare Sub Out Lib “inpout32.dll”_

(8)

41 Jika file DLL tersebut telah dideklarasikan seperti diatas, maka fungsi Out (untuk mengeluarkan data) dan Inp (untuk membaca data) siap digunakan pada VB. Untuk mengirim data pada port pararel digunakan fungsi Out, Sintak penulisannya adalah sebagai berikut : Out[Alamat Port], [Nilai]

Perintah diatas membutuhkan dua parameter, yaitu alamat port dan nilai data yang dikirimkan pada port tersebut, karena tiap port hanya 8 jalur data, maka hanya bisa mengirim nilai maksimum = 255 ( FFh/11111111b ) ke port yang diinginkan.

Contoh berikut mengilustrasikan cara men-set bit ke port paparel.

Out &H378, 1 > Men-set bit 0 pada port pararel (alamat 378h) ‘1 = 0000 0001b

Untuk men-set bit lebih dari satu bit

Out &H378, 7 > Men-set bit 0, 1, 2 pada port pararel (alamat 378h) ‘7 = 0000 0111b

Setiap kita menset bit dengan cara diatas maka keadaan bit yang lainya akan terhapus, untuk mengatasi hal ini akan diselesaikan dengan bantuan perintah Inp. Cara membaca data dari port pararel adalah sama mudahnya, sintak penulisannya adalah sebagai berikut :

Text1.Text = Inp(&H378)

[Variabel Simpan] = Inp [Alamat port]

Setelah mengetahui cara membaca data di port paralel, maka dengan bantuaan cara tersebut bisa digunakan untuk seting satu bit t tanpa merubah bit lainya.

(9)

42 Private Sub Command5_Click()

Dim input_sementara,nilai_Baru As Byte Input_sementara = Inp(&H378)

Nilai_Baru = input_sementara Or 1 Out &H378,nilai_Baru

End Sub

3.7. Pembuatan modul input - output

Untuk menangani proses komunikasi dengan peralatan luar, menggunakan port paralel dari PC sebagai antarmuka ke peralatan luar. Ada 2 port yang disediakan pada modul I/O yaitu Port A dan Port B. Penggunaan kedua port ini telah ditentukan dengan aturan Port A sebagai Output dan Port B sebagai input. Masing – masing memiliki lebar data 8 bit dengan level tegangan 0 sampai 5 volt aktif high.

Gambar 3.4. Blok Diagram Modul I/O

PIO PORT 00 PORT 01 PORT PARALEL PC P P HARD WARE SOFT WARE

(10)

43 Karena masing – masing port memiliki lebar data 8 bit maka jumlah jalur Port A dan Port B adalah 16 jalur. Dengan demikian pin yang dipakai pada port paralel PC juga sebanyak 16 pin. Ke enambelas pin ini meliputi port data, port status dan port kontrol dengan konfigurasi seperti terlihat pada gambar 3.8 dan tabel 3.5 berikut.

Gambar 3.5. Pin Port Paralel dikelompokan menurut Fungsi

Keterangan :

Port Data adalah D0 sampai D7(378h) Port Status adalah S3 sampai S7(379h) Port Kontrol adalah C0 sampai C3(37Ah)

3.8. Rangkaian Catu Daya

Rangkaian catu daya dalam hal ini dibutuhkan dua buah yaitu untuk rangkaian sensor arus mempunyai tegangan kerja simetris 15 VDC dan rangkaian ADC 0809 dengan tegangan 5 VDC. Adapun rangkaian catu daya ditunjukkan pada gambar 3.6a dan 3.6b. Sebagai regulator digunakan IUC regulator 7815 dan 7915 sementara untuk tegangan 5 VDC digunakan regulator 7805.

(11)

44

Gambar 3.6a Rangkaian Catu Daya simetris 15 VDC

Gambar 3.6b Rangkaian Catu Daya 5 VDC

Penyearahan tegangan AC dilakukan oleh 4 buah dioda dengan sistem penyearahan penuh (bridge) dan untuk pengurangi ripple digunakan C1 filter dengan nilai 1000µF. IC1 adalah 7815 sebagai regulator dan C2, C4 dengan nilai 100nF berfungsi sebagai filter ripple atau riak yang masih mungkin terjadi terutama dalam frekuensi yang tinggi. Nilai 100nF adalah sesuai dengan saran dari data sheet book IC 7815. Untuk regulator negatif digunakan IC 7915. Sebagai masukan 7805 diambil dari tegangan 15 VDC unreg pada rangkaian catu daya simetris 15 VDC. C1 1000uF C4 100nF D3 1N4007 VDD15VDC C3 100nF Vout -VCC15VDC D4 1N4007 D2 1N4007 15VDC Unreg J1 AC IN 1 2 3 IC1 LM7815C/TO220 1 3 2 IN OUT G N D Vout + IC2 LM7915C/TO220 2 3 1 IN OUT G N D D1 1N4007 C2 1000uF 15VDC UNREG VCC 5VDC C2 100nF IC2 LM7805C/TO220 1 3 2 IN OUT G N D

(12)

45

3.9. Perancangan Software

Setelah perancangan bagian hardware (rangkaian selesai maka langkah berikutnya adalah merancang bagian software sebagai pendukung kerja dari alat dan program yang dibuat merupakan sistem kerja dari alat yang dibuat. Dalam perancangan software yang harus diperhatikan adalah diagram alir atau flowchart karena merupakan acuan dasar dalam pembuatan listing program sehingga pada sub ini hanya dibahas mengenai flowchart saja sedangkan mengenai listing program secara lengkap dilampirkan. Untuk membuat listing program digunakan bahasa pemrograman visual basic.

Program dibuat dengan sistem prosedur dimana setiap prosedur mempunyai fungsi tertentu dan prosedur-prosedur tersebut membentuk sistem listing program keseluruhan. Dengan sistem prosedur maka akan memudahkan dalam pengecekan jika terjadi kesalahan. Setiap program mempunyai flowchart utama sebagai dasar program. Adapun Flowchart utama ditunjukkan seperti pada gambar 3.7.

Langkah pertama program adalah menginisialisasi, misalnya fungsi port pada port 0 sebagai masukan data dan lain sebagainya misalnya memori dan address ADC 0809. Setelah inisialisasi maka program akan memerintahkan program VBA membaca data port 0 dan mengendalikan ADC 0809 untuk memulai konversi dengan pembacaan pertama pada saluran 1dan pembacaan akan terus berlangsung sampai saluran 8. Jika pembacaan data sudah mencapai saluran 8 artinya semua saluran sudah terbaca maka data tersebut kemudian dikirimkan ke PC melalui port pararel mulai data untuk saluran1 sampai data saluran 8. Jika sudah dikirmkan maka program selesai dan kembali ke langkah awal yaitu pembacaan data pada setiap saluran.

Mengingat bahwa hampir semua sistem memiliki peralatan input atau output yang akan dikontrol maka modul sistem VBA Excel juga harus memiliki kemampuan untuk berkomunikasi dengan peralatan input atau output tersebut. Oleh karena itu sistem pengontrol pemakaian daya ini tidak hanya terdiri dari perangkat lunak tetapi dilengkapi juga dengan perangkat keras sebagai modul antarmuka ke peralatan luar.

(13)

46

3.9.1. Pembuatan Perangkat Lunak

Dalam pembuatan sebuah perangkat lunak, hal pertama yang harus dilakukan sebelum menuliskan kode – kode program adalah merumuskan kerangka program, supaya dapat menggambarkan alur jalannya program, kerangka program dituangkan dalam bentuk diagram alur (Flow Chart).

Gambar 3.7 Flow Chart Utama Alat pencatat daya 8 saluran

Start

Insialisasi

Set Adress ADC

Tunggu sampai konversi selesai

Baca data di paralel port Tampilkan grafik dan billing Address = address + Address >8 Tombol stop End ditekan N N Y Address = 1 ADC fre runing

(14)

47

3.9.2. Pembuatan Tampilan Program

Tampilan sistem VBA dibuat seperti pada gambar 3.4. Tata letak display pada pc disesuaikan dengan modul hardware pada gambar 3.1. Deretan display sebelah kanan adalah grafik siklus pemakian daya dan sebelah kiri adalah jumlah biling hitungan pertiap pemakaian daya persetiap satu kamar. Indikator ini dirancang untuk memudahkan pemakai memonitor status setiap pemakaian dengan tampilan kontrol display dipisahkan menjadi 2 kelompok yaitu 4 digit paling kiri dan 2 digit paling kanan seperti terlihat pada gambar 3.3. Pada saat melakukan akses ke memori kelompok 4 digit digunakan untuk menampilkan alamat memori sedangkan kelompok 2 digit untuk menampilkan data memori pada alamat tersebut. Jika operasi yang dilakukan adalah akses ke register, maka kelompok 2 digit digunakan untuk menampilkan nama register dan kelompok 4 digit untuk menampilkan data register.

(15)

48 V C C R XD V D D R 1 10 0K C 3 33 pF J1 IN P U T5 1 2 R 3 1M C 2 3 3 pF J6 2 2 0V A C 1 2 J1 IN P U T4 1 2 J1 IN P U T7 1 2 D 2 5 V1 V C C C 4 100 nF R 2 1K D 1 IN 4 1 48 J 10 A D D R ES S 1 2 3 A0 IC 1 MAX2 32 13 8 11 10 1 3 4 5 2 6 12 9 14 7 R 1IN R 2IN T1IN T2IN C + C 1 -C 2+ C 2-V+ V -R 1OU T R 2OU T T1OU T T2OU T V C C 15V D C AD 3 E OC AD 1 J1 AC IN 1 2 3 C 1 10 uF R 10 10 0K V C C VC C 5V D C R 7 1 0K 15 VD C U nr eg S TAR T TXD C 1 10 uF AD 6 J4 D ATA I N PU T 1 2 3 4 5 6 7 8 J1 IN P U T6 1 2 U 2 C 7 4L S 04 5 6 E N A B LE X'TAL 12 MHz J5 VOU T 1 2 C 4 1 uF A2 D 4 1N 4 0 07 R 8 1 0K E O C IC 1 LM7 8 15 C /TO 220 1 3 2 IN OU T G N D IC 2 LM7 9 15 C /TO 220 2 3 1 IN OU T G N D R E S ET V D D 15V D C C 2 1 uF J7 LO A D 1 2 R 5 1 M R 6 1 M Vou t -U 1 AD C 0 8 09 26 27 28 1 2 3 4 5 12 16 10 9 7 17 14 15 8 18 19 20 21 25 24 23 6 22 IN 0 IN 1 IN 2 IN 3 IN 4 IN 5 IN 6 IN 7 R E F+ R E F -C LK OE E OC D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 A0 A1 A2 S TAR T ALE J8 C ON TR OL 1 2 3 4 D 2 1N 4 0 07 C 2 10 0 nF C 4 1 uF J1 IN P U T3 1 2 U 2A 7 4L S 04 1 2 J4 D A TA OU T 1 2 3 4 5 6 7 8 A2 AD 7 R 1 0 .5/5 W + -U 3B TL 0 74 5 6 7 U 2D 74LS 04 9 8 A0 R 1 1K A1 C 1 82 0pF C 1 1 00 0 uF EOC # AD 2 1 5V D C U N R E G AD 0 C 3 100 nF GN D D 3 1N 4 0 07 D 1 1N 4 0 07 J1 IN P U T2 1 2 + -U 3 C TL 0 74 10 9 8 P O T1 1 0 0K 1 3 2 J2 A D D R ES S 1 2 3 S TAR T R 9 100 C 1 1 uF R 4 1 M E OC E N A B LE R 2 0.5 /5W + -U 3 D TL 0 74 12 13 14 AD 5 AD 4 EOC # U 2B 7 4L S 04 3 4 J3 C ON TR OL 1 2 3 4 R XD V C C + -U 3A TL 0 74 3 2 1 4 1 1 TXD EOC # V o u t + IC 1 80 51 31 19 18 9 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 17 16 29 30 11 10 E A/V P X1 X2 R E S ET I N T0 I N T1 T0 T1 P 1.0 P 1.1 P 1.2 P 1.3 P 1.4 P 1.5 P 1.6 P 1.7 P 0.0 P 0.1 P 0.2 P 0.3 P 0.4 P 0.5 P 0.6 P 0.7 P 2.0 P 2.1 P 2.2 P 2.3 P 2.4 P 2.5 P 2.6 P 2.7 R D W R PS E N AL E /P TXD R XD A1 J1 IN P U T1 1 2 C 2 1 00 0 uF J1 IN P U T8 1 2 R S 2 32 1 2 3 IC 2 LM7 8 05 C /TO220 1 3 2 IN OU T G N D