SKRIPSI
DESSE MAWARNI SIMATUPANG 160801051
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
M E D A N 2020
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains
DESSE MAWARNI SIMATUPANG 160801051
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
M E D A N 2020
PERNYATAAN ORISINALITAS
RANCANG BANGUN PENGUMPUL DATA UNTUK MENGHITUNG EFISIENSI INVERTER DC KE AC BERBASIS ATMEGA328 DAN MICRO
SD SEBAGAI MEDIA PENYIMPAN
SKRIPSI
Saya menyatakan bahwa skripsi ini adalah hasil karya sendiri, kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing- masing disebutkan sumbernya.
Medan, 08 September 2020
Desse Mawarni Simatupang 160801051
RANCANG BANGUN PENGUMPUL DATA UNTUK MENGHITUNG EFISIENSI INVERTER DC KE AC BERBASIS ATMEGA328 DAN MICRO
SD SEBAGAI MEDIA PENYIMPAN
ABSTRAK
Untuk mengetahui bagaimana kinerja atau tingkat efisiensi dari sebuah Pure Sine Inverter DC to AC diperlukan data- data berupa tegangan dan arus. Sistem perekaman data tersebut dilakukan oleh sebuah pencatat data ( data logger). Sistem data logger atau pengumpul data ini dibangun dari modul arduino nano sebagai pengendalinya dan menggunakan SD Card sebagai media simpannya. Hasil penyimpanan data pengukuran ini dapat ditampilkan secara real time karena menggunakan RTC dan LCD sebagai media penampil hasil pengukuran sensor tegangan dan sensor arus sementara tiap detiknya. Data logger yang dirancang berguna untuk menyimpan data hasil pengukuran Inverter DC ke AC yang terdiri dari tegangan, arus dan waktu pengambilan data pada saat digunakan. Pembacaan
data setiap 16 detik akan tersimpan secara otomatis pada Mikro SD.
Rancang bangun data logger untuk menghitung effesiensi Pure Sine Inverter DC to AC berhasil dibuat, dimana data tegangan dan arus dapat dikumpulkan dan direkam langsung pada Mikro SD. Error pembacaan sensor tegangan adalah 1,088%, error pembacaan sensor arus adalah 1,72% masih presisi. Sehingga efisiensi yang terhitung sebesar 78,37%.
Kata kunci: Arduino, Data Logger, Inverter, Mikrokontroler.
DATA LOGGER DESIGN TO CALCULATE DC TO AC INVERTER BASED ON ATMEGA328 AND MICRO SD AS STORAGE MEDIA
ABSTRACT
To find out how the performance or eficiency level of a Pure Sine Inverter DC to AC requires data in the form of voltage and current. The data recording system is carried out by a data logger. This data logger system or data collector is built from the Arduino nano module as the controller and uses an SD Card as the storage medium. The results of this measurement data storage can be displayed in real time because it uses the RTC and LCD as a medium for displaying the measurement results of the temporary voltage sensor and current sensor every second. The data logger is designed to be useful for storing data from the measurement results of the DC to AC inverter which consists of voltage, current and data collection time when it is used. Reading data every 16 seconds will be stored automatically on the Micro SD. The data logger design to calculate the efficiency of the Pure Sine Inverter DC to AC was successfully created, where voltage and current data can be collected and recorded directly on the Micro SD. Voltage sensor reading error is 1.088%, current sensor reading error is 1.72% still precise. So that the calculated eficiency is 78.37%.
Keywords: Arduino, Data Logger, Inverter, Microcontroller.
PENGHARGAAN
Segala puji dan syukur kepada Allah Bapa atas kasih dan rahmat-Nya yang senantiasa menyertai penulis sehingga dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul
“RANCANG BANGUN PENGUMPUL DATA UNTUK MENGHITUNG EFISIENSI INVERTER DC KE AC BERBASIS ATMEGA328 DAN MICRO SD SEBAGAI MEDIA PENYIMPAN” skripsi ini disusun sebagai syarat akademis dalam menyelesaikan studi program strata satu (S1) Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara.
Pada kesempatan ini, penulis juga mengucapkan terimakasih terkhusus kepada kedua Orang tua terbaik yang telah mendidik dan membesarkan saya sampai saat ini serta kakak dan abang tercinta yang selalu memberikan dukungan moral serta doa, kepercayaan dan semangat selama ini kepada penulis. Dengan sepenuh hati, dalam kesempatan ini penulis juga ingin menyampaikan rasa terima kasih kepada :
1. Bapak Dr. Perdinan Sinuhaji, MS, sebagai ketua Departemen Fisika FMIPA USU
2. Bapak Drs. Kurnia Brahmana, M.Si sebagai Dosen pembimbing yang telah banyak memberikan kritik, saran, masukan, serta ide-ide selama penulis mengerjakan skripsi ini.
3. Seluruh Staff Dosen pengajar dan pegawai-pegawai di Departemen Fisika yang telah memberikan materi selama perkuliahan dan telah membantu serta memberikan petunjuk dan arahan selama perkuliahan.
4. Kepada Sahabat KUY Irvan, Jose, Julprianto, Monika, dan Rizal yang selalu ada memberi hiburan dan semangat kepada penulis dalam mengerjakan skripsi ini.
5. Kepada adik- adik Vania Myrotvortsya Oktodina, Jesiska, Yoseva, Dasty, Sherly, Hetty, dan Denty yang selalu memberi dukungan lewat doa dan ucapan semangat kepada penulis selama mengerjakan skripsi ini.
6. Kepada KTB Nathania Emery Ayub, Esdayanti, Juliana, Aryanti dan khususnya pembimbing rohani Bg Berkadh Simanjuntak yang sudah banyak
membantu dan memberi semangat kepada penulis selama mengerjakan skripsi ini.
7. Kepada Sahabat ASEMPAT dan Teman Seperjuangan Rosanni, Santi, Dhea, Prayoga, Irna dan semua yang tidak bisa penulis sebutkan satu per satu.
8. Kepada teman- teman KKN Winda, Kartini, Peby, Fanni, Monic, Lenny, Daniel dan lain- lain yang telah memberi hiburan dan semangat selama pengerjaan skripsi ini.
9. Asisten Lab Teknologi Digital Bg Berto, Kak Mei, Kak Elly, Pahala, Santo, Hary, Teta dan lain- lain yang telah memberikan masukan serta lelucon yang meringankan beban dalam penulisan skripsi ini.
10. Kepada Sahabat sekaligus pengisi hati Roy Efendy Sihotang, yang selalu ada menemani selama kurang lebih 4 tahun masa perkuliahan dan membantu mengerjakan skripsi ini dengan penuh kasih.
11. Kepada Pemerintah yang telah membiayai perkuliahan penulis selama 5 semester terakhir dan memberi bantuan langsung persemesternya dalam bentuk materi, semoga kedepannya penuulis dapat membalasnya dengan mengabdi pada negeri tercinta dan berdampak baik pada negeri.
12. Kepada teman-teman satu angkatan 2016 Fisika Universitas Sumatera Utara yang sudah banyak membantu dan yang sudah memberikan kenangan selama kuliah.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun demi penyempurnaan skripsi ini. Akhir kata Penulis mengucapkan terimakasih dan semoga skripsi ini bermanfaat bagi orang yang membutuhkan.
Medan, 08 September 2020
Desse Mawarni Simatupang
DAFTAR ISI
PERNYATAAN ORISINALITAS ... i
LEMBAR PENGESAHAN ... Error! Bookmark not defined. ABSTRAK ... iii
ABSTRACT ... iv
PENGHARGAAN ... v
DAFTAR ISI ... vii
DAFTAR TABEL... x
DAFTAR GAMBAR ... xi
DAFTAR LAMPIRAN ... xiii
DAFTAR SINGKATAN ... xiv
BAB 1 PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 3
1.4 Tujuan Penelitian ... 3
1.5 Manfaat Penelitian ... 3
1.6 Sistematika Penulisan ... 3
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Eficiency DC to AC Inverter ... 5
2.1.1 Bentuk Gelombang Inverter ... 8
2.1.2 Prinsip Kerja Inverter ... 11
2.2 Data Logger ... 12
2.2.1 Datalogging ke Mikro SD ... 13
2.2.2 Format Data File Fat16 Fat32 ... 15
2.3 Sensor Arus dan Tegangan ... 17
2.3.1 Sensor Arus ... 18
2.3.2 Sensor Tegangan ... 19
2.4 Mikrokontroler ... 19
2.4.1 Mikrokontroler Arduino ... 20
2.4.2 Jenis-jenis Arduino... 21
2.4.3 Pemrograman Arduino ... 24
2.5 Liquid Crystal Display (LCD) ... 24
2.6 Data Logger Shield ... 24
Gambar 2.11 Data Logger Shield... 25
BAB 3 PERANCANGAN SISTEM ... 26
3.1 Diagram Blok ... 26
3.2 Penjelasan Fungsi Tiap Blok Dari Diagram Blok ... 26
3.3 Dasar Penetapan Komponen pada Tiap Block ... 27
3.3.1 Blok Battery 12V ... 27
3.3.2 Blok Sensor Arus ACS712... 28
3.3.3 Blok Sensor Tegangan ... 28
3.3.4 Blok Data Logger Shield ... 28
3.3.6 Blok LCD 16 x 2 ... 29
3.3.7 Blok Arduino ... 29
3.3.8 Blok Pure Sine Inverter ... 30
3.4 Uji Coba Rangkaian Per Block... 30
3.4.1 Baterai ... 30
3.4.2 Rangkaian Sensor Arus ... 31
3.4.3 Rangkaian Sensor Tegangan ... 32
3.4.4 Rangkaian LCD (Liquid Cristal Display) ... 32
3.4.5 Rangkaian Data Logger Shield ... 33
3.4.6 Rangkaian Arduino Uno ... 34
3.4.7 Cara Kerja Ringkas Arduino ke Seluruh Rangkaian... 35
3.5 Pengaruh Data Logger terhadap Efisiensi ... 35
3.6 Uji Coba Rangkaian Keseluruhan ... 36
3.6 Diagram Alir (Flowchart) ... 38
BAB 4 PENGUJIAN ALAT DAN PROGRAM ... 39
4.1 Uji Coba Rangkaian Per Block... 39
4.1.1 Pengujian Sensor Tegangan ... 39
4.1.2 Pengujian Sensor Arus ... 43
4.1.3 Data Logger Shield ... 47
4.1.3.1 Pengujian SD Card Slot ... 47
4.1.3.2 Pengujian Real Time Clock(RTC) ... 49
4.1.4 Test Input Analog 0, 1, 2, dan 3 pada Mikro SD ... 52
4.1.6 Pengujian RTC dan LCD ... 56
4.1.7 Pengujian RTC, LCD, dan Data Logger ... 57
4.2 Format Data yang Diterima Pada MicroSD ... 62
4.3 Proses Perekaman Pada SD card ... 64
4.4 Data yang Diterima pada Mikro SD ... 65
4.5 Hitungan Efisiensi DC to AC Pure Sine Inverter ... 67
4.5.1 Hitungan Efisiensi DC to AC Inverter dengan Beban 75 Watt ... 68
4.5.2 Hitungan Efisiensi DC to AC Inverter dengan Beban 100 Watt ... 69
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 72
5.1 Kesimpulan ... 72
5.2 Saran ... 72
DAFTAR PUSTAKA ... 73
Lampiran I. Program Lengkap Lampiran II. Data Hasil Pengujian Lampiran III. Gambar Percobaan
DAFTAR TABEL
Nomor Tabel
Judul Halaman
2.1 Jenis SD Card Berdasarkan Ukuran 20
2.2 Jenis SD Card Berdasarkan Parameter 21
2.3 Deskripsi Pinout Kartu SD 22
2.4 Spesifikasi Pin Arduno Nano 36
2.5 Data Hasil Pengujian Sensor Tegangan 53
2.6 Data Hasil Pengujian Sensor Arus Setelah Kalibrasi 56 4.1 Data hasil pengujian sensor tegangan sebelum kalibrasi 40 4.2 Data hasil pengujian sensor tegangan setelah kalibrasi 41 4.3 Data hasil pengujian sensor arus sebelum kalibrasi 45 4.3 Data hasil pengujian sensor arus setelah kalibrasi 46 4.4 Pengujian Data Logger DC to AC Inverter dengan Beban 75 W 65 4.5 Pengujian Data Logger DC to AC Inverter dengan Beban 100
Watt
66
DAFTAR GAMBAR
Nomor Gambar
Judul Halaman
2.1 Gelombang Kotak 22
2.2 Gelombang Sinus Modifikasi 23
2.3 Gelombang Pure Sine Wave 24
2.4 Parameter Gelombang Sinusoidal 25
2.5 Rangkaian Inverter Sederhana 26
2.6 SD Card Pinout 28
2.7 Pembagi Tegangan 32
2.8 Sensor Arus Acs712 33
2.9 Arduino N ano 36
2.10 Liquid Cristal Display (LCD) 38
2.11 Data Logger Shield 39
3.1 Diagram Blok 40
3.2 Load Acid Battery 45
3.3 Rangkaian Sensor Arus 46
3.4 Rangkaian Sensor Tegangan 46
3.5 Rangkaian LCD 46
3.6 Rangkaian Mikro SD Memory 47
3.7 Rangkaian RTC 47
3.8 Rangkaian Arduino 48
3.9 Rangkaian Keseluruhan 50
3.10 Rangkaian pada Board Eagle 51
3.11 Rangkaian pada PCB 51
3.12 Diagram Alir (Flowchart) 52
4.1 Grafik Kalibrasi Sensor Tegangan 55
4.2 Pengujian Sensor Tegangan 56
4.3 Grafik Kalibrasi Sensor Arus 50
4.4 Pengujian Sensor Arus 59
4.5 Hasil Pembacaan Sensor Arus pada Multimeter 59 4.6 Pengujian SD Card dengan Mikro SD Shield 60
4.7 Program dan Hasil Pembacaan Mikro SD 60
4.8 Rangkaian RTC 62
4.9 Hasil Pembacaan RTC pada Serial Monitor 63
4.10 Hasl Test Input Analog 0,1,2,3 65
4.11 File pada Mikro SD 65
4.12 File Data yang Tersimpan 65
4.13 Pengujian RTC dan LCD 67
4.14 Pengujian LCD, RTC, dan Data Logger 69
4.15 Data yang tersimpan pada Mikro SD 62
4.16 Test Data Logging ke mikro SD (I1 dan V1) 63 4.17 Percobaan Test Data Logging ke mikro SD (I1 dan V1) 64
4.18 Proses Pembacaan Data ke SD Card 64
4.19 Grafik Vin vs Iin untuk Beban 75 Watt 65
4.20 Grafik Vout vs Iout untuk Beban 75 Watt 64 4.21 Grafik Vin vs Iin untuk Beban 150 Watt 67 4.22 Grafik Vout vs Iout untuk Beban 150 Watt 67
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor Judul Halaman
I. Program Lengkap 66
II. Data Hasil Pengujian 75
III. Foto Pengujian 77
DAFTAR SINGKATAN
Singkatan Kepanjangan
SD Secure Digital
SPI Serial Peripheral Interface
TF Trans Flash
GPS Global Position System
AEF Atmospheric Electric Field
SDI Serial Digital Interface
RMS Root Mean Square
PWM Pulse Width Modulation
VSI Voltage Source Inverters
CSI Currentsource Inverters
FAT File Allocation Table
MBR Master Boot Record
SDHC Secure DigitalHigh Capacity
SDXC Secure DigitalExtended Capacity
SDIO Secure Digital Input Output
BSD Berkeley Software Distribution
ReiserFS Reiser File System
Mac OS X Mac Operating System
GUID Globally Unique Identifier
HFS Hierarchical File System
NTFS New Technology File System
CD Card Detection
MS DOS Microsoft Disk Operating System
ADC Analog To Digital Converter
IDE Integrated Development Environment
RAM Random Access Memory
AVR Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Banyak penelitian telah berfokus pada penerapan sensor dan sistem data logger di banyak bidang sains dan teknik seperti meteorologi, geosains, geofisika, aeronautika, dan dirgantara. Dalam memperoleh data yang akurat untuk melakukan analisis, proses pencatatan data sangat penting dalam penerapan sistem pencatat data (Sidik, 2013). Dalam konteks pencatat data elektronik adalah peralatan serbaguna yang mampu memperoleh data dan menyimpannya pada memori yang tidak mudah menguap dan penyimpanan data secara signifikan. Sistem pencatatan data yang kecil, ringan, dan berdaya rendah merupakan hal yang sangat dibutuhkan dalam sistem perekaman data (Sandell et al, 2018). Kartu Secure Digital (SD) dimuat pada modul Serial Peripheral Interface (SPI) Antarmuka Mini card reader Trans Flash (TF). Ini sangat kompatibel dengan Arduino dan dapat dioperasikan dengan catu daya hanya 3V atau 5V DC. Modul ini juga memiliki shifter tingkat logika bawaan, sehingga untuk antarmuka data dapat dihubungkan langsung ke papan Arduino Uno (Muhammad, 2013). Suatu hasil pengukuran daya dari setiap penelitian memiliki output (tegangan dan arus) yang akan disimpan langsung dalam micro SD secara real time. Data logger dirancang dan diimplementasikan sekecil mungkin untuk menghemat bahan dan meningkatkan kinerja komunikasi serial antara komponen di dalamnya. Data logger mampu mengoperasikan micro SD memory dengan ukuran hingga 32GB sehingga akan semakin mempermudah pekerjaan manusia.
Studi terbaru menyajikan data logger seluler dikembangkan dengan menggunakan Arduino-Uno. Data logger seluler ini dilengkapi dengan modul GPS yang menyediakan penentuan posisi yang akurat dalam pengumpulan data dan untuk merekam suhu, kelembaban, besarnya AEF, dan koordinat lokasi oleh Muhammad (2019). Selain itu Andreola dkk (2017) juga menjelaskan sistem data logger berdasarkan mikrokontroler (kecepatan angin, arah angin, kelembaban dan suhu) dengan biaya rendah dan menyimpan data dalam kartu memori Secure Digital (SD).
Studi serupa juga disajikan oleh Damanik et al(2019). Data yang kompatibel dengan
Arduino juga dirancang untuk penelitian lapangan (Andrew, 2019) dan menyimpannya dalam micro SD card. Di era digital ini sangat dibutuhkan suatu hal untuk menyajikan data dalam bentuk yang instan, dengan perlakuan statistik, dapat disimpan pada kartu yang dapat dilepas, diunduh langsung ke komputer atau ditransmisikan dari jarak jauh melalui jaringan nirkabel secara real time atau berkala seperti micro SD memori.
Ada beberapa tipe dasar kartu memori flash yang tersedia di pasaran, seperti Compact Flash, Multi Media Card, Secure Digital Card. Kartu SD mencakup mekanisme hak cipta yang sesuai dengan keamanan dalam standar Serial Digital Interface (SDI), cepat dan dapat diandalkan pada kapasitas memori yang lebih besar (Damanik et al, 2019). Kartu SD merupakan elemen penyimpanan data ringkas yang dapat dengan mudah digunakan dalam pencatat data. Jenis kartu memori flash tertentu menentukan pin I / O yang diperlukan untuk mikrokontroler untuk menjalin komunikasi data diantaranya. Jenis kartu ini tersedia dalam berbagai faktor bentuk:
SD standar, mini SD, dan micro SD. Micro SD adalah memori yang memiliki konsumsi energi kecil dan operasinya melalui antarmuka SPI. Keuntungan tambahan adalah bahwa kartu masuk ke mode siaga secara otomatis jika tidak ada perintah yang diterima selama 5 ms, yang berpotensi mengurangi konsumsi daya.
Berdasarkan referensi diatas maka penulis membuat suatu penelitian yang berjudul
“RANCANG BANGUN PENGUMPUL DATA UNTUK MENGHITUNG EFISIENSI INVERTER DC KE AC BERBASIS ATMEGA328 DAN MICRO SD SEBAGAI MEDIA PENYIMPAN”.
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah yang dibahas dalam penelitian ini adalah:
1. Bagaimana cara mengumpulkan data tegangan dan arus yang dihasilkan oleh sebuah DC to AC inverter dengan memanfaatkan data logger dan micro SD?
2. Bagaimana cara menghitung efisiensi daya DC to AC inverter ?
1.3 Batasan Masalah
Adapun batasan masalah yang akan dibahas dalam penelitian ini adalah:
1. Output yang dihasilkan sekitar 220 volt AC ditampilkan pada LCD Display dan disimpan dalam memori SD.
2. Menggunakan sensor arus ACS 712 dan sensor tegangan menggunakan trafo step down beserta rangkaian pembagi tegangan.
3. Pengolahan data dari sensor dengan memanfaatkan data logger.
4. Jenis penyimpanan data yang digunakan adalah micro SD.
1.4 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Untuk mengumpulkan data tegangan dan arus yang dihasilkan oleh sebuah DC to AC inverter dengan memanfaatkan data logger dan micro SD.
2. Untuk menghitung efisiensi daya DC to AC Inverter.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah:
1. Agar dapat menghitung efisiensi daya dari suatu objek dengan beban tertentu.
2. Dapat digunakan dalam perekaman data pada Black Box.
1.6 Sistematika Penulisan
Untuk mempermudah pembahasan dan pemahaman maka penulis membuat sistematikan pembahasan bagaimana sebenarnya cara kerja dalam
“RANCANG BANGUN PENGUMPUL DATA UNTUK MENGHITUNG EFISIENSI INVERTER DC KE AC BERBASIS ATMEGA328 DAN MICRO SD SEBAGAI MEDIA PENYIMPAN”. Maka penulis menulis skripsi ini dengan sistematika penulisan sebagai berikut:
BAB 1 PENDAHULUAN
Bab ini berisikan pendahuluan yang menjelaskan mengenai latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian serta sistematika penulisan.
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini menjelaskan tentang teori-teori pendukung dalam penelitian.
Adapun teori pendukung dalam penelitian ini yaitu tentang mikrokontroler Arduino (hardware dan software), RTC, LCD, ACS712, Micro SD Memory, dan Inverter.
BAB 3 METODE PENELITIAN
Bab ini membahas tentang perancangan alat, diagram blok, diagram alir, skematik serta sistem kerja dari masing-masing rangkaian.
BAB 4 HASIL DAN ANALISIS
Bab ini berisikan tentang pengujian alat dan juga analisis penelitian yang telah dibuat.
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini merupakan bab penutup yang berisikan kesimpulan dan saran.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Eficiency DC to AC Inverter
Inverter adalah rangkaian listrik yang digunakan untuk mengubah tegangan searah (DC) menjadi tegangan bolak-balik (AC). Inverter sebagai pengubah DC ke AC, pada umumnya output yang dikeluarkan berupa satu fasa dan tiga fasa. Di pasaran, inverter daya ada banyak pilihan. Mulai dari yang sangat mahal hingga yang sangat murah, dengan berbagai tingkat kualitas, efisiensi, dan kemampuan output daya di sepanjang penggunaanya. Ada kualitas tinggi dikombinasikan dengan efisiensi tinggi, meskipun seringkali dengan biaya yang tinggi. Misalnya, Samlex America memproduksi inverter gelombang sinus murni 600 W biayanya $289.
Sementara itu GoPower memproduksi inverter 600 W dengan output gelombang sinus yang dimodifikasi (lebih dekat ke gelombang persegi) model ini hanya menghasilkan $69. Unit gelombang sinus yang dimodifikasi bisa sangat efisien, karena tidak banyak pemrosesan yang dilakukan pada bentuk gelombang keluaran, tetapi ini menghasilkan bentuk gelombang dengan jumlah harmonik tinggi yang dapat mempengaruhi peralatan sensitif seperti monitor medis. Banyak perangkat yang sangat murah menghasilkan gelombang persegi, mungkin gelombang persegi yang sedikit dimodifikasi dengan tegangan RMS yang tepat dan mendekati frekuensi yang tepat (Doucet dkk, 2006). Maka sangat penting mengetahui efesiensi sebelum menggunakannya, dengan inverter yang cukup efisien dan murah dengan output gelombang sinus murni. Memanfaatkan komponen PWM dan analog output akan menjadi sinusoid bersih, dengan sedikit noise switching dikombinasikan dengan manufaktur murah yang dilengkapi dengan pendekatan analog.
Terdapat dua jenis inverter. Jenis inverter yang inputnya adalah sumber tegangan DC dikenal sebagai inverter voltage-source inverters (VSI), sedangkan jenis inverter yang inputnya adalah sumber arus DC dikenal sebagai inverter currentsource inverters (CSI). Pada prakteknya inverter yang lebih sering digunakan adalah VSI, sedangkan CSI penggunaannya terbatas pada kontrol motor AC dengan daya yang sangat besar (Attila Karpati, 2002). Arus Searah (DC) dan Arus Bolak-
balik (AC) masing-masing dengan kelebihan dan kekurangannya sendiri. Daya DC hanyalah penerapan tegangan konstan yang stabil di seluruh rangkaian yang menghasilkan arus konstan. Baterai adalah sumber paling umum dari transmisi DC karena arus mengalir darisatu ujung rangkaian ke ujung lainnya. Sebagian besar sirkuit digital saat ini tidak memiliki daya DC karena membawa kemampuan untuk menyediakan tegangan tinggi atau konstan yang memungkinkan logika digital untuk memproses eksekusi kode. Secara historis, listrik pertama kali ditransmisikan secara komersial oleh Thomas Edison dan merupakan saluran listrik DC. Namun, listrik ini bertegangan rendah karena ketidakmampuan untuk meningkatkan tegangan DC pada saat itu dan karena itu tidak mampu mentransmisikan daya jarak jauh.
V =I R (2.1)
P = I V = I2 R (2.2)
Seperti dapat dilihat pada persamaan di atas, daya yang hilang dapat diturunkan dari arus listrik yang dikuadratkan dan hambatan dari saluran transmisi. Ketika tegangan dinaikkan, arus berkurang dan bersamaan rugi daya berkurang secara eksponensial karena itu transmisi tegangan tinggi mengurangi kehilangan daya. Untuk alasan ini listrik dihasilkan pada pembangkit listrik dan dikirim ke rumah-rumah dan melalui daya AC. AC tidak seperti DC, berisolasi antara dua nilai tegangan pada frekuensi yang ditentukan, arus dan tegangan yang terus berubah membuatnya mudah untuk menaikkan atau menurunkan tegangan. Untuk situasi transmisi tegangan tinggi dan jarak jauh, untuk menaikkan dan menurunkan tegangan adalah transformator.
Dikembangkan pada tahun 1886 oleh William Stanley Jr. Transformator memungkinkan transmisi listrik jarak jauh menggunakan daya AC karena itu transmisi listrik terutama didasarkan pada daya AC memasok sebagian besar rumah di Amerika dengan sumber AC 120 volt. Seperti daya DC ada banyak perangkat seperti alat listrik radio dan TV yang kehabisan daya AC. Oleh karena itu sangat penting bahwa kedua bentuk transmisi listrik ada, dunia tidak dapat diberdayakan dengan satu bentuk sederhana.Kemudian menjadi masalah penting karena ada cara mudah untuk mengubah daya DC ke AC dan sebaliknya secara efisien. Tanpa kemampuan ini orang akan dibatasi pada perangkat elektronik apa yang mereka gunakan tergantung pada sumber listrik yang tersedia. Konverter AC / DC listrik dan
inverter DC / AC memberi orang kebebasan untuk mentransfer daya listrik di antara keduanya.
Tujuan dari inverter daya DC / AC biasanya untuk mengambil daya DC yang dipasok oleh baterai, seperti baterai mobil 12 volt dan mengubahnya menjadi sumber daya AC 120 volt yang beroperasi pada 60 Hz, melihat daya yang tersedia pada outlet listrik rumah tangga. Daya adalah jumlah energi yang diserap atau dihasilkan dalam sebuah sirkuit/rangkaian. Sumber energi seperti tegangan listrik akan menghasilkan daya listrik sedangkan beban yang terhubung dengannya akan menyerap daya listrik tersebut. Dengan kata lain, daya listrik adalah tingkat konsumsi energi dalam sebuah sirkuit atau rangkaian listrik. Kita mengambil contoh Lampu Pijar dan Heater (Pemanas), Lampu pijar menyerap daya listrik yang diterimanya dan mengubahnya menjadi cahaya sedangkan Heater mengubah serapan daya listrik tersebut menjadi panas.Semakin tinggi nilai Watt-nya semakin tinggi pula daya listrik yang dikonsumsinya. Dalam rumus perhitungan, daya Listrik biasanya dilambangkan dengan huruf P yang merupakan singkatan dari Power.
Sedangkan Satuan Internasional (SI) Daya Listrik adalah Watt yang disingkat dengan W. Watt sama dengan satu joule per detik (Watt = Joule/ detik). Dalam penggunaan peralatan elektronika pasti ditemukan kehilangan daya. Kehilangan daya diakibatkan karena dilepaskan dalam bentuk lain yaitu panas, cahaya dan lain lain. Perbandingan antara daya yang masuk dengan daya yang keluar disebut dengan efisensi daya.
Simbol Yunani Eta "η" biasanya digunakan untuk mewakili efisiensi. Adapaun persamaan efisensi daya adalah sebagai berikut:
(2.3)
diamana : = Daya output (Watt)
= Daya Input (Watt) η = Efisiensi (%)
Mirip dengan modul PV, efisiensi inverter diberikan untuk daya operasi desainnya.
Namun, operasi inverter biasanya pada beban parsial. Oleh karena itu, diinginkan untuk memiliki kurva efisiensi tinggi dan datar pada berbagai beban parsial.
Efisiensi ηinv dari inverter didefinisikan oleh :
(2.4)
Ploss = PAC (1/η - 1) (2.5) Dimana PDC, PAC, dan Ploss adalah daya DC sesaat, daya AC, dan daya yang hilang.
Daya yang terbuang (Ploss) dikonversi menjadi energi panas dalam kondisi beban penuh. Kehilangan daya dalam inverter surya terdiri dari bagian yang konstan dan yang bergantung pada beban serta tidak konstan (Sark, 2012).
2.1.1 Bentuk Gelombang Inverter
Inverter ini dibedakan berdasarkan keluarannya, termasuk variasi level efesiensi dan distorsi yang bisa memberikan pengaruh pada peralatan elektronika dengan cara yang berbeda.
1. Inverter Gelombang Persegi (Square Wave)
Inverter gelombang persegi adalah inverter yang mempunyai output gelombang berbentuk persegi. Pada umumnya inverter ini tidak bisa digunakan pada alat elektronika rumah tangga karena outputnya bukan berupa gelombang sinus, sementara hampir semua peralatan elektronika membutuhkan gelombang sinus atau sinus modifikasi. Bentuk output gelombang ini berbentuk persegi seperti gambar dibawah ini :
Gambar 2.1 Gelombang Kotak (Bangun, 2017)
Pada inverter jenis ini tegangan puncak atau Vpsama dengan VRMS-nya (Panggabean, 2017). Kelebihan dari Inverter model ini adalah rangkaian sederhana, tidak banyak membutuhkan komponen, komponen murah dan mudah didapat dipasaran, dan keberhasilan tinggi. Sedangkan kekurangannya adalah bentuk gelombang keluaran kotak, tidak cocok untuk beban Induktif (Pompa air, Kulkas, dll), daya yang dihasilkan masih terbatas, dan semakin besar beban semakin besar transformator yang dibutuhkan.
2. Inverter Gelombang Sinus Modifikasi (modified sine wave)
Inverter modified sine wave hampir sama dengan inverter square wave tetapi mengunakan tahap lain untuk terlihat lebih mirip ke bentuk gelombang sinusoidal.
Pada inverter modified sine wave, ada tiga level tegangan pada bentuk gelombang output : high,low dan zero seperti terlihat pada gambar dibawah ini dengan dead zone diantara high dan low pulsa :
Gambar 2.2 Gelombang Sinus Modifikasi (Bangun, 2017)
Bentuk gelombang inverter jenis ini merupakan pilihan masyarakat karena inverter dengan gelombang ini lebih ekonomis dan penggunaannya lebih fleksibel, antara lain peralatan listrik rumah tangga, komputer, dan lain-lain. Namun, bentuk gelombang ini tidak cocok bila digunakan pada alat-alat listrik dengan presisi gelombang sangat tinggi, seperti laser jet, peralatan medis, dan sistem perawatan kesehatan.
3. Inverter Gelombang Sinus Murni (Pure Sine Wave)
Sumber daya terbaik untuk sebagian besar aplikasi adalah gelombang 50Hz sinus murni, identik dengan sumber 120Vrms tersedia dari perusahaan listrik Negara.
Semua perangkat plug-in listrik rumah tangga yang rendah dirancang untuk bekerja dengan sumber ini (perangkat daya tinggi seperti oven memasak menggunakan sumber 240V) dan dengan demikian akan paling mungkin untuk bekerja dengan baik dan paling efisien pada sumber tersebut. Inverter jenis ini memiliki keluaran gelombang sinus yang murni sehingga lebih efisien dari pada jenis inverter yang lain.
Dalam penelitian ini akan diupayakan menghitung efesiensi inverter jenis ini.
Gambar 2.3 Gelombang Pure Sine Wave (Bangun, 2017)
Terlihat bahwa gelombang yang keluar dari PWM menggambarkan terjadinya sinus dengan cara memainkan duty cycle agar gelombang kotak yang terjadi membentuk lebar pulsa. Gelombang sinus didapatkan melalui persamaan sebagai berikut:
V(t) = (2.6)
Dimana:
Vpeak = Puncak Tegangan Listrik (Volt)
= Frekuensi Sudut (radians per detik) , Frekuensi sudut bisa disambungkan dengan frekuensi biasa (Hertz) yang direpresentasikan dengan radians per detik, dengan menggunakan formula = 2 πƒ.
t = Waktu (detik)
Hubungan antara tekanan dan tenaga listrik bolak balik bisa direpresentasikan dengan:
( ) (2.7)
di mana R adalah hambatan muatan.Dibandingkan dengan menggunakan hubungan ( ) lebih effektif. Jadi, tekanan bolak balik bisa direpresentasikan dengan Root Mean Square (RMS), ditulis dengan VRMS menjadi:
Ptime averaged = ( ) (2.8)
( ) (2.9)
( ) ( ) (2.10)
( ) ( ) ( ) ( ) (2.11)
Nilai tegangan efektif (Vrms) gelombang dapat dihitung:
Vef = × nilai tegangan maksimum (2.12)
Sudut dalam derajat dapat dinyatakan:
Derajat = × radian (2.13) Bentuk umum untuk menghitung dan menganalisa nilai-nilai gelombang sinusoidal dapat terlihat pada gambar berikut.
Gambar 2.4 Parameter Gelombang Sinusoidal
Besar frekuensi dapat dilakukan dengan mengatur periode gelombang keluarannya, seperti pada persamaan berikut ini:
ƒ = ( ) (2.14)
Keterangan : ƒ = Frekuensi (Hz) T = Periode (ms)
Inverter jenis ini memiliki bentuk gelombang keluaran yang paling baik.Bentuk gelombang sinus murni dari inverter ini setara bahkan lebih baik dari kualitas gelombang listrik rumahan yang berasal dari PLN. Penggunaannya sangat cocok untuk diterapkan pada instrumen yang tepat, peralatan medis, dan sistem perawatan kesehatan.
2.1.2 Prinsip Kerja Inverter
Rangkaian inverter adalah rangkaian yang mengkonversi tegangan DC ke AC, lebih tepatnya inverter adalah alat yang mentransfer daya dari sumber DC ke beban AC. Keluaran inverter berupa tegangan yang dapat diatur dan tegangan yang tetap. Sumber tegangan yang didapat dari inverter, biasa menggunakan baterai, kincir
angin, dan cell tenaga surya, atau juga sumber tegangan DC yang lain. Pada dasarnya inverter adalah alat yang membuat tegangan bolak-balik dari tegangan searah dengan cara pembentukan gelombang tegangan. Namun gelombang yang terbentuk dari inverter tidak berbentuk gelombang sinusoida, melainkan gelombang persegi, pembentukan tegangan AC tersebut dilakukan dengan menggunakan dua buah pasang saklar. Berikut ini adalah gambar yang menerangkan prinsip kerja inverter dalam pembentukan gelombang sederhana.
Gambar 2.5 Rangkaian Inverter Sederhana (Mardyanto,2015)
Bila kedudukan S1 dan S2 pada A, beban L mendapat tegangan positif, dan sebaliknya jika S1 dan S2 pada B, beban L mendapat tegangan positif dari arah yang berlainan. Dengan demikian jika pemindahan saklar S1 dan S2 secara bergantian akan menghasilkan tegangan bolak-balik, dengan amplitudo ditentukan oleh besarnya sumber, frekuensi ditentukan oleh perpindahan saklar. Bentuk gelombang tegangan keluaran inverter ideal adalah sinusoidal.Namun dalam prakteknya bentuk gelombang keluaran inverter tidak sinusoidal dan mengandung harmonisa.Seiring dengan dinamika perkembangan teknologi dalam elektronika daya, sering dilakukan penelitian-penelitian untuk memperbaiki kualitas daya yang dihasilkan oleh inverter.Salah satunya adalah dengan menggunakan teknik pensaklaran dengan sinyal PWM (Pulse Width Modulation).
2.2 Data Logger
Data logger merupakan suatu alat elektronik yang mencatat data dengan sensor dan sistem instrumen. Biasanya ukuran fisik kecil, menggunakan baterai, portabel, dan dilengkapi dengan mikroprosesor memori internal untuk menyimpan data dari sensor. Salah satu keuntungan memakai data logger adalah kemampuannya secara otomatis mengumpulkan data setiap 24 jam. Sesudah diaktifkan, data logger
digunakan dan ditinggalkan untuk mengukur dan merekam informasi selama tahap pemantauan. Hal ini memungkinkan untuk mendapatkan gambaran yang komprehensif tentang kondisi lingkungan yang dipantau. Data logger bekerja dengan adanya masukan menggunakan sensor. Sinyal yang diterima dari sensor ini adalah sinyal analog dan sinyal tersebut harus diubah menjadi bentuk digital dengan menggunakan konverter analog ke digital. Data logger terhubung ke komputer melalui port serial. Sinyal listrik digunakan oleh perangkat lunak logging data yang menganalisis sinyal dan menyimpannya.
2.2.1 Datalogging ke Mikro SD
Secure Digital (SD) Card adalah format kartu memori yang tidak mudah menguap yang dikembangkan oleh SD Card Association untuk digunakan dalam perangkat portabel. Ini didasarkan pada teknologi memori flash dan banyak digunakan dalam kamera digital, ponsel, pembaca ebook, komputer tablet, komputer netbook, pemutar media, penerima GPS, dan konsol video game. Sejak diadopsi pada tahun 2000, formatnya telah terbukti sangat populer dan dianggap sebagai standar industri de-facto.
Tabel 2.1 Jenis SD Card Berdasarkan Ukuran
Card type Dimensions SD, SDHC, SDXC, SDIO 32 x 24 x 2.1 mm MiniSD, miniSDHC, miniSDIO 21.5 x 20 x 1.4 mm MicroSD, microSDHC, microSDXC 15 x 11 x 1.0 mm
Tabel 2.2 Jenis SD Card Berdasarkan Parameter
Card type Year adopted Size limit Writing speed FAT type
SD 2000 4GB 0.9 – 20MB/s FAT16
SDHC 2006 32GB 2 – 40MB/s FAT32
SDXC 2009 2TB Max 300MB/s exFAT
Sumber: FAT on SD Card AN0030 - Application Note
Sebagian besar kartu SD dijual preformat dengan system fileFAT diatas skema partisi MBR sesuai table diatas. Popularitas system file ini memungkinkan kartu diakses pada hampir semua perangkat host dengan pembaca SD. Kartu SD adalah
perangkat blok biasa dan tidak dengan cara apa pun menyiratkan tata letak partisi tertentu atau sistem file sehingga skema partisi selain partisi MBR dan sistem file FAT dapat digunakan. Di bawah sistem operasi Unixlike seperti Linux atau FreeBSD, kartu SD dapat diformat menggunakan sistem file UFS, EXT3 atau ReiserFS di bawah Mac OS X, kartu SD dapat dipartisi sebagai perangkat GUID dan diformat dengan sistem file HFS +. Di bawah Windows dan beberapa sistem Unix, kartu SD dapat diformat menggunakan NTFS dan pada versi selanjutnya sistem file exFAT.
Namun sebagian besar produk konsumen akan mengharapkan partisi MBR dan sistem file FAT16/ FAT32. Dilihat dari sisi kelistrikannya kartu SD harus mendukung setidaknya 3 mode akses/ transfer data yaitu, 1- bit SD (Saluran perintah dan saluran data terpisah, dengan format transfer berpemilik), 4-bit SD (Menggunakan bus lebar 4-bit plus sinyal kontrol dan perintah tambahan dan paling tersebar luas saat ini), dan SPI (Mode akses Serial Peripheral Interface Bus mengimplementasikan subset sederhana dari protokol SD untuk digunakan dengan antarmuka SPI standar. Meskipun mode ini bersifat opsional pada kartu microSD, mode ini tersebar luas karena penggunaan yang luas dalam sistem embedded, terutama aplikasi yang kritis terhadap sumber daya). Kartu SD juga harus dapat bekerja pada frekuensi clock hingga 25MHz untuk kartu biasa, dan 50MHz untuk kartu berkecepatan tinggi. Catatan aplikasi saat ini berkaitan dengan implementasi Mode akses berbasis SPI untuk membaca data dari/ menulis data ke kartu SDSC (SD standar) menggunakan mikrokontroler EFM32.
Gambar 2.6 SD Card Pinout.
Sumber: FAT on SD Card AN0030 - Application Note
Tabel 2.3 Deskripsi Pinout Kartu SD
SD card pinout - SD Mode SD card pinout- SPI Mode
Name
PIN Type Descript Name Type Descript
1 CD/DAT3 I/O/C
Card detection / Connection data line
CS I Chip selection
in low status
2 CMD C Command/
Response line DI I Data Input
3 Vss1 S GND Vss1 S GND
4 Vdd S Power supply Vdd S Power supply
5 CLK I Clock SCLK I Clock
6 Vss2 S GND Vss2 S GND
7 DAT0 I/O/C Connector data
line 0 D0 O/C Data output
8 DAT1 I/O/C Connector data
line 1 RSV
9 DAT2 I/O/C Connector data
line 2 RSV
Sumber: FAT on SD Card AN0030 – Application Note
2.2.2 Format Data File Fat16 Fat32
File Allocation Table(FAT) adalah arsitektur sistem file komputer yang banyak digunakan pada sistem komputer dan sebagian besar pada kartu memori karena relative sederhana. Sistem file FAT cukup mudah secara teknis dan didukung oleh hampir semua sistem operasi yang ada pada komputer pribadi, dengan membuatnya menjadi format yang sesuai untuk kartu memori flash dan memudahkan untuk berbagi data antara sistem operasi.
Format FAT16 diperkenalkan pada tahun 1987 dengan perluasan alamat cluster 16-bit menjadi 32 bit.Pada tahun 1988 peningkatan ini secara umum tersedia
melalui MS-DOS 4.0 dan OS/2 1.1. Batas ukuran partisi ditentukan oleh jumlah sektor 8-bit per cluster, yang memiliki nilai power-of-two maksimum 64. Dengan ukuran standar sektor harddisk 512 byte, maksimum 32 KB cluster, dengan demikian memperbaiki batas definitif untuk ukuran partisi FAT16 pada 2 GB. Pada media magneto-optical, yang dapat memiliki sektor 1KB atau 2KB, batas ukuran ini secara proporsional lebih besar.
FAT32 diperkenalkan dengan Windows 95 OSR2. Nilai-nilai cluster diwakili oleh angka 32-bit dimana 28 bit digunakan untuk menampung nomor cluster, maksimum sekitar 268 juta cluster. Hal ini memungkinkan untuk ukuran drive hingga 8 TB dengan cluster 32 KB, tetapi sektor boot menggunakan bidang 32-bit untuk jumlah sektor, membatasi ukuran volume hingga 2TB pada harddisk dengan sektor 512 byte. Ukuran maksimum yang mungkin untuk file pada volume FAT32 adalah 4GB, batas yang dapat terlampaui oleh perangkat lunak komputer saat ini, namun dianggap masuk akal untuk jenis file yang biasa digunakan dalam kartu SD.
File yang lebih besar dari 4GB memerlukan jenis format lain seperti NTFS. Hasil di atas dalam NTFS menjadi format sistem file yang paling luas untuk sistem komputer, tetapi FAT32 masih dianggap sebagai pilihan pertama dalam aplikasi yang khas untuk penggunaan media penyimpanan solid state.
Arduino mengakses kartu SD menggunakan protokol kartu SPI. PC, Mac, dan sebagian besar perangkat konsumen menggunakan protokol SD paralel 4-bit. Kartu yang berfungsi dengan baik di PC atau Mac mungkin tidak berfungsi dengan baik di Arduino. Sebagian besar kartu memiliki kinerja membaca SPI yang baik tetapi kartu sangat bervariasi dalam kinerja menulis SPI. Kinerja penulisan dibatasi oleh seberapa efisien kartu mengelola operasi penghapusan/ remapping internal. Arduino tidak dapat mengoptimalkan penulisan untuk mengurangi operasi hapus karena batasnya RAM. Kartu SanDisk umumnya memiliki kinerja penulisan yang baik, memiliki lebih banyak buffer internal RAM daripada kartu lain dan oleh karena itu dapat membatasi jumlah operasi penghapus flash yang dipaksakan oleh Arduino karena RAM yang terbatas.
Cara memformat Kartu SD sebagai Volume FAT harus menggunakan kartu SD yang baru diformat untuk kinerja terbaik. Sistem file FAT menjadi lebih lambat jika banyak file telah dibuat dan dihapus. Ini karena entri direktori untuk file yang
dihapus ditandai sebagai dihapus, tetapi tidak dihapus. Ketika file baru dibuat, entri ini harus dipindai sebelum membuat file cacat dalam desain FAT. Juga file dapat terfragmentasi yang menyebabkan membaca dan menulis menjadi lebih lambat.
Sistem operasi Microsoft mendukung media yang dapat dilepas yang diformat dengan Master Boot Record (MBR) atau diformat sebagai super floppy dengan FAT Boot Sector pada blok nol. Sistem operasi Microsoft mengharapkan MBR format media yang dapat dilepas hanya memiliki satu partisi. Sistem operasi Microsoft tidak mendukung mempartisi kartu flash SD. Jika kita menghapus kartu SD dengan program seperti KillDisk, Sebagian besar versi Windows akan memformat kartu sebagai super floppy. Cara terbaik untuk mengembalikan format kartu SD adalah dengan menggunakan SDFormatteryang menyelaraskan batas-batas penghapusan flash dengan struktur sistem file yang mengurangi latensi tulis dan overhead sistem file. SDFormatter tidak memiliki opsi untuk jenis FAT sehingga dapat memformat kartu kecil sebagai FAT12. Setelah MBR dipulihkan oleh SDFormatter perlu memformat ulang kartu kecil yang telah diformat FAT12 untuk memaksa jenis volume menjadi FAT16. Jika memformat ulang kartu SD dengan utilitas OS, pilih ukuran cluster yang akan menghasilkan 4084 <CountOfClusters &&
CountOfClusters <65525 volume kemudian akan menjadi FAT16. Jika memformat kartu SD pada OS X atau Linux, pastikan untuk menggunakan partisi pertama.
2.3 Sensor Arus dan Tegangan
Sensor adalah perangkat yang merespon secara elektrik pada perubahan fisis.
Umumnya sensor akan membaca suatu besaran fisis (analog) dan diubah ke besaran listrik (analog). Salah satu dari peripheral pada mikrokontroller yaitu analog to digital converter (ADC) yang menghubungkan antara analog dan digital. Pada Arduino Uno, ada enam input analog yang berfungsi untuk mencuplik tegangan pada pin dan dibandingkan dengan tegangan referensi. Ada dua pilihan tegangan referensi dalam Arduino Uno yaitu 5 volt dan 3.3 volt. Tegangan referensi lebih rendah juga dapat diatur pada pin Aref, untuk resolusi pembacaan yang lebih tinggi.
Hukum ohm menyatakan bahwa besarnya tegangan pada suatu cabang (V) yang mengandung hambatan (R) yang dialiri arus sebesar (I) adalah sama dengan hasil hambatan dengan arus yang mengalir pada cara tersebut. Maka dalam
persamaannya dapat ditulis sebagai V = I × R. Hukum Kirchoff arus mengatakan bahwa jumlah arus yang masuk pada suatu titik percabangan sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik percabangan. Maka persamaannya sebagai berikut:
∑ I masuk + ∑ I keluar = 0 (2.15)
Hukum Kirchoff tegangan mempunyai pernyataan yang hampir sama dengan hukum Kirchoff arus tetapi juga merupakan pengembangan dari hukum ohm, yang bahwa jumlah tegangan baik yang berupa sumber tegangan maupun tegangan yang ada pada komponen pada suatu rangkaian loop sama dengan nol, hal ini dapat dinyatakan dengan persamaan sebaga berikut:
∑ V + ∑ I × R = 0 (2.16)
Dengan mengkombinasi hambatan dan sumber sebuah rangkaian untuk mendapatkan pembagi tegangan, maka cara yang dipakai adalah rangkain sebagai pembagi tegangan dan arus. Pembagi tegangan digunakan untuk menyatakan tegangan yang melintas salah satu diantaranya dua hambatan seri atau lebih. Tegangan yang melintas tersebut dapat terlihat pada gambar berikut:
Gambar 2.7 Pembagi Tegangan Tegangan pada R2 dapat dinyatakan sebagai:
V2 = (2.17)
Tegangan pada R1 dapat dinyatakan sebagai:
V1 = (2.18)
2.3.1 Sensor Arus
Sensor arus digunakan untuk mengukur arus listrik melewati titik tertentu pada waktu tertentu. Allegro ACS712 menjadi solusi ekonomis dan tepat untuk
sensor arus AC atau DC dalam sistem industri, komersial, dan komunikasi.
Perangkat ini terdiri dari rangkaian sensor Hall linear yang presisi. Arus yang diterapkan yang mengalir melalui jalur konduksi tembaga ini menghasilkan medan magnet yang dibacaoleh IC Hall terintegrasi dan diubah menjadi tegangan proporsional. Keakurasian perangkat dioptimalkan melalui kedekatan sinyal magnetik dengantransduserHall.
Gambar 2.8 Sensor Arus Acs712
2.3.2 Sensor Tegangan
Mikrokontroller mampu membaca input tegangan antara 0-5 V DC dan akan diukur tegangan itu menjadi nilai 10-bit, atau dari 0-1023. Jika pada tegangan 0 V ke input, maka nilai analog 0 dan jika 5 V maka nilai analog 1023 dan apapun di antaranya akan sebanding dengan tegangan pada input. Untuk membaca pin analog, digunakan perintah analogRead() dengan pin analog (A0-A5). Pada dasarnya, sensor tegangan 25V memiliki 5 pin. Dua buah pin merupakan pin yang dihubungkan ke sumber tegangan eksternal yang perlu diukur dan tiga merupakan pin header ditandai dengan S, + dan -. Pin S adalah pin “Sense” dan harus terhubung dengan Input Analog dari Arduino. Pin "-" harus terhubung ke GND Arduino. Pin yang ditandai sebagai "+" tidak terhubung dengan apapun (Pin N / C).
2.4 Mikrokontroler
Mikrokontroler adalah sebuah sistem komputer funsional dalam sebuah chip di dalamnya terkandung sebuah inti prosesor, memori (sejumlah kecil RAM, memori program, atau keduanya), dan perlengkapan input- output. Mikrokontroler adalah salah satu dari bagian dasar dari suatu sistem komputer. Meskipun mempunyai bentuk yang jauh lebih kecil dari suatu komputer pribadi dan komputer mainframe,
mikrokontroler dibangun dari elemen- elemen dasar yang sama. Secara sederhana, komputer akan menghasilkan output spesifik berdasarkan inputan yang diterima dan program yang dikerjakan (Syahwil,2013). Seperti umumnya komputer, mikrokontroler adalah alat yang mengerjakan instruksi- instruksi yang diberikan kepadanya. Artinya, bagian terpenting dan utama dari suatu sistem terkomputerisasi adalah program itu sendiri yang dibuat oleh seorang programmer. Program ini menginstruksikan komputer untuk melakukan jalinan yang panjang dari aksi- aksi sederhana untuk melakukan tugas yang lebih kompleks yang diinginkan programmer.
Dengan kata lain, mikrokontroler adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus, cara kerja mikrokontroler sebenarnya membaca dan menulis. mikrokontroler ada pada perangkat elektronik di sekeliling kita. Misalnya handphone, MP3 player, DVD, TV, AC, dll.Mikrokontroler juga dipakai untuk keperluan mengendalikan robot. Baik robot mainan maupun robot industri.
Mikrokontroler juga digunakan dalam produk dan alat yang dikendalikan secara otomatis, seperti sistem control mesin, remote control, mesin kantor, peralatan rumah tangga, alat berat, dan mainan. Dengan mengurangi ukuran, biaya, dan konsumsi tenaga dibandingkan dengan mendesain menggunakan mikroprosesor memori, alat input output yang terpisah, dan kehadiran mikrokontroler membuat control elektrik untuk berbagai proses menjadi lebih ekonomis. Dengan penggunaan mikrokontroler ini, maka sistem elektronik akan menjadi lebih ringkas, rancang bangun sistem elektronik akan lebih cepat karena sebagian besar dari sistem adalah perangkat lunak yang mudah dimodifikasi, dan pencarian gangguan lebih mudah ditelusuri karena sistemnya yang kompak (Syahwil, 2013).
2.4.1 Mikrokontroler Arduino
Arduino adalah kit elektronik atau papan rangkaian elektronik yang didalamnya terdapat komponen utama, yaitu sebuah chip mikrokontroler dengan jenis AVR dari perusahaan Atmel. Mikrokontroler itu sendiri adalah chip atau integrated circuit (IC) yang bisa deprogram menggunakan komputer. Tujuan menanamkan program pada mikrokontroler adalah agar rangkaian elektronik dapat
membaca input, memproses input tersebut dan kemudian menghasilkan output sesuai yang diinginkan. Jadi mikrokontroler bertugas sebagai otak yang mengendalikan input, proses dan output sebuah rangkaian elektronik. Secara umum, Arduino terdiri dari dua bagian, yaitu:
1. Hardware berupa papan input/ output (I/O) yang open source.
2. Software Arduino yang juga open source, meliputi software arduino IDE untuk menulis program dan driver untuk koneksi dengan komputer.
Arduino menyederhanakan proses bekerja dengan mikrokontroler dan memiliki kelebihan murah, sederhana dan mudah pemrogramannya, perangkat lunak dan perangkat kerasnya open source, tidak memerlukan perangkat chip programmer, sudah memiliki sarana komunikasi USB, bahasa pemrograman relative mudah, dan memiliki modul siap pakai (shield) yang langsung bisa ditancapkan pada board Arduino.
2.4.2 Jenis-jenis Arduino
Saat ini ada bermacam- macam bentuk dan jenis papan Arduino yang disesuaikan dengan kebutuhan, tidak hanya board (papan) Arduino yang disediakan juga terdapat modul siap pakai (shield), juga aksesoris seperti USB adapter dan sebagainya. Berikut adalah jenis- jenis dari Arduino :
1. Arduino Uno
Arduino Uno adalah papan mikrokontroler berbasis ATmega328 yang memiliki 14 pin digital input/ output (dimana 6 pin dapat digunakan sebagai output PWM), 6 input analog, clock speed 16 MHz, koneksi USB, jack listrik, header ICSP, dan tombol reset. Board ini menggunakan daya yang terhubung ke komputer dengan adaptor AC- DC atau baterai.
2. Arduino Leonardo
Arduino Leonardo adalah sebuah papan mikrokontroler berbasis ATmega32u4, yang mempunyai 20 pin digital input/output, dimana 7 pin dapat digunakan sebagai output PWM dan 12 pin analog input, clock speed 16 MHz crystal oscillator, sambungan micro USB, power jack, ICSP header, dan sebuah tombol reset.
3. Arduino Mega2560
Arduino Mega2560 adalah papan mikrokontroler berbasis ATmega2560.
4. Arduino Due
Arduino Due adalah sebuah papan mikrokontroler berbasis Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3 CPU.Arduino Due merupakan mikrokontroler pertama dari Arduino berbasis ARM 32-bit. Mempunyai 54 pin digital input/output (dimana 12 pin digunakan untuk output PWM), 12 analog input, 4 UARTs (hardware serial ports), clock speed 84 MHz, sambungan OTG USB, 2 DAC (digital to analog), 2 TWI, power jack, SPI header, JTAG header, tombol reset, dan tombol erase.
5. Arduino Micro
Arduino Micro adalah papan mikrokontroler berbasis ATmega32u4.
Mempunyai 20 pin digital input/output (dimana 7 pin dapat digunakan sebagai output PWM dan 12 analog input), 16 MHz crystal oscillator, sambungan ,icro USB, ICSP header, dan tombol reset button.
6. Arduino Nano
Arduino Nano adalah board Arduino berukuran kecil, lengkap, dan berbasis ATmega328 untuk Arduino Nano 3.0 atau ATmega168 untuk Arduino Nano 2.x. mempunyai kelebihan yang sama fungsional dengan Arduino Duemilanove, namun dalam paket yang berbeda. Kekurangannya tidak mempunyai DC power jack, dan hanya degan kabel Mini-B USB standar.
Gambar 2.9 Arduino Nano
Tabel 2.4 Spesifikasi Pin Arduino Nano
Nomor Pin Arduino Nano Nama Pin Arduino
1 Digital Pin 0 (TX)
2 Digital Pin 0 (RX)
3 & 28 Reset
4 & 29 GND
5 Digital Pin 2
6 Digital Pin 3 (PWM)
7 Digital Pin 4
8 Digital Pin 5 (PWM)
9 Digital Pin 6 (PWM)
10 Digital Pin 7
11 Digital Pin 8
12 Digital Pin 9 (PWM)
13 Digital Pin 10 (PWM-SS)
14 Digital Pin 11 (PWM-MOSI)
15 Digital Pin 12 (MISO)
16 Digital Pin 13 (SCK)
18 AREF
19 Analog Input 0
20 Analog Input 1
21 Analog Input 2
22 Analog Input 3
23 Analog Input 4
24 Analog Input 5
25 Analog Input 6
26 Analog Input 7
27 VCC
30 Vin
2.4.3 Pemrograman Arduino
Arduino dapat diprogram dengan (Arduino Software IDE) dengan memilih board sesuai dengan jenis yang dipakai dari menu Tools lalu Board. ATmega328 pada Arduino Uno telah diprogram sebelumnya dengan bootloader yang memungkinkan untuk mengunggah kode baru tanpa menggunakan programmer perangkat keras eksternal. Arduino juga mampu berkomunikasi menggunakan protokol STK500 asli (file header C).
2.5 Liquid Crystal Display (LCD)
Liquid Crystal Display (LCD) adalah salah satu komponen elektronika yang berfungsi sebagai tampilan suatu data, baik karakter, huruf ataupun grafik. LCD 16x2 terdiri dari dua bagian, yang pertama merupakan panel LCD sebagai media penampil informasi dalam bentuk huruf/angka dua baris, masing–masing baris bisa menampung 16 karakter (Premeaux, 2011).
Gambar 2.10 Liquid Cristal Display (LCD)
2.6 Data Logger Shield
Data logger shield merupakan shield yang digunakan untuk melakukan penyimpanan data (data logging) pada SD Card, dimana shield ini kompetibel dengan Arduino Uno, Duemilanove, Diecimila, Leonardo, Mega R3/Mega ADK.
Shield ini dilengkapi dengan RTC (Real Time Clock) yang digunakan untuk mengetahui waktu penyimpanan data yang dilakukan (Winata, 2016).
Gambar 2.11 Data Logger Shield
BAB 3
PERANCANGAN SISTEM
3.1 Diagram Blok
Gambar 3.1 Diagram Blok
3.2 Penjelasan Fungsi Tiap Blok Dari Diagram Blok
1. Blok Battery 12V : Sebagai sumber tegangan menjalankan Objek.
2. Power Supply 12V : Sebagai sumber daya untuk rangkaian Arduino, LCD, RTC, Mikro SD, dan Sensor Arus/Tegangan.
3. Blok Sensor Arus ACS712 : Sebagai sensor untuk mengukur arus masuk dan arus keluar pada rangkaian Inverter.
4. Blok Sensor Tegangan : Sebagai sensor untuk mengukur tegangan masuk dan tegangan keluar pada rangkaian Inverter.
5. Blok Data Logger Shield : Sebagai tempat penyimpanan data tegangan I/O dan arus I/O yang telah diukur pada SD Card dan dilengkapi dengan RTC (Real Time Clock) yang digunakan untuk mengetahui waktu penyimpanan data yang dilakukan.
6. Blok LCD 16 x 2 : Sebagai display untuk menampilkan arus dan tegangan yang diukur.
7. Blok Arduino : Sebagai pengolah data sensor arus dan tegangan dari battery 12 V dan output 220V AC pada Inverter.
8. Blok Pure Sine Inverter : Sebagai objek yang akan diukur effisiensinya.
3.3 Dasar Penetapan Komponen pada Tiap Block 3.3.1 Blok Battery 12V
Baterai lead acid KIJO JM12-100 12V 100ah merupakan baterai yang menggunakan Asam Timbal (Lead Acid) sebagai bahan kimianya. Jenis KIJO JM12- 100 12v 100ah ini sering juga disebut Sealed Lead Acid battery atau Sealed Maintenance free battery. Secara fisik baterai jenis ini terlindungi dan tertutup rapat, yang nampak dari luar hanya terminal (+) positif dan (-) negatif. Didesain agar cairan elektrolit tidak berkurang karena bocor atau penguapan, baterai jenis ini memiliki katup ventilasi yang hanya terbuka pada tekanan yang ekstrem untuk pembuangan gas hasil reaksi kimianya. Dikarenakan tidak ada katup untuk isi ulang cairan elektrolitnya, baterai ini dikenal juga dengan baterai bebas perawatan (Maintenance Free Battery) (RoyalPV, 2018).
3.3.2 Blok Sensor Arus ACS712
Sensor arus yang digunakan pada rangkaian ini ialah ACS712 Hall Effect current sensor. Hall effect allegro ACS712 merupakan sensor yang presisi sebagai sensor arus AC atau DC dalam pembacaan arus. Sensor ini memiliki pembacaan dengan ketepatan yang tinggi dikarenakan didalam sensor tersebut terdapat rangkaian low-offset linear hall dengan satu lintasan yang terbuat dari tembaga. Cara kerja sensor ini adalah arus yang dibaca mengalir melalui kabel tembaga yang terdapat didalamnya yang menghasilkan medan magnet yang ditangkap oleh integrated hall IC dan diubah menjadi tegangan proporsional.
3.3.3 Blok Sensor Tegangan
Rangkaian sensor tegangan tersebut menggunakan prinsip rangkaian pembagi tegangan dengan output maksimal adalah 5 Volt yang akan terbaca oleh pin Analog Arduino. Rangkaian pembagi tegangan akan dihubungkan pada Dioda dan Kapasitor sehingga tegangan keluaran Inverter yang berupa gelombang sinus dapat diukur.
3.3.4 Blok Data Logger Shield 3.3.4.1 Real Time Clock (RTC)
Real Time Clock DS1307 merupakan alat bertegangan rendah, full binary- coded decimal (BCD). Jam/ kalender dengan 56 byte NV SRAM. Alamat dan data akan ditransfer secara serial melalui kabel dua arah, bi- directional bus. RTC ini menyediakan informasi detik, menit, jam, hari, tanggal, bulan, dan tahun. Tanggal di akhir bulan secara otomatis disesuaikan, baik untuk bulan-bulan dengan kurang dari 31 hari, termasuk koreksi untuk tahun kabisat. Jam beroperasi dalam format 24 jam atau 12 jam dengan indikator AM/PM. DS1307 memiliki sirkuit sensor daya bawaan yang mendeteksi kegagalan daya dan secara otomatis beralih ke pasokan baterai sehingga sangat bagus untuk digunakan dalam hal pengambilan data yang akurat.
3.3.4.2 Mikro SD Memory
Mikro SD Memory menggunakan kartu memori berbasis flash yang dirancang untuk memenuhi persyaratan keamanan, kapasitas, kinerja, dan lingkungan yang melekat untuk digunakan dalam perangkat elektronik audio, video, dan
perekaman data yang muncul. Komunikasi kartu micro SD didasarkan pada antarmuka 8 pin (jam, perintah, 4 pin data dan 2 saluran listrik). Yang digunakan dalam penelitian ini adalah kartu memory SanDisk. Kartu SanDisk umumnya memiliki kinerja penulisan yang baik memiliki lebih banyak buffer internal RAM daripada kartu lain oleh karena itu dapat membatasi jumlah operasi penghapus flash yang dipaksakan oleh Arduino karena RAM yang terbatas.
3.3.6 Blok LCD 16 x 2
Liquid cristal display (LCD) adalah salah satu komponen elektronika yang berfungsi sebagai tampilan suatu data, baik karakter, huruf ataupun grafik. Display yang digunakan adalah LCD 16x2 yaitu display 2x16 karakter. Karakter yang ditampilkan LCD 16x2 adalah karakter ASCII. Pada penelitian ini LCD akan menampilkan nilai effesiensi yang diperoleh dari pengukukuran sensor.
3.3.7 Blok Arduino
Arduino merupakan sebuah platform dari physical computing yang bersifat open source. Arduino tidak hanya sekedar sebuah alat pengembang, tetapi merupakan kombinasi dari hardware, bahasa pemrogaman dan Integrated Development Environment (IDE) yang canggih IDE adalah sebuah software yang berperan untuk menulis program, meng-compile menjadi kode biner dan mengupload ke dalam memory mikrokontroler.
Arduino Nano adalah salah satu board mikrokontroler yang berukuran kecil, lengkap dan mendukung penggunaan breadboard. Arduino Nano diciptakan dengan basis microcontroler ATmega328 (untuk Arduino Nano versi 3.x) atau Atmega 16 (untuk Arduino versi 2.x). Arduino Nano kurang lebih memiliki fungsi yang sama dengan Arduino Duemilanove, tetapi dalam paket yang berbeda. Arduino Nano tidak menyertakan colokan DC berjenis Barrel Jack, dan dihubungkan ke komputer menggunakan port USB Mini-B. Arduino Nano dirancang dan diproduksi oleh perusahaan Gravitecth (Arduino.cc, 2020).
3.3.8 Blok Pure Sine Inverter
Pure Sine Wave atau true sine wave merupakan gelombang inverter yang hampir menyerupai bahkan lebih baik dibandingkan dengan gelombang sinusoida sempurna pada jaringan listrik dalam hal ini PLN. Dengan total harmonic distortion (THD) < 3% sehingga cocok untuk semua alat elektronik, oleh sebab itu inverter pure sine wave juga disebut (clean power supply). Teknologi yang digunakan inverter jenis ini umumnya disebut pulse width modulation (PWM) yang dapat mengubah tegangan DC menjadi AC dengan bentuk gelombang yang hampir sama dengan gelombang sinusoida. Output bentuk gelombang adalah gelombang sinus murni dengan distorsi harmonik yang sangat rendah dan daya bersih seperti listrik sinus pada umumnya (RoyalPV, 2018).
3.4 Uji Coba Rangkaian Per Block 3.4.1 Baterai
Berikut adalah spesifikasi baterai yang digunakan dalam penelitian : Jenis baterai : Valve regulated lead acid battery
Merk baterai : KIJO JM12-100 Nominal tegangan : 12 Volt
Kapasitas : 100 Ah
Dimensi : 330(L)x 172(W)x 220(H) x 228(TH) mm
Berat : 30 kg
Resistansi internal : 4,9
Metode Pengisian(25℃) : Arus pengisian maksimum 40 - cycle use
Tegangan : 14,4 V hingga 15,0 V - float use
Tegangan : 13,5 V hingga 13,8 V
Gambar 3.2 Lead Acid Battery
3.4.2 Rangkaian Sensor Arus
Rangkaian sensor arus berfungsi untuk mendeteksi besar arus yang terdapat pada suatu jaringan. Rangkaian sensor arus dapat dilihat pada gambar dibawah ini :
Gambar 3.3 Rangkaian Sensor Arus
Pada gambar 3.3 diatas dapat dilihat sensor arus ACS712 memiliki 5 pin, 2 pin terhubung dengan sumber tegangan VAC dan 3 pin terhubung dengan arduino. Tiga pin sensor arus yang terhubung dengan arduino adalah pin Vcc, pin out, dan pin ground. Pin Vcc terhubung dengan pin +5V pada arduino, pin out terhubung dengan pin analog A0 pada arduino, dan pin ground sensor terhubung pada pin ground arduino. Sensor arus 5 A ini merupakan modul sensor untuk mendeteksi besar arus yang mengalir lewat terminal blok menggunakan current sensor yang memanfaatkan efek Hall. Besar arus maksimum yang dapat dideteksi sebesar 5A di mana tegangan pada pin keluaran akan berubah secara linear mulai dari 2,5 Volt (½×VCC, tegangan catu daya VCC = 5V) untuk kondisi tidak ada arus hingga 4,5V pada arus sebesar +5A atau 0,5V pada arus sebesar −5A (positif/negatif tergantung polaritas, nilai di bawah 0,5V atau di atas 4,5V dapat dianggap lebih dari batas maksimum). Perubahan tingkat tegangan berkorelasi linear terhadap besar arus sebesar 185mV / Ampere.
3.4.3 Rangkaian Sensor Tegangan
Sensor tegangan menggunakan transformator tegangan sebagai penurun tegangan dari 220 ke 5 Volt AC kemudian disearahkan menggunakan jembatan diode untuk mengubah tegangan AC ke tegangan DC, kemudian di filter menggunakan kapasitor setelah itu masuk kerangkaian pembagi tegangan untuk menurunkan tegangan, tegangan yang dihasilkan tidak lebih dari 5 Volt DC sebagai inputan ke mikrokontroler. Berikut rangkaiannya:
Gambar 3.4 Rangkaian Sensor Tegangan
3.4.4 Rangkaian LCD (Liquid Cristal Display)
LCD memperoleh data dari kontroler ATMega328. Berikut rangkaian LCD :
Gambar 3.5 Rangkaian LCD
Komponen ini memiliki 16 pin, yaitu: VSS, VDD, V0, RS, R/W, E, DB0, DB1, DB2, DB3, DB4, DB5, DB6, DB7, BLA, BLK. Pin arduino yang digunakan pin digital 9, 8, 4, 5, 6, 7. Pin digital 4 pada arduino terhubung dengan pin DB4 LCD, pin digital 5 arduino terhubung dengan pin DB5 LCD, pin digital 6 arduino terhubung dengan pin DB6 LCD, pin digital 7 arduino terhubung dengan pin DB7 LCD, pin digital 9 arduino terhubung dengan pin E LCD, dan pin digital 8 arduino terhubung dengan pin RS pada LCD. Terdapat juga pin – pin LCD yang terhubung pada kaki – kaki potensiometer, yaitu: pin A, pin K, pin RW, dan pin VSS.
