RANCANG BANGUN LINEAR DIGITAL VOLTAGE CONTROLLER UNTUK POWER SUPPLY LAB
SKRIPSI
RAMOT SIMANJUNTAK 170801056
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2021
RANCANG BANGUN LINEAR DIGITAL VOLTAGE CONTROLLER UNTUK POWER SUPPLY LAB
SKRIPSI
Diajukan Untuk Melengkapi Tugas dan Memenuhi syarat Mencapai Gelar Sarjana Sains
RAMOT SIMANJUNTAK 170801056
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2021
PERNYATAAN ORISINALITAS
RANCANG BANGUN LINEAR DIGITAL VOLTAGE CONTROLLER UNTUK POWER SUPPLY LAB
SKRIPSI
Saya menyatakan bahwa skrripsi ini adalah hasil karya sendiri, kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, Juli 2021
Ramot Simanjuntak 170801056
RANCANG BANGUN LINEAR DIGITAL VOLTAGE CONTROLLER UNTUK POWER SUPPLY LAB
ABSTRAK
Telah dirancang dan direalisasikan alat linear digital voltage controller untuk power supply lab. Power Supply digital harus menyesuaikan tegangan keluarannya dengan tegangan yang dibutuhkan oleh beban. Pada power supply nilai tegangan yang di inginkan dapat diatur dan dibatasi sesuai dengan kebutuhan yang telah diprogram dan dilakukan melalui keypad. Tegangan keluaran yang dihasilkan dapat sesuai dengan tegangan masukan yang diinginkan, dan ditampilkan di layar LCD yang sebelumnya telah dikendalikan oleh Arduino Nano mikrokontroler ATmega 328.
Pada pembuatan alat power supply digital untuk lab ini menyimpulkan bahwa tegangan keluaran daya minimum-maksimum suplai adalah 3 volt dan 15 volt.
Kata Kunci: Controller, Keypad, LCD, ATmega328
DESIGN AND DEVELOPMENT OF LINEAR DIGITAL VOLTAGE CONTROLLER FOR POWER SUPPLY
ABSTRACT
A linear digital voltage controller fo lab power supply has been designed and realized. The digital power supply must adjust the output voltage with voltage is needed by the load. In the power supply the desired voltage value can be set and limited according to the needs that have been programmed and carried out via the keypad. The resulting output voltage can be in accordance with the desired input voltage, and is displayed on the LCD screen which has previously been controlled by the Arduino Nano ATmega 328 microcontroller. In making a digital power supply for lab, it‟s concluded that the minimum-maximum power supply output voltage is 3 volt and 15 volt.
Keywords: Controller, Keypad, LCD, ATmega328
PENGHARGAAN
Segala puji syukur, hormat, dan kemuliaan kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala berkat, kasih karunia, dan penyertaan-Nya yang tak berkesudahan sehingga penulis menyelesaikan studi ini dari awal memulai kuliah sampai penelitian dan penulisan skripsi ini juga berjalan dengan baik. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih banyak kepada Ayah (U. Simanjuntak) dan Ibu yang telah lebih dulu ke pangkuan Bapa di surga (B. Br. Parhusip) atas kepedulian dan kasih sayang yang telah penulis dapatkan sampai saat ini. Kalian adalah orang tua yang luar biasa menjadikan penulis tangguh. Terselesaikannya skripsi ini tidak terlepas dari bantuan banyak pihak sehingga pada kesempatan ini dengan segala kerendahan hati dan penuh rasa hormat penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah memberikan bantuan moril ataupun materil baik langsung maupun tidak langsung dalam penyusunan skripsi ini hingga selesai, terutama kepada yang saya hormati:
1. Yth. Ibu Dekan Dr. Nursahara Pasaribu, M.Sc beserta jajarannya di lingkungan FMIPA USU.
2. Bapak Dr. Perdinan Sinuhaji, MS, sebagai ketua Departemen Fisika FMIPA USU.
3. Bapak Awan Maghfirah, S.Si, M.Si sebagai sekretaris Departemen Fisika FMIPA USU.
4. Bapak Drs. Kurnia Brahmana, M.Si selaku dosen pembimbing. Penulis sangat berterima kasih untuk setiap kritik, masukan, bahkan meluangkan waktu yang banyak untuk mengarahkan penulis dan memberikan wejangan/motivasi sampai pada akhir penyelesaian skripsi ini.
5. Bapak Kerista Tarigan, M.Eng.Sc dan Bapak Tua Raja Simbolon, S.Si, M.Si selaku dosen penguji atas kritik, saran, dan masukan dalam penulisan skripsi ini.
6. Seluruh Dosen dan Karyawan Program Studi S1 Fisika Departemen Fisika FMIPA USU.
7. Kawan terhebat ABIGAIL yaitu Yanti, Wita, Maria, Jeprin, dan James selalu ada untuk saya mulai kita saling mengenal di masa-masa MABA hingga saat ini kalian tetap kawan sejati saya. Kehadiran kalian sangat berarti karena kalian
sangat memahami keadaan saya baik susah dan senang. Sayang kalian selamanya.
8. Kepada kawan seperdopingan Mail, Santo, Pahala, Gifterius, dan Robin yang sama-sama berjuang menyelesaikan skripsi ini dan ada untuk saling menyemangati satu sama lain.
9. Kawan Asisten Laboratorium Fiska Dasar terkhusus Ivan, Anton, Yosia, Angel, Frisca, Niza, Rizky, Surya, David, Natasya, Wina, Christi, Ruspi, dan Fathy atas kekompakan dan kegokilannya di lantai 3 LIDA.
10. Kawan seperjuangan Fisika 2017 Physics Infinity Mitra, Xena, Naomi, Monika, Yosa, Septrian, Hotber, Lilik, Adit, Rifqi dan kawan-kawan lainnya yang telah membantu penulis selama perkuliahan.
11. Kawan berbagi curhat sekaligus penyemangat penulis Yosua, Tania, Rini, Uli.
Terimakasih atas segala keunikan diri kalian dan kata-kata semangat.
12. Saudara-saudara kandung penulis kak Jety, kak Rebeka, kak Rosima, kak Leta, kak Jojor, yang senantiasa mendoakan, membantu, dan memberi semangat kepada penulis. Sayang kalian selalu.
13. Ikatan Mahasiswa Fisika yang menjadi wadah bagi penulis dalam mengasah dan mengembangkan kemampuan pribadi penulis.
14. Unit Kegiatan Mahasiswa KMK USU yang menjadi wadah bagi penulis untuk mengembangkan spiritual penulis.
15. Seluruh pihak maupun makhluk hidup yang telah membantu penulisan dalam pelaksanaan dan kelancaran penelitian ini yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Medan, Juli 2021
Ramot Simanjuntak
DAFTAR ISI
PENGESAHAN SKRIPSI……….i
ABSTRAK………..………..ii
ABSTRACT………..………iii
PENGHARGAAN………..……….iv
DAFTAR ISI………..………..vi
DAFTAR TABEL………..………...viii
DAFTAR GAMBAR………...ix
DAFTAR SINGKATAN………..x
BAB 1 PENDAHULUAN………..……..1
1.1 Latar Belakang………...…… 1
1.2 Rumusan Masalah………. 2
1.3 Batasan Masalah……….2
1.4 Tujuan Penelitian………...2
1.5 Manfaat Penelitian………..3
1.6 Sistematika Penulisan……….3
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA………...………5
2.1 Power Supply (Catu Dayu).………...5
2.1.1 Power Supply Analog……….8
2.1.2 Power Supply Digital………....10
2.2 LCD (Liquid Crystal Display) ………..15
2.2.1 Prinsip Kerja LCD 16x2………...17
2.3 Keypad……….17
2.4 Mikrokontroler……….19
2.5 Arduino………23
2.5.1 Jenis-jenis Arduino………..25
2.5.2 Kelebihan Arduino………..28
2.5.3 Bahasa Pemograman Arduino………29
2.6 Sensor Tegangan……….29
2.7 Sensor Arus……….30
2.8 MCP4131………31
BAB 3 PERANCANGAN SISTEM………...34
3.1 Diagram Blok………...34
3.2 Rangkaian Power Supply……….35
3.3 Rangkaian Mikrokontroler………...36
3.4 Rangkaian LCD………37
3.5 Rangkaian Sensor Arus………38
3.6 Rangkaian Sensor Tegangan………39
3.7 Rangkaian Baterai………39
3.8 Rangkaian MCP4131………...40
3.9 Rangkaian Lengkap……….41
3.10 Diagram Alir………42
BAB 4 PENGUJIAN ALAT DAN PROGRAM………44
4.1 Rangkaian Aplikasi MCP4131 Dan Arduino………...44
4.2 Program Uji Coba MCP4131………...………45
4.3 Pengujian Power Supply Digital……….. 46
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN……….……..51
5.1 Kesimpulan………...51
5.2 Saran………..………...………51
DAFTAR PUSTAKA…………..………..………..………..52
LAMPIRAN...…………..………..………..………..53
DAFTAR TABEL
Nomor Tabel
Judul Halaman
2.1 Konfigurasi Pin LCD 15
2.2 2.3 4.1 4.2
Operasi LCD Perintah Bit
Data hasil pengujian sensor arus Data hasil pengujian sensor arus untuk mendapat tegangan
16 32 47 49
DAFTAR GAMBAR
Nomor Gambar
Judul Halaman
2.1 Pin Out IC 78xx dan 79xx 5
2.2 Rangkaian Catu Daya 6
2.3 Rangkaian Regulator Linear 8
2.4 Arsitektur Pengontrol PWM Analog Tingkat Atas
10 2.5
2.6 2.7 2.8 2.9 2.10
Representasi Tingkat Atas Power Supply Digital
Batas Analog-Digital Power Supply LCD 16x2
Matriks Keypad 4x4Arduino Uno Skema Mikrokontroler
Tiga Komponen Utama Mikroprosesor
11 13 16 18 20 22
2.11 Arduino Uno 26
2.12 2.13 2.14 3.1 3.2 3.3 3.4
Arduino Nano Sensor ACS712 MCP4131 Diagram Blok
Rangkaian Power Supply Perancangan Mikrokontroler
Rangkaian LCD Arduino Shield 16x2
28 31 33 34 35 37 38
3.5 Rangkaian Sensor Arus 38
3.6 3.7 3.8 3.9 3.10
4.1 4.2 4.3 4.4
Rangkaian Sensor Tegangan Rangkaian Baterai
Rangkaian MCP Rangkaian Lengkap Flowchart
Rangkaian Aplikasi MCP4131 dan Arduino Pengujian Power Supply Digital
Grafik Power Supply Digital Grafik Power Supply Digital Untuk
Mendapatkan Tegangan
39 40 41 41 42 45 46 48 49
DAFTAR SINGKATAN
Singkatan Kepanjangan
FET Field Effect Transistor
HMI RISC CISC IC LCD ADC
Human Machine Interface Reduced Instruction Set Computer Complex Instruction Set Computer
Integrated Circuit Liquid Crystal Display Analog Digital Converter
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Seiring berkembangnya penggunaan elektronika daya semakin berkembang.
Perkembangan elektronika daya yang terus menerus dilakukan akan berdampak pada banyak bidang. Salah satu pengembangan elektronika daya adalah power supply atau catu daya. Power supply adalah alat eletronika daya yang menyediakan tegangan dan arus.
Rangkaian catu daya berfungsi untuk menyediakan arus dan tegangan tertentu sesuai dengan kebutuhan beban dari sumber daya listrik yang ada. Untuk mencukupi kebutuhan beban DC (Direct Current) dari jala-jala, diperlukan suatu rangkaian catu daya yang mengubah tegangan AC (Alternating Current) ke tegangan DC (Istataqomawan, Zuli. 2002).
Untuk menggunakan catu daya, kita harus menyesuaikan tegangan keluarannya dengan tegangan yang dibutuhkan oleh beban. Umumnya catu daya yang dijual dipasaran menghasilkan keluaran tegangan yang tidak stabil dan pengubahan nilai tegangan keluaran tidak dapat dilakukan dengan mudah. Saat ini dibutuhkan sebuah catu daya yang bisa diprogram secara digital, tegangan keluaran yang dihasilkan dapat sesuai dengan tegangan masukan yang diinginkan, dan ditampilkan ke tampilan (Display).
Menurut penelitian sebelumnya yang sama-sama merancang power supply menggunakan mikrokontroller, menjelaskan bahwa power supply digital ini mempunyai batas tegangan -24 V sampai dengan 24 V. Hasil pengujian menunjukkan bahwa power supply digital berbasis mikrokontroller menggunakan keypad telah di desain memiliki respon yang lebih cepat dari pada power supply analog yang menggunakan potensiometer. Akan tetapi, karena hanya menekan tombol yang ada pada keypad maka keluaran dari power supply juga hanya sebatas angka yang telah tertera pada keypad (Makasenggehe, Nolvensius CH. 2012).
Pada power supply nilai tegangan yang di inginkan dapat diatur dan dibatasi sesuai dengan kebutuhan yang dilakukan melalui keypad. Pengukuran arus dan tegangan akan ditampilkan di layar LCD (Liquid Crystal Display) yang sebelumnya
telah dikendalikan oleh mikrokontroler. Tegangan keluaran dari power supply digital ini yaitu variabel mulai dari 0 sampai dengan 15 volt sehingga tegangan keluaran disesuaikan dengan kebutuhan beban.
Berdasarkan refrensi diatas, maka penulis membuat rancang bangun dan menganalisa tegangan pada power supply berbasis mikrokontroler dengan menggunakan keypad yang disusun dalam laporan penelitian berjudul “LINEAR DIGITAL VOLTAGE CONTROLLER UNTUK POWER SUPPLY LAB”.
1.2 Rumusan Masalah
Untuk mengontrol power supply yang akan dibuat, dirumuskan beberapa permasalahan sebagai berikut :
1. Menaikkan dan menurunkan tegangan pada power supply pada umumnya digunakan potensiometer, mengubah tegangan langsung secara analog.
Pekerjaan ini akan dirubah dengan cara digital ke analog melalui keypad.
2. Menentukan batas arus maksimum pada power supply pada umumnya menggunakan potesiometer, membatasi arus secara analog. Perkerjaan ini akan dilakukan dengan cara menggunakan program pada mikrokontroller.
1.3 Batasan Masalah
Penelitian yang dilakukan dibatasi pada ruang lingkup yang lebih rinci agar sesuai dengan topik penelitian. Adapun batasan masalah pada penelitian ini yaitu:
1. Range tegangan output variabel mulai dari 0 sampai dengan 15 volt.
2. Range batasan arus output dapat ditentukan mulai dari 0 s/d 3 Ampere.
1.4 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dalam penelitian ini adalah:
1. Membuat variable power supply digital yang arus dan tegangannya dapat dikendalikan melalui mikrokontroller.
2. Display arus dan tegangan ditampilkan pada layar LCD grafik seperti jenis OLED display.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dari pembuatan penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Dengan proyek ini diharapkan LAB fisika akan mempunyai power supply yang arus dan tegangannya dapat dibatasi dan ditentukan melalui keypad.
2. Ada kemungkinan power supply ini dapat diproduksi untuk dijual ke sekolah menengah seperti STM dan SMA yang menggunakan power supply analog dan menggantikannya dengan power supply digital.
1.6 Sistematika Penulisan
Untuk mempermudah pembahasan dan pemahaman maka penulis membuat sistematika pembahasan bagaimana sebenarnya cara kerja dalam “Linear Digital Voltage Controller Untuk Power Supply Lab” 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 berisi tentang teori dasar yang digunakan sebagai bahan acuan pengerjaan proyek tugas akhir, serta komponen dan aplikasi.
BAB 3 PERANCANGAN SISTEM
Bab ini membahas tentang perancangan alat, diagram blok, diagram alir, serta sistem kerja dari masing-masing rangkaian.
BAB 4 PENGUJIAN DAN HASIL RANGKAIAN
Pembahasan rangkaian dan program yang dijalankan serta pengujian
rangkaian, uji coba alat yang telah dibuat, pengoperasian dan spesifikasi alat dan lain sebagainya.
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisikan penutup yang meliputi tentang kesimpulan dari pembahasan yang dilakukan dari laporan skripsi ini serta saran apakah rangkaian ini dapat dibuat lebih efisien dan dikembangkan dengan metode lain yang mempunyai sistem kerja yang sama
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Power Supply (Catu Dayu)
Perangkat elektronika dicatu oleh suplai arus searah DC (direct current) yang stabil agar dapat bekerja dengan baik. Baterai atau accu adalah sumber catu daya DC yang paling baik. Namun untuk aplikasi yang membutuhkan catu daya lebih besar, sumber dari baterai tidak cukup. Sumber catu daya yang besar adalah sumber bolak- balik AC (alternating current) dari pembangkit tenaga listrik. Untuk itu diperlukan suatu perangkat catu daya yang dapat mengubah arus AC menjadi DC. Peneitian ini disajikan prinsip rangkaian catu daya (power supply) linier mulai dari rangkaian penyearah yang paling sederhana sampai pada catu daya yang ter-regulasi. Regulator Voltage berfungsi sebagai filter tegangan agar sesuai dengan keinginan. Oleh karena itu biasanya dalam rangkaian power supply maka IC Regulator tegangan ini selalu dipakai untuk stabilnya outputan tegangan. susunan kaki IC regulator tersebut dapat dilihat pada gambar dibawah:
Gambar 2.1 Pin Out IC 78xx dan 79xx (Makasenggehe, Nolvensius CH. 2012)
Catu daya adalah sebuah peralatan penyedia tegangan atau sumber daya untuk peralatan elektronika dengan prinsip mengubah tegangan listrik yang tersedia dari jaringan distribusi transmisi listrik menuju level yang diinginkan sehingga berimplikasi pada pengubahan daya listrik. Dalam sistem pengubahan daya. Jika suatu catu daya bekerja dengan beban maka terdapat keluaran tertentu dan jika beban tersebut dilepas maka tegangan keluar akan naik, persentase kenaikan tegangan dianggap sebagai regulasi dari catu daya tersebut. Regulasi adalah perbandingan perbedaan tegangan yang terdapat pada tegangan beban penuh. Agar tegangan keluaran catu daya lebih stabil, dapat digunakan suatu komponen IC yang disebut IC regulator, misalnya IC Regulator 7812 atau IC Regulator 7805. Hal ini
memungkinkan keluaran DC catu daya dapat dibentuk sesuai kebutuhan. Gambar 2.2 menunjukkan rangkaian catu daya menggunakan IC regulator.
Gambar 2.2 Rangkaian Catu Daya
(http://www.circuitstoday.com/12v-5v-combo-power-supply)
Dalam pembuatan rangkaian catu daya selain menggunakan komponen utama juga diperlukan komponen pendukung agar rangkaian berfungsi dengan baik Ada dua sumber catu daya yaitu sumber AC dan sumber DC. Sumber AC yaitu sumber tegangan bolak – balik, sedangkan sumber tegangan DC merupakan sumber tegangan searah. Beberapa fungsi yang masuk dalam proses pengubahan catu daya AC ke DC adalah sebagai berikut:
1. Transformator
Komponen utama yang bisa digunakan untuk menurunkan tegangan adalah transformator. Transformator terdiri dari dua buah lilitan yaitu lilitan primer (N1) dan lilitan sekunder (N2) yang dililitkan pada suatu inti yang saling terisolasi atau terpisah antara satu dengan yang lain. Besar tegangan pada lilitan primer dan lilitan sekunder ditentukan oleh jumlah lilitan yang terdapat pada bagian primer dan sekundernya. Dengan demikian transformator digunakan untuk memindahkan daya listrik pada lilitan primer ke lilitan sekundernya tanpa adanya perubahan daya.
2. Penyearah (rectifier)
Penyearah digunakan untuk menyearahkan gelombang bolak-balik (AC) yang berasal dari jaringan jala-jala listrik.
3. Penyaring (filter) Filter berfungsi untuk menghaluskan keluaran tegangan DC dari bagian
rectifier/penyearah. Proses kerja bagian filter adalah menyearahkan tegangan DC dari bagian rectifier menggunakan komponen elektronika yaitu kapasitor.
4. Regulator (pengatur tegangan)
Fungsi pemasangan regulator tegangan pada power supply adalah untuk menyiapkan sumber tegangan simetris 32 volt untuk rangkaian transistor daya dan tegangan 5 volt untuk mikrokontroler serta LCD. Disamping itu untuk menstabilkan tegangan keluaran apabila terjadi perubahan tegangan masukan pada power suplly (catu daya). Fungsi lain adalah untuk perlindungan dari terjadinya hubung singkat pada beban (Makasenggehe, Nolvensius CH.
2012). Catu daya suatu rangkaian elektronik yang berubah-ubah besarnya dapat menyebabkan pengaruh yang sifatnya merusak fungsi kerja rangkaian elektronik yang dicatunya. Catu daya yang stabil dan dapat diatur sering disebut dengan 26 regulated power supply. Catu daya ini menggunakan komponen aktif sehingga harganya cukup mahal. Maka dari itu, saat ini banyak digunakan catu daya dalam bentuk IC yaitu IC regulator tegangan. IC regulator adalah IC yang tujuannya mengatur atau meregulasi, agar suatu tegangan menjadi tetap walaupun beban berubah dan tegangan input berubah.
Regulator dalam catu daya linear berfungsi sebagai resistor variabel. Artinya memungkinkan nilai resistansi keluaran bisa dirubah untuk menyesuaikan kebutuhan daya output. Karena regulator secara konstan menahan arus untuk mempertahankan tegangan yang stabil, maka ia juga berperan menurunkan power. Dengan demikian power akan secara terus-menerus hilang karena berubah bentuk menjadi panas untuk menjaga tingkat tegangan yang stabil. Power Supply dengan regulasi linier sedikitnya harus mempunyai tiga bagian yaitu jaringan pembangkit tegangan acuan, jaringan pengendali dan komponen elektronika. Pembangkit tegangan acuan menghasilkan tegangan acuan yang tidak terpengaruh akibat perubahan tegangan masukan.
Bagian kendali terbentuk dari sistem untai tertutup dimana terdapat bagian umpan balik, penguat selisih dan penguat kesalahan. Komponen elektronika yang digunakan berupa transistor bipolar atau FET (Field Effect Transistor) yang dapat melewatkan daya secara seri yang sering disebut dengan komponen pelewat seri.
Peregulasian tegangan secara linier pada catu daya dapat diperlihatkan pada gambar berikut:
Gambar 2.3 Rangkaian Regulator Linear
Prinsip Kerja Power Supply dengan Regulasi Linier adalah jika tegangan keluaran catu daya lebih kecil dari tegangan yang diharapkan, maka pengendali akan meningkatkan konduktifitas komponen elektronika daya sehingga tegangan keluaran catu daya dapat naik dan sesuai dengan kebutuhan. Sebaliknya jika teganga keluaran catu daya terlalu besar dibandingkan tegangan yang dibutuhkan, maka pengendali akan mengurangi konduktifitas koponen elektronika daya sehingga tegangan keluaran akan menurun dan sesuai dengan yang dibutuhkan (Samosir, Ahmad Saudi, dkk. 2017).
Keluaran bagian kendali mengatur konduktifitas komponen elektronika daya.
Sebuah regulator linier mempertahankan tegangan keluaran yang dikehendaki dengan menghilangkan kelebihan daya pada rugi-rugi tahanan (misalnya, dalam sebuah resistor atau daerah kolektor-emitor dari transistor dalam modus aktif).
Sebuah regulator linier pembantuan keluaran baik tegangan atau arusdengan menghilangkan kelebihan daya listrik dalam bentuk panas sebaliknya, mode yang diaktifkan catu daya untuk pembongkaran baik tegangan maupun arus dengan beralih dari hal-hal yang ideal. Seperti induktor dan kapasitor yang masuk dan keluar dari konfigurasi listrik yang berbeda switching ideal (misalnya, transistor dioperasikan di luar modus aktif) (Pressman, 1999).
2.1.1 Power Supply Analog
Umumnya fungsi power supply sama dengan jenis digital, hanya saja penggunaan jenis avometer yang membedakannya. Power supply analog menggunakan avometer ukur yang menggunakan indikator jarum penunjuk. Dilihat dari kelebihannya, power supply analog digunakan bagi pengukuran sinyal yang
memiliki karakteristik fluktuatif. Fluktuatif disini diartikan sebagai pengukuran yang tepat untuk mengindikasi seberapa besar sinyal tegangan. Power supply analog biasanya memiliki harga yang lebih terjangkau karena tidak menggunakan avometer digital yang jauh lebih mahal. Jenis analog biasanya bisa digunakan walaupun tidak menggunakan listrik. Jadi, alat ini bisa difungsikan sebagai power supply portabel.
Power supply analog memiliki kelemahan yaitu saat membaca jarum ukur pada indikator tegangan, dibutuhkan ketelitian yang tepat. Jenis analog tidak direkomendasikan bagi anda yang memilki mata minus. Terkadang dibutuhkan kalibrasi untuk mengembalikan petunjuk jarum yang lebih tepat lagi.
Banyak jenis perangkat listrik dan elektronik membutuhkan daya pada tegangan yang secara substansial konstan, meskipun toleransi untuk variasi tegangan dari power supply dapat bervariasi secara luas. Namun, secara umum, regulasi/pengaturan tegangan dalam suatu toleransi yang relatif kecil pada rentang beban arus yang lebar adalah sangat diinginkan meskipun beban saat ini dapat menyebabkan variasi pada tegangan yang disediakan. Efisiensi power supply dan pengaturan tegangan juga sangat penting.
Untuk alasan ini, switching power supply biasanya merupakan desain dasar pilihan daripada regulator tegangan analog yang sering bergantung pada penurunan tegangan yang signifikan melintasi regulator pada arus yang signifikan dan dengan demikian umumnya mengonsumsi daya yang signifikan, sedangkan regulator switching voltage (tegangan pengalihan) mengontrol tegangan keluaran pada batasan beban arus dengan variasi siklus kerja selama daya masukan terhubung ke rangkaian regulator.
Namun, tahap daya analog (misalnya regulator switching yang memiliki komponen analog) dengan loop kontrol digital membuat kontrol sistem lebih rumit karena dua quantizer, digital pulse width modulator (DPWM) atau modulator lebar pulsa digital dan analog to digital converter (A/D) atau analog ke digital dimasukkan ke dalam loop control. Selanjutnya, siklus tugas yang ditetapkan oleh DPWM hanya dapat mengasumsikan nilai diskrit yang mungkin atau tidak mungkin bertepatan dengan tegangan keluaran yang diinginkan pada beban tertentu sementara resolusi nilai siklus tugas diskrit pada akhirnya menentukan resolusi dari yang diatur tegangan keluaran digambarkan oleh perbedaan/ruang antara garis putus-putus.
Meskipun sejumlah besar sirkuit digital yang digunakan dalam sirkuit terpadu manajemen daya, sebagian besar tetap tersembunyi dari pengguna. Sebagian besar fungsi yang dapat diakses secara eksternal diimplementasikan oleh blok sirkuit analog. Dengan demikian, pengontrol PWM dan sirkuit terpadu manajemen daya lainnya telah berhasil mempertahankan nuansa analognya, membuat pengukuran analog dan menerima kontrol analog. Antarmuka mereka ke dunia luar adalah berbagai pembanding dan amplifier yang memantau kondisi operasi dan memberikan pilihan opsi perlindungan untuk perancang power supply. Prinsip unsur ini berlaku di pengontrol yang ada seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah:
Gambar 2.4 Arsitektur Pengontrol PWM Analog Tingkat Atas
Aspek penting lainnya yang perlu diperhatikan pada gambar 2.4 adalah kenyataan bahwa input analog diubah menjadi sinyal digital sesegera mungkin. Titik di mana konversi berlangsung di pengontrol saat ini bervariasi tergantung pada jenis sinyal. Ketika fungsi penguncian tegangan di bawah dipertimbangkan, konversi dilakukan oleh konverter analog-ke-digital yang paling sederhana, sebuah komparator UVLO. Inputnya benar-benar analog, sedangkan outputnya sudah berupa sinyal digital, tinggi (1) atau rendah (0), tanpa nilai antara.
2.1.2 Power Supply Digital
Power supply jenis ini biasanya menggunakan avometer digital sebagai alat ukurnya. Alat ini menggunakan empat digit angka bahkan bisa menampilkan angka desimal. Kelebihan dari power supply jenis digital ini terdiri dari berbagai macam yaitu indikator angka ukuran tegangan power supply dapat terbaca secara akurat.
Penggunaan power supply digital umumnya jauh lebih mudah dan praktis. Oleh
sebab itu tidak perlu susah menjangkau seberapa akurat jarum ukur indikator seperti analog. Power supply jenis ini biasanya sudah dilengkapi sistem auto polaritas. Jadi, power supply tidak akan menemui masalah apabila terjadi salah kutub/terminal probe antara positif dan negatif. Namun, power supply digital harus membutuhkan supply baterai. Apabila baterai telah habis energinya, power supply jenis digital tidak bisa difungsikan lagi.
Daya digital adalah deskripsi yang tidak akurat tentang arah baru dalam desain pengontrol power supply untuk menggantikan sirkuit analog dengan implementasi digital. Dengan demikian, digital power (daya digital) benar-benar berarti digital control (kontrol digital) dari catu daya. Kontrol power supply digital mencoba untuk memindahkan penghalang antara bagian analog dan digital dari catu daya tepat ke pin IC kontrol.
Gambar 2.5 Representasi Tingkat Atas Power Supply Digital
Perubahan mendasar dalam filosofi kontrol ini diringkas dalam gambar 2.5.
Ketika membandingkan gambar 2.4 dan gambar 2.5 penting untuk menekankan bahwa penyebaran kontrol digital tidak berpengaruh pada prinsip operasi dan desain tahap daya. Spesifikasi power supply tetap menentukan pilihan topologi, pemilihan komponen power, dan fungsi kontrol yang dibutuhkan. Itu meninggalkan cukup banyak tugas desain yang masih berada di ranah analog untuk ahli power supply.
Perbedaan mencolok antara kontrol analog dan digital adalah kualitas dan jumlah informasi yang tersedia bagi pengontrol untuk membuat keputusan mengenai pengoperasian tahap daya. Misalnya, output dari komparator membawa informasi terbatas tentang parameter yang dipantau, yaitu hanya apakah itu di atas atau di bawah ambang batas. Ketika batas antara analog dan digital dipindahkan dari output
komparator ke input dengan mengubah informasi aktual ke bentuk digital, pengontrol tiba-tiba mengetahui nilai konkret dari parameter. Selain membandingkannya dengan ambang batas, perubahan nilai parameter dapat dideteksi, disimpan, dan kemudian dilaporkan kembali ke sistem pengawasan. Jika perlu, nilai parameter dapat digabungkan dengan informasi lain dalam algoritma yang kompleks untuk melakukan fungsi yang lebih canggih. Tentu saja, sejumlah besar informasi ini tidak dapat diproses oleh gerbang logika tradisional. Kontroler digital memanfaatkan integrasi skala besar yang ditawarkan oleh teknologi semikonduktor canggih.
Biasanya, mikrokontroler atau digital signal processor (DSP) adalah jantung dari pengontrol digital yang cocok untuk aplikasi power supply.
Properti pengontrol penting lainnya yang berubah secara signifikan adalah fleksibilitas untuk mengimplementasikan berbagai algoritma kontrol. Kontroler analog tradisional dapat menggunakan keputusan canggih yang digerakkan oleh output digital dari berbagai rangkaian periferal. Tetapi reaksi terhadap perubahan kondisi operasi sudah diprogram sebelumnya dan dieksekusi secara kaku oleh logika internal. Misalnya, reaksi biasa untuk melebihi ambang batas saat ini adalah mematikan konverter dan memulai kembali, dikodekan ke dalam logika pengontrol analog.
Perancang power supply tidak memiliki pilihan dan dalam banyak kasus memerlukan sejumlah besar sirkuit eksternal untuk menghindari beberapa fitur bawaan pengontrol. Dengan diperkenalkannya mesin digital seperti mikrokonteroler atau DSP, keputusan, bagaimana bereaksi terhadap kondisi tertentu menjadi dapat diprogram pengguna. Dalam contoh batas saat ini, perancang mungkin memilih untuk membiarkan power supply beroperasi dalam batas arus untuk sejumlah siklus switching sebelum beralih ke shutdown. Ini akan memungkinkan pengendaraan melalui kondisi kelebihan beban pendek selama operasi sementara. Dalam kasus lain di mana perilaku ini tidak diperlukan atau benar-benar berbahaya, pengontrol dapat diprogram untuk segera dimatikan.
Area lain yang harus diperhatikan dalam kontrol digital adalah memastikan pengoperasian power supply yang stabil. Tegangan output masih diatur oleh loop umpan balik negatif tertutup, tetapi itu akan menjadi hasil perhitungan kompleks yang dilakukan oleh mikrokontroler atau DSP. Sementara kriteria stabilitas untuk
power supply dengan kontrol analog ditetapkan dengan baik dan dipahami oleh perancang, undang-undang kontrol ini tidak secara langsung berlaku untuk pengontrol digital. Implementasi digital membutuhkan keahlian baru, mengenal dan mampu menerapkan persyaratan stabilitas di domain-Z. Fungsi transfer domain-Z dari sistem data sampel dapat digunakan untuk memprediksi perilaku sinyal kecil dari konverter.
Aspek kunci dari implementasi digital adalah untuk mengenali bahwa mikrokontroler dan DSP ditenagai oleh tegangan yang sangat rendah karena teknologi semikonduktornya. Akibatnya mereka tidak mampu secara langsung berinteraksi dengan komponen daya, tidak seperti rekan analog mereka. Dengan demikian, mereka memerlukan suplai tegangan rendah mereka sendiri dan driver gerbang arus tinggi yang sesuai dengan ambang input yang kompatibel dan rentang tegangan output yang memadai. Persyaratan ini menetapkan partisi yang jelas antara bagian analog dan digital dari catu daya. Pandangan yang lebih dekat dari arsitektur dasar dari konverter yang dikontrol secara digital ditunjukkan pada gambar dibawah:
Gambar 2.6 Batas Analog-Digital Power Supply
Bias tegangan rendah yang ditunjukkan pada Gambar 2.6 harus dapat memberi daya pada pengontrol digital secara independen tanpa pengoperasian tahap daya untuk memungkinkan inisialisasi selama start-up dan untuk mempertahankan kecerdasan selama siaga (nonaktif) dan operasi hubung singkat ketika bias bootstrap tradisional mungkin tidak tersedia sebagai sumber daya yang layak.
Selanjutnya, output dari pengontrol digital harus diubah menjadi sinyal yang sesuai untuk menggerakkan sakelar daya di konverter dan semua tegangan harus
disesuaikan dengan rentang tegangan input dari input analog, biasanya ditentukan oleh tegangan referensi analog to digital converter terpasang pada pengontrol digital.
Fleksibilitas jelas merupakan manfaat paling penting dari pengontrol digital.
Dengan diperkenalkannya pengontrol digital, aliran kontrol pengontrol analog yang terprogram dan hampir tidak dapat disesuaikan ditukar dengan struktur terbuka, di mana perancang memiliki kebebasan tertinggi untuk memutuskan tindakan yang tepat terhadap rangsangan yang diberikan. Peluang baru ini bisa jadi sangat luar biasa bagi para perancang power supply, karena sebagian besar keputusan ini dibuat untuk mereka oleh produsen semikonduktor pengontrol analog. Selain itu, kebebasan ini hadir dengan komplikasi baru lainnya, pengontrol digital harus diberi tahu apa yang harus dilakukan. Perangkat lunak harus ditulis untuk memprogram pelaksanaan semua fungsi yang ditetapkan ke mikrokontroler atau DSP.
Ada tiga bidang utama dalam desain di mana fleksibilitas dapat memberikan manfaat yang signifikan. Yang pertama adalah penyesuaian. Setiap parameter yang diukur atau diprogram juga dapat diatur oleh pengontrol digital. Ini termasuk ambang tegangan dan arus, frekuensi operasi, penghentian termal, waktu mulai, dan sebagainya.
Tingkat fleksibilitas berikutnya ditawarkan oleh pengguna yang menentukan proses pengambilan keputusan bagaimana-jika (what-if) di dalam pengontrol digital.
Dasar dari fitur ini adalah opsi untuk menjalankan algoritma kontrol yang berbeda karena kondisi operasi power supply berubah. Selain itu, strategi penahanan kesalahan dapat disempurnakan dan diadaptasi sesuai kebutuhan oleh beragam aplikasi. Misalnya, setelah arus keluaran konverter diukur oleh pengontrol digital, informasi ini dapat digunakan untuk memprogram, daya konstan, arus konstan, shutdown tertunda atau mode perlindungan arus berlebih lainnya. Selain itu, kombinasi karakteristik output ini dapat diterapkan tanpa pernah mengubah komponen apa pun dalam power supply.
Penyesuaian tegangan keluaran konverter merupakan keuntungan besar seperti yang ditunjukkan dalam aplikasi prosesor yang menggunakan kode VID.
Dalam power supply yang diaktifkan komunikasi, tidak hanya tegangan keluaran, tetapi batas arus, frekuensi operasi, dan parameter operasi penting lainnya menjadi dapat diprogram oleh sistem host selama operasi (Balogh, Laszlo. 2005).
2.2 LCD (Liquid Crystal Display)
LCD adalah salah satu komponen elektronika yang berfungsi untuk menampilkan suatu data, baik karakter, huruf, atau grafik. LCD membutuhkan tegangan dan daya yang kecil sehingga sering digunakan untuk aplikasi pada kalkulator, arloji digital, dan instrumen elektronik seperti multimeter digital.
LCD memanfaatkan silikon dan galium dalam bentuk kristal cair sebagai pemendar cahaya. Pada layar LCD, setiap matrik adalah susunan dua dimensi piksel yang dibagi dalam baris dan kolom. Operasi dasar pada LCD terdiri dari empat, yaitu instruksi mengakses proses internal, instruksi menulis data, intruksi membaca kondisi sibuk, dan instruksi membaca data. ROM pembangkit sebanyak 192 tipe karakter, tiap karakter dengan huruf 5 x 7 dot matriks.
Tabel 2.1 Konfigurasi Pin LCD No.
Pin
Keterangan Konfigurasi Hubung
1 GND Ground
2 VCC Tegangan + 5VDC
3 VEE Ground
4 RS Kendali RS
5 RW Ground
6 E Kendali E/Enable
7 DO Bit 0
8 D1 Bit 1
9 D2 Bit 2
10 D3 Bit 3
11 D4 Bit 4
12 D5 Bit 5
13 D6 Bit 6
14 D7 Bit 7
15 A Anoda (+VDC)
16 K Katoda (Ground)
Tabel 2.2 Operasi LCD
Pin Bilangan Biner Keterangan
RS 0 Inisialisasi
1 Data
RW 0 Tulis LCD/W (Write)
1 Baca LCD/R (Read)
E 0 Pintu data terbuka
1 Pintu data tertutup
Kapasitas pembangkit RAM 8 tipe karakter (membaca program), maksimum pembacaan 80 x 8 bit tampilan data. Perintah utama LCD adalah Display clear, Cursor Home, Display ON/OFF, Cursor ON/OFF, Display Character Blink, Cursor Shift, dan Display Shift.
Keunggulan menggunakan LCD adalah konsumsi daya yang relatif kecil dan menarik arus yang kecil (beberapa mikro ampere), sehingga alat atau sistem menjadi portable karena dapat menggunakan catu daya yang kecil. Keunggulan lainnya adalah ukuran LCD yang pas yakni tidak terlalu kecil dan tidak terlalu besar, kemudian tampilan yang diperlihatkan dari LCD dapat dibaca dengan mudah dan jelas (Setiawan, Afrie. 2011). Gambar di bawah menunjukkan bentuk fisik dari LCD 16x2.
Gambar 2.7 LCD 16x2 (www. Elektronka-dasar.web.id) Spesifikasi LCD 16x2 yaitu:
1. Terdiri dari 16 kolom dan 2 baris 2. Memiliki 192 karakter yang tersimpan
3. Tegangan kerja sebsar 5V 4. Ukurannya yang praktis
2.2.1 Prinsip Kerja LCD 16x2
Prinsip kerja LCD 16x2 adalah dengan menggunakan lapisan film yang berisi kristal cair dan diletakkan di antara dua lempeng kaca yang telah dipasang elektroda logam transparan. Saat tegangan dicatukan pada beberapa pasang elektroda, molekul-molekul kristal cair akan menyusun agar cahaya yang mengenainya akan diserap. Dari hasil penyerapan cahaya tersebut akan terbentuk huruf, angka, atau gambar sesuai bagian yang diaktifkan. Untuk membentuk karakter atau gambar pada kolom dan baris secara bersamaan digunakan metode screening. Metode screening adalah mengaktifkan daerah perpotongan suatu kolom dan baris secara bergantian dan cepat sehingga seolah-olah aktif semua (Setiawan, Afrie. 2011).
2.3 Keypad
Merupakan jenis perangkat input yang berfungsi sebagai interface antara perangkat (mesin) elektronik dengan manusia atau dikenal dengan istilah HMI (Human Machine Interface). Masukan perangkat ini akan dibaca oleh mikrokontroller dengan membedakan byte yang terdiri dari bit-bit yang beragam untuk jenis tombol-tombol yang ada. Keypad adalah tombol-tombol yang disusun secara matriks (baris x kolom) sehingga dapat mengurangi penggunakan pin input. Keypad tersusun atas 8-16 buah pushbutton yang dirangkai dengan konfigurasi dalam bentuk matriks, sehingga memiliki index baris dan kolom sehingga pin input ke arduino dapat dikurangi.
Keypad matriks adalah tombol-tombol yang disusun secara maktriks (baris x kolom) sehingga dapat mengurangi penggunaan pin input. Sebagai contoh, keypad matriks 4x4 cukup menggunakan 8 pin untuk 16 tombol. Hal tersebut dimungkinkan karena rangkaian tombol disusun secara horizontal membentuk baris dan secara vertikal membentuk kolom jumlah tombol yang ada merupakan jumlah perkalian antara baris dan kolom dari keypad tersebut.
Sebagai contoh modul keypad yang terdiri dari 4 kolom dan 4 baris yang totalnya ada 16 tombol (AT-MO production. 2017. Keypad).
Sebuah keypad pada dasarnya adalah saklar-saklar push button yang disusun secara matriks. beberapa saklar bisa dirangkaikan membentuk sebuah rangkain keypad. Susunan yang paling sering dipakai adalah 16 buah saklar yang membentuk keypad matriks 4x4. Dalam susunan keypad ini terdapat 4 buah kolom (C1, …, C4) dan 4 buah baris (R1, …, R4); salah satu kaki saklar akan terhubung ke salah satu kolom dan kaki yang lainnya akan terhubung dengan salah satu baris. Kolom dan baris dihubungkan ke port mikrokontroler. Jika saklar ditekan, akan menghubungkan baris dan kolom yang terhubung kepadanya. Pembacaan baris dilakukan dengan membuat semua kolom berada di logika rendah. Pada saat ini port yang terhubung ke kolom berfungsi sebagai output dan port yang dihubungkan ke baris akan berfungsi sebagai input.
Pembacaan dilakukan dengan scan (membaca) kesetiap baris dan kolom. Satu misal akan dibuat matriks keypad 4 x 4 (4 baris dan 4 kolom), maka konfigurasinya adalah sebagaimana terlihat pada gambar berikut ini.
Gambar 2.8 Matriks Keypad 4x4
Jika tidak ada saklar yang ditekan semua baris akan terbaca logika 1.
Ketika salah satu baris terbaca 0, berarti ada saklar dibaris tersebut yang ditekan (terhubung dengan kolom yang berlogika 0). Hal selanjutnya adalah mencari saklar mana yang sebenarnya ditekan, dengan kata lain mencari kolom yang terhubung ke saklar tersebut. Mikrokontroler akan membaca logika 0 jika ada saklar yang ditekan, dengan mengatahui kolom mana yang sedang berlogika 0 saat itu, mikrokontroler akan mengatahui saklar dikolom mana yang sedang ditekan (Usman. 2008).
2.4 Mikrokontroler
Mikrokontroler merupakan sebuah sistem komputer yang seluruh atau sebagian besar elemennya dikemas dalam satu chip IC, sehingga sering disebut single chip microcomputer. Mikrokontroler merupakan sistem komputer yang mempunyai satu atau beberapa tugas yang sangat spesifik, berbeda dengan PC (Personal Computer) yang memiliki beragam fungsi. Perbedaan lainnya adalah perbandingan RAM dan ROM yang sangat berbeda antara komputer dengan mirokontroler. Dalam mikrokontroler, ROM jauh lebih besar dibanding RAM, sedangkan dalam komputer atau PC, RAM jauh lebih besar dibanding ROM (Wahyudin, 2006).
Secara teknis hanya ada 2 mikrokontroler yaitu RISC dan CISC, dan masing- masing mempunyai keturunan/keluarga sendiri-sendiri. RISC kependekan dari Reduced Instruction Set Computer: instruksi terbatas tapi memiliki fasilitas yang lebih banyak CISC kependekan dari Complex Instruction Set Computer: instruksi bisa dikatakan lebih lengkap tapi dengan fasilitas secukupnya. Tentang jenisnya banyak sekali ada keluarga Motorola dengan seri 68xx, keluarga MCS51 yang diproduksi Atmel, Philip, Dallas, keluarga PIC dari Microchip, Renesas, Zilog.
Masing-masing keluarga juga masih terbagi lagi dalam beberapa tipe. Jadi sulit sekali untuk menghitung jumlah mikrokontroler.
Mikrokontroler mempunyai ruang alamat tersendiri yang disebut memori.
Memori dalam mikrokontroler terdiri atas memori program dan memori data dimana keduanya terpisah, yang memungkinkan pengaksesan data memori dan pengalamatan 8 bit, sehingga dapat langsung disimpan dan dimanipulasi oleh mikrokontroler dengan kapasitas akses 8 bit.
Program memori tersebut bersifat hanya dapat dibaca (ROM/EPROM).
Sedangkan untuk data memori kita dapat menggunakan memori eksternal (RAM). Di dalam mikrokontroler terdapat register-register yang memiliki fungsi yang khusus (Specilal Function Register). Sebagai contoh, untuk keluarga MCS%51 memiliki SFR dengan alamat 80H sampai FFH. Skema dari sebuah mikrokontroler dapat dilihat dari contoh berikut:
Gambar 2.9 Skema Mikrokontroler
Beberapa fitur yang umumnya ada di dalam mikrokontroler adalah sebagai berikut:
1. ROM (Read Only Memory)
ROM berfungsi untuk tempat penyimpanan variable. Memori ini bersifat volatile yang berarti akan kehilangan semua datanya jika tidak memdapat catu daya.
2. RAM (Random Access Memory)
RAM digunakan oleh mikrokontroler untuk tempat penyimapan program yang akan diberikan oleh user.
3. Register
Merupakan tempat penyimpanan nilai – nilai yang akan digunakan dalam proses yang telah disediakan oleh mikrokontroler.
4. Special Function Register
Merupakan register khusus yang berfungsi untuk mengatur jalanya mikrokontroler. Register ini terletak pada RAM.
5. Input dan Output Pin
Pin input adalah bagian yang berfungsi sebagai penerima signal dari luar, pin ini dapat dihubungkan ke berbagai media inputan seperti keypad, sensor, dan sebagainya. Pin output adalah bagian yang berfungsi untuk mengeluarkan signal dari hasil proses algoritma mikrokontroler.
6. Interupt
Interupt adalah bagian mikrokontroler yang berfungsi sebagai bagian yang dapat melakukan interupsi, sehinga ketika program utama sedang berjalan, program utama tersebut dapat di interupsi dan menjalankan program instrupsi terlebih dahulu.
Beberapa interupt pada umumnya adalah sebagai berikut:
1. Interupt eksternal Interupt akan terjadi bila ada inputan dari pin interupt.
2. Interupt timer Interupt akan terjadi bila waktu tertentu telah tercapai.
3. Interupt serial Interupt yang terjadi ketika ada penerimaan data dari komunikasi serial.
Rata-rata mikrokontroler memiliki instruksi manipulasi bit, akses ke I/O secara langsung dan mudah, dan proses interupt yang cepat dan efisien. Dengan kata lain mikrokontroler adalah “Solusi satu Chip” yang secara drastis mengurangi jumlah komponen dan biaya disain (harga relatif murah). Agar sebuah mikrokontroler dapat berfungsi, mikrokontroler tersebut memerlukan komponen eksternal yang disebut sistem minimum. Untuk membuat sistem minimal paling tidak dibutuhkan sistem clock dan reset, walaupun pada beberapa mikrokontroler sudah menyediakan sistem clock internal, sehingga tanpa rangkaian eksternalpun mikrokontroler sudah beroperasi. Untuk merancang sebuah sistem berbasis mikrokontroler, kita memerlukan perangkat keras dan perangkat lunak, yaitu sistem minimal mikrokontroler dan software pemrograman dan kompiler, serta downloader.
Blok CPU, memori, dan I/O merupakan blok utama sebuah mikrokontroler.
Setiap Mikrokontroler pasti memiliki blok tersebut. Selain tiga blok utama tersebut terdapat perangkat (peripheral) lain. Ketersediaan peripheral-peripheral dalam mikrokontroler tersebut dapat mengurangi adanya perangkat eksternal sehingga memperkecil ukuran alat elektronik secara keseluruhan.
Mikrokontroler didesain dengan instruksi-instruksi yang lebih luas. Banyak instruksi yang digabung dengan pin-pin chip-nya. Pin tersebut yaitu pin yang dapat
diprogram (programmable) yang mempunyai beberapa fungsi yang berbeda tergantung pada kehendak programmer. Sedangkan mikroprosesor di desain dengan sangat fleksibel dan mempunyai banyak byte. Semua instruksi bekerja dalam sebuah konfigurasi perangkat keras yang membutuhkan banyak ruang memory dan perangkat I/O menempatkan ke alamat dan pin-pin data bus pada chip (Nalapraja.
2006).
Gambar 2.10 Tiga Komponen Utama Mikroprosesor
Secara umum mikrokontroler terbagi menjadi 3 keluarga besar yang ada di pasaran. Setiap keluarga memepunyai ciri khas dan karekteriktik sendiri sendiri, berikut pembagian keluarga dalam mikrokontroler:
1. Keluarga MCS51
Mikrokonktroler ini termasuk dalam keluarga mikrokonktroler CISC.
Sebagian besar instruksinya dieksekusi dalam 12 siklus clock. Mikrokontroler ini berdasarkan arsitektur Harvard dan meskipun awalnya dirancang untuk aplikasi mikrokontroler chip tunggal, sebuah mode perluasan telah mengizinkan sebuah ROM luar 64KB dan RAM luar 64KB diberikan alamat dengan cara jalur pemilihan chip yang terpisah untuk akses program dan memori data. Salah satu kemampuan dari mikrokontroler 8051 adalah pemasukan sebuah mesin pemroses boolean yang mengijikan operasi logika boolean tingkatan-bit dapat dilakukan secara langsung dan secara efisien dalam register internal dan RAM. Karena itulah MCS51 digunakan dalam rancangan awal PLC (programmable Logic Control).
2. AVR
Mikrokontroler Vegard‟s Risc processor atau sering disingkat AVR merupakan mikrokontroler RISC 8 bit. Karena RISC inilah sebagian besar kode instruksinya dikemas dalam satu siklus clock. AVR adalah jenis mikrokontroler yang paling sering dipakai dalam bidang elektronika dan instrumentasi. Secara umum, AVR dapat dikelompokkan dalam 4 kelas. Pada dasarnya yang membedakan masing- masing kelas adalah memori, peripheral dan fungsinya. Keempat kelas tersebut
adalah keluarga ATTiny, keluarga AT90Sxx, keluarga ATMega dan AT86RFxx.
3. PIC
PIC ialah keluarga mikrokontroler tipe RISC buatan Microchip Technology.
Bersumber dari PIC1650 yang dibuat oleh Divisi Mikroelektronika General Instruments. Teknologi Microchip tidak menggunakan PIC sebagai akronim, melaikan nama brandnya ialah PICmicro. Hal ini karena PIC singkatan dari Peripheral Interface Controller, tetapi General Instruments mempunyai akronim PIC1650 sebagai Programmabel Intelligent Computer. PIC pada awalnya dibuat menggunakan teknologi General Instruments 16 bit CPU yaitu CP1600. Bit PIC dibuat pertama kali 1975 untuk meningkatkan performa sistem peningkatan pada I/).
Saat ini PIC telah dilengkapi dengan EPROM dan komunikasi serial, UAT, kernel kontrol motor dll serta memori program dari 512 word hingga 32 word. 1 Word disini sama dengan 1 instruki bahasa assembly yang bervariasi dari 12 hingga 16 bit, tergantung dari tipe PICmicro tersebut. Pada awalnya, PIC merupakan kependekan dari Programmable Interface Controller. Tetapi pada perkembangannya berubah menjadi Programmable Intelligent Computer. PIC termasuk keluarga mikrokontroler berarsitektur Harvard yang dibuat oleh Microchip Technology. Awalnya dikembangkan oleh Divisi Mikroelektronik General Instruments dengan nama PIC1640. Sekarang Microhip telah mengumumkan pembuatan PIC-nya yang keenam. PIC cukup popular digunakan oleh para developer dan para penghobi ngoprek karena biayanya yang rendah, ketersediaan dan penggunaan yang luas, database aplikasi yang besar, serta pemrograman (dan pemrograman ulang) melalui hubungan port serial yang terdapat pada komputer (Sat Puskom Uns, 2015).
2.5 Arduino
Arduino merupakan rangkaian elektronik yang bersifat open source, serta memiliki perangkat keras dan lunak yang mudah untuk digunakan. Arduino dapat mengenali lingkungan sekitarnya melalui berbagai jenis sensor 16 dan dapat mengendalikan lampu, motor, dan berbagai jenis aktuator lainnya. Arduino mempunyai banyak jenis, di antaranya Arduino Uno, Arduino Mega 2560, Arduino Fio, dan lainnya. Dari pengertian di atas, dapat disimpulkan bahwa Arduino adalah kit atau papan rangkaian elektronik open source yang di dalamnya terdapat
komponen utama yaitu sebuah chip mikrokontroler dengan jenis AVR.
Mikrokontroler itu sendiri adalah chip atau IC (integrated circuit) yang bisa diprogram menggunakan komputer. Tujuan menanamkan program pada mikrokontroler adalah agar rangkaian elektronik dapat membaca input, memproses input tersebut dan kemudian menghasilkan output seperti yang diinginkan. Jadi mikrokontroler bertugas sebagai otak yang mengendalikan input, proses, dan output sebuah rangkaian elektronik.
Arduino menggunakan keluarga mikrokontroler ATMega yang dirilis oleh Atmel sebagai basis, namun ada individu atau perusahaan yang membuat clone arduino dengan menggunakan mikrokontroler lain dan tetap kompatibel dengan arduino pada level hardware. Untuk fleksibilitas, program dimasukkan melalui bootloader meskipun ada opsi untuk bypass bootloader dan menggunakan downloader untuk memprogram mikrokontroler secara langsung melalui port ISP.
Arduino Uno dapat diaktifkan melalui koneksi USB atau dengan catu daya eksternal. Sumber daya akan dipilih secara otomatis oleh Arduino. Sumber daya eksternal (non-USB) dapat berasal baik dari adaptor AC-DC atau baterai. Adaptor dapat dihubungkan dengan mencolokkan steker 2,1 mm yang bagian tengahnya terminal positif ke ke jack sumber tegangan pada papan. Jika tegangan berasal dari baterai dapat langsung dihubungkan melalui header pin Gnd dan pin Vin dari konektor POWER. Pin tegangan yang tersedia pada papan Arduino adalah sebagai berikut:
a) VIN: Adalah input tegangan untuk papan Arduino ketika menggunakan sumber daya eksternal (sebagai „saingan‟ tegangan 5 Volt dari koneksi USB atau sumber daya ter-regulator lainnya). Anda dapat memberikan tegangan melalui pin ini, atau jika memasok tegangan untuk papan melalui jack power, kita bisa mengakses/mengambil tegangan melalui pin ini.
b) 5V: Sebuah pin yang mengeluarkan tegangan ter-regulator 5 Volt, dari pin ini tegangan sudah diatur (ter-regulator) dari regulator yang tersedia (built-in) pada papan. Arduino dapat diaktifkan dengan sumber daya baik berasal dari jack power DC (7-12 Volt), konektor USB (5 Volt), atau pin VIN pada board (7-12 Volt). Memberikan tegangan melalui pin 5V atau 3.3V secara langsung tanpa melewati regulator dapat merusak papan Arduino.
c) 3V3: Sebuah pin yang menghasilkan tegangan 3,3 Volt. Tegangan ini dihasilkan oleh regulator yang terdapat pada papan (on-board). Arus maksimum yang dihasilkan adalah 50 mA.
d) GND: Pin Ground atau Massa.
e) IOREF: Pin ini pada papan Arduino berfungsi untuk memberikan referensi tegangan yang beroperasi pada mikrokontroler. Sebuah perisai (shield) dikonfigurasi dengan benar untuk dapat membaca pin tegangan IOREF dan memilih sumber daya yang tepat atau mengaktifkan penerjemah tegangan (voltage translator) pada output untuk bekerja pada tegangan 5 Volt atau 3,3 Volt (Marvianto. 2016).
2.5.1 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 jenis ini adalah yang paling banyak digunakan, terutama untuk pemula sangat disarankan untuk menggunakan Arduino Uno. Dan banyak sekali referensi yang membahas Arduino Uno. Arduino uno adalah salah satu produk Arduino yang sebenarnya adalah suatu papan elektronik yang mengandung mikrokontroler ATmega 328 (sebuah keping yang secara fungsional bertindak seperti sebuah komputer). Peranti ini dapat dimanfaatkan untuk mewujudkan rangkaian elektronik yang sederhana hingga yang kompleks. Pengendalian LED (Light Emitor Dioda) hingga pengontrolan robot dapat diimplementasikan dengan menggunakan papan yang berukuran relatif kecil. Arduino Uno mengandung mikroprosesor (berupa Atmel AVR) dan dilengkapi dengan oscillator 16 MHz (yang memungkinkan operasi berbasis waktu dengan tepat), dan regulator (pembangkit tegangan) 5 Volt. Sejumlah pin tersedia di papan. Pin 0 hingga pin 13 digunakan untuk isyarat digital, yang hanya bernilai 0 atau 1. Pin A0- A5 digunakan untuk isyarat analog. Arduino Uno dilengkapi dengan static
random-access memory (SRAM) berukuran 2 KB untuk memegang data, flash memory berukuran 32 KB, dan erasable programmable read-only memory (EEPROM) untuk menyimpan program Untuk pemograman cukup menggunakan koneksi USB type A to type B Sama seperti yang digunakan pada USB printer.
Gambar 2.11 Arduino Uno 2. Arduino Due
Arduino Due Berbeda dengan arduino yang lain, Arduino due tidak menggunakan ATMEGA, melainkan dengan chip yang lebih tinggi ARM Cortex CPU. Memiliki 54 I/O pin digital dan 12 pin masukan analog. Untuk pemogramannya menggunakan micro USB, terdapat pada beberapa handphone.
3. Arduino Mega
Mirip dengan Arduino Uno, sama-sama menggunakan USB type A to B untuk pemogramannya. Tetapi Arduino Mega, menggunakan chip yang lebih tinggi ATMEGA 2560 dan tentu saja untuk Pin I/O digital dan pin masukan analognya lebih banyak dari Uno.
4. 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, micro USB, ICSP header, dan tombol reset button.
5. Arduino Leonardo
Arduino Leonardo adalah jenis Arduino yang dibuat menggunakan mikrokontroler ATMega32u4. Arduino Leonardo memiliki 20 pin digital I/O (dimana 7 pin dapat digunakan sebagai Output PWM), 12 pin analog Input, 2x3 pin ICSP, dan juga dibekali dengan Mikro USB seperti Arduino Due.
Dilihat dari bentuk dan spesifikasinya, Arduino Leonardo memiliki kemiripan dengan Arduino Uno. Perbedannya hanya terletak pada penggunaan micro USB untuk pemograman sekaligus sumber tegangan. Pin tegangan yang tersedia pada papan Arduino Leonardo adalah sebagai berikut:
6. Arduino Fio
Arduino Fio merupakan Arduino yang memiliki bentuk unik yang dibekali dengan prosesor ATMega328V yang bekerja pada tegangan 3,3V dan frekuensi 8 MHz. Arduino Fio memiliki 14 pin digital I/O (6 pin bisa digunakan untuk output PWM), 8 pin analog input, dan memiliki socket USB to Xbee. Pengguna dapat mengupload program dengan kabel FTDI.
7. Arduino Lilypad
Arduino Lilypad merupakan jenis Arduino yang sangat unik karena memiliki bentuk yang berbeda dari kebanyakan Arduino. Arduino Lilypad berbentuk melingkar. Arduino tipe ini dibekali dengan prosesor ATMega168V (versi daya rendah) dan ATMega328V yang sering digunakan untuk membuat projek-projek unik. Arduino ini dilengkapi dengan 14 pin digital I/O, dan 6 pin input analog.
8. Arduno Pro mini
Arduino Pro Mini merupakan jenis Arduino dengan spesifikasi sama dengan yang dimiliki Arduino Nano. Perbedaanya terdapat pada tidak adanya fitur Micro USB untuk pemograman. Untuk memasukan program ke Arduino jenis ini, diperlukan downloader khusus untuk memasukkan program kedalamnya. Arduino ini yang dibekali prosesor ATMega328 yang memiliki 14 pin digital I/O (6 pin dapat digunakan sebagai output PWM), 6 pin analog
Input. Arduino ini cocok untuk projek yang bersifat permanen di dalam suatu alat.
9. 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. (Junaidi. 2018)
Gambar 2.12 Arduino Nano 2.5.2 Kelebihan Arduino
Dalam berbagai aplikasi, Arduino dapat digunakan untuk mendeteksi lingkungan dengan menerima input dari berbagai sensor atau tombol (sensor cahaya, suhu, inframerah, ultrasonik, jarak, tekanan, kelembaban) dan dapat mengontrol perangkat lainnya seperti mengontrol kecepatan dan arah putar motor, menyalakan LED, dan sebagainya. Keuntungan yang kita dapatkan ketika menggunakan Arduino, antara lain:
Harga relatif murah dibandingkan dengan mikrokontroler lainnya dengan kelebihan yang ditawarkan.
Dapat digunakan pada berbagai sistem operasi Windows, Linux, Max, dan lian-lain.
Memiliki bahasa pemrograman yang mudah dipahami, projek. Arduino sudah banyak dipelajari karena open source.
Tidak perlu perangkat chip programmer
Sudah memiliki sarana komunikasi USB
Bahasa pemrograman relatif mudah
Memiliki modul yang siap pakai (shield) yang bisa ditancapkan pada board arduino.
2.5.3 Bahasa Pemrograman Arduino
Bahasa Pemograman Arduino Berbasis C. Sturktur pemogramman dari Arduino cukup mudah yang terdiri dari dua bagian dan fungsi, yaitu fungsi persiapan (Setup) dan fungsi utama (Loop). Fungsi Setup digunakan untuk mendefenisikan variabel-variabel yang digunakan dalam program. Fungsi ini berjalan petama kali ketika program dijalankan, selanjutnya Loop adalah program inti/utama dari Arduino yang djalankan secara terus menerus baik pembacaan input maupun pengaktifan output. Program adalah inti dari semua program dalam Arduino. Pada Arduino terdapat variabel, Variabel didefenisikan ekspresi yang digunakan untuk mewakili suatu nilai yang digunakan dalam program. Suatu variabel akan menampung nilai sesuai dengan defenisi yang dibuat. Variabel terdapat 2 macam yaitu Variabel global dan variabel local. Variabel Global adalah variabel yang digunakan oleh semua fungsi dan instruksi dalam program. Sedangkan variabel local adalah variabel yang didefenisikan suatu fungsi didalam fungsi loop. Variabel ini hanya dapat dilihat dan digunakan dalam fungsi tersebut. Tipe data dari variabel terdiri dari 4 macam yaitu tipe data byte, tipe data int, tipe data long dan tipe data float.
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 Anda mengunggah kode baru ke tanpa menggunakan programmer perangkat keras eksternal. Arduino juga mampu berkomunikasi menggunakan protokol STK500 asli (file header C).
2.6 Sensor Tegangan
Sensor tegangan menggunakan trafo tegangan untuk menurunkan tegangan dari 220 ke 5 volt AC kemudian disearahkan dengan jembatan diode untuk
mendapatkan tegangan DC, kemudian di filter menggunakan kapasitor dan masuk kerangkaian pembagi tegangan untuk menurunkan tegangan. Tegangan yang dihasilkan tidak lebih dari 5 volt DC sebagai input ke mikrokontroler. Tegangan maupun arus merupakan parameter dasar dalam dunia elektro baik digital maupun analog. Tegangan ini merupakan besaran analog yang langsung diolah, diproses, atau dikonversi dalam bentuk atau level lainnya. Sedangkan dalam dunia digital, tegangan akan dikonversi versi diskritnya dengan ADC (Analog to Digital Converter) atau jika dibalik dari digital ke tegangan analog harus menggunakan teknik DAC (Digital to Analog Converter).
Demikian juga dengan Arduino. Pada dasarnya Arduino adalah sebuah pusat kendali digital berbasis mikrokontroller AVR ATmega keluaran Intel. Arduino bekerja dalam level tegangan digital dengan range 0V untuk tegangan logika “0” dan 5V untuk tegangan logika “1”. Semua parameter analog jika mau diinterfecingkan dengan Arduino harus diubah ke digital menggunakan ADC. Dan sebaliknya jika ingin mengeluarkan tegangan analog dari Arduino harus menggunakan DAC (dalam Arduino menggunakan metode PWM/Pulse Width Modulation). Pulse Width Modulation (PWM) secara umum adalah sebuah cara memanipulasi lebar sinyal yang dinyatakan dengan pulsa dalam suatu perioda, untuk mendapatkan tegangan ratarata yang berbeda. Beberapa Contoh aplikasi PWM adalah pemodulasian data untuk telekomunikasi, pengontrolan daya atau tegangan yang masuk ke beban, regulator tegangan, audio effect dan penguatan, serta aplikasi-aplikasi lainnya.
2.7 Sensor Arus
Sensor ACS712 adalah sensor arus dengan memanfaatkan Hall effect. Cara kerja sensor ACS712 yaitu dengan membaca arus yang mengalir pada kabel tembaga yang terdapat di dalamnya yang menghasikan medan magnet yang ditangkap oleh Hall Effect IC dan diubah menjadi tegangan proporsional. Sensor ini untuk mengumpulkan informasi dari arus listrik yang mengalir dalam jaringan tenaga listrik, dan mikrokontroler untuk memonitor nilai yang dikumpulkan oleh sensor untuk membuat keputusan yang diperlukan sesuai pada sistem yang digunakan.
Sensor ini memiliki pembacaan dengan ketepatan yang tinggi, karena didalamnya
terdapat rangkaian low-offsetlinear Hall dengan satu lintasan yang terbuat dari tembaga.
Gambar 2.13 Sensor ACS712
Cara kerja sensor ini adalah arus yang dibaca mengalir melalui kabel tembaga yang terdapat didalamnya yang menghasilkan medan magnet yang di tangkap oleh integrated Hall IC dan diubah menjadi tegangan proporsional. Ketelitian dalam pembacaan sensor dioptimalkan dengan cara pemasangan komponen yang ada didalamnya antara penghantar yang menghasilkan medan magnet dengan hall transducer secara berdekatan. Spesifikasi Sensor ACS712 :
1. Rise time output = 5 μs.
2. Bandwidth sampai dengan 80 kHz.
3. Total kesalahan output 1,5% pada suhu kerja TA= 25°C.
4. Tahanan konduktor internal 1,2 mΩ.
5. Tegangan isolasi minimum 2,1 kVRMS antara pin 1-4 dan pin 5-8.
6. Sensitivitas output 185 mV/A.
7. Mampu mengukur arus AC atau DC hingga 30 A.
8. Tegangan output proporsional terhadap input arus AC atau DC.
9. Tegangan kerja 5 VDC.
2.8 MCP4131
Potensiometer digital sama seperti potensiometer analog dengan tiga terminal dengan satu perbedaan saja. Potensiometer analog mesti mengubah kedudukan pengelap secara manual, sekiranya posisi pengelap potensiometer digital ditetapkan mengikut isyarat yang diberikan kepada potensiometer menggunakan
mikrokontroler. Perangkat MCP4131 mendukung protokol serial SPI. SPI merupakan komunikasi seri synchronous yang berarti harus menggunakan clock yang sama untuk mengsinkronisasi deteksi bit pada receiver. Bus SPI dikembangkan untuk menyediakan komunikasi dengan kecepatan tinggi dengan menggunakan pin mikrokontroler yang sedikit. SPI melibatkan master dan slave. Keduanya mengirimkan dan menerima data secara terus menurus, namun master bertanggung jawab untuk menyediakan sinyal clock untuk transfer data.
Format perintah SPI MCP4131 mendukung 16 lokasi alamat memori dan empat perintah. Setiap perintah memiliki dua mode, yaitu:
1. Perintah Serial Normal
Perintah serial normal adalah perintah yang mengarahkan pin CS ke VIL. 2. Perintah Serial Tegangan Tinggi
Perintah serial tegangan tinggi beroperasi secara identik dengan perintah serial normal yang sesuai. Dalam setiap mode, ada empat kemungkinan perintah. Perintah-perintah ini ditunjukkan pada tabel 2.3. Perintah 8-bit (perintah Increment Wiper dan Decrement Wiper) berisi Command Byte, sedangkan perintah 16-bit (perintah Read Data dan Write Data) berisi Command Byte dan Data Byte. Command Byte berisi dua bit data.
Tabel 2.3 Perintah Bit
Bit State Perintah Jumlah Bit
11 Read Data (Baca Data) 16 Bit
00 Write Data (Menulis Data) 16 Bit
01 Increment (Kenaikan) 8 Bit
10 Decrement (Penurunan) 8 Bit
MC41010 adalah IC dual in line 8 pin. Sama seperti potensiometer analog, IC ini terdapat dalam 5k, 10k, 50k, dan 100k. Dalam hal ini potensiometer 10k digunakan MCP4131 mempunyai 8 terminal berikut:
1. CS (Chip Select)
Pin ini digunakan untuk memilih hamba atau periferal yang disambungkan ke arduino. Sekiranya ini Rendah maka MC41010 dipilih dan jika ini tinggi maka MC41010 tidak dipilih.
2. SCK (Serial Clock)
