TUGAS AKHIR
PENGUKURAN KECEPATAN PUTARAN
GENERATOR DAN MOTOR PENGGERAK DENGAN SENSOR HALL-EFFECT PADA PENGUJIAN
GENERATOR MAGNET PERMANEN PUTARAN RENDAH
Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Elektro Jurusan Teknik Elektro
Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma
Disusun oleh :
NADYA MUFLIHASARI NIM : 185114029
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
2022
ii
FINAL PROJECT
MEASUREMENT OF GENERATOR AND DRIVING MOTOR SPEEDS USING HALL-EFFECT SENSOR
ON THE LOW SPEED PERMANENT MAGNET GENERATOR TEST
In a partial fulfillment of the requirements for the degree of Sarjana Teknik Departement of Electrical Engineering
Faculty of Science and Technology, Sanata Dharma University
NADYA MUFLIHASARI NIM : 185114029
DEPARTEMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA
2022
iii
iv
v
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA
Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa tugas akhir yang berjudul
“Pengukuran Kecepatan Putaran Generator dan Motor Penggerak dengan Sensor Hall-Effect Pada Pengujian Generator Magnet Permanen Putaran Rendah” tidak memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka sebagaimana layaknya karya ilmiah.
Yogyakarta, 26 Juli 2022
Nadya Muflihasari
vi
HALAMAN PERSEMBAHAN
“Jangan katakan pada Allah,
‘aku punya masalah besar’.
Tetapi katakan pada masalah bahwa
‘aku punya Allah Yang Maha Besar’.
Skripsi ini saya persembahkan untuk:
Allah Subhanahu Wa Ta’ala Bapak, Ibu, dan keluarga tercinta
Teman – teman Teknik Elektro Angkatan 2018
vii
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK
KEPENTINGAN AKADEMIS
Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma:
Nama : Nadya Muflihasari
Nomor Mahasiswa : 185114029
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah yang berjudul:
PENGUKURAN KECEPATAN PUTARAN GENERATOR DAN MOTOR PENGGERAK DENGAN SENSOR HALL-EFFECT PADA PENGUJIAN
GENERATOR MAGNET PERMANEN PUTARAN RENDAH
beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas dan mempublikasikannya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta izin dari saya maupun royalty kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.
Dengan ini pernyataan yang saya buat dengan sebenarnya.
Yogyakarta, 26 Juli 2022
Nadya Muflihasari
viii
INTISARI
Kecepatan putar generator merupakan salah satu penyebab besar kecilnya daya keluaran yang dihasilkan oleh generator. Putaran generator ini dipengaruhi oleh motor penggerak yang dihubungkan dengan generator melalui pulley dan belt sehingga kecepatan putar generator dan motor penggerak akan sama sesuai dengan perbandingan diameter pulley yang digunakan. Adanya perbedaan putaran generator dan motor penggerak dapat menyebabkan perbedaaan daya keluaran yang dihasilkan dengan daya keluaran yang diinginkan. Oleh karena itu, untuk menghindari terjadinya perbedaan daya keluaran tersebut maka diperlukan alat ukur yang dapat memantau kecepatan putaran generator dan motor penggerak.
Pengukuran ini menggunakan 2 alat yang akan diletakkan pada generator dan motor penggerak. Kedua alat ukur ini saling berkomunikasi melalui komunikasi serial pada Arduino IDE. Magnet akan ditempelkan pada puli generator dan puli motor penggerak.
Sehingga ketika rotor berputar, poros juga akan berputar. Sensor hall-effect akan mendeteksi ketika ada magnet yang melewatinya.
Pengukuran kecepatan putaran generator dibandingkan dengan tachometer memiliki nilai rata – rata error sebesar 0,24%. Pengukuran putaran motor penggerak dibandingkan dengan tachometer memiliki nilai rata – rata error sebesar 0,24%. Sistem komunikasi antar mikrokontroler berhasil semua tetapi terkadang komunikasi delay.
Kata kunci : pengukur putaran motor, hall-effect, kecepatan putar
ix
ABSTRACT
The rotational speed of the generator is one of the causes of the size of the output power generated by the generator. The rotation of the generator is influenced by the driving motor which is connected to the generator through the pulley and belt so that the rotational speed of the generator and the driving motor will be the same according to the ratio of the diameter of the pulley used. The difference between the rotation of the generator and the driving motor can cause differences in the output power produced and the desired output power. Therefore, to avoid the difference in output power, a measuring instrument is needed that can monitor the rotational speed of the generator and the driving motor.
This measurement uses 2 tools that will be placed on the generator and the driving motor. These two measuring instruments communicate with each other via serial communication on the Arduino IDE. Magnets will be attached to the generator shaft and the drive motor shaft. So that when the rotor rotates, the shaft will also rotate. The hall- effect sensor will detect when a magnet is passing through it.
Measurement of the rotational speed of generator compared to tachometer has an average error value of 0.24%. Measurement of the rotation of driving motor compared to tachometer has an average error value of 0.24%.The communication system between the microcontrollers is successful, but sometimes communication delay.
Keywords : motor speed meter, hall-effect, rotating speed
,
x
KATA PENGANTAR
Puji dan Syukur penulis panjatkan kepada Allah Subhanahu Wa Ta’ala karena telah memberikan berkat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian tugas akhir dengan judul “Pengukuran Kecepatan Putaran Generator dan Motor Penggerak Dengan Sensor Hall-Effect Pada Pengujian Generator Magnet Permanen Putaran Rendah”. Penelitian ini tidak akan selesai tanpa adanya dukungan, semangat, dan bantuan dari banyak pihak. Maka dari itu, penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada:
1. Allah Subhanahu Wa Ta’ala yang selalu memberikan kekuatan serta petunjuk.
2. Orang tua dan keluarga yang selalu memberikan doa, support dan selalu ada.
3. Bapak Ir. Martanto M.T. selaku dosen pembimbing yang telah berkenan meluangkan waktu dan membantu penulis Menyusun tugas akhir.
4. Ibu Dr. Ir. Bernadeta Wuri Harini selaku dosen pembimbing yang telah berkenan meluangkan waktu dan membantu penulis Menyusun tugas akhir.
5. Bapak Ir. Tjendro, M.Kom. selaku Ketua Program Studi Teknik Elektro Universitas Sanata Dharma.
6. Seluruh dosen pengampu matakuliah, bapak laboran dan staff sekretariat Teknik Elektro, yang sabar
dan ramah memberikan kemudahan dalam berbagai urusan 7. Maria, Cintya, Atyn yang selalu ada menemani dan peduli 8. Teman-teman seperjuangan angkatan 2018 Teknik Elektro
9. Semua pihak yang secara sadar ataupun tidak telah memberi motivasi, inspirasi, dan dukungan.
Akhir kata penulis ucapkan terimakasih kepada semua pihak yang telah terlibat Semoga penelitian ini dapat berguna bagi pembaca. Penulis sadar masih banyak kekurangan dalam penulisan tugas akhir ini. Oleh karena itu, penulis menerima kritik dan saran.
Penulis
Nadya Muflihasari
xi
DAFTAR ISI
HALAMAN SAMPUL (BAHASA INDONESIA) ... i
HALAMAN SAMPUL (BAHASA INGGRIS) ... ii
LEMBAR PERSETUJUAN ... iii
LEMBAR PENGESAHAN ... iv
HALAMAN PERSEMBAHAN ... v
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... vi
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ... vii
INTISARI ... viii
ABSTRACT ... ix
KATA PENGANTAR ... x
DAFTAR ISI ... xi
DAFTAR GAMBAR ... xiv
DAFTAR TABEL ... xvii
BAB I : PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan dan Manfaat ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Metodologi Penelitian ... 3
BAB II : DASAR TEORI ... 6
2.1 Tachometer ... 6
2.2 Sensor Hall-Effect ... 6
2.3 Generator Magnet Permanen ... 8
2.4 Motor Penggerak ... 9
2.5 Poros ... 9
2.6 Pulley ... 9
2.7 V-Belt ... 10
2.8 Pengukuran RPM ... 10
2.8.1 Metode Pengukuran Frekuensi ... 10
2.8.2 Metode Pengukuran Periode ... 11
2.9 Mikrokontroler ATmega328 ... 11
xii
2.9.1 Arduino Nano ... 12
2.9.2 Komunikasi SPI ... 14
2.9.3 Komunikasi UART ... 15
2.9.4 Komuniksi I2C ... 15
2.10 RS-485 ... 15
2.11 LCD 16x2 dan Modul I2C ... 16
2.12 RTC DS1302 ... 16
2.13 SD-Card dan Modul SD-Card ... 17
2.14 Python ... 17
BAB III : RANCANGAN PENELITIAN ... 19
3.1 Diagram Blok Sistem ... 19
3.2 Perancangan Perangkat Keras ... 20
3.2.1 Mikrokontroler 1 ... 20
3.2.2 Mikrokontroler 2 ... 21
3.3 Perancangan Perangkat Lunak ... 25
3.3.1 Diagram Alir Cara Kerja Sistem ... 25
3.3.2 Program Utama Mikrokontroler 1 ... 25
3.3.3 Program Utama Mikrokontroler 2 ... 27
3.4 Perhitungan Putaran ... 30
3.4.1 Metode Pengukuran Frekuensi ... 31
3.4.2 Metode Pengukuran Periode ... 32
3.5 Perancangan Komunikasi ... 33
3.6 Tampilan GUI ... 33
BAB IV : HASIL DAN PEMBAHASAN ... 35
4.1 Perubahan Perancangan ... 35
4.2 Perancangan Hardware ... 36
4.2.1 Bentuk Fisik Alat ... 37
4.3 Cara Penggunaan Alat ... 38
4.4 Pengujian Sistem ... 38
4.4.1 Jarak Modul ... 38
4.4.2 Hasil Pembacaan Modul ... 39
4.4.3 Hasil Pembacaan Data Putaran ... 43
4.4.4 Kalibrasi Pembacaan Data Putaran Modul Terhadap Tachometer ... 44
xiii
4.5 Analisa Pengujian ... 49
4.6 Tampilan Output ... 52
4.6.1 Tampilan LCD ... 52
4.6.2 Tampilan SD-Card ... 53
4.6.3 Tampilan RTC ... 54
4.6.4 Tampilan GUI ... 55
4.6.5 Tampilan Komunikasi ... 58
4.7 Pembahasan Software ... 61
4.7.1 Program Utama ... 61
4.7.2 Pengambilan Data Periode Putaran ... 63
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN ... 66
5.1 Kesimpulan ... 66
5.2 Saran ... 66
DAFTAR PUSTAKA ... 67 Lampiran ... L-1
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1. Diagram blok utama ... 4
Gambar 1.2. Diagram blok kecepatan putaran ... 5
Gambar 2.1. Sensor hall-effect ... 7
Gambar 2.2. Area aktif sensor ... 7
Gambar 2.3. Modul sensor hall-effect ... 8
Gambar 2.4. Letak pin atmega328 ... 12
Gambar 2.5. Diagram pinout arduino nano ... 14
Gambar 3.1. Diagram blok sistem ... 19
Gambar 3.2. Model perancangan alat ... 20
Gambar 3.3. Rangkaian mikrokontroler 1 ke sensor hall-effect ... 21
Gambar 3.4. Rangkaian mikrokontroler 2 ke push button ... 21
Gambar 3.5. Rangkaian mikrokontroler 2 ke sensor hall-effect ... 22
Gambar 3.6. Rangkaian mikrokontroler 2 ke RTC ... 22
Gambar 3.7. Rangkaian mikrokontroler 2 ke mikrokontroler 1 ... 23
Gambar 3.8. Rangkaian mikrokontroler 2 ke modul sd-card ... 23
Gambar 3.9. Rangkaian mikrokontroler 2 ke modul I2C ... 24
Gambar 3.10. Rangkaian mikrokontroler 2 ke mikrokontroler master ... 24
Gambar 3.11. Diagram program utama mikrokontroler 1 ... 26
Gambar 3.12. Diagram subrutin baca sensor 1 ... 27
Gambar 3.13. Diagram program utama mikrokontroler 2 ... 28
Gambar 3.14. Diagram subrutin baca sensor 2 ... 29
Gambar 3.15. Diagram subrutin data putaran motor ... 29
Gambar 3.16. Diagram subrutin data ke mikrokontroler master ... 30
Gambar 3.17. Konsep PPR ... 30
Gambar 3.18. Metode pengukuran frekuensi ... 31
Gambar 3.19. Metode pengukuran periode ... 32
Gambar 3.20. Keadaan rpm nol ... 33
Gambar 3.21. Komunikasi alat ... 33
Gambar 3.22. Tampilan depan GUI ... 34
Gambar 3.23. Tampilan dalam GUI ... 34
Gambar 4.1. Desain arduino mega 2560 ... 36
xv
Gambar 4.2. Poros motor penggerak dan poros generator ... 36
Gambar 4.3. Tampilan alat keseluruhan ... 37
Gambar 4.4. Tampilan dalam alat ... 37
Gambar 4.5. Letak modul terhadap magnet ... 38
Gambar 4.6. Medan magnet berada di sekitar modul ... 39
Gambar 4.7. Medan magnet tidak berada di sekitar Modul ... 40
Gambar 4.8. Data digital ketika ada medan magnet ... 40
Gambar 4.9. Data analog ketika ada medan magnet ... 40
Gambar 4.10. Data digital ketika tidak ada medan magnet ... 41
Gambar 4.11. Data analog ketika tidak ada medan magnet ... 41
Gambar 4.12. Tampilan data digital motor penggerak ... 42
Gambar 4.13. Tampilan data analog motor penggerak ... 42
Gambar 4.14. Tampilan data digital generator ... 42
Gambar 4.15. Tampilan data analog generator ... 43
Gambar 4.16. Hasil pembacaan data kabel jumper ... 43
Gambar 4.17. Hasil pembacaan data kabel shielded ... 43
Gambar 4.18. Data rpm meter 1 sebelum kalibrasi ... 45
Gambar 4.19. Data rpm meter 1 setelah kalibrasi ... 45
Gambar 4.20. Data rpm meter 2 sebelum kalibrasi ... 46
Gambar 4.21. Data rpm meter 2 setelah kalibrasi ... 46
Gambar 4.22. Posisi rpm meter 1 dan rpm meter 2 ... 47
Gambar 4.23. Pengukuran rpm meter 1 beda posisi ... 47
Gambar 4.24. Pengukuran rpm meter 2 beda posisi ... 48
Gambar 4.25. Data putaran dengan frekuensi 3Hz ... 48
Gambar 4.26. Data putaran dengan frekuensi 4Hz ... 49
Gambar 4.27. Data putaran dengan frekuensi 5Hz ... 49
Gambar 4.28. Diameter luar pulley motor penggerak ... 50
Gambar 4.29. Diameter dalam pulley motor penggerak ... 50
Gambar 4.30. Diameter luar pulley generator ... 50
Gambar 4.31. Diameter dalam pulley generator ... 51
Gambar 4.32. Perbandingan rpm meter 2 teoritis dan rpm meter 2 aktual ... 52
Gambar 4.33. Tampilan identitas ... 52
Gambar 4.34. Tampilan judul pengukuran ... 53
xvi
Gambar 4.35. Tampilan off ... 53
Gambar 4.36. Tampilan rpm ... 53
Gambar 4.37. Tampilan data ... 53
Gambar 4.38. Program sd-card ... 54
Gambar 4.39. Program fungsi sdrtc ... 54
Gambar 4.40. Tampilan RTC ... 55
Gambar 4.41.Tampilan identitas GUI ... 55
Gambar 4.42. Tampilan grafik GUI ... 56
Gambar 4.43. Tampilan LCD dan tachometer ... 56
Gambar 4.44. Pengaturan komunikasi serial pada python ... 57
Gambar 4.45. Pemanggilan program void rpm ... 57
Gambar 4.46. Isi void rpm ... 58
Gambar 4.47. Komunikasi data mikrokontroler 1 dan mikrokontroler 2 ... 59
Gambar 4.48. Komunikasi mikrokontroler master ... 60
Gambar 4.49. Komunikasi mikrokontroler master memanggil data lain ... 60
Gambar 4.50. Data komunikasi ... 61
Gambar 4.51. Program utama mikrokontroler 1 ... 62
Gambar 4.52. Program utama mikrokontroler 2 ... 63
Gambar 4.53. Program pengambilan data putaran ... 64
Gambar 4.54. Hasil keluaran program data putaran ... 64
Gambar 4.55. Program hitung rpm ... 65
xvii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Konfigurasi pin atmega328 ... 12
Tabel 2.2. Spesifikasi arduino nano ... 13
Tabel 2.3. Deskripsi pin RS-485 MAX485 ... 16
Tabel 2.4. Pin RTC ds1302 dan fungsinya ... 17
Tabel 2.5. Konfigurasi pin mode SPI ... 17
Tabel 4.1. Jarak antara modul dan magnet ... 39
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Generator merupakan suatu sistem yang menghasilkan tenaga listrik dengan masukan tenaga mekanik[1]. Generator menghasilkan daya keluaran yang dapat diatur sesuai dengan kebutuhan. Pada pengujian sebelumnya, telah dibuat generator magnet permanen putaran rendah dengan prime mover atau motor penggerak untuk generator ini adalah motor induksi 3 fasa.
Kecepatan putar generator merupakan salah satu penyebab besar kecilnya daya keluaran yang dihasilkan oleh generator. Putaran generator ini dipengaruhi oleh motor penggerak yang dihubungkan dengan generator melalui pulley dan belt sehingga kecepatan putar generator dan motor penggerak akan sama sesuai dengan perbandingan diameter pulley yang digunakan. Adanya perbedaan putaran generator dan motor penggerak dapat menyebabkan perbedaaan daya keluaran yang dihasilkan dengan daya keluaran yang diinginkan. Oleh karena itu, untuk menghindari terjadinya perbedaan daya keluaran tersebut maka diperlukan alat ukur yang dapat memantau kecepatan putaran generator dan motor penggerak.
Sensor hall-effect adalah sensor yang dirancang untuk merasakan adanya objek magnetis dengan perubahan posisinya[2]. Pada motor penggerak dan generator, magnet akan ditempelkan pada masing – masing poros dan sensor hall-effect akan diletakkan didepannya. Kemudian sensor hall-effect akan membaca setiap ada objek magnetis yang berputar didepannya dan menghitung periodenya. Kelebihan dari sensor hall-effect yaitu dapat digunakan untuk mengukur kecepatan putaran secara non kontak sehingga alat dapat tahan lama dan juga tahan terhadap perubahan suhu. Oleh karena itu, penelitian ini akan menggunakan sensor hall-effect untuk mengukur kecepatan generator dan motor penggerak.
Sebelumnya telah dilakukan penelitian berkaitan dengan pengukuran kecepatan generator dengan sensor hall-effect seperti pada skripsi yang berjudul “ Rekondisi Turbin Generator Pada Mini Plant Boiler dengan Menggunakan Turbin Generator Ampere Model JFZ168”[2]. Pada penelitian tersebut, sensor hall-effect digunakan untuk mengukur kecepatan putar turbin generator DC dan kecepatan putar turbin generator ampere terhadap
pressure pada steam output. Kemudian, hasil kedua pengukuran akan dibandingkan. Sensor hall-effect dipasang menghadap magnet yang ditempel pada piringan yang dijepit diantara turbin dan pulley. Pengukuran ini menggunakan aplikasi Bascom AVR yang data rpmnya akan ditampilkan di LCD dan dimonitor melalui HMI. Selain itu, ada penelitian lainnya yang berjudul “Perancangan Instrumen Ukur Torsi Dan Kecepatan Motor Dc Dengan Prinsip Nonkontak Berdasarkan Deteksi Medan Magnet”[3]. Pada penelitian ini, sebuah ring magnet ditempelkan pada shaft aluminium sehingga ketika shaft berputar, ring magnet juga akan berputar. Kemudian, sensor hall-effect akan mendeteksi polaritas utara dan selatan dari ring magnet.
Perbedaan penelitian ini dengan penelitian sebelumnya yaitu pengukuran kecepatan putaran digunakan untuk mengukur kecepatan generator dan motor penggerak dan melihat apakah terjadi perbedaan putaran atau tidak. Pengukuran ini menggunakan 2 alat yang akan diletakkan pada generator dan motor penggerak. Kedua alat ukur ini dapat saling berkomunikasi melalui komunikasi serial pada Arduino IDE. Magnet akan ditempelkan pada poros generator dan poros motor penggerak. Sehingga ketika rotor berputar, poros juga akan berputar. Sensor hall-effect akan mendeteksi ketika ada magnet yang melewatinya. Penelitian ini akan menghitung waktu yang diperlukan untuk magnet terdeteksi. Data hasil pengukuran rpm akan ditampilkan di LCD, disimpan pada SD-Card dan dimonitor melalui GUI.
1.2. Tujuan dan Manfaat
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengukur kecepatan putaran generator dan motor penggerak dengan memanfaaatkan sensor hall-effect. Hasil pengukuran akan dimonitor melalui GUI.
Manfaat penelitian ini sebagai berikut:
1. Sebagai bahan referensi mengenai kecepatan putaran generator dan motor penggerak pada pengujian generator magnet permanen putaran rendah.
2. Sebagai bahan referensi untuk mahasiswa dalam melakukan penelitian.
1.3. Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Data yang diukur adalah kecepatan putaran generator dan motor penggerak.
2. Range pengukuran kecepatan putaran dari 0-1000rpm.
3. Alat ukur tersusun atas mikrokontroler, sensor hall-effect, RTC, modul memori,dan LCD 16x2.
4. Pengukuran kecepatan putaran menggunakan 2 mikrokontroller ATmega 328.
Salah satu mikrokontrolernya bekerja sebagai master dan yang lainnya sebagai slave. Masing- masing mikrokontroler ini diletakkan pada bagian generator dan motor penggerak.
5. Adanya komunikasi serial antara 2 mikrokontroler.
6. Sensor hall-effect digunakan untuk mengambil data kecepatan putaran generator dan motor penggerak.
7. RTC digunakan sebagai pencatatan waktu real-time.
8. Modul memori digunakan untuk menyimpan data pengukuran ke dalam SD Card.
9. Hasil pengukuran akan ditampilkan di LCD 16x2 dan disimpan di SD Card.
10. Aplikasi Arduino IDE akan digunakan untuk memprogram mikrokontroler.
11. GUI akan digunakan sebagai interface untuk monitor data pengukuran.
12. Mikrokontroler dan GUI dihubungkan melalui komunikasi serial.
1.4. Metodologi Penelitian
Berdasarkan pada tujuan yang ingin dicapai, metode yang digunakan dalam penyusunan tugas akhir ini adalah:
1. Studi Literatur
Tahap awal dalam penulisan tugas akhir ini adalah mengumpulkan referensi dari buku, maupun jurnal. Bahan referensi yang dipelajari meliputi generator, motor penggerak, pengukuran putaran, ATmega 328, sensor hall-effect, LCD, RTC, SD- Card, RS-485 dan Python.
2. Perancangan Sistem
Tahap kedua ini bertujuan untuk menentukan rancangan yang digunakan dalam sistem pengukuran. Gambar 1.1. merupakan gambar diagram blok utama yang dikerjakan oleh enam orang yang terbagi atas beberapa tugas yaitu pengukuran daya input, pengukuran putaran, pengukuran suhu, pengukuran daya output, mikrokontroler master dan IoT.
Gambar 1.1. Diagram blok utama
Penulisan tugas akhir ini difokuskan pada pengukuran kecepatan putaran generator dan motor penggerak. Pengukuran ini menggunakan 2 mikrokontroler yaitu ATmega 328. Gambar 1.2. merupakan diagram blok kecepatan putaran yang meliputi komunikasi antar Mikrokontroler 1, Mikrokontroler 2 dan Mikrokontroler master. Pada Mikrokontroler 1, pengukuran kecepatan putaran poros motor penggerak dilakukan oleh sensor hall-effect. Program ini akan dimulai setelah Mikrokontroler 2 memberikan informasi bahwa tombol telah ditekan. Kemudian data hasil pengukuran akan diolah dan diberikan ke Mikrokontroler 2 melalui komunikasi serial. Pada Mikrokontroler 2, pengukuran kecepatan putaran poros generator dilakukan oleh sensor hall-effect. Program akan dimulai ketika tombol ditekan. Kemudian, RTC (Real-Time Clock) akan mencatat waktu real-time data hasil pengukuran dari generator dan motor penggerak yang akan,ditampilkan melalui LCD, disimpan di SD-Card, dan dikontrol melalui GUI serta diberikan ke mikrokontroler master. Komunikasi Mikrokontroler 1 dan Mikrokontroler 2 dihubungkan melalui komunikasi serial TX RX. Komunikasi Mikrokontroler 2 dan RTC melalui komunikasi I2C. Komunikasi Mikrokontroler 2 dan SD-Card melalui SPI. Komunikasi Mikrokontroler 2 dan LCD melalui I2C. Komunikasi Mikrokontroler 2 dan GUI melalui komunikasi serial TX RX. Komunikasi Mikrokontroler 2 dan Mikrokontroler Master melalui RS-485.
PLN (1 Fasa)
Inverter (3 Fasa) Motor Penggerak
Generator
Beban
Pengukuran Daya Input Pengukuran
Putaran Pengukuran
Suhu Pengukuran Daya Output
Mikrokontroler Master
IoT
GUI
Gambar 1.2. Diagram blok kecepatan putaran
3. Pembuatan Alat
Pada tahap ini, dilakukan pembuatan alat berupa pembuatan alat ukur kecepatan putaran dan program yang bekerja di alat ukur tersebut. Disini alat ukur yang dibuat akan dibandingkan dengan alat ukur yang teruji.
4. Pengambilan Data
Pada tahap ini, dilakukan proses pengambilan data untuk mencatat hasil pengukuran kecepatan generator dan motor penggerak.
5. Analisis
Pada tahap ini, analisis dilakukan untuk melihat apakah terjadi perbedaan putaran antara kecepatan putaran generator dan putaran motor penggerak
6
BAB II
DASAR TEORI
2.1. Tachometer
Tachometer merupakan alat yang dirancang untuk mengukur kecepatan putaran.
Tachometer berasal dari bahasa Yunani yaitu taxoc, tachos yang berarti kecepatan dan metron yang berarti untuk mengukur[4]. Tachometer terdiri atas beberapa macam salah satunya yaitu tachometer rotor bergigi.
Tachometer rotor bergigi terdiri atas sensor stasioner dan roda besi yang berputar.
Tachometer ini memiliki prinsip kerja yaitu ketika rotor berputar maka rotor bergigi akan diukur dan sensor akan mendeteksi setiap gerigi yang melewatinya. Pada tachometer rotor bergigi, sensor yang digunakan dapat berupa variable reluctance sensor atau sensor hall- effect. Kelebihan dari tachometer ini yaitu data pulsa yang dihasilkan jernih berupa sinyal kotak[5]. Oleh karena itu, penelitian ini akan dilakukan dengan prinsip tachometer rotor bergigi dengan sensor hall-effect. Tetapi ada perbedaan yaitu roda besi tempat untuk menempelkan magnet tidak berbentuk gerigi melainkan berbentuk roda rata yang berupa poros generator dan motor penggerak Pendeteksian medan magnet ini akan dilakukan dengan menggunakan sensor hall-effect tipe 3144.
2.2. Sensor Hall-Effect
Sensor hall-effect memiliki prinsip kerja yaitu ketika sebuah konduktor pembawa arus ditempatkan pada medan magnet maka akan dihasilkan tegangan yang tegak lurus terhadap arus dan medan magnet. Ketika medan magnet tegak lurus hadir, gaya Lorentz diberikan pada arus. Gaya Lorentz ini mengganggu jalannya arus distribusi sehingga menyebabkan perbedaan tegangan potensial (tegangan Hall) di keluaran. Bentuk sensor hall-effect dapat dilihat pada Gambar 2.1. Lambang “X” merupakan lambang elemen hall.
Elemen hall terbuat dari lembaran tipis berbahan konduktif dengan koneksi outputnya tegak lurus ke arah aliran arus.
Gambar 2.1. Sensor hall-effect[6]
Tipe dasar sensor hall-effect terbagi menjadi 2 yaitu bipolar dan unipolar. Sensor bipolar memiliki titik operasi maksimum positif (kutub selatan) dan titik pelepasan minimum negatif (kutub utara). Sensor unipolar memiliki titik operasi maksimum dan titik pelepasan minimum adalah positif (kutub selatan)[7]. Untuk merancang deteksi magnet didapat dari datasheet bahwa area aktif dari sensor dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Area aktif sensor[6]
Penelitian ini menggunakan modul sensor hall-effect. Modul sensor hall-effect memiliki 2 data keluaran berupa analog dan digital. Modul sensor hall-effect memiliki 4 kaki yaitu VCC, ground, D0, A0. Pada penelitian ini, hanya menggunakan 3 kaki yaitu VCC, ground dan D0. Pin D0 digunakan sebagai input interrupt yang berfungsi untuk menghitung waktu yang dibutuhkan untuk 1 kali putaran. Oleh karena itu, pin D0 dihubungkan dengan pin D2 dan D3 pada Mikrokontroler 1 yang merupakan pin interrupt.
Modul sensor hall-effect dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3. Modul sensor hall-effect[8]
2.3. Generator Magnet Permanen[9]
Generator bekerja berdasarkan hukum Faraday yang menjelaskan bahwa adanya perubahan fluks magnetik pada suatu kumparan akan menimbulkan GGL induksi pada ujung – ujung kumparan tersebut. Perbedaan kecepatan putar medan magnet dan kecepatan rotor disebut slip. Generator magnet permanen putaran rendah dibuat untuk masukan dari putaran rendah. Putaran rendah didapat dari pemanfaatan energi terbarukan seperti air, angin, termal matahari. Putaran dipengaruhi oleh banyaknya pole atau kutub. Semakin banyak pole maka semakin rendah putaran yang dihasilkan. Pada penelitian sebelumnya, magnet permanen yang digunakan berjumlah 12 kutub dan diletakkan di bagian rotor.
Bentuk rotor dapat dilihat pada lampiran L-9. Pada penelitian H.Prasetijo, generator putaran rendah memiliki kecepatan 500rpm. Berikut bagian – bagian generator yaitu:
1. Stator
Pada generator magnet permanen, stator adalah kumparan medan yang terdiri dari beberapa kumparan kawat (coil) enamel yang dilapisi bahan isolator.
2. Rotor
Pada generator magnet permanen, rotor terdiri atas sejumlah magnet permanen sebagai penghasil medan magnet dalam pembangkitan tegangan generator.
Hubungan antara kecepatan, banyaknya kutub dan frekuensi dapat menggunakan persamaan 2.1 sebagai berikut:
f =𝑝
2× 𝑛
60 (2.1)
Keterangan :
n = Kecepatan putar rotor (rpm) p = Jumlah kutub rotor
f = Frekuensi tegangan (Hz)
2.4. Motor Penggerak[10]
Motor penggerak yang digunakan merupakan motor induksi 3 fasa. Bagian – bagian utama motor induksi yaitu stator dan rotor. Stator merupakan bagian motor yang diam sedangkan rotor merupakan bagian motor yang bergerak.
Prinsip kerja motor induksi yaitu bekerja berdasarkan induksi elektromagnetik yang dihasilkan dari kumparan stator yang diinduksikan pada kumparan rotor. Perbedaan putaran relatif antara stator dan rotor disebut slip. Kecepatan medan putar stator dapat ditulis dengan persamaan 2.2 sebagai berikut:
Ns = 120 𝑓
P (2.2)
Keterangan :
Ns = Kecepatan putaran stator (rpm) f = Frekuensi (Hz)
P = Jumlah kutub
2.5. Poros
Poros merupakan komponen mekanis yang berfungsi untuk mentransmisikan gerak berputar dan daya. Poros adalah satu kesatuan dari sembarang sistem mekanis dimana daya dari penggerak utama akan ditransmisikan ke bagian lain dari sistem[11].
2.6. Pulley
Pulley merupakan elemen mesin untuk mentransmisikan tenaga dari poros yang satu ke poros yang lain dengan menggunakan belt. Pada umumnya, pulley terbuat dari besi cor tetapi pulley juga dapat dibuat dengan menggunakan baja cor atau baja cetak[12].
Dibawah ini adalah perbandingan kecepatan pada pulley, dapat menggunakan persamaan 2.3 sebagai berikut,
𝑁2 𝑁1= 𝑑1
𝑑2 (2.3)
Keterangan :
N1 = Putaran pulley penggerak (rpm) N2 = Putaran pulley yang digerakkan (rpm) d1 = Diameter pulley penggerak (mm) d2 = Diameter pulley yang digerakkan (mm)
2.7. V-Belt
V-Belt adalah salah satu media yang digunakan untuk transmisi daya pada suatu mesin. Media ini berbentuk sebuah sabuk yang terbuat dari karet dan memiliki penampang trapesium maupun persegi tergantung pada tipe, jenis dan kegunaannya. Gaya gesek pada penggerak menyebabkan V-Belt bergerak. Beberapa hal yang mempengaruhi kemampuan V-Belt dalam memindahkan tenaga yaitu kecepatan V-belt, tegangan belt terhadap pulley, gesekan antara V-belt dan pulley, sudut kontak antara belt dan pulley[12]. Kecepatan V- Belt dirancang untuk 10 sampai 20 (m/s) dan maksimal sampai 25 (m/s). Ketika pemakaian besarnya tegangan belt pasti mengalami perubahan panjang antara sisi kendor dan sisi tegang. Proses menyamakan kembali perubahan panjang yang berbeda menimbulkan gerakan relative dari belt pada pulley. Gerakan ini dinamakan slip kemuluran. Berikut persamaan 2.4 dan persamaan 2.5 yang dipakai untuk menentukan berapa persen slip kemuluran.
% 𝑆𝑙𝑖𝑝 =𝑆𝑒𝑙𝑖𝑠𝑖ℎ 𝑃𝑢𝑡𝑎𝑟𝑎𝑛
𝑛𝑇 100% (2.4)
% 𝑆𝑙𝑖𝑝 =𝑛𝑇−𝑛𝐴
𝑛𝑇 100% (2.5)
Keterangan :
𝑛𝑇 = Kecepatan Teoritis (rpm) 𝑛𝐴 = Kecepatan Aktual (rpm)
2.8. Pengukuran RPM
Pengukuran Revolutions Per Minute (rpm) dilakukan untuk memantau kecepatan generator dan motor penggerak. Masing – masing perangkat ini mengirim data kecepatan dalam bentuk pulsa digital yaitu “1” atau “0”. Ada dua metode untuk menentukan rpm yaitu metode pengukuran frekuensi dan metode pengukuran periode.
2.8.1. Metode Pengukuran Frekuensi[15]
Metode ini merupakan metode untuk mencari rpm dengan mengetahui frekuensi pulsa terlebih dahulu. Pengukuran rpm dapat menggunakan persamaan 2.6 dan persamaan 2.7.
𝑅𝑃𝑀 = (𝐹𝑟𝑒𝑘𝑢𝑒𝑛𝑠𝑖 𝑑𝑒𝑛𝑦𝑢𝑡 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑝𝑢𝑙𝑠𝑎/𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘)×(60𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘/𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡)
𝑃𝑢𝑙𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟/𝑝𝑢𝑡𝑎𝑟𝑎𝑛 =𝑃𝑢𝑡𝑎𝑟𝑎𝑛
𝑀𝑒𝑛𝑖𝑡 (2.6)
𝑅𝑃𝑀 = 𝐹𝑟𝑒𝑘𝑢𝑒𝑛𝑠𝑖×60
𝑃𝑃𝑅 (2.7)
Keterangan :
PPR = Pulse Per Revolutions
Dalam penelitian ini, sensor yang digunakan adalah sensor yang mendeteksi ada tidaknya medan Magnet. Oleh karena itu, magnet menjadi PPR. Banyaknya magnet berarti jumlah pulsa yang dideteksi sensor setiap 1 putaran semakin banyak. Metode ini akan berlaku baik ketika nilai putaran berlangsung secara cepat.
2.8.2. Metode Pengukuran Periode[15]
Metode ini merupakan metode untuk mencari rpm dengan mengetahui periode terlebih dahulu. Periode adalah waktu yang dibutuhkan untuk satu kali putaran. Dimana periode merupakan waktu dari awal satu pulsa ke awal pulsa berikutnya. Pengukuran rpm dapat menggunakan persamaan 2.8.
𝑅𝑃𝑀 = 60
𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑒 𝑃𝑢𝑙𝑠𝑎 ×𝑃𝑃𝑅 (2.8) Keterangan :
PPR = Pulse Per Revolutions
Dalam penelitian ini, sensor yang digunakan adalah sensor yang mendeteksi ada tidaknya medan Magnet. Oleh karena itu, magnet menjadi PPR. Hubungan frekuensi dan periode dapat dilihat pada persamaan 2.9.
𝐹𝑟𝑒𝑘𝑢𝑒𝑛𝑠𝑖 = 1
𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑒 (2.9)
2.9. Mikrokontroler ATmega328
Mikrokontroler ATmega328 mempunyai tegangan operasi 1,8 sampai 5,5V dengan kisaran suhu -40°C sampai 85°C. ATmega328 ini memiliki memori 32KB memori flash, 1KB EEPROM, 2KB SRAM. Selain itu, mikrokontroler ini juga mendukung komunikasi USART, SPI dan TWI/I2C. ATmega328 memiliki Timer/Counter 1 16-bit dan Timer/Counter 2 8-bit[16]. Berikut letak pin pada ATmega328 dapat dilihat pada Gambar 2.4. dan konfigurasi pin ATmega328 dapat dilihat pada Tabel 2.1.
Gambar 2.4. Letak pin atmega328[17]
Tabel 2.1. Konfigurasi pin atmega328[16]
No.PIN Nama PIN Deskripsi
7 VCC Sebagai catu daya
8, 22 GND Sebagai ground
14, 15, 16, 17, 18, 19, 9, 10
Port B (PB7:0) Pada port B, semua pin memiliki resistor pull up internal yang dapat digunakan untuk 8 bit I/O digital. Pin PB6 dan PB7 terhubung kristal 16MHz dan tidak dapat digunakan untuk I/O. Pin PB1 sampai PB3 digunakan untuk output dari PWM.
23, 24, 25, 28, 1
Port C (PC6:0) Pada port C, semua pin memiliki resistor pull up internal yang dapat digunakan untuk 7bit I/O analog. Pin PC6 tidak dapat digunakan sebagai I/O tetapi dapat digunakan sebagai input reset.
2, 3, 4, 5, 6, 11, 12, 13
Port D (PD7:0) Pada port D, semua pin memiliki resistor pull up internal yang dapat digunakan untuk 8bit I/O digital. Pin PD3 dapat digunakan sebagai output PWM.
20 AVcc Sebagai catu daya untuk konversi data analog ke digital.
21 Aref Sebagai catu daya referensi untuk konversi data analog ke digital.
2.9.1. Arduino Nano
Arduino nano merupakan arduino yang dapat diaktifkan melalui koneksi USB Mini-B, catu daya eksternal dari 6 sampai 20V di pin 30 atau catu daya 5V di pin 27.
Sumber daya akan otomatis dipilih ke sumber tegangan tertinggi. Arduino nano ini menggunakan mikrokontroler ATmega328[18]. Berikut spesifikasi Arduino Nano dapat dilihat pada Tabel 2.2.
Tabel 2.2. Spesifikasi arduino nano[19]
Spesifikasi Keterangan
Mikrokontroler ATmega328
Jumlah pin digital I/O 14 Jumlah pin input analog 8
Jumlah Pin PWM 6
Pin LED bawaan 13
Mendukung komunikasi UART, I2C, SPI
Tegangan I/O 5V
Tegangan Operasi 7 – 12V
Daya arus DC setiap pin I/O 20mA
Clock speed 16MHz
Memori 2KB SRAM, 32KB flash, 1KB EEPROM
Arduino nano memiliki 14 pin digital yang berfungsi sebagai input atau output yang dapat dijalankan dengan menggunakan fungsi pinMode(), digitalWrite(), dan digitalRead().
Setiap pin memberi atau menerima arus maksimum 40mA dan mempunyai resistor pull-up internal sebesar 20-50kOhm. Beberapa pin digital pada Arduino nano ini memiliki fungsi khusus yaitu,
1. Seri : 0 (RX) dan 1 (TX)
Pin ini digunakan untuk menerima dan mengirimkan data serial TTL. Pin 0 (RX) digunakan untuk menerima dan pin 1 (TX) untuk mengirim. Pin ini terhubung ke pin yang sesuai dari chip Serial FTDI USB-to-TTL.
2. Interupsi Eksternal : 2 dan 3
Pin ini digunakan untuk memicu interupsi baik interupsi pada nilai rendah, tepi naik atau interupsi tepi turun atau interupsi ketika terjadi perubahan nilai.
3. PWM : 3, 5, 6, 9, 10, dan 11
Pin ini berfungsi untuk menyediakan output PWM 8-bit dengan fungsi analogWrite().
4. SPI : 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Pin ini digunakan untuk mendukung komunikasi SPI.
5. LED : 13
Pin ini terhubung dengan built-in LED.
Arduino nano juga memiliki 8 pin analog yang memberi resolusi 10 bit. Beberapa pin analog mempunyai fungsi khusus yaitu pada pin A4 (SDA) dan A5 (SCL). Pin ini mendukung komunikasi I2C (TWI) menggunakan perpustakaan Wire. Pin A6 dan A7 tidak
dapat digunakan untuk pin digital. Beberapa pin lain dipapan arduino nano yaitu pin AREF dan RESET.
Arduino nano dapat melakukan komunikasi dengan komputer, arduino lain atau mikrokontroler lainnya. ATmega328 menyediakan komunikasi serial UART TTL (5V) dan mendukung komunikasi I2C (TWI) dan SPI. Pustaka SoftwareSerial memungkinkan komunikasi serial pada salah satu pin digital Nano[18].
Gambar 2.5. Diagram pinout arduino nano[18]
2.9.2. Komunikasi SPI[20]
Serial Peripheral Interface (SPI) merupakan protokol data serial sinkron untuk berkomunikasi jarak pendek dengan menggunakan satu atau lebih perangkat peripheral.
Untuk menggunakan SPI diperlukan library #include <SPI.h>. Beberapa pin yang digunakan dalam komunikasi SPI yaitu,
1. MISO (Master In Slave Out) : merupakan jalur pengiriman data ke master yang dipakai oleh slave.
2. MOSI (Master Out Slave In) : merupakan jalur pengiriman data ke peripheral yang dipakai oleh master.
3. SCK (Serial Clock) : merupakan pulsa clock yang dihasilkan oleh master untuk sinkronisasi transmisi data.
4. (Slave Select) : merupakan pin untuk mengaktifkan atau menonaktifkan perangkat slave. Pin SS aktif rendah.
2.9.3. Komunikasi UART[21]
Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) merupakan komunikasi serial yang digunakan untuk komunikasi antar arduino, komputer atau perangkat lain. Pada arduino nano, pin serial berada pada pin D0 (RX) dan pin D1 (TX). Disini, komunikasi UART digunakan untuk komunikasi dari Mikrokontroler 2 ke GUI, Mikrokontroler 1 ke Mikrokontroler 2 dan Mikrokontroler 2 ke Mikrokontroler Master. Akan tetapi, ATmega328 hanya memiliki 2 pin untuk komunikasi UART. Oleh karena itu, komunikasi dapat dilakukan dengan menggunakan library SoftwareSerial pada Arduino IDE yang mendukung komunikasi serial pada pin digital.
2.9.4. Komunikasi I2C[22]
Inter Integrated Circuit (I2C) merupakan protokol komunikasi serial antar IC. I2C terdiri atas SCL (Serial Clock) dan SDA (Serial Data). Sistem I2C dapat dioperasikan sebagai master atau slave. Master merupakan perangkat yang memulai komunikasi pada I2C dan slave merupakan perangkat yang bertugas untuk merespon perintah yang diberikan master.
2.10. RS-485[23]
Komunikasi RS-485 menggunakan MAX485 menghasilkan transceivers berdaya rendah. MAX485 dibuat untuk aplikasi half-duplex yang memiliki kecepatan mengirim dan menerima data hingga 2,5Mbps. Komunikasi ini dapat menjangkau hingga 4000 kaki.
MAX485 mempunyai impedansi input penerima yaitu 12𝑘𝛺 standar. Pin RO dan DI dihubungkan pada pin serial yaitu pin TX2 dan RX2.
Spesifikasi RS-485 MAX485
Tegangan supply (VCC) : 12V
Tegangan control input (𝑅𝐸̅̅̅̅, DE) : -0,5V sampai (VCC + 0,5V) Tegangan driver input (A, B) : -0,5V sampai (VCC + 0,5V) Tegangan driver output (A, B) : -8V sampai 12,5V
Tegangan input penerima (A, B) :-8V sampai 12,5V
Tegangan output penerima (A, B) : -0,5V sampai (VCC + 0,5V) Disipasi daya kontinu : ( TA = +70°C)
Berikut deskripsi pin RS-485 MAX485 dapat dilihat pada Tabel 2.3.
Tabel 2.3. Deskripsi pin RS-485 MAX485[23]
PIN NAMA DESKRIPSI
DIP/SO MAX
1 3 RO Berfungsi sebagai penerima data. RO bernilai 1 jika A lebih besar dari B sebesar 200mV dan sebaliknya
2 4 𝑅𝐸̅̅̅̅ Berfungsi sebagai pin yang mengaktifkan pin RO. Ketika 𝑅𝐸̅̅̅̅ bernilai rendah maka RO akan aktif.
3 5 DE Berfungsi sebagai pin driver output enable yang akan aktif ketika DE bernilai 1.
4 6 DI Sebagai pin jalur pengiriman data
5 7 GND Sebagai ground
6 8 A Noninverting receiver input dan noninverting driver output
7 1 B Inverting receiver input dan inverting driver output 8 2 VCC Sebagai pin catu daya positif dengan rentang 4,75𝑉 ≤
𝑉𝐶𝐶 ≤ 5,25𝑉
2.11. LCD 16x2 dan Modul I2C
Liquid Cristal Display (LCD) merupakan komponen elektronika untuk menampilkan data yang dapat berupa karakter, huruf ataupun grafik [24]. Disini LCD akan di hubungkan dengan mikrokontroler. Untuk menghemat jumlah pin maka digunakan modul I2C. Modul ini hanya menggunakan pin SDA dan SCL pada mikrokontroler yang terletak pada pin A4 dan A5 [18].
2.12. RTC DS1302[25]
Modul real-time clock (RTC) DS1302 merupakan modul yang terdiri dari chip DS1302 yang dilengkapi dengan crystal 32 kHz dan cadangan baterai. DS1302 adalah chip pengatur waktu yang mengelola semua fungsi ketepatan waktu. Chip ini berisi jam/kalender real-time yang memberi informasi mengenai detik, menit, jam, hari, tanggal dan bulan serta tahun. Selain itu, chip ini juga berisi 31 byte RAM statis. RTC DS1302 dapat bekerja pada tegangan 5V dengan suhu operasional -40°C sampai +85°C.
Antarmuka DS1302 disederhanakan melalui komunikasi serial sinkron sehingga hanya memerlukan 3 kabel untuk berkomunikasi dengan jam/RAM yaitu kabel untuk CE, I/O (jalur data), dan SCLK (jam serial). Untuk menghubungkan mikrokontroler dan RTC DS1302 tidak memerlukan pin khusus, cukup perhatikan fungsi dari masing – masing pin.
Berikut tabel mengenai pin yang ada di RTC DS1302 dan fungsinya dapat dilihat di Tabel 2.4.
Tabel 2.4. Pin RTC ds1302 dan fungsinya [25]
No. PIN Nama PIN Fungsi PIN
1 VCC2 Pada konfigurasi catu daya ganda, pin ini merupakan catu daya utama. DS1302 memilih sumber tegangan terbesar untuk menjadikannya sebagai sumber yang menggerakkan DS1302. Ketika VCC2 lebih besar dari VCC1 + 0,2V maka VCC2 yang akan menjadi sumber yang menggerakkan DS1302.
2 X1 Pada konfigurasi ini, pin X1 terhubung ke sinyal osilator eksternal sedangkan pin X2 melayang.
3 X2
4 GND Ground
5 CE (Chip
Enable)
Sebagai input. Ketika membaca dan menulis, sinyal CE bernilai tinggi.
6 I/O Sebagai pin input/output push-pull. Pin ini merupakan antamuka 3 kabel.
7 SCLK (Serial Clock)
Sebagai input. Pada antarmuka serial, pin ini berfungsi untuk menyinkronkan pergerakan data.
8 VCC1 Pin ini terhubung ke sumber energi yang dapat diisi ulang.
2.13. SD-Card dan Modul SD-Card[26]
Dalam sistem pengukuran kecepatan putaran generator dan motor penggerak terdapat fitur yang berfungsi sebagai penyimpanan semua data pengukuran kecepatan putaran. Data ini akan disimpan didalam SD-Card dengan memory card tipe microSD dengan kapasitas 8 GB. Berikut konfigurasi pin mode SPI pada Tabel 2.5. Pada mikrokontroler arduino nano, SPI terletak pada pin 10 (SS), pin 11 (COPI), pin 12(PICO), dan pin 13 (SCK).
Tabel 2.5. Konfigurasi pin mode SPI[26]
No. PIN Nama PIN Mode SPI
1 RSV Reserved
2 CS Chip Select
3 DI Pin data input
4 VDD Tegangan suplai
5 SCLK Serial Clock
6 VSS Pin Ground
7 D0 Pin data output
8 RSV Reserved
2.14. Python[27]
Pada pengujian ini, python akan digunakan untuk membuat GUI dengan menggunakan Library tkinter. GUI digunakan sebagai interface untuk monitor data
pengukuran. Python adalah bahasa pemrograman multiguna dan berfokus pada tingkat keterbacaan kode.
19
BAB III
RANCANGAN PENELITIAN
3.1. Diagram Blok Sistem
Pada Gambar 3.1. ditunjukkan diagram blok sistem yang terdiri atas komunikasi serial antar mikrokontroler. Bagian utama program ini terletak pada Mikrokontroler 1 dan Mikrokontroler 2. Mikrokontroler 1 dan Mikrokontroler 2 menggunakan ATmega328.
Pada Mikrokontroler 1, program akan berjalan ketika ada masukan dari Mikrokontroler 2 bahwa tombol telah ditekan. Setelah itu, Mikrokontroler 1 mendapat masukan dari modul hall-effect yang datanya akan diolah dan diberikan ke Mikrokontroler 2. Modul hall-effect memberikan nilai pembacaan pengukuran kecepatan putaran motor penggerak. Pada Mikrokontroler 2, terjadi pengolahan data yang lebih kompleks yaitu terdapat masukan dari tombol, modul hall-effect, data kecepatan putaran dari Mikrokontroler 1 dan RTC sebagai sumber pewaktuan pengambilan data. Pada Mikrokontroler 2 ini, modul hall-effect memberikan hasil pembacaan pengukuran kecepatan putaran generator. Hasil pengolahan data dari Mikrokontroler 2 akan ditampilkan melalui LCD, disimpan di SD-Card, dan dikontrol melalui GUI serta diberikan ke Mikrokontroler Master melalui protokol komunikasi RS-485.
Gambar 3.1. Diagram blok sistem
3.2. Perancangan Perangkat Keras
Pada Gambar 3.2. ini digambarkan model perancangan alat. Pengukuran generator dan motor penggerak dilakukan dengan 2 Mikrokontroler dikarenakan kabel yang sulit menyampaikan data dengan jarak jauh. Mikrokontroler 1 memiliki perangkat terhubung berupa modul hall-effect. Mikrokontroler 2 memiliki perangkat terhubung berupa modul hall-effect, komunikasi dengan Mikrokontroler 1 dan Mikrokontroler Master, rtc, sd-card, lcd dan tombol. Pembebanan lebih banyak pada Mikrokontroler 2 karena dibutuhkan data lengkap untuk menyimpan, pewaktuan, penampilan sehingga harus ditempatkan pada 1 posisi yang diterapkan pada Mikrokontroler 2. Generator dan motor penggerak memiliki diameter ukuran poros yang kecil sehingga magnet akan ditempelkan pada pulley yang terhubung langsung dengan poros. Oleh karena itu, perancangan alat akan dibuat di depan pulley dengan posisi tiang generator disebelah kanan diameter pulley dan tiang motor disebelah kiri diameter pulley. Posisi magnet memperhatikan area aktif modul hall-effect.
Gambar 3.2 Model perancangan alat
3.2.1. Mikrokontroler 1
Alat ini dirancang untuk mengukur kecepatan putaran motor penggerak dalam satuan Revolutions Per Minute (RPM). Disini, modul hall-effect akan mendeteksi ada tidaknya medan magnet di sekitarnya dengan mengirim data berupa “0” ketika ada medan magnet dan “1” ketika tidak ada medan magnet. Kemudian, Mikrokontroler 1 akan menghitung waktu yang dibutuhkan untuk 1 kali putaran yaitu ketika medan magnet terdeteksi lalu medan magnet tidak terdeteksi dan magnet terdeteksi kembali. Rangkaian antara pin pada Mikrontroler 1 dan modul hall-effect mengacu pada subbab 2.2. Berikut
rangkaian antara pin pada Mikrontroler 1 dan modul hall-effect dapat dilihat pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3. Rangkaian mikrokontroler 1 ke modul hall-effect
3.2.2. Mikrokontroler 2
Pada tahap ini, digambarkan desain mikrokontroler 2 yang terdiri dari bagian input dan output. Pada bagian input terdiri dari tombol, modul hall-effect, data kecepatan putaran dari Mikrokontroler 1 dan RTC. Kemudian, bagian output terdiri dari SD-Card, LCD, GUI dan protokol komunikasi RS485 untuk ke Mikrokontroler Master.
1. Rangkaian Mikrokontroler 2 ke Push Button
Alat ini dirancang untuk pemicu mulainya program yang bekerja pada Mikrokontroler 1 dan Mikrokontroler 2. Rangkaian antar pin Mikrokontroler 2 dan push button ini dihubungkan pada pin yang belum digunakan yaitu pin analog. Data yang didapat dari push button berupa data analog. Pada arduino nano, sesuai subbab 2.9.1 setiap pin terdapat resistor pull-up internal. Oleh karena itu, rangkaian antara Mikrokontroler 2 dan push button tidak memerlukan resistor lagi sehingga akan ada perubahan yang di buat di Bab 4. Berikut rangkaian antara pin pada Mikrontroler 2 dan push button dapat dilihat pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4. Rangkaian mikrokontroler 2 ke push button
2. Rangkaian Mikrokontroler 2 ke Modul Hall-Effect
Alat ini dirancang untuk mengukur kecepatan putaran generator dalam satuan Revolutions Per Minute (RPM). Disini, modul hall-effect akan mendeteksi ada tidaknya magnet di sekitarnya dengan mengirim data berupa “0” ketika ada medan magnet dan “1” ketika tidak ada magnet. Kemudian, Mikrokontroler 2 akan menghitung waktu yang dibutuhkan untuk 1 kali putaran yaitu ketika medan magnet terdeteksi lalu medan magnet tidak terdeteksi dan magnet terdeteksi kembali. Rangkaian antara pin pada Mikrontroler 2 dan modul hall-effect mengacu pada subbab 2.2. Berikut rangkaian antara pin pada Mikrontroler 2 dan modul hall- effect dapat dilihat pada Gambar 3.5.
Gambar 3.5. Rangkaian mikrokontroler 2 ke modul hall-effect 3. Rangkaian Mikrokontroler 2 ke RTC DS1302
Alat ini dirancang untuk memenuhi kebutuhan sistem pewaktuan ketika pengambilan data. Sistem pewaktuan ini menyajikan data waktu berupa detik, menit, jam, hari, tanggal dan bulan serta tahun di setiap pengukuran data kecepatan putaran. Berikut Gambar 3.6 memperlihatkan rangkaian antara pin pada Mikrontroler 2 dan RTC DS1302. Rangkaian ini mengacu pada Tabel 2.4.
Gambar 3.6. Rangkaian mikrokontroler 2 ke RTC 4. Rangkaian Mikrokontroler 2 ke Mikrokontroler 1
Alat ini dirancang untuk menghubungkan Mikrokontroler 2 dan Mikrokontroler 1 agar dapat saling berkomunikasi. Mikrokontroler 1 memberikan data kecepatan
putaran motor penggerak. Komunikasi Mikrokontroler 2 dan Mikrokontroler 1 dilakukan dengan komunikasi UART. Berikut Gambar 3.7. memperlihatkan hubungan antar pin Mikrokontroler 2 dan Mikrokontroler 1. Pada Mikrokontroler 1, pin D4 sebagai TX dan pin D5 sebagai RX. Pada Mikrokontroler 2, pin D4 sebagai TX dan pin D5 sebagai RX.
Gambar 3.7. Rangkaian mikrokontroler 2 ke mikrokontroler 1 5. Rangkaian Mikrokontroler 2 ke modul SD-Card
Alat ini dirancang untuk menyimpan hasil pengolahan data pada Mikrokontroler 2.
Data yang dikirim berupa waktu, data kecepatan putaran generator dan motor penggerak dengan format csv. Berikut Gambar 3.8 menampilkan hubungan antara pin Mikrokontroler 2 dan modul SD-Card yang mengacu pada Tabel 2.5.
Gambar 3.8. Rangkaian mikrokontroler 2 ke modul sd-card 6. Rangkaian Mikrokontroler 2 ke modul I2C
Alat ini dirancang untuk menampilkan hasil pengolahan data kecepatan putaran generator dan motor penggerak. Berikut Gambar 3.9. menampilkan hubungan antara pin mikrokontroler 2 dan modul I2C yang mengacu pada subbab 2.11.
Gambar 3.9. Rangkaian mikrokontroler 2 ke modul I2C 7. Rangkaian Mikrokontroler 2 ke Mikrokontroler Master
Alat ini dirancang untuk komunikasi serial antara Mikrokontroler 2 dan Mikrokontroler Master. Komunikasi ini membutuhkan RS-485 sebagai sarana komunikasi serial jarak jauh. Data yang dikirimkan berupa waktu, data kecepatan putaran generator dan motor penggerak. Gambar Rangkaian Mikrokontroler 2 dan Mikrokontroler Master mengacu pada Tabel 2.3. dan dapat dilihat pada Gambar 3.10.
Gambar 3.10. Rangkaian mikrokontroler 2 ke mikrokontroler master 8. Rangkaian Mikrokontroler 2 ke Laptop(GUI)
Alat ini dirancang untuk komunikasi serial antara Mikrokontroler 2 dan Laptop(GUI). Mikrokontroler 2 dan Laptop(GUI) dihubungkan dengan port USB Mini-B. Data yang dikirimkan yaitu waktu berupa jam, menit dan detik. Selain data waktu, data kecepatan putaran generator dan motor penggerak juga dikirimkan ke Laptop(GUI). Komunikasi ini menggunakan komunikasi UART yaitu menggunakan pin D0 (RX) dan pin D1 (TX). Tidak perlu pemasangan kabel pada pin D0 dan D1 karena secara otomatis pin D0 dan D1 adalah jalur komunikasi serial ke Laptop.
3.3. Perancangan Perangkat Lunak
Pada tahap ini, dilakukan perancangan perangkat lunak yang terdiri dari beberapa bagian yaitu diagram alir cara kerja sistem, program utama Mikrokontroler 1, program utama Mikrokontroler 2, perhitungan putaran, perancangan komunikasi dan tampilan GUI pada aplikasi python.
3.3.1. Diagram Alir Cara Kerja Sistem
Dalam pembuatan sistem pengukuran ini terdapat 2 program utama yaitu program utama pada Mikrokontroler 1 dan program utama pada Mikrokontroler 2. Kedua program ini akan bekerja secara bersamaan setelah tombol mulai pada Mikrokontroler 2 ditekan.
Pada Mikrokontroler 1, modul hall-effect akan mengambil nilai kecepatan putaran motor penggerak. Data tersebut akan diberikan pada Mikrokontroler 2 setiap Mikrokontroler 2 meminta data putaran motor penggerak. Pada waktu yang sama, Mikrokontroler 2 mengambil nilai kecepatan putaran poros generator dan meminta data putaran motor penggerak pada Mikrokontroler 1. Setelah itu, data akan ditampilkan pada LCD, disimpan di SD-Card, dikontrol melalui GUI dan diberikan pada Mikrokontroler Master.
3.3.2. Program Utama Mikrokontroler 1
Program utama Mikrokontroler 1 hanya menjelaskan program yang bekerja pada Mikrokontroler 1. Program ini diawali dengan inisialisasi variabel dan inisialisasi interupsi yang dibutuhkan. Setelah itu, Mikrokontroler 1 akan mendapat inputan bahwa tombol mulai sudah ditekan dari Mikrokontroler 2. Kemudian, program akan menjalankan subrutin baca sensor 1. Lalu, Mikrokontroler 1 akan mengecek apakah mikrokontroler 2 meminta data putaran. Jika ada permintaan maka program akan mengirimkan data kecepatan putaran motor penggerak ke mikrokontroler 2 lalu selesai. Jika tidak ada permintaan maka program akan langsung selesai. Diagram Program Utama Mikrokontroler 1 dapat dilihat pada Gambar 3.11.
Gambar 3.11. Diagram program utama mikrokontroler 1 1. Subrutin Baca Sensor 1
Subrutin baca sensor ini diawali dengan input dari pembacaan modul hall-effect berupa “1” atau “0”. Modul hall-effect bernilai “1” ketika melakukan satu putaran dan akan berubah menjadi “0” ketika melakukan satu putaran lagi dan begitu seterusnya. Setelah pembacaan, Mikrokontroler 1 akan menghitung waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu putaran. Kemudian, data waktu tersebut akan dikonversi menjadi nilai rpm. Lalu, program akan kembali ke program utama Mikrokontroler 1. Diagram Subrutin Baca Sensor 1 dapat dilihat pada Gambar 3.12.
Gambar 3.12. Diagram subrutin baca sensor 1
3.3.3. Program Utama Mikrokontroler 2
Program utama Mikrokontroler 2 hanya menjelaskan program yang bekerja pada Mikrokontroler 2. Program ini diawali dengan inisialisasi variabel dan inisialisasi interupsi yang dibutuhkan. Kemudian, Mikrokontroler 2 akan mengecek apakah tombol mulai sudah ditekan. Jika tombol belum ditekan maka akan dilakukan inisialisasi variabel lagi. Jika tombol sudah ditekan maka data tombol akan dikirimkan ke Mikrokontroler 1. Setelah itu, Mikrokontroler 2 akan mengecek apakah modul SD-Card sudah bekerja. Jika belum bekerja maka program akan melakukan inisialisasi variabel ulang. Jika sudah bekerja maka program akan berjalan ke subrutin baca sensor 2. Lalu, program akan berjalan ke subrutin data putaran motor. Setelah itu data akan disimpan di SD-Card dan dikirim ke GUI.
Selanjutnya, program akan menjalankan subrutin data ke Mikrokontroler Master dan program selesai. Diagram Program Utama Mikrokontroler 2 dapat dilihat pada Gambar 3.13.
Gambar 3.13. Diagram program utama mikrokontroler 2
1. Subrutin Baca Sensor 2
Data modul hall-effect didapat dari data kecepatan putaran generator. Berikut diagramnya dapat dilihat pada Gambar 3.14.
2. Subrutin Data Putaran Motor
Subrutin data putaran motor ini diawali dengan adanya proses Mikrokontroler 2 meminta data kecepatan putaran motor penggerak ke Mikrokontroler 1. Setelah itu, Mikrokontroler 2 akan mengecek apakah ada data kecepatan putaran motor penggerak yang dikirim oleh Mikrokontroler 1. Jika tidak ada data yang dikirim maka program akan menampilkan data kecepatan putaran motor penggerak sebelumnya dan data kecepatan putaran generator di LCD. Jika ada data yang dikirim maka program akan menampilkan data kecepatan putaran motor penggerak terbaru dan data kecepatan putaran generator di LCD. Kemudian program berjalan
kembali ke program utama Mikrokontroler 2. Diagram subrutin data putaran motor dapat dilihat pada Gambar 3.15.
Gambar 3.14 Diagram subrutin baca sensor 2
Gambar 3.15 Diagram subrutin data putaran motor
3. Subrutin Data ke Mikrokontroler Master
Subrutin data ke Mikrokontroler Master ini diawali dengan adanya inputan dari Mikrokontroler Master yang meminta data kecepatan putaran motor penggerak dan generator. Setelah itu, Mikrokontroler 2 akan mengirimkan dari putaran ke Mikrokontroler Master. Kemudian program ini kembali berjalan sesuai program utama Mikrokontroler 2. Diagram subrutin data ke mikrokontroler master dapat dilihat pada Gambar 3.16.
Gambar 3.16. Diagram subrutin data ke mikrokontroler master
3.4. Perhitungan Putaran
Perhitungan putaran yang dilakukan oleh sensor hall-effect mengacu pada subbab 2.8. Perhitungan ini dilakukan dengan memperhatikan PPR(Pulse Per Revolutions).
Konsep PPR dapat dilihat pada Gambar 3.17.
Gambar 3.17. Konsep PPR
Pada Gambar 3.17 dapat dilihat bahwa PPR merupakan banyaknya pulsa dalam satu putaran. Jumlah pulsa keluaran untuk satu putaran sama dengan jumlah magnet yang dipasang pada pulley. Penelitian ini menggunakan 1 buah magnet yang diletakkan pada pulley generator dan pulley motor penggerak. Oleh karena itu, dalam satu putaran terdapat 1 PPR. Ada 2 metode perhitungan RPM yaitu metode pengukuran frekuensi dan metode pengukuran periode.
3.4.1. Metode Pengukuran Frekuensi
Metode pengukuran rpm ini menggunakan persamaan 2.7 yaitu rpm adalah banyak putaran per menit yang dapat dilihat pada Gambar 3.18.
Gambar 3.18. Metode pengukuran frekuensi Jika dimisalkan dalam 1 menit ada 60 putaran maka didapat,
𝑅𝑃𝑀 =𝐵𝑎𝑛𝑦𝑎𝑘 𝑝𝑢𝑡𝑎𝑟𝑎𝑛 1 𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡
𝑅𝑃𝑀 = 60
1 = 60rpm
Dengan menggunakan persamaan 2.9 𝑓 = 1
𝑇
𝑓 =60
60 = 1𝐻𝑧
Dari hasil diatas didapat persamaan untuk menghitung rpm menurut metode pengukuran frekuensi yaitu persamaan 2.8.
𝑅𝑃𝑀 =𝑓×60
𝑃𝑃𝑅
𝑅𝑃𝑀 =1 ×60
1 = 60𝑟𝑝𝑚
Jadi dalam penggunaan metode pengukuran frekuensi di perlukan waktu yang lama yaitu 1 menit atau 60 detik.
3.4.2. Metode Pengukuran Periode
Periode merupakan waktu dari awal satu pulsa sebelumnya ke awal pulsa berikutnya. Metode ini dilakukan dengan menghitung periode yang dibutuhkan untuk satu putaran. Perhitungan satu periode dapat dilihat pada Gambar 3.19.
Gambar 3.19 Metode pengukuran periode
Periode dapat dicari dengan awal pulsa waktu terbaru (B) dikurang dengan awal pulsa waktu sebelumnya (A) maka periode pada Gambar 3.19 adalah sebagai berikut,
𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑒 = 𝐵 − 𝐴 = 2 − 1 = 1𝑠
Selanjutnya, metode ini menggunakan persamaan 2.6 untuk mencari nilai rpm.
𝑅𝑃𝑀 = 60
𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑒×𝑃𝑃𝑅
= 60
1×1
= 60 𝑟𝑝𝑚
Metode ini memiliki kekurangan dimana tidak ada batas waktu untuk menghentikan perhitungan jika tidak ada putaran dalam waktu lama.
Dari beberapa metode pengukuran di atas, maka penelitian ini akan melakukan pengukuran putaran dengan menggunakan metode periode. Disini akan dibuat batas waktu 6s. Jika tidak ada putaran dalam waktu 6s maka akan dinyatakan nilai rpmnya nol. Untuk
pewaktuan tersebut akan dilakukan dengan menggunakan timer interrupt. Berikut gambar ketika rpm bernilai nol dapat dilihat pada Gambar 3.20.
Gambar 3.20. Keadaan rpm nol
Dari Gambar 3.20. dapat diketahui bahwa nilai rpm terkecil yang dapat diukur berdasarkan persamaan 2.6.
𝑅𝑃𝑀 = 60
𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑒 𝑃𝑢𝑙𝑑𝑎 𝑥 𝑃𝑃𝑅 = 60
6 𝑥 1= 10𝑟𝑝𝑚
Pewaktuan ini akan dilakukan dengan fungsi time microsecond.
3.5. Perancangan Komunikasi
Pada perancangan ini terdapat komunikasi serial antar mikrokontroler yaitu Mikrokontroler 1 dengan Mikrokontroler 2, dan Mikrokontroler 2 dengan Mikrokontroler Master. Disini Mikrokontroler 1 dan Mikrokontroler 2 dapat menjadi transmitter atau receiver. Oleh karena itu, diperlukan sebuah tanda untuk membedakan bentuk datanya.
Berikut ilustrasi mengenai perancangan komunikasi ini dapat dilihat pada Gambar 3.21.
Gambar 3.21. Komunikasi alat
3.6. Tampilan GUI
Pada awal program, tampilan GUI dapat dilihat pada Gambar 3.22. Kondisi ini dianggap bahwa Mikrokontroler 2 telah terhubung dengan GUI (Laptop). Kemudian, jika
program sudah bekerja dan mendapatkan data putaran motor penggerak, generator dan pewaktuan maka ketika tombol “Grafik” ditekan akan tampil grafik kecepatan putaran generator dan motor penggerak berdasarkan waktu yang dapat dilihat pada Gambar 3.23.
Gambar 3.22. Tampilan depan GUI
Gambar 3.23. Tampilan dalam GUI
