BAB II
TEORI DASAR
2.1 Photovoltaic
Photovoltaic adalah alat yang secara langsung mengubah energi cahaya menjadi energi listrik dan dapat digunakan sebagai pembangkit listrik. Irradiance adalah perubahan jumlah radiasi matahari dipermukaan panel surya(kW/m2). Kerapatan radiasi dari matahari dibagian terluar atmosfir adalah 1.373 kW/m2, tetapi kerapatan puncak dari matahari yang sampai ke permukaan bumi adalah 1 kW/m2. Pengukuran dari perubahan radiasi matahari mengggunakan pyranometer untuk radiasi secara umum atau sebuah pyrheliometer untuk radiasi langsung[2].
Elemen dasar dari sebuah panel surya adalah sel surya yang mengubah secara langsung energi matahari menjadi energi listrik. Ciri khas sel surya terdiri dari sebuah PN junction yang dibentuk dari semikonduktor yang mirip dengan sebuah dioda. Bahan semikonduktoe yang paling banyak digunakan dalam sel surya adalah silikon[2]. Ada beberapa jenis-jenis sel surya seperti:
1. Mono-crystalline silicon cells
tipe dan mendoping fosfor untuk membuat tipe n dengan suhu antara 800oC dan 900oC[3].
2. Polycrystalline silicon cells
Silikon dileburkan kedalam wadah kuarsa dan dituangkan ke sebuah wadah berbentuk kubus. Melalui pemanasan dan pendinginan yang dikontrol, dan pendinginan secara merata dalam satu arah. Dengan tujuan untuk membentuk ukuran yang lebih kecil. Lempengan digergaji mengunakan gergaji. Penggerjajian menyebabkan hilangnya beberapa silikon dalam bentuk serbuk gergaji. Setelah pembersihan dan pendopingan posfor, lapisan anti reflektif dipasang[3].
2.1 Mikrokontroler
ATMega328 adalah mikrokontroller keluaran dari atmel yang mempunyai arsitektur RISC (Reduce Instruction Set Computer) yang dimana setiap proses eksekusi data lebih cepat dari pada arsitektur CISC (Completed Instruction Set Computer).
Mikrokontroller ATmega 328 memiliki arsitektur Harvard, yaitu memisahkan memori untuk kode program dan memori untuk data. Instruksi – instruksi dalam memori program dieksekusi dalam satu alur tunggal, dimana pada saat satu instruksi dikerjakan instruksi berikutnya sudah diambil dari memori program. Konsep inilah yang memungkinkan instruksi – instruksi dapat dieksekusi dalam setiap satu siklus clock. 32 x 8-bit register serba guna digunakan untuk mendukung operasi pada ALU (Arithmatic Logic unit) yang dapat dilakukan dalam satu siklus. 6 dari register serbaguna ini dapat digunakan sebagai 3 buah register pointer 16-bit pada mode pengalamatan tidak langsung untuk mengambil data pada ruang memori data[4].
alamat memori program terdiri dari instruksi 16-bit atau 32-bit.
Selain register serba guna di atas, terdapat register lain yang terpetakan dengan teknik memory mapped I/O selebar 64 byte. Beberapa register ini digunakan untuk fungsi khusus antara lain sebagai register control Timer/ Counter, Interupsi, ADC, USART, SPI, EEPROM dan fungsi I/O lainnya. Gambar 2.1 merupakan bentuk fisik ATmega328[4].
Gambar 2.1 Bentuk fisik ATmega328 2.2 Arduino Uno
Arduino adalah sebuah board mikrokontroller yang berbasis ATmega328. Arduino memiliki 14 pin input/output yang mana 6 pin dapat digunakan sebagai output PWM, 6 analog input, crystal osilator 16 MHz, koneksi USB, jack power, kepala ICSP, dan tombol reset. Arduino mampu men-support mikrokontroller; dapat dikoneksikan dengan komputer menggunakan kabel USB. Arduino Uno dapat dilihat seperti pada Gambar 2.2 [5].
2.2.1 Daya
Arduino dapat diberikan power melalui koneksi USB atau power supply. Powernya dipilih secara otomatis. Power supply dapat menggunakan adaptor DC atau baterai. Adaptor dapat dikoneksikan dengan mencolok jack adaptor pada koneksi port input supply. Board arduino dapat dioperasikan menggunakan supply
dari luar sebesar 6 - 20 volt. Jika supply kurang dari 7V, kadangkala pin 5V akan menyuplai kurang dari 5 volt dan board bisa menjadi tidak stabil. Jika menggunakan lebih dari 12 V, tegangan di regulator bisa menjadi sangat panas dan menyebabkan kerusakan pada board. Rekomendasi tegangan adalah 7 volt sampai 12 volt. Penjelasan pada pin power adalah sebagai berikut [5] :
- Vin
Tegangan input ke board arduino ketika menggunakan tegangan dari luar (seperti yang disebutkan 5 volt dari koneksi USB atau tegangan yang diregulasikan). Pengguna dapat memberikan tegangan melalui pin ini, atau jika tegangan suplai menggunakan power jack, aksesnya menggunakan pin ini.
- 5V
Regulasi power supply digunakan untuk power mikrokontroller dan komponen lainnya pada board. 5V dapat melalui Vin menggunakan regulator pada board, atau supply oleh USB atau supply regulasi 5V lainnya.
- 3V3
Suplai 3.3 volt didapat oleh FTDI chip yang ada di board. Arus maximumnya adalah 50mA.
- Pin Ground
Berfungsi sebagai jalur ground pada Arduino.
2.2.2 Memori
2.2.3 Input dan Output
Setiap 14 pin digital pada arduino dapat digunakan sebagai input atau output, menggunakan fungsi pinMode(), digitalWrite(), dan digitalRead(). Input/output dioperasikan pada 5 volt. Setiap pin dapat menghasilkan atau menerima maximum 40 mA dan memiliki internal pull-up resistor (disconnected oleh default) 20-50 KOhms. Beberapa pin memiliki fungsi sebagai berikut [5] :
- Serial: 0 (RX) dan 1 (TX). Digunakan untuk menerima (RX) dan mengirim (TX) TTL data serial. Pin ini terhubung pada pin yang koresponding dari USB FTDI ke TTL chip serial.
- Interupt eksternal: 2 dan 3. Pin ini dapat dikonfigurasikan untuk trigger sebuah interap pada low value, rising atau falling edge, atau perubahan nilai. - PWM: 3, 5, 6, 9, 10, dan 11. Mendukung 8-bit output PWM dengan fungsi
analogWrite().
- SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Pin ini mensuport komunikasi SPI, yang mana masih mendukung hardware, yang tidak termasuk pada bahasa arduino.
- LED: 13. Ini adalah dibuat untuk koneksi LED ke digital pin 13. Ketika pin bernilai HIGH, LED hidup, ketika pin LOW, LED mati.
2.2.4 Piranti Komunikasi Arduino
melalui chip USB-to-serial dan koneksi USB ke komputer (tetapi tidak untuk komunikasi serial pada pin 0 dan 1). Sebuah perpustakaan SoftwareSerial memungkinkan untuk komunikasi serial pada setiap pin digital Uno itu. ATmega328 ini juga mendukung komunikasi I2C (TWI) dan SPI. Perangkat lunak Arduino termasuk perpustakaan Kawat untuk menyederhanakan penggunaan dari bus I2C.
2.2.5 Pemrograman Arduino
Arduino board merupakan perangkat yang berbasiskan mikrokontroler. Perangkat lunak (software) merupakan komponen yang membuat sebuah mikrokontroller dapat bekerja. Arduino board akan bekerja sesuai dengan perintah yang ada dalam perangkat lunak yang ditanamkan padanya.
Bahasa pemrograman arduino adalah bahasa pemrograman yang umum digunakan untuk membuat perangkat lunak yang ditanamkan pada arduino board. Bahasa pemrograman arduino menggunakan bahasa pemrograman C sebagai dasarnya. Karena menggunakan bahasa pemrograman C sebagai dasarnya, bahasa pemrograman arduino memiliki banyak sekali kemiripan, walaupun beberapa hal telah berubah. Arduino Uno dapat diprogram menggunakan software Arduino IDE yang bersifat opensource [6].
2.2.5.1Struktur
2.2.5.2Variabel
Variabel adalah nama yang dibuat dan disimpan di dalam memori mikrokontroller. Variabel ini mempunyai nilai dan nilainya dapat diubah sewaktu-waktu pada saat program dijalankan. Variabel memiliki nilai dan tipe data tertentu[7].
- int (integer)
Digunakan untuk menyimpan angka dalam 2 byte (16 bit). Tidak mempunyai angka desimal dan menyimpan nilai dari -32,768 dan 32,767. - long (long)
Digunakan ketika integer tidak mencukupi lagi.
Memakai 4 byte (32 bit) dari memori (RAM) dan mempunyai entang dari -2,147,483,648 dan 2,147,483,647.
- boolean (boolean)
Variabel sederhana yang digunakan untuk menyimpan nilai TRUE (benar) atau FALSE (salah). Sangat berguna karena hanya menggunakan 1 bit dari RAM.
- float (float)
- Digunakan untuk angka desimal (floating point). Memakai 4 byte (32 bit) dari RAM dan mempunyai rentang dari -3.4028235E+38 dan 3.4028235E+38.
- char (character)
Menyimpan 1 karakter menggunakan kode ASCII (misalnya ‘A’ = 65). Hanya memakai 1 byte (8 bit) dari RAM.
2.2.5.3 Operator Matematika
Operator yang digunakan untuk memanipulasi angka (bekerja seperti matematika yang sederhana)[7].
-
=
- %
Menghasilkan sisa dari hasil pembagian suatu angka dengan angka yang lain (misalnya: 12 % 10, ini akan menghasilkan angka 2).
- +
Penjumlahan - -
Pengurangan - *
Perkalian - /
Pembagian
2.2.5.4 Operator Reasional
Digunakan untuk membandingkan nilai logika. - ==
Sama dengan (misalnya: 12 == 10 adalah FALSE (salah) atau 12 == 12 adalah TRUE (benar))
- !=
Tidak sama dengan (misalnya: 12!= 10 adalah TRUE (benar) atau 12 != 12 adalah FALSE (salah))
- <
Lebih kecil dari (misalnya: 12 < 10 adalah FALSE (salah) atau 12 < 12 adalah FALSE (salah) atau 12 < 14 adalah TRUE (benar))
- >
2.3 Sensor Arus
Pengukuran arus biasanya membutuhkan sebuah resistor shunt yaitu resistor yang dihubungkan secara seri pada beban dan mengubah aliran arus menjadi tegangan. Tegangan tersebut biasanya diumpankan ke current transformer terlebih dahulu sebelum masuk ke rangkaian pengkondisi signal [8].
Teknologi Hall effect yang diterapkan oleh Allegro menggantikan fungsi resistor shunt dan current transformer menjadi sebuah sensor dengan ukuran yang relatif jauh lebih kecil. Aliran arus listrik yang mengakibatkan medan magnet yang menginduksi bagian dynamic offset cancellation dari ACS712. bagian ini akan dikuatkan oleh amplifier dan melalui filter sebelum dikeluarkan melalui kaki 6 dan 7, modul tersebut membantu penggunaan untuk mempermudah instalasi arus ini ke dalam system. Hall effect allegro ACS712 merupakan sensor yang presisi sebagai sensor arus AC atau DC dalam pembacaan arus didalam dunia industri, otomotif, komersil dan sistem-sistem komunikasi. Pada umumnya aplikasi sensor ini biasanya digunakan untuk mengontrol motor, deteksi beban listrik, switched-mode power supplies dan proteksi beban berlebih [8].
Sensor ini memiliki pembacaan dengan ketepatan yang tinggi, karena didalamnya terdapat rangkaian low-offset linear Hall dengan satu lintasan yang terbuat dari tembaga. cara kerja sensor ini adalah arus yang dibaca mengalir melalui kabel tembaga yang terdapat didalamnya yang menghasilkan medan magnet yang di tangkap oleh integrated Hall IC dan diubah menjadi tegangan proporsional [8].
Gambar 2.3. Bentuk fisik sensor arus Tabel 2.1 Fungsi pin Sensor Arus ACS712
Pin Sensor Fungsi
IP + Terminal yang mendeteksi arus, terdapat sekring didalamnya IP - Terminal yang mendeteksi arus, terdapat sekring didalamnya GND Terminal sinyal ground
Filter Terminal untuk kapasitor ekternal yang berfungsi sebagai pembatas bandwith
Viout Terminal untuk keluaran sinyal analog Vcc Terminal masukan catu daya
Pembacaan sensor arus, dirumuskan seperti pada Persamaan 2.1.
I = ((analogRead(analogCurrentPin)*0.0048876)-2.5)/0.066 (2.1)
2.4 Sensor Tegangan
data digital. Proses konversi dari nilai analog menjadi digital ini disebut proses ADC (Analog to Digital Conversion). Gambar 2.4 menunjukkan bentuk fisik sensor tegangan[9].
Gambar 2.4 Bentuk fisik sensor tegangan
Pembacaan tegangan keluaran panel surya dituliskan seperti Persamaan 2.2.
V =( analogRead(analogVoltPin)*25/1023) (2.2)
2.5 Sensor Suhu
Banyak sensor suhu yang dipakai dalam implementasi sistem instrumentasi, salah satu contohnya adalah DS18B20. Sensor suhu DS18S20 ini telah memiliki keluaran digital meskipun bentuknya kecil (TO-92), cara untuk mengaksesnya adalah dengan metode serial 1 wire. Sensor ini sangat menghemat pin port
Gambar 2.5 Bentuk fisik DS18B20 Tabel 2.2 Deskripsi pin DS18B20
Nama Fungsi
VDD VDD (cadangan)
DQ Pin untuk input/output data. Juga untuk pembagi daya pada saat digunakan dalam parasite power mode
GND Ground
Pada saat beroperasi maka akan terjadi proses pengkonversian temperatur dan konversi ADC pada perintah 44h. Dimana data temperatur yang terukur akan disimpan di memori scratchpad. Dengan mode power dari luar maka setelah perintah pengkonversian temperatur DS18B20 akan merespon dengan mengirim bit 0 saat pengkonversian masih dalam proses dan mengirim bit 1 saat pengkonversian telah selesai lalu data temperatur akan disimpan dalam register temperatur 16 bit seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.6. Pada MS BYTE S menunjukkan tanda bila S diisi oleh bit 0 maka berarti temperatur yang terukur adalah temperatur positif. Jika bit 1 maka temperatur yang terukur adalah temperatur negative[10].
Pencatuan pada DS18B20 terdapat 2 jenis mode yaitu pencatuan dari luar dan mode pencatuan secara parasit (parasite power). Pada mode pencatuan dari luar maka supplai harus dihubungkan pada pin Vdd sedangkan jika menggunakan mode parasit power DS18B20 tidak memerlukan supplai dari luar. Pada mode parasit power hanya “mencuri” daya dari jalur 1 wire melalui pin DQ saat jalur dalam keadaan high. Sebagian power akan disimpan di Cpp untuk memberikan power saat jalur dalam keadaan low. Saat menggunakan mode parasit power maka Vdd harus disambungkan dengan pin ground. Dalam mode parasit power, jalur 1 wire dan Cpp akan memberikan arus yang cukup untuk waktu operasi yang lama [10].
Dengan menggunakan mode parasit power saat DS18B20 dalam proses pengkonversian temperatur atau menyalin data dari memori scratchpad ke EEPROM, arus yang beroperasi mencapai 1,5mA. Untuk memastikan bahwa DS18B20 mendapatkan arus yang cukup, maka diperlukan pullup yang kuat pada jalur 1 wirenya. Hal ini dapat dicapai dengan menggunakan MOSFET untuk menarik jalur secara langsung seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.7 [10].
Gambar 2.7 Pencatuan dengan mode Parasit power
DS18B20 dapat juga diberikan power dengan metode konvensional dengan menghubungkan power supply luar dengan pin Vdd seperti yang ditunjukan oleh Gambar 2.8. Dengan menggunakan mode parasite power tidak direkomendasikan untuk pengukuran temperatur di atas 1000C karena DS18B20 tidak mampu menahan komunikasi yang disebabkan kebocoran arus yang tinggi. Untuk aplikasi pada temperatur tinggi tersebut sangat disarankan untuk menggunakan power supply
Gambar 2.8 Pencatuan dengan mode konvensional
Dalam situasi yang sama jalur master mungkin tidak mengetahui apakah DS18B20 menggunakan mode parasite power atau mode power supply dari luar.
Master membutuhkan informasi ini untuk menentukan apakah pullup jalur yang kuat dibutuhkan atau tidak selama proses pengkonversian temperatur. Untuk mendapatkan informasi ini, master memberi perintah untuk melakukan skip
ROM(CCh) diikuti dengan perintah Read Power Supply(B4h) lalu diikuti dengan “Read time slot”. Selama pembacaan time slot, dengan menggunakan mode parasite power DS18B20 akan menarik jalur yang low dan dengan menggunakan mode power
dari luar DS18B20 akan melepaskan jalur yang high. Jika jalur yang ditarik low, maka master akan mengetahui bahwa harus diberi pullup yang kuat pada jalur 1 wire selama proses pengkonversian temperature [10].
2.6 PLX-DAQ
Gambar 2.9 Program PLX-DAQ
Program PLX-DAQ digunakan untuk menampilkan data dari Arduino ke excel secara langsung. PLX-DAQ dapat menampilkan grafik, membaca pengukuran tiga sensor dalam waktu yang sama serta menampilkan waktu pengukuran dari sensor ketiga sensor.
2.7 Kalibrasi
Kalibrasi dilakukan dengan membandingkat alat ukur yang dibuat dengan alat ukur yang sudah diketahui akurasinya dengan masukan yang sama. Kalibrasi diperlukan ketika pembuatan perangkat baru, perangkat mengalami tumbukan dan ketika hasil pengukuran dipertanyakan[12].
Kalibrasi umumnya merupakan proses penyesuaian keluaran dari perangkat baru dengan perangkat standar. Hal-hal yang mempengaruhi kalibrasi antara lain:
- Prosedur
Kalibrasi harus dilakukan dengan prosedur yang ada - Peralatan Kalibrasi (Kalibrator)
Kalibrartor harus mempunya standar Nasional atau Internasional
Periode kalibrasi tergantung pada beberapa faktor antara lain frekuensi pemakaian, pemeliharaan, penyimpanan.a
- Lingkungan
Lingkungan sangat berpegaruh pada proses penglibrasian. Misalnya kondisi suhu, getaran mekanik medan listrik, medan magnet, medan elektromagnetik, tingkat penerangan dan sebagainya.
2.7.1 Kalibrasi Sensor Arus
Adapun perangkat keras yang digunakan untuk mengalibrasi sensor arus adalah multimeter digital yang difungsikan sebagai Amperemeter dalam pengujian. Multimeter Digital yang digunakan dalam kalibrasi sensor arus adalah DT830 Series. Gambar 2.10 menunjukkan bentuk nyata DT830 Series dan Tabel 2.3 menunjukkan Spesifikasi DT830 Series untuk pengukuran arus searah [13].
Gambar 2.10 Bentuk nyata DT830 Series
Tabel 2.3 Spesifikasi DT830 Series untuk pengukuran arus searah
Range Resolution Accuracy
200 µA 100 nA
± 1.0% ± 5D
2000 µA 1 µA
20 mA 10 µA
200 mA 100 µA ±1.2% ± 5D
2.7.2 Kalibrasi Sensor Tegangan
Adapun perangkat keras yang digunakan untuk mengalibrasi sensor tegangan adalah multimeter digital yang difungsikan sebagai Voltmeter dalam pengujian. Multimeter Digital yang digunakan dalam kalibrasi sensor arus adalah DT830 Series. Gambar 2.11 menunjukkan bentuk nyata DT830 Series dan Tabel 2.4 menunjukkan Spesifikasi DT830 Series untuk pengukuran tegangan searah.
Gambar 2.11 Bentuk nyata DT830 Series
Tabel 2.4 Spesifikasi DT830 Series untuk pengukuran tegangan searah
Range Resolution Accuracy
200 mV 100 µV
± 0.5% ± 5D
2000 mV 1 mV
20 V 10 mV
200 V 100 mV
1000 V 1 V ± 1.0 % ± 5D
2.7.3 Kalibrasi Sensor Suhu
Gambar 2.12 Bentuk fisik PHB-318
Spesifikasi PHB-318 dalam pengukuran suhu tampak seperti pada Tabel 2.5. Tabel 2.5 Spesifikasi PHB-318 dalam pengukuran suhu
Batas Pengukuran 0 OC - 50 OC/ 32 OF - 122 OF
Resolusi 0.1 OC/ 0.1 OF
Ketelitian ± 0.8 OC/1.5 OF
2.8 Pengukuran
Sebuah sistem pengukuran yang ada untuk memberikan informasi tentang nilai dari beberapa variabel yang diukur. Ada beberapa istilah yang harus dipahami dalam pengukuran listrik diantaranya:
- Akurasi, kedekatan pembacaan alat ukur dengan nilai yang sebenarnya
- Presisi, hasil pengukuran yang dihasilkan dari proses pengukuran atau derajat untuk membedakan satu pengukuran dengan pengukuran lainnya.
- Rentang, merupakan nilai maksimum dan minimum yang dirancang dalam alat ukur.
- Resolusi, nilai terkecil yang mampu ditanggapi oleh alat ukur.
