Penelitian Perancangan Pengukur Daya Digital

i   

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yesus Kristus, karena waktu, hikmat dan ilmu yang diberikannya sehingga penulis dapat menyelesaiakan penelitian ini dengan baik. Penelitian ini diharapkan dapat berguna untuk mengembangkan Fungsi

Kelembagaan Perguruan Tinggi di tingkat Program Studi pada Fakultas Teknik Jurusan Elektro Universitas HKBP Nommensen. Penelitian ini dilakukan sebagai penelitian pertama di tahun akademik 2013/2014, dan dibiayai oleh Universitas HKBP Nommensen melalui Lembaga Penelitian dan ditambah biaya sendiri.

Penulis belum mengenal ilmu digital seperti ini pada saat kuliah baik S-1 maupun ketika memperoleh Magister Teknik tahun 1983 sampai 1995 di Universitas HKBP Nommensen dan di ITB, tetapi kemajuan zaman dan perkembangan elektronika menuntut perlu melakukan penelitian seperti ini. Setiap tahunnya penulis mengajarkan pengukuran

digital dalam mata kuliah otomasi industry, tetapi hanya dengan teknik dasar dan desain sederhana pada saat kuliah, belum pernah berhasil merancang desain dengan program yang otomatis berfungsi untuk mengamati perilaku sistem pengukuran. Barulah setelah

penulis melakukan penelitian ini yaitu PERANCANGAN PENGUKUR DAYA

DIGITAL PADA PERALATAN LISTRIK 1000 WATT, pada akhirnya

berhasil dibuat peralatan ukur digital dimaksud, dan hasilnya walaupun belum

memuaskan sesuai dengan hasil yang diberikan oleh alat ukur standar, karena desain ini dibuat sendiri dan dirancang sendiri menggunakan komponen dan mikroprosesor yang sudah ada.

Penulis merasa bersyukur dapat melakukannya, oleh karena itu penulis

mengucapkan terimakasih kepada :

1. Ketua Program Studi Teknik Elektro dan Dekan Fakultas Teknik yang memberi

dukungan dilaksanakan penelitian ini.

2. Ketua Lembaga Penelitian yang memberi kesempatan kepada penulis untuk ikut serta dalam program penelitian pada semester berjalan. Semoga Lembaga Penelitian jaya

ii   

3. Rektor dan Stafnya, Yayasan dan Stafnya yang memberi dukungan dana. Penulis berharap biaya penelitian diberikan tidak sama besarnya, tapi diukur dan disesuaikan dengan tingkat kesulitan yang dilakukan oleh peneliti.

4. Kepada Bangsa dan Negara, kiranya penelitian yang sangat kecil ini dapat menggembirakan orang-orang di dunia Teknik Elektro Indonesia dan Dunia Global.

Banyak orang bisa menyatakan ini dan itu salah, tetapi kiranya semakin banyaklah orang yang mau meneliti juga sehingga nampak salah dan benarnya, dan kiranya mahasiswa

makin bersemangat melakukan penelitian sejenisnya. Akhir kata penulis mengucapkan, Slamat Meneliti.

Salam dari Penulis,

iii   

ABSTRAK

Dunia teknik digital termasuk dalam kategori ilmu tentang sistem kendali cerdas, yang reaalisasinya didukung oleh matematika dan sekelompok teori seperti pemrograman menggunakan linguistik, dan ilmu digital dipadukan dalam sebuah sirkit elektronika digital, mikrokontroler dan komputer. Banyak jenis mikrokontroler yang dapat digunakan, dimulai dari seri 8951 sampai dengan 8535. Perancangan sistem dapat berupa desain belaka dalam

kertas dan simulasi, tetapi dapat dibawa ke sistem sirkit digital yang kesemuanya menggunakan proses secara analitik dan logika, dan dalam bidang ilmu teknik elektro perencanaan seperti ini dapat diperoleh pada konsentrasi teknik kendali.

Secara khusus pada teknik elektro diperlukan sistem pengukuran digital, sehingga diperlukan suatu pemahaman sederhana merancang sistem pengukuran digital menggunakan

mikrokontroler, sehingga mahasiswa dapat memahami perilaku sistem mikroprosesor yang sedang berkembang. Dalam memahami pengukuran digital lebih benar dan tepat, mahasiswa dapat melakukan simulasi elektronik, tetapi perobahan dan perilakunya teori desain dan realisasi dalam dunia digital harus difahami dalam perbedaan tingkat kesulitannya.

Rancangan sebuah Pengukur Digital berbasis mikroprosesor adalah salah satu metoda untuk merancang sistem pengukur daya digital yang cerdas. Akan tetapi solusi ini memerlukan sebuah tahapan atau proses pengkajian dan perhitungan yang panjang dan berulangulang, dan untuk dapat menghasilkan data pengukuran dengan error terkecil, data

numerik pengukuran digital harus dibandinngkan dengan data analog.

iv 

III. DESAIN SISTEM PENGUKUR DAYA DIGITAL 15

III.1. Metodologi Penelitian 15

III.2. Teori Dasar Desain 16

III.3. Sistem Pengukur Digital dengan Mikrokontroler ATMega 8535 20

III.4. Pemrograman Mikrokontroler 22

IV. HASIL PENGUJIAN 27

v   

IV.2. Hasil Pengujian Pengukuran 29

V. KESIMPULAN 31

V.1. Kesimpulan 31

V.2. Saran 31

1

I. PENDAHULUAN

I.1.Latar Belakang

Sistem kelistrikan sekarang dinamakan dengan listrik arus bolak balik

(alternating current disingkat dengan ac), terdiri dari tiga fasa dan satu netral untuk

standar tegangan fasa ke fasa 380 volt dan tegangan fasa ke netral 220 volt, serta

memiliki frekuensi 50 Hz. Hampir semua listrik rumah tangga menggunakan

sistem satu fasa, dan peralatan rumah tangga umunya adalah satu fasa dengan daya

yang umumnya di bawah 1000 watt. Selanjutnya untuk mendapatkan listrik arus

searah (direct current disingkat dengan dc), diperlukan sebuah penyearah (adaptor)

seperti yang digunakan untuk keperluan laptop, printer atau handphone.

Jika suatu beban listrik seperti AC, kulkas, TV, komputer, charger dan lain

sebagainya disambungkan ke sumber ac satu fasa, maka akan mengalir arus dari

sumber ac tersebut ke beban listrik yang digunakan. Arus yang mengalir ke beban

listrik itu bisa saja sifatnya satu fasa antara tegangan dan arus, dan bisa juga

berbeda fasa seperti pada Gambar 1.1

2

Perbedaan fasa tegangan dan arus tersebut ditandai dengan sudut φ , dan

dalam sistem kelistrikan memberikan faktor kerja sebesar cos φ. Seperti pada

Gambar 1.1, gelombang arus (garis lebih tebal) mengikuti (lagging) terhadap

gelombang tegangan sebesar 900 atau π/2. Selanjutnya daya listrik ac terdiri dari

daya aktif satuan watt dan daya reaktif satuan var, dan jumlah dari daya tersebut

dikatakan dengan daya kompleks satuan va, sebagai jumlah vektor daya aktif di

sumbu datar dan daya reaktif di sumbu tegak. Daya aktif atau daya nyata suatu

beban listrik ditentukan oleh tiga hal yaitu tegangan, arus dan faktor kerja

dimaksut. Sedangkan dalam hal untuk mengukur suatu daya listrik digunakan

wattmeter analog, tetapi dapat juga diperoleh hasil pengukurannya dengan

mengalikan hasil pengukuran dari tiga buah alat ukur yaitu tegangan, arus dan

faktor kerja.

Jika diinginkan mengukur daya listrik dari sebuah peralatan listrik dengan

cara pengukuran analog seperti di atas, maka akan cukup rumit pelaksanaannya.

Disamping itu, pengukuran daya untuk alat-alat dengan daya kecil juga akan

memiliki kerumitan dalam hal pembacaan jarum penunjuk alat ukur analog. Oleh

karena itu untuk dapat mengetahui besar daya peralatan listrik rumah tangga

umumnya, perlu dilakukan perancangan sebuah alat pengukur daya digital untuk

sistem listrik ac satu fasa, misalnya dengan batas daya sampai dengan 1000 watt.

Pengukuran daya listrik digital dapat dirancang dengan menggunakan

peralatan semikonduktor yang dipadu sedemikian rupa dengan menggunakan

mikrokontroler. Untuk dapat mengukur arus beban listrik yang digunakan,

diperlukan sebuah sensor arus, sedang untuk dapat mengukur tegangan juga

diperlukan sensor tegangan. Selanjutnya dari hasil deteksi arus dan tegangan, ada

masalah dalam hal pendeteksian sudut faktor kerja. Oleh karena itu proses harus

dilanjutkan untuk diteliti dan dianalisis, dan dibuat hipotesa bahwa jika dilakukan

konversi pengukuran daya dari ac ke dc melalui penyearahan tegangan dan arus,

3

Untuk dapat mengukur tegangan dan arus yang sifatnya variabel setiap saat

tergantung dari jenis beban listrik yang digunakan, diperlukan sebuah alat konversi

antara tegangan analog ke digital dikenal dengan Analog to Digital Converter

(ADC). Keakuratan pembacaan ADC tergantung dari jumlah bit konversi yang

digunakan, karena jumlah bit yang digunakan dalam output digital akan

menentukan ketelitian dari hasil konversi. Semakin banyak jumlah bit yang

digunakan, semakin tinggi juga ketelitian dari alat konversi. Konversi standar yang

umum adalah 8 bit digital, tapi konversi sempurna adalah jika memungkinkan

penggunaan data 10 bit digital atau bit biner.

Mikrokontroler ATMega 8535 adalah sebuah alat pemroses data digital,

tetapi masukannya ada yang double yaitusignal analog dan signal digital. Ada

berbagai type mikrokontroler, ada yang hanya menggunakan data biner seperti

type 85S31, tetapi ada juga yang menggunakan sekaligus data analog dan data

biner untuk dua arah seperti mikrokontroler dengan type ATMega 8535.

Jika rangkaian dapat dirancang sedemikian rupa, maka pengukuran daya

secara digital diasumsi dapat dibuat dan dapat dilakukan. Sedangkan untuk proses

sistem konversinya, tergantung dari algoritma yang dilakukan dalam pembuatan

program operasi mikrokontroler yang digunakan.

I.2. Perumusan Masalah

Yang menjadi masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana merancang

proses pendeteksian arus, tegangan dan faktor daya dalam pengukuran daya beban

tersambung. Tegangan dan arus harus terukur dideteksi dengan dua sensor yaitu

untuk tegangan dan arus, sementara asumsi bahwa pengukuran daya aktif

dilakukan dengan menghitung daya dalam skala dc yang diperkirakan tidak jauh

berbeda dengan daya ac. Proses menyelesaikan persamaan konversi sangat

diperlukan dan sangat menentukan, dan disinilah letak keilmuwan dari ketelitian

4

Dalam proses penggunaan mikrokontroler yang dapat mendeteksi sinyal

analog dan digital secara bersamaan, diperlukan minimum dua input analog untuk

keperluan sensor tegangan dan arus yang diperlukan. Selanjutnya program harus

dapat dibuat sedemikian sehingga komputasi penentuan daya aktif dari kedua

sensor tegangan adan arus memiliki error yang kecil dan ketelitian yang baik.

Dalam proses menghasilkan output, diharapkan output dapat ditampilkan

dalam display dan diharapkan dapat juga data pengukuran dapat terekam dalam

bentuk data numerik, dan data dimaksud dalam bentuk tegangan, arus dan daya

untuk setiap pengukuran.

I.3. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian ini adalah untuk memberikan

tahapan-tahapan dalam menyelesaikan perancangan sebuah wattmeter digital satu fasa

beban terbatas maksimum 1000 watt dengan menggunakan mikrokontroler

ATMega 8535. Keterbatasan daya ditentukan oleh sensor arus yang digunakan,

yaitu arus maksimum sampai 5 ampere, sehingga jika tegangan adalah 220 volt

dan arus 5 ampere, maka maksimum pengukuran dibatasi sampai 1100 va.

Selanjutnya output dapat ditampilkan dalam bentuk display sebagai hasil dari

pengukuran, sehingga data dapat ditampilkan untuk waktu tertentu secara kontinu

dan berulang tergantung besar beban listrik yang diukur.

I.4. Kontribusi Penelitian

Penelitian ini akan memberikan kontribusi kepada ilmuwan khususnya

mahasiswa dan dosen di Program Studi teknik Elektro dalam beberapa hal yaitu,

5

2. Mendapat pengetahuan tambahan dalam penggunaan mikrokontroler

ATMega 8535 yang sudah familiar di dunia industri, sehingga

mahasiswa dapat lebih bersemangat mempelajari sistem digital.

3. Sebagai salah satu motivasi mendorong mahasiswa agar lebih semangat

membahas sistem digital yang lebih kompleks yang terkait dengan

pengukuran besaran listrik, khususnya dalam listrik arus bolak-balik.

4. Sebagai salah satu kegiatan Tridarma Perguruan Tinggi PSTE UHN,

6

II. TINJAUAN PUSTAKA

II. 1. Uraian Pengukuran Daya Aktif

Secara umum salah satu bentuk pengukuran daya ac dapat dibuat seperti

pada Gambar 2.1 berikut.

Gambar 2.1. Pengukuran Daya dengan Tiga Voltmeter

Persamaan untuk penentuan daya listrik dapat diuraikan seperti berikut :

V1 adalah tegangan pada sisi beban dengan sudut vektor θ1. V2 adalah

tegangan pada resistor referensi dengan sudut vektor θ2. V3 adalah tegangan pada

sisi sumber dengan sudut vektor θ3. Maka persamaan tegangan menurut aturan

vektor adalah,

𝑉𝑉

32

=

𝑉𝑉

22

+

𝑉𝑉

12

+ 2

𝑉𝑉

1

𝑉𝑉

2

cos

∅

Selanjutnya, terlihat bahwa beban adalah resistif, oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa

7

Perlu diingat bahwa daya beban

P = V I cos

φ

sehingga dari persamaan (2-1) dapat disederhanakan dengan,

Penyearah adalah suatu proses untuk mengobah tegangan ac menjadi

tegangan dc, dengan rangkaian seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.

Rangkaian tersebut dikenal dengan penyearah jenis Jembatan (Bridge Rectifier),

menggunakan empat buah dioda yang disusun sedemikian rupa. Load adalah

berupa resistor, sedangkan kapasitor berfungsi untuk membuat tegangan dc

menjadi serata mungkin dengan ripple kecil (smoothing capacitor), tergantung

pada besarya kapasitansi dari kapasitor dimaksud.

: adalah tegangan hasil pengukuran

P : daya aktif atau daya nyata

R : tahanan referensi

Persamaan (2-2) di atas adalah salah satu perumusan daya jika diukur

hanya dengan menggunakan tiga buah volt meter. Sedangkan pengukuran daya

dalam bentuk nyata adalah dengan menggunakan wattmeter analog, atau perpaduan antara volt meter, ammeter dan cos φ meter.

8

Gambar 2.2 Penyearah Gelombang Penuh

Tegangan ac dalam satu perioda menghasilkan dua siklus, siklus positip

untuk setengah gelombang, dan siklus negatip untuk setengah gelombang

berikutnya.Penyearah gelombang penuh (full wave rectifier) memiliki empat buah

dioda, dimana dalam setiap siklus bekerja dua dioda secara berpasangan. Pada saat

siklus positip tegangan sumber, maka dioda D1 dan D2yang bekerja, sedang pada

siklus negatip dioda D3 dan D4

Besarnya tegangan dc atau Vdc yang dihasilkan dengan adanya kapasitor C

dan beban R diberikan dengan persamaan,

yang bekerja. Dengan demikian untuk satu siklus

tegangan ac dihasilkan dua buah siklus positip di sisi beban, dan tegangan inilah

disebut tegangan yang disearahkan. Selanjutnya untuk membuat tegangan searah

memiliki amplitudo lebih rata dan tegangan rata-rata Vdc lebih besar, maka dapat

dipasang sebuah kapasitor dipasang paralel dengan beban resistor. Sedangkan

untuk mengetahui nilai tegangan dc yang dihasilkan, perlu dibandingkan hasil teori

9

𝑉𝑉

𝑑𝑑𝑑𝑑

=

�

1

−

0,00417

𝑅𝑅𝐶𝐶

� 𝑉𝑉

𝑝𝑝 (2-3)

dimana,

Vdc = tegangan keluaran penyearah di beban R (volt)

C = nilai kapassitansi kapasitor (μF)

R = nilai resistor (Ω)

Vp = tegangan puncak sumber ac (volt)

Niali ripple tegangan Vrdari gelombang tegangan tersebut adalah,

𝑉𝑉

_𝑟𝑟

=

0,0024 𝑉𝑉_𝑝𝑝

𝑅𝑅𝐶𝐶 (2-4)

II. 3. Pengubah Analog ke Digital

Metoda konversi data analog ke digital selanjutnya diselesaikan dengan

menggunakan paket ADC dan dipadu dengan program komputer berbasis

assembler dalam mikrokontroler. Dalam hal ini mikrokontroler yang akan

digunakan adalah ATMega 8535 dengan memiliki 8 input analog ke digital dan

digital ke analog yang berfungsi dua arah. Untuk proses pembacaan ADC,

ATMega 8535 dibangun dengan sistem 10 bit.

Jika tegangan referensi suatu ADC adalah Vr, dan dikuantisasi dengan bit

biner sejumlah n bit, maka kuantisasi dari sistem Q dalam satuan volt/bit dihitung

10

𝑄𝑄

=

𝑉𝑉𝑟𝑟

2𝑛𝑛 (2-3)

Sedang nilai tegangan pembacaan hasil konversi untuk sistem unipolar dapat

dihitung dengan,

𝑉𝑉

𝑑𝑑

=

₂𝑁𝑁𝑛𝑛 (2-4)

Dimana N adalah nilai pembulatan dari hasil pembagian tegangan terukur

Vadengan kuantisasi atau ditulis dengan,

𝑁𝑁

=

𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 �

𝑉𝑉𝑏𝑏

𝑄𝑄

�

(2-5)

11

Cara kerja dari proses pembacaan ADC (Analog to Digital Converter)

adalah sebagai berikut : Mula-mula data nilai tegangan analog input dibaca, dan

dibandingkan dengan output dari 8 bit DAC (Digital to Analog Converter). Jika

nilai input analog lebih besar dari keluaran DAC, maka comparator memberi pulsa

clock ke blok 8 bit SAR (Successive Approximation Register), sehingga hitungan

digital misalnya 8 bit berobah dari 0000 0000 ke 0000 0001. Selanjutnya blok

8-bit DAC mengkonversi keluarannya, selanjutnya dibandingkan lagi dengan iput

analog. Jika nilai input analog lebih besar dari keluaran DAC, maka comparator

memberi pulsa clock lagi ke blok 8 bit SAR (Successive Approximation Register),

sehingga hitungan digital misalnya 8 bit berobah dari 0000 0001 ke 0000 0010.

Demikianlah seterusnya proses berlangsung secara loop, sampai ditemukan bahwa

nilai comparator menyatakan bahwa input annalog sudaah sama dengan keluaran

DAC, dan proses konversi ADC berhenti, sehingga pembacaan digital berakhir

dengan nilai 8 bit misalnya 1011 0101. Hasil digital tersebut akan dikonversi

langsung didalam mikrokontroler ATMega 8535 dalam proses yang sama tapi

untuuk 10 bit, sehingga dapat dibca nilai input analog dimaksud.

Sebaagai contoh, jika tegangan referensi adalah Vr = 5 volt.

Jumlah bit n = 10.

Maka kuantisasi adalah Q = 5/(210) volt/bit.

Katakanlah comparator membaca sebanyak N kali untuk tegangan input 3

volt, maka N = 3/Q = 614 dibulatkan.

Pembacaan ADC adalah Vdc = N * Q = 2,9980 volt.

Error pembacaan adalah sebesar (3 – 2,9980) *100 % / 3 adalah 0,065 %.

12 II. 3. Mikrokontroler ATMega 8535

Mikrokontroler ATMega 8535 memiliki susunan pena-pena seperti pada

Gambar 2.4. Mikrokontroler ini dapat digunakan untuk berbagai fungsi, baik untuk

pengukuran digital seperti tensimeter, timbangan digital ataupun untuk

pengendalian analog dan digital sekaligus pada motor stepper dan motor servo.

Mikrokontroler ini memiliki 3 port digital dan 1 port analog yang dapat

digunakan dua arah, sebagai jalur masukan data atau sebagai jalur keluar data,

dengan jumlah data digital sebanyak 8 bit dan jumlah data analog sebanyak 8

channel.

Pengendalian yang akan dilakukan dari setiap port baik untuk jalur data in

ataupun jalur data out, semuanya dikendalikan melalui program internal. Program

internal sistem mikrokontroler diisikan secara tersendiri dengan peralatan khusus

mmelalui pemrograman dari laptop dibantu dengan sebuah perantara atau interface

untuk keperluan proses transfer data.

13

Penjelasan pena-pena mikrokontroler dimaksud dibuat seperti tertera pada

Tabel 2.1.

Tabel 2.1. Uraian Pena Mikrokontroler ATMega 8535

No Pin Penjelasan

Sebagai input analog dari AD. Port ini juga berfungsi

sebagai port I/O dua arah,jika ADC tidak digunakan.

4

Port B

(PB7….PBO)

Sebagai port I/O dua arah port.port PB5,PB6 dan PB7

juga berfungsi sebagai MOSI,MISO,dan SCK yang

dipergunakan pada proses downloading.

5

Port C

(PC7....PD0)

Berfungsi sebagai port I/O dua arah fungsi lain port ini

selengkapnya bisa dibaca pada buku petunjuk “AVR

ATMega8535”.

6

Port D

(PD7….PDO)

Sebagai port I/O dua arah. PD0 dan PD1 berfungsi

sebagai RXD dan TXD digunakan untuk komunikasi

serial.

7 RESET Input reset.

8 XTAL1 Input ke amplifier inverting osilator dan input sirkuit

clock internal.

9 XTAL2 Output dari amplifier inverting osilator.

10 AVVC Input tegangan untuk port A dan ADC

14

Gambar 2.5. USB Programmer

Pemrograman untuk Mikrokontroler dapat digunakan melalui USBASP

Programmer dan juga WINAVR Compiler C Language, dengan peralatan seperti

pada Gambar 2.5.

Gambar 2.6. Alur Koneksi

Alur koneksi sistem pemrograman terlihat seperti pada Gambar 2.6.

Pada sisi Atmel AVR controller tentu dibutuhkan sebuah board untuk

mendudukkan mikrokontroller dalam menyembungkanAVR USBasp ke komputer.

Software untuk proses ini sudah tersedia dan dapat di download online.

Yang menjadi masalah adalah proses pembuatan flowchart dan program

untuk setiap ekesekusi yang akan dilakukan. Hasil dari program inilah yang baru

15

III. DESAIN SISTEM PENGUKUR DAYA DIGITAL

III.1. Metodologi Penelitian

Metoda Penelitian yang akan dilakukan adalah dengan melakukan

langkah-langkah sebagai berikut :

1. Menentukan jenis sensor arus dan sensor tegangan yang akan

digunakan.

2. Memilih jenis mikrokontroler yang cocok menggunakan double fungsi

sinyal analog dan sinyal digital secara bersamaan.

3. Menentukan proses penyelesaian persamaan konversi sinyal analog

dimaksud dengan persamaan bipolar dalam program komputer yang

digunakan.

4. Menentukan solusi dan algoritma yang tepat yang dituangkan dalam

flowchart.

5. Membuat pengujian dengan membandingkan hasil pada pengukuran

analog untuk beberapa jenis peralatan listrik yang ada.

6. Membuat rencana pengembangan untuk sistem yang lebih besar

dengan Multi Input Multi Output, sehingga dapat dikembangkan untuk

16 III.2. Teori Dasar Desain

Desain sistem pengukur daya digital dilakukan dengan diagram seperti

pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Struktur Sistem Pengukur Daya Digital

Sensor arus yang digunakan adalah sebuah IC type ACS712 seperti pada

Gambar 3.2. Sedangkan karakteristik dari sensor arus ACS712 adalah seperti

berikut ini :

• Memiliki sinyal analog dengan sinyal-ganguan rendah (low-noise)

• Ber-bandwidth 80 kHz

• Total output error 1.5% pada Ta = 25°C

• Memiliki resistansi dalam 1.2 mΩ

• Tegangan sumber operasi tunggal 5.0 Volt

• Sensitivitas keluaran: 66 sd 185 mV/A

• Tegangan keluaran proporsional terhadap arus AC ataupun DC

• Fabrikasi kalibrasi

• Tegangan offset keluaran yang sangat stabil

• Hysterisis akibat medan magnet mendekati nol

• Rasio keluaran sesuai tegangan sumber

17

Gambar 3.2. Sensor Arus ACS712 dan Penggunaannya

Selanjutnya sensor arus tidak berdiri sendiri begitu saja, tentu harus

dirancang sirkit pendukungnya seperti ditunjukkan pada Gambar 3.3.

Gambar 3.3. Sirkit Sensor Arus

Input dari sensor arus Gambar 3.2 dihungkan seri dengan beban listrik yang

akan diukur, sedang outputnya dari terminal VOUT dan GND disambungkan ke

sirkit. Sumber tegangan ac Gambar 3.3 dianalogikan sebagai keluaran sensor

18

setengah gelombang, dan paada keluarannya dipasang sebuah resistor 10 KΩ dan

sebuah kapasitor 220 µF, dan memberikan gelombang tegangan seperti pada

Gambar 3.4.

Untuk input ac sebesar 5 volt dengan data di atas dihasilkan output dc

sebesar 6,312 volt.Sirkit arus ini diperlukan dalam proses pengukuran digital,

karena data ini nantinya akan digunakan sebagai masukan untuk ADC dari

mikrokontroler Mega 8535, untuk mengukur arus beban yang sedang diukur.

Gambar 3.4. Keluaran Sensor Arus

Sensor tegangan yang digunakan adalah penyearah jenis jembatan. Akan

tetapi tegangan sumber yang diukur adalah ac dengan maksimum diperkirakan 250

volt. Oleh karena itu agar dapat dilakukan pengukuran untuk sistem digital,

tegangan referensi untuk mikrokontroler ATMega juga harus dibuat, seperti pada

19

Padas sumber ac dipasang tiga buah resistor sebagai pembagi tegangan,

yaitu 220 K , 22 K , dan 220 K . Tegangan 22 K digunakan sebagai input ke

penyearah untuk memperoleh nillai maksimum input sebesar (22 * 250 / 464) =

11,85 volt ac. Jika tegangan output penyearah diperoleh dengan persamaaan Vdc =

2 Vmaks / π, maka Vdc yang diperoleh adalah 5.52 volt dc. Tegangan ini akan

makin besar jika digunakan kapasitor disisi resistor variabel, oleh karena itu

pembagi tegangan resistor variabel di output digunakan untuk mengatur/men-set

tegangan penyearah sensor tegangan untuk ukuran maksimum 5 volt dc, seperti

pada gambar 3.5.

Gambar 3.5. Sirkit Sensor Tegangan

Keluaran dari sensor tegangan sudah mendekati ratadengan ripple yang

kecil layaknya tegangan dc seperti ditunjukkan pada Gambar 3.6, karena resistor

diparalel dengan kapasitor 470 µF. Sensor tegangan melalui keluarannya

menggunakan potensiometer diset sedemikian rupa sehingga tegangan output dc

20

Jika tegangan ac sebesar 220 volt, maka keluaran sensor tegangan dengan analogi

ini haruslah linier sebesar 4,4 volt.

Gambar 3.6. Keluaran Sensor Tegangan

III.3. Sistem Pengukur Digital dengan Mikrokontroler ATMega 8535

Rangkaian sistem pengukur digital yang dirancang menggunakan

mikrokontroler ATMega 8535 dibuat sedemikian rupa seperti ditunjukkan pada

Gambar 3.7. LINE adalah sumber PLN satu fasa. Pada LINE dipasangkan sensor

tegangan dan sensor arus sebelum stop kontak menuju beban. Sensor tegangan dan

sensor arus adalah diuraikan seperti pada sub-bab III.2 sebelumnya.

Keluaran kedua sensor disambungkan ke port A yaitu PA0 dan PA1

21

4 MHz. Sedangkan untuk display digunakan port C, yaitu PC0, PC1, PC2 dan

PC4, PC5, PC6 dan PC7.

Gambar 3.7. Rangkaian Pengukur Digital dengan Mikrokontroler ATMega 8535

Tampilan LCD digunakan untuk menampilkan display untuk Tegangan,

Arus dan Daya yang diukur setiap saat. LCD memiliki dua baris tampilan,

masing-masing baris memiliki 16 karakter (ditulis dengan spesifikasi teknik : 2

lines x 16 characters) , seperti ditunjukkan pada Gambar 3.8. Detail dari

22

Pin yang digunakan adalah pin 1 dan pin 2 untuk GND dan Sumber 5 volt,

pin 4, pin 5 dan pin 6 untuk RS, R/W dan E untuk seleksi register, menulis data

dan enable data. Sedangkan untuk data input dari pembacaan mikrocontroler

digunakan pin D4, D5, D6 dan D7.

Gambar 3.8. Rangkaian Extended Concise LCD

Tabel 3.1. Detail dari Extended Concise LCD

III. 4. Pemrograman Mikrokontroler

Pemrograman pada mikrokontroler adalah menggunakan bahasa C, tapi

23

dengan CVAVR. Pada software inilah dituliskan program, di compile dan di

download ke mikrokontroler ATMega 8535 melalui perantara USB Programmer

24

25

Program Komputer yang dibuat untuk sistem dimaksud adalah sebagai

berikut ini :

#include <mega8535.h> #asm

.equ __lcd_port=0x15 ;PORTC #endasm

#include <lcd.h>

#include <delay.h> // tambahkan library delay disini #include <stdio.h>

#define ADC_VREF_TYPE 0x00

unsignedintread_adc(unsigned char adc_input) {

ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff); delay_us(10);

ADCSRA|=0x40;

while ((ADCSRA & 0x10)==0); ADCSRA|=0x10;

return ADCW; }

void Display(void); unsigned long P,V,I;

27

lcd_putchar(I/10 %10 + 0x30); lcd_putchar(I %10 + 0x30);}

if (I >= 100){

lcd_gotoxy(8,0);lcd_putsf("I: "); lcd_gotoxy(11,0);

lcd_putchar(I/100 %10 + 0x30); lcd_putchar('.');

lcd_putchar(I/10 %10 + 0x30); lcd_putchar(I %10 + 0x30);}

lcd_gotoxy(0,1);lcd_putsf("P : WATT"); lcd_gotoxy(4,1);

lcd_putchar(P/10000 %10 + 0x30); lcd_putchar(P/1000 %10 + 0x30); lcd_putchar(P/100 %10 + 0x30); lcd_putchar('.');

28

IV. HASIL PENGUJIAN

IV.1. Realisasi Alat Pengukur Daya Digital

Alat pengukur digital dirancang sedemikian diatas sebuah board plastik

seperti kaca, seperti ditunjukkan pada Gambar 4.1. Mikrokontroler ATMega 8535

disusun pada sebuah PCB (Printed Circuit Board) sedemikian rupa, dan senseor

tegangan serta sensor arus dan oscillator semuanya disusun pada PCB. Sebuah

power suply DC menggunakan transformator step down dirancang sedemikian

untuk memberikan tegangan konstant pada mikrokontroler sebesar 5 volt. Pada sisi

output disediakan dua buah stop kontak untuk terminal peralatan listrik yang akan

diukur.

29

Gambar 4.2. Beban Listrik untuk Pengujian

Beban listrik yang digunakan untuk pengujian adalah terdiri dari 10 buah

lampu pijar masing-masing 100 watt, dan lampu pijar dapat dihidupkan satu

persatu sampai hidup semuanya.

Proses pengujian adalah sebagai berikut :

a. Mula-mula pengukur digital diaktifkan dengan menghubungkannya ke

power suplay tegangan sumber PLN.

b. Selanjutnya beban listrik Gambar 4.2 disambungkan ke terminal beban

pengukur digital Gambar 4.1.

c. Lampu dihidupkan satu demi satu, dan untuk setiap pengujian dicatat

30 IV.2. Hasil Pengujian Pengukuran

Hasil pengujian pengukuran untuk kesepuluh buah lampu pijar yang

dihidupkan satu per satu diberikan pada Tabel 4.1.

Proses pengukuran data adalah sebagai berikut : Mula-mula lampu

dihidupkan secara bertahap sampai hidup 10 unit, setelah itu hasil pengukuran

dibaca. Kemudian lampu dikurangi satu persatu, dan hasil pengukuran dicatat.

Demikian dilakukan hingga semua lampu dimatikan.

Tabel 4.1. Hasil Pengujuan Pengukuran Daya Listrik

31

Contoh rekaman hasil pengukuran ditunjukkan pada Gambar 4.3 dan

Gambar 4.4.

Gambar 4.3. Rekaman Pengukuran untuk 10 buah Lampu Pijar

32

V. KESIMPULAN

Program teknik kontrol atau teknik kendali belum banyak di wilayah

Sumatera Utara, oleh karena itu masih sedikit penelitian tentang sistem

perancangan pengukuran daya digital, terutama untuk daya kecil.

Dari hasil penelitian yang dilakukan, diberikan kesimpulan dan saran

sebagai berikut ini :

IV.1. Kesimpulan

1. Rancangan pengukur daya digital berhassil dirancang menggunakan

mikrokontroler ATMega 8535 sebagai prosesor utama, dan memberikan

hasil dalam bentuk display untuk tegangan, arus dan daya aktif watt.

2. Hasil pengujian dinyatakan telah baik. Jika 10 lampu 100 watt dihidupkan

pada tegangan standar 220 volt, tentu hasilnya haruslah 1000 watt.

Ternyata hasil pengukuran hanya 899,2 watt dan terjadi selisih sebesar

100,8 watt. Tetapi perbedaan itu terjadi adalah karena tegangan turun

menjadi 203 volt. Secara teori penurunan tegangan akan memberi

pengurangan daya sebesar (203/220)2

IV.2. Saran

* 1000 watt yaitu menjadi 851,425

watt, dan terbaca sebesar 899,2 sehingga error terdapat sebesar 47,8 watt

atau sama dengan 5,6 %. Percobaan awal ini dianggap cukup memadai dan

berhasil.

Saran peneliti adalah perlu pengembangan dari penelitian ini. Titik

kunci keberhasilan terletak pada sensor yang digunakan. Oleh karena itu

33

VI. DAFTAR PUSTAKA

1. Martin U. Reissland, Electrical Measurements Fundamentals, Concepts

and Applications, John Wiley & Sons, New York, 1989

2. William David Cooper, Instrumentasi Elektronik dan Teknik

Pengukuran, Lembaga Penerbangan dan Antariksa nasional, Jakarta,

Penerbit Erlangga, Jakarta, 1985

3. Douglas V. Hal, Microprocessors and Interfacing Programming and

Hardware, McGraw Hill International Editions, New York, 1996

4. Rodnay Zaks & Austin Lesea, Teknik Perantaraan Mikroprosesor,

Penerbit Erlangga, Jakarta, 1993

5. Carl V. Hamacher, Organisasi Komputer, Jaata, 1993

6. Paulus Andi Nalwan, Panduan Praktis Teknik Antarmuka dan

Pemrograman Mikrocontroller AT 89C35, PT Elex Media

Komputindo, Jakarta, 2003

7. Zuhal, Dasar Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, PT Gramedia

Pustaka Utama, Jakarta, 1992

8. Sunarno, Ir, M.Eng, Ph.D, Mekanikal Elektrikal, Penerbit Andi,

Yogyakarta, 2005

9. Ching-Fang Lin, Advanced Control Systems Design, Prentice-Hall

Englewood Clifts, New Jersey, 1993

10. Charles L. Phillips & H. Troy Nagle, Digital Control System Analysis