Paper Template of WJMS - Universitas Kristen Maranatha

59
ISSN 1979-2867 (print)
Electrical Engineering Journal
Vol. 4 (2013) No. 1, pp. 59-73
Perancangan dan Realisasi Pencatat
Nirkawat Pemakaian Energi Listrik
Berbasis Pengendali Mikro
Andre Yosef Mumuh dan Daniel Setiadikarunia
Jurusan Teknik Elektro, Universitas Kristen Maranatha, Bandung
Jl. Suria Sumantri 65, Bandung 40164, Indonesia
[email protected]; [email protected]
Abstrak: Pemakaian energi listrik pada setiap rumah diukur dengan menggunakan kWh meter
dan dicatat secara manual oleh petugas setiap bulan. Pencatatan pemakaian energi listrik dapat
dibuat lebih praktis dengan menggunakan perangkat yang dapat mencatat pemakaian energi
listrik secara otomatis dan nirkawat, sehingga petugas pencatat tidak perlu masuk ke dalam
rumah atau ke dalam pekarangan rumah pelanggan dan mencatat secara manual. Dalam artikel
ini dibahas perancangan dan realisasi suatu perangkat pencatat pemakaian energi listrik secara
nirkawat berbasis pengendali mikro. Perangkat yang direalisasikan terdiri dari dua bagian
perangkat, yaitu perangkat pengukur yang dipasang pada setiap rumah pelanggan, dan
perangkat pencatat. Petugas pencatat membawa perangkat pencatat dan mendatangi rumah
pelanggan, cukup di luar rumah atau pekarangan rumah, kemudian mengaktifkan perangkat
pengukur untuk mengirimkan data pelanggan dan jumlah pemakaian energi listriknya, yang
akan diterima oleh perangkat pencatat dan disimpan dalam memori SD card. Hasil ujicoba
menunjukkan bahwa perangkat yang direalisasikan dapat berfungsi sesuai dengan perancangan.
Data yang dikirim dari perangkat pengukur dapat diterima dan disimpan dalam SD card
dengan benar oleh perangkat pencatat. Rata-rata perbedaan hasil pengukuran energi listrik
antara perangkat pengukur yang dibuat dengan Clamp Meter sebesar 11,51 %.
Kata kunci: energi listrik, kWh meter, pencatat nirkawat
Abstract: Electrical energy consumption in each house is measured by using the kWh meter
and recorded manually by the registrar every month. Recording of electrical energy
consumption can be made more practical by using a device that can record the electrical
energy consumption automatically and wirelessly, so that the registrar does not need to go into
the house or into the customer's yard and recorded manually. In this article discussed the
design and realization of a microcontroller based wireless recording device of electrical
energy consumption. The realized device consists of two parts, namely measuring device
mounted on each customer's house, and the recording device. The registrar brings the
recording device to the customer's house, just outside the house or yard, then activates the
measuring device to transmit customer data and the amount of electric energy consumption,
which will be received by the recording device and stored in the SD card memory. Test results
show that the realized device can be function according to the design. Data sent from the
measuring device can be received and stored in the SD card correctly by the recording device.
60
ELECTRICAL ENGINEERING JOURNAL, VOL. 4, NO. 1, OCTOBER 2013
The average difference in measurement results of electrical energy between the realized
measuring device and Clamp Meter is equal to 11.51 %.
Keywords: electrical energy, kWh meter, wireless recorder
I. PENDAHULUAN
Saat ini di Indonesia pemakaian energi listrik di setiap rumah masih banyak diukur
menggunakan kWh meter analog dan dicatat oleh petugas secara manual setiap bulan.
Pencatatan secara manual ini, dapat menimbulkan beberapa persoalan. Seringkali petugas tidak
dapat mencatat pemakaian energi listrik pelanggan yang tertera pada kWh meter, karena petugas
tidak dapat masuk ke dalam rumah pelanggan, atau ke dalam halaman rumah pelanggan, karena
pemilik rumah tidak ada. Pencatatan secara manual oleh petugas juga rentan terhadap kesalahan.
Salah satu solusinya adalah membuat suatu perangkat pencatat pemakaian energi listrik secara
otomatis dan nirkawat, supaya petugas pencatat tidak perlu masuk ke dalam rumah atau ke
dalam pekarangan rumah pelanggan dan mencatat secara manual.
Untuk membuat pencatatan dapat dilakukan secara otomatis dan nirkawat, jumlah
pemakaian energi listrik hasil pengukuran diubah menjadi data digital. Hal ini dapat dilakukan
dengan melakukan modifikasi kWh meter analog, sehingga dapat memberikan hasil pengukuran
dalam bentuk data digital[1], atau mengganti kWh meter analog dengan kWh meter digital[2].
KWh atau kilowatt hour adalah satuan energi listrik yang biasa digunakan dalam
perhitungan pemakaian energi listrik. Satu kWh artinya adalah pemakaian energi listrik sebesar
seribu watt dalam satu jam. Jika pada kWh meter analog tercantum x-putaran per kWh, artinya
untuk mencapai satu kWh dibutuhkan putaran sebanyak x kali putaran dalam setiap jamnya.
Contoh, jika 1000 putaran per kWh, maka harus ada 1000 putaran dalam satu jam untuk
mencapai satu kWh. KWh meter analog supaya dapat memberikan hasil pengukuran pemakaian
energi listrik berupa data digital dapat dilakukan dengan menambah perangkat tambahan berupa
sensor optocoupler dan mikrokontroler untuk menghitung jumlah putaran atau laju putaran
piringan yang ada dalam kWh meter analog. Laju putaran piringan ini akan sebanding dengan
jumlah energi listrik yang digunakan.
Untuk mengukur pemakaian energi listrik secara digital, dibutuhkan tiga besaran dalam
bentuk data digital yang harus diketahui, yaitu arus, tegangan, dan faktor daya beban. Untuk
mengukur arus diperlukan sensor arus dan mengubah besarnya arus yang terdeteksi menjadi
tegangan, kemudian diubah ke dalam bentuk digital. Untuk mengukur faktor daya diperlukan
sudut fasa antara arus dan tegangan pada beban yang hasilnya diubah ke dalam bentuk digital.
Apabila besaran arus, tegangan, dan sudut fasa antara arus dan tegangan pada beban dapat
diperoleh dalam bentuk digital, maka kWh meter digital dapat dibuat.
Dalam artikel ini dibahas perancangan dan realisasi pencatat otomatis nirkawat
pemakaian energi listrik berbasis pengendali mikro. Data pelanggan dan data pemakaian energi
listriknya dikirimkan secara nirkawat melalui gelombang radio dari perangkat pengukur dan
diterima oleh perangkat pencatat yang dibawa oleh petugas dan disimpan dalam memori SD
card. Untuk mengukur pemakaian energi listrik dibuat kWh meter digital pada perangkat
pengukur. Pemancar radio pada perangkat pengukur hanya akan aktif jika diaktifkan oleh
petugas pencatat ketika akan mengirimkan data. Setelah selesai mengirimkan data, pemancar
akan tidak aktif kembali secara otomatis.
ISSN: 1979-2867
PERANCANGAN DAN REALISASI PENCATAT NIRKAWAT PEMAKAIAN ENERGI LISTRIK...
61
II. PERANCANGAN SISTEM
Diagram blok dari sistem pencatat otomatis nirkawat pemakaian energi listrik berbasis
pengendali mikro yang dirancang ditunjukkan dalam Gambar 1.
Pengukur
Arus
Beban
Satu
Fasa
LCD
Pengirim
RF
Pengukur
Tegangan
Pengendali
Mikro
Pengukur
Sudut Fasa
Penerima
Infra
Merah
(a)
LCD
Penerima
RF
Pengendali
Mikro
Pengirim
Infra
Merah
SD Card
(b)
Gambar 1. Diagram Blok Sistem (a) Perangkat Pengukur (b) Perangkat Pencatat
Dari diagram blok pada Gambar 1 dapat dilihat bahwa sistem yang dirancang terdiri dari
dua bagian besar, yaitu Perangkat Pengukur dan Perangkat Pencatat. Perangkat Pengukur
merupakan perangkat kWh meter digital yang dilengkapi dengan pengirim frekuensi radio (RF
transmitter) dan penerima inframerah (IR receiver).
Perangkat Pengukur akan mengukur pemakaian energi atau daya listrik pada beban.
Prinsip pengukuran energi listrik pada beban adalah dengan mengukur arus, tegangan, dan sudut
fasa antara arus dan tegangan pada beban. Hasil pengukuran arus, tegangan, dan sudut fasa
tersebut akan dibaca dan dihitung oleh pengendali mikro untuk menghasilkan besarnya energi
listrik yang dikonsumsi beban dalam satuan kWh. Besarnya energi listrik yang digunakan akan
diakumulasi setiap saat dan hasilnya akan ditampilkan dalam LCD dan disimpan dalam memori
dari pengendali mikro. Apabila petugas pencatat akan mencatat jumlah pemakaian energi listrik,
maka petugas akan mengaktifkan Pengirim RF pada Perangkat Pengukur dengan cara
mengirimkan perintah untuk mengaktifkan melalui Pengirim inframerah pada Perangkat
Pencatat yang dibawa oleh petugas ke Penerima inframerah pada Perangkat Pengukur.
Pengendali mikro pada Perangkat Pengukur menerima perintah dari Penerima inframerah dan
mengaktifkan Pengirim RF, kemudian mengirimkan data pelanggan dan data pemakaian energi
ISSN: 1979-2867
62
ELECTRICAL ENGINEERING JOURNAL, VOL. 4, NO. 1, OCTOBER 2013
listriknya ke Perangkat Pencatat. Setelah selesai mengirimkan data, Pengirim RF akan kembali
dinonaktifkan agar tidak menggangu perangkat-perangkat yang ada di sekitarnya. Perangkat
Pencatat akan menerima data yang dikirim, kemudian menampilkan data tersebut pada LCD dan
menyimpannya dalam memori SD card.
II.1. Pendeteksi Arus
Arus yang mengalir dalam beban dapat dideteksi menggunakan sensor arus ACS712.
Sensor arus ini menggunakan prinsip efek Hall.[3] Keluaran dari sensor arus ini berupa tegangan
yang besarnya sebanding dengan besarnya arus yang mengalir. Pada sensor arus ACS712 sudah
dilengkapi dengan amplifier, pengatur offset tegangan DC dan filter.[3] Rangkaian pendeteksi
arus yang dibuat dapat dilihat pada Gambar 2.
V1
AC
100K
IP+
masukan zero
crossing detektor
Vout
+
PORTA ADC0
-
100n
IPBeban
2200m
50K
ATmega16
ACS712
1K
Gambar 2. Rangkaian Pendeteksi Arus
Vout pada sensor arus masih banyak mengandung noise sehingga dipasang filter low-pass
RC untuk meredam noise. Dari hasil pengujian, filter RC dapat meredam dengan baik noise
yang terjadi ketika nilai R = 100 k dan C = 100 nF. Keluaran dari filter RC ini diubah menjadi
tegangan DC menggunakan diode dan filter kapasitor sebelum masuk ke penguat non-inverting.
Pada penguat non-inverting digunakan potensiometer untuk mengatur besarnya gain agar
keluaran sensor arus tersebut sesuai dengan rentang masukan ADC (analog to digital converter)
pengendali mikro ATmega16. Keluaran dari penguat ini dihubungkan dengan PORTA ADC0
dari Atmega16. Keluaran dari filter RC juga dihubungkan dengan masukan dari Zero Crossing
Detector yang digunakan untuk mengukur sudut fasa antara arus dan tegangan pada beban.
II.2. Pendeteksi Tegangan
Untuk mendeteksi besarnya tegangan jala-jala listrik pada kWh meter yang dibuat
digunakan rangkaian yang terdiri dari transformator untuk menurunkan tegangan, diode sebagai
penyearah dan kapasitor sebagai filter digunakan untuk mengubah keluaran transformator
menjadi tegangan DC. Rangkaian pendeteksi tegangan yang dibuat dapat dilihat pada Gambar 3.
V2
AC
220 V
Beban
3V
masukan zero
crossing detektor
2200
m
PORTA ADC1
ATmega16
Gambar 3. Rangkaian Pendeteksi Tegangan
ISSN: 1979-2867
PERANCANGAN DAN REALISASI PENCATAT NIRKAWAT PEMAKAIAN ENERGI LISTRIK...
63
Tegangan yang diturunkan oleh transformator akan digunakan sebagai masukan ADC
pada pengendali mikro dengan rentang tegangan DC antara 0 sampai dengan maksimum 5 V.
Oleh karena itu digunakan transformator yang menurunkan tegangan dari 220 V menjadi 3 V,
sehingga tegangan DC yang diperoleh maksimum 4,24 V. Tegangan yang dibaca oleh
pengendali mikro melalui PORTA ADC1 akan menghasilkan besarnya tegangan jala-jala listrik
pada beban. Tegangan keluaran transformator juga dimasukkan ke rangkaian zero crossing
detector untuk mengukur besarnya beda fasa antara tegangan dan arus pada beban.
II.3. Pendeteksi Beda Fasa
Untuk mendeteksi beda fasa antara tegangan dan arus pada beban digunakan zero
crossing detector. Zero crossing detector digunakan untuk mengetahui saat gelombang arus dan
gelombang tegangan masing-masing melewati nol. Perbedaan waktu antara saat gelombang arus
dan gelombang tegangan melewati nol menunjukkan beda fasa antara gelombang arus dan
gelombang tegangan. Rangkaian pendeteksi beda fasa menggunakan zero crossing detector
ditunjukkan pada Gambar 4.
dari Pendeteksi
Arus
v1
VCC
VCC
+
R1
vk1
vx
-
50K
PORT B0
VCC
R2
VCC
-
50K
vk2
ATmega16
+
v2
dari Pendeteksi
Tegangan
Gambar 4. Rangkaian Pendeteksi Beda Fasa
Rangkaian pendeteksi beda fasa ini dibuat menggunakan komparator dan gerbang logika
XOR. Komparator menggunakan LM393 dengan catu daya tunggal (VCC = 5V) dan gerbang
XOR menggunakan 74LS86. Komparator sebagai zero crossing detector digunakan untuk
mendapatkan informasi saat gelombang tegangan dan gelombang arus masing-masing tepat
melewati titik nol. Gerbang logika XOR digunakan untuk mengetahui nilai perbedaan sudut fasa
antara gelombang tegangan dan gelombang arus. Nilai perbedaan sudut fasa didapat dengan
menghitung selang waktu antara transisi logika 0 ke logika 1 dan transisi logika 1 ke logika 0
pada pulsa keluaran gerbang logika XOR.
v1 adalah masukan komparator yang berasal dari pendeteksi arus, sedangkan v2 adalah
masukan komparator yang berasal dari pendeteksi tegangan. v1 dan v2 adalah sinyal-sinyal
berbentuk gelombang sinusoidal yang masing-masing mewakili arus dan tegangan.
Potensiometer R1 (50K) dan R2 (50K) pada masing-masing komparator digunakan sebagai
pengatur tegangan referensi, agar komparator dapat mendeteksi dengan tepat ketika gelombang
arus dan gelombang tegangan melewati titik nol. Keluaran masing-masing komparator atau zero
crossing detector, yaitu vk1 dan vk2 ditunjukkan pada Gambar 5.
ISSN: 1979-2867
64
ELECTRICAL ENGINEERING JOURNAL, VOL. 4, NO. 1, OCTOBER 2013
v1
t
Df
vk1
t
v2
Df
t
T
vk2
Dt
t
Gambar 5. Bentuk gelombang masukan dan keluaran masing-masing zero crossing detector
Keluaran masing-masing komparator (zero crossing detector) vk1 dan vk2 merupakan
sinyal digital yang berubah (mengalami transisi) ketika sinyal masukan v1 atau v2 melewati nol,
seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Antara gelombang v1 dan v2 terdapat beda fasa sebesar ∆f
yang sebanding dengan perbedaan waktu (delay) ∆t antara vk1 dan vk2.
Keluaran dari kedua zero crossing detector vk1 dan vk2 akan dijadikan masukan dari
gerbang XOR, dan keluaran dari gerbang XOR vx akan menjadi masukan PORT B0 dari
pengendali mikro. Keluaran dari gerbang XOR akan menghasilkan logika 1 jika kedua masukan
gerbang XOR mempunyai logika yang berbeda. Perbedaan fasa ∆ f antara gelombang v1 dan v2
akan menghasilkan perbedaan waktu (delay) ∆t antara vk1 dan vk2. Dari Gambar 5 dapat dilihat
bahwa pada interval ∆f, vk1 akan berlogika 1 dan vk2 akan berlogika 0, sehingga keluaran
gerbang XOR akan berlogika 1. Perbedaan sudut fasa ∆f didapat dengan menghitung interval
waktu ketika keluaran XOR berlogika 1 (selang waktu antara transisi logika 0 ke logika 1 dan
transisi logika 1 ke logika 0). Bentuk keluaran gerbang XOR ditunjukkan pada Gambar 6.
Perhitungan interval waktu (∆t) ketika keluaran XOR berlogika 1 dilakukan oleh pengendali
mikro melalui PORT B0. Perbedaan fasa antara gelombang sinusoidal yang merepresentasikan
arus (v1) dan gelombang sinusoidal yang merepresentasikan tegangan (v2) dapat dihitung dengan
ISSN: 1979-2867
65
PERANCANGAN DAN REALISASI PENCATAT NIRKAWAT PEMAKAIAN ENERGI LISTRIK...
Persamaan 1:
∆f =
∆𝑡
𝑇
× 360°
(1)
dengan T = 1/50 detik, adalah periode gelombang sinusoidal.
vk1
t
T
vk2
t
vx
Dt
t
Gambar 6. Bentuk gelombang masukan dan keluaran gerbang XOR
II.4. Pengirim RF dan Penerima IR
MODUL
Receiver
IR
PORT B2
PORT D0
PORT D1
Gambar 7. Hubungan Pengirim RF dan Penerima IR dengan Pengendali Mikro (PORT B2, D0, D1)
ISSN: 1979-2867
66
ELECTRICAL ENGINEERING JOURNAL, VOL. 4, NO. 1, OCTOBER 2013
Untuk Pengirim RF digunakan modul XBee, yaitu sebuah modul yang didesain untuk
memenuhi standar Zigbee/IEEE 802.15.4.[4] Modul ini bekerja pada pita frekuensi ISM
(Industrial, Scientific & Medical) 2,4 GHz. Modul XBee ini merupakan modul transceiver yang
bekerja pada catu daya 3,3V. Supaya modul XBee ini dapat dihubungkan dengan Pengendali
Mikro yang bekerja dengan catu daya 5V dan untuk menghasilkan tegangan 3,3V, maka
digunakan modul konverter level. Data yang akan dikirimkan dari Perangkat Pengukur melalui
modul XBee diambil dari PORT D1 Pengendali Mikro ATmega16, sedangkan data yang
diterima diperoleh dari PORT D0 seperti ditunjukkan pada Gambar 7.
Untuk Penerima IR digunakan modul penerima infra-red DT I/O. Penerima infra-red
DT-I/O adalah modul penerima data melalui gelombang infra merah dengan frekuensi carrier
sebesar 38 kHz.[5] Keluaran dari modul ini dihubungkan ke PORT B2 Pengendali Mikro
ATmega16 seperti ditunjukkan pada Gambar 7.
II.5. Perangkat Pencatat
Perangkat Pencatat terdiri dari Pengendali Mikro ATmega16, Penerima RF menggunakan
modul XBee, Pengirim IR menggunakan modul pengirim infra-red DT I/O[5], LCD, dan
Embedded Module Series (EMS) SD/MMC. EMS merupakan modul untuk mempermudah
antarmuka SD card dengan Pengendali Mikro. Koneksi masing-masing komponen tersebut
dalam Perangkat Pencatat ditunjukkan pada Gambar 8.
Gambar 8. Rangkaian Perangkat Pencatat
ISSN: 1979-2867
PERANCANGAN DAN REALISASI PENCATAT NIRKAWAT PEMAKAIAN ENERGI LISTRIK...
67
Pada Perangkat Pencatat, push button dihubungkan dengan PORT PA0 dan masukan
Pengirim IR dihubungkan dengan PORT PB0 Pengendali Mikro ATmega16. Jika push button
ditekan, maka PORT PA0 akan mendapat logika 1 (high) dan PORT B0 akan mengeluarkan
logika 0 (low) ke Pengirim IR, sehingga Pengirim IR akan memancarkan gelombang inframerah
38 kHz ke Penerima IR pada Perangkat Pengukur. Keluaran Penerima IR akan menginterupsi
Pengendali Mikro untuk mengaktifkan Pengirim RF dan mengirimkan data pelanggan berserta
data pemakaian energi listriknya ke Perangkat Pencatat. Penerima RF pada Perangkat Pencatat
akan menerima data yang dikirim Perangkat Pengukur. Keluaran data dari Penerima RF setelah
melewati konverter level akan dibaca oleh Pengendali Mikro melalui PORT D0. Data yang
dibaca oleh Pengendali Mikro akan ditampilkan pada LCD dan disimpan dalam memori SD
card Perangkat Pencatat.
II.6. Relasi Besar Arus dan Tegangan dengan Nilai Keluaran ADC
Besarnya arus maupun tegangan hasil pengukuran yang dibaca oleh Pengendali Mikro
sesuai dengan besarnya hasil konversi analog ke digital keluaran pendeteksi arus maupun
pendeteksi tegangan. Untuk itu perlu diperoleh relasi antara besarnya tegangan atau arus dengan
nilai keluaran masing-masing ADC. Untuk mengetahui relasi tersebut dilakukan percobaan
pengukuran besarnya tegangan maupun arus dengan alat ukur Clamp Meter untuk beberapa
beban resistif dan membaca keluaran ADC nya masing-masing. Hasil yang diperoleh
ditunjukkan pada Tabel 1.
TABEL 1. HASIL PENGUKURAN DENGAN CLAMP METER DAN NILAI KELUARAN ADC
Daya Beban
(W)
10
20
25
30
35
40
55
60
65
75
80
85
90
100
115
125
Hasil Clamp Meter
Arus (A)
0,07
0,08
0,11
0,14
0,15
0,17
0,24
0,26
0,28
0,32
0,34
0,36
0,39
0,42
0,49
0,53
Tegangan (V)
221,5
221,4
221,4
220,8
220,7
220,7
220,9
221,5
220,9
219,9
221,5
218,2
219,2
219,1
219,4
218,2
Nilai Keluaran ADC
Arus
637
672
674
677
678
679
680
681
680
682
681
682
682
682
683
683
Tegangan
777
779
779
776
777
777
778
779
779
778
777
778
777
777
778
776
Dari data pada Tabel 1 didapat relasi antara arus AC hasil pengukuran dengan Clamp
Meter dan nilai keluaran ADC untuk arus, dan relasi antara tegangan AC hasil pengukuran
dengan Clamp Meter dan nilai keluaran ADC untuk tegangan. Gambar 9 menunjukkan relasi
antara arus AC hasil pengukuran dengan Clamp Meter dan nilai keluaran ADC untuk arus.
Gambar 10 menunjukkan relasi antara tegangan AC hasil pengukuran dengan Clamp Meter dan
nilai keluaran ADC untuk tegangan. Relasi ini pada dasarnya menunjukkan relasi antara arus
atau tegangan sebenarnya yang diukur oleh Clamp Meter dan hasil pendeteksi arus atau
ISSN: 1979-2867
68
ELECTRICAL ENGINEERING JOURNAL, VOL. 4, NO. 1, OCTOBER 2013
pendeteksi tegangan dalam bentuk data digital (keluaran ADC).
0.6
Arus AC (A)
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
630
640
650
660
670
680
690
Nilai Keluaran ADC
Gambar 9. Relasi antara Arus hasil pengukuran Clamp Meter dan Nilai ADC keluaran Pendeteksi Arus
Dari Gambar 9 terlihat bahwa pendeteksi arus yang direalisasikan kurang linier. Oleh
karena itu untuk mendapatkan persamaan hubungan antara arus dan nilai ADC dilakukan
linearisasi sepotong demi sepotong, yaitu dengan membagi menjadi dua daerah. Daerah pertama
adalah rentang nilai ADC 635 sampai 679, dengan regresi linear diperoleh persamaan Arus =
0,0018 × nilai ADC – 1,094. Daerah kedua adalah untuk nilai ADC lebih besar dari 679, dengan
regresi linear diperoleh persamaan Arus = 0,080 × nilai ADC – 54,165.
Tegangan AC (V)
222
221
220
219
218
775
776
777
778
779
780
Nilai Keluaran ADC
Gambar 10. Relasi antara Tegangan hasil pengukuran Clamp Meter dan Nilai ADC keluaran Pendeteksi
Tegangan
Dari Gambar 10 terlihat bahwa pendeteksi tegangan yang direalisasikan menghasilkan
nilai ADC antara 776 – 779 untuk variasi tegangan antara 218,2V – 221,5V. Untuk
mendapatkan persamaan hubungan antara tegangan dan nilai ADC dilakukan regresi linier.
ISSN: 1979-2867
69
PERANCANGAN DAN REALISASI PENCATAT NIRKAWAT PEMAKAIAN ENERGI LISTRIK...
Persamaan regresi linier yang diproleh adalah Tegangan = 0,412 × nilai ADC – 99,976.
II.7. Perangkat Lunak pada Perangkat Pengukur
START
Energi = 0
T=0
A
Delay 1s
kWh = Energi/
1000
T=T+1
Data kWh
disimpan dlm
EEPROM
Baca ADC Tegangan
Volt = 0,412*(ADC) – 99,976
Tampilan kWh
pada LCD
Baca ADC Arus
POWER OFF?
635<=ADC<=679
T
Ampere = 0,08*(ADC)-54,165
T
Y
END
Y
Ampere = 0,0018*(ADC)-1,094
Baca Beda Fasa
Daya = Volt*Ampere*
cos(beda fasa)
Energi = Energi +
Daya
Y
While
T < 3600s ?
T
A
Gambar 11. Diagram Alir Program pada Perangkat Pengukur
ISSN: 1979-2867
70
ELECTRICAL ENGINEERING JOURNAL, VOL. 4, NO. 1, OCTOBER 2013
Perangkat lunak pada Perangkat Pengukur dirancang untuk menghitung jumlah
pemakaian energi listrik dalam kWh. Dari diagram alir Gambar 11, dapat dilihat pertama-tama
program akan membaca nilai ADC tegangan dan nilai ADC arus untuk mengetahui besarnya
tegangan dan arus yang mengalir pada beban, serta beda fasa antara arus dan tegangan.
Kemudian hasilnya dipakai untuk menghitung daya yang digunakan. Hal ini dilakukan setiap
detik, sehingga dapat diperoleh jumlah energi listrik yang digunakan dalam satu detik. Jumlah
energi yang digunakan akan diakumulasi setiap detik. Hasil akumulasi yang berlangsung selama
3600 detik akan menghasilkan perubahan energi sebesar seperseribu kWh. Kemudian hasilnya
disimpan dalam memori dan ditampilkan pada LCD.
II.8. Perangkat Lunak pada Perangkat Pencatat
START
Inisialisasi SD Card
Push Button
ditekan?
T
Y
Pengirim IR Aktif
Zigbee Logic = 1?
T
Y
Zigbee Menerima Data
Data disimpan dalam
SD Card
Tampilan data
kWh pada LCD
T
Power OFF?
Y
END
Gambar 12. Diagram Alir Program pada Perangkat Pencatat
Permintaan untuk mengirimkan data pelanggan dan jumlah pemakaian energi
ISSN: 1979-2867
PERANCANGAN DAN REALISASI PENCATAT NIRKAWAT PEMAKAIAN ENERGI LISTRIK...
71
listriknya dilakukan ketika Push Button pada Perangkat Pencatat ditekan. Pengirim IR
akan aktif dan memancarkan gelombang infra-merah ke Penerima IR pada Perangkat
Pengukur. Keluaran Penerima IR akan menginterupsi Pengendali Mikro untuk mengaktifkan
Pengirim RF dan mengirimkan data pelanggan berserta data pemakaian energi listriknya ke
Perangkat Pencatat. Penerima RF (Zigbee) pada Perangkat Pencatat akan menerima data yang
dikirim Perangkat Pengukur, kemudian disimpan dalam memori SD card dan ditampilkan pada
LCD.
III. HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN
Pengujian dilakukan untuk melihat sejauh mana sistem Pencatat Nirkawat Pemakaian
Energi Listrik Berasis Pengendali Mikro yang direalisasikan dapat berfungsi.
III.1. Pengujian Perangkat Pengukur
Tabel 2 menunjukkan energi listrik dan faktor daya hasil pengukuran dari Perangkat
Pengukur yang direalisasikan dan Clamp Meter untuk beberapa beban. Hasil
pengukuran energi listrik yang diperoleh merupakan energi yang dikonsumsi masingmasing beban selama satu menit.
TABEL 2. HASIL PENGUKURAN PERANGKAT PENGUKUR DAN CLAMP METER
Perangkat Pengukur
Beban (W)
Arus (A)
10
20
25
30
35
40
55
60
65
75
80
85
90
100
115
125
Neon 10
Monitor CRT 65
TV Samsung 80
0,0508
0,1174
0,1192
0,1246
0,1282
0,1282
0,2350
0,3150
0,2350
0,3950
0,3150
0,3950
0,3950
0,4750
0,4750
0,6350
0,1550
0,5550
0,3950
Tegangan
(V)
220,5600
220,9720
220,9720
219,7360
220,1480
220,1480
220,5600
220,9720
220,9720
220,5600
220,5600
220,5600
220,1480
221,3840
221,7960
219,7360
221,3840
220,1480
221,3840
Faktor
Daya
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0,545
0,877
0,886
Clamp Meter
Energi
(Wh)
0,1867
0,4324
0,4390
0,4563
0,4704
0,4704
0,8639
1,1601
0,8655
1,4520
1,1579
1,4520
1,4493
1,7526
1,7559
2,3255
0,3117
1,7859
1,2913
Faktor
Daya
0,966
0,977
0,983
0,987
0,989
0,990
0,993
0,984
0,995
0,996
0,996
0,996
0,997
0,997
0,998
0,998
0,550
0,866
0,898
Energi
(Wh)
0,2500
0,3167
0,4000
0,4833
0,5500
0,6000
0,8667
0,9833
1,0000
1,2333
1,1667
1,3333
1,4333
1,5333
1,7500
2,0000
0,3000
1,9000
1,3500
Dari Tabel 2 dapat dilihat bahwa energi listrik hasil pengukuran Perangkat Pengukur
yang dibuat terdapat perbedaan dibandingkan dengan hasil pengukuran Clamp Meter. Dari data
pengujian pada Tabel 2 tersebut dapat dihitung bahwa rata-rata perbedaan hasil pengukuran
energi listriknya adalah 11,51%. Perbedaan hasil pengukuran energi listrik ini terjadi terutama
disebabkan karena kurang tepatnya pendeteksi arus, karena untuk pendeteksi tegangan dan
pendeteksi beda fasa dapat dilihat cukup baik hasilnya. Untuk pendeteksi tegangan, dapat dilihat
ISSN: 1979-2867
72
ELECTRICAL ENGINEERING JOURNAL, VOL. 4, NO. 1, OCTOBER 2013
bahwa tegangan yang terukur cukup akurat, yaitu sekitar 220V sesuai dengan tegangan
sebenarnya. Untuk pendeteksi beda fasa, dapat dilihat dari hasil faktor daya yang diperoleh,
ternyata sangat mendekati hasil yang diperoleh Clamp Meter. Pendeteksi arus yang dibuat
kurang akurat, ini disebabkan oleh beberapa hal, yaitu relasi antara besarnya arus yang diukur
dengan nilai keluaran ADC tidak linier, pemilihan rentang linierisasi sepotong demi sepotong
yang kurang tepat, sensor arus yang digunakan tidak linier dan rangkaian pendeteksi arus yang
dibuat kurang baik sehingga dapat menghasilkan nilai keluaran ADC yang sama walaupun
besarnya arus yang diukur berbeda.
III.2. Pengujian Pengiriman Data ke Perangkat Pencatat
Pengujian dilakukan untuk mengetahui apakah pengiriman data dari Perangkat Pengukur
ke Perangkat Pencatat dapat bekerja dengan baik atau tidak. Pengujian dilakukan pada
pelanggan yang memiliki identitas 123 dengan beban berupa lampu pijar 75 watt. Energi listrik
yang dikonsumsi yaitu sebesar 0,07 kWh akan dikirimkan ke bagian pencatat lalu disimpan
dalam SD card.
(a)
(c)
(b)
(d)
(e)
Gambar 13. Proses Pengiriman data dari Perangkat Pengukur ke Perangkat Pencatat. (a) Pemakaian
energi listrik yang terukur pada Perangkat Pengukur. (b) Tekan Tombol 1 pada Perangkat Pencatat. (c)
Data sedang dikirim oleh Perangkat Pengukur. (d) Data yang diterima dan ditampilkan pada LCD
Perangkat Pencatat. (e) Data yang disimpan dalam SD card
Gambar 13.a menunjukkan pemakaian energi listrik pelanggan yang terukur pada
ISSN: 1979-2867
PERANCANGAN DAN REALISASI PENCATAT NIRKAWAT PEMAKAIAN ENERGI LISTRIK...
73
Perangkat Pengukur. Jika pada Perangkat Pencatat tombol 1 ditekan (Gambar 13.b), maka
Perangkat Pengukur akan mengirimkan identitas pelanggan dan data pemakaian energi
listriknya ke Perangkat Pencatat (Gambar 13.c). Perangkat Pencatat akan menerima data yang
dikirim, menyimpannya dalam memori SD card, dan menampilkannya pada LCD seperti
ditunjukkan pada Gambar 13.d. Data yang disimpan dalam SD card dapat dibaca melalui
komputer seperti ditunjukkan pada Gambar 13.e.
Pengujian-pengujian pengiriman data yang telah dilakukan menunjukkan bahwa
pengiriman data dari Perangkat Pengukur ke Perangkat Pencatat dapat bekerja dengan baik.
Data yang dikirim berhasil diterima, disimpan dalam memori SD card dan ditampilkan dalam
LCD oleh Perangkat Pencatat dengan benar.
IV. KESIMPULAN
Sistem pencatat nirkawat pemakaian energi listrik berbasis Pengendali Mikro telah
berhasil direalisasikan. Hasil ujicoba menunjukkan bahwa perangkat yang direalisasikan dapat
berfungsi sesuai dengan perancangan. Data yang dikirim dari Perangkat Pengukur dapat
diterima, disimpan dalam SD card, dan ditampilkan pada LCD dengan benar oleh Perangkat
Pencatat. Namun hasil pengukuran energi listrik masih terdapat perbedaan dibandingkan dengan
hasil pengukuran Clamp Meter. Rata-rata perbedaan hasil pengukuran energi listrik antara
Perangkat Pengukur yang dibuat dengan Clamp Meter sebesar 11,51%. Perbedaan hasil
pengukuran ini terutama disebabkan oleh Perangkat Pendeteksi Arus yang kurang akurat, karena
sensor arus yang digunakan kurang linier, dan rangkaian pendeteksi arus yang dibuat masih
perlu disempurnakan.
DAFTAR REFERENSI
[1] Pasurono, S. Handoko, I. Setyawan, “Perancangan kWh Meter Digital Menggunakan kWh Meter
Konvensional”, tugas akhir S1 Jurusan Teknik Elektro, Universitas Diponegoro, Semarang, Februari
2013.
[2] A. Setiono, Suharto, “Prototipe Aplikasi kWh Meter Digital Menggunakan Mikrokontroler
ATMEGA8535 untuk Ruang Lingkup Kamar”, Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH,
vol. 26, pp. 32-39, Nov. 2009.
[3] Data Sheets of ACS712: Fully Integrated, Hall-Effect-Based Linear Current Sensor IC with 2.1
kVRMS Voltage Isolation and a Low-Resistance Current Conductor, Allegro MicroSystems LLC,
Worcester, Massachusetts, 2012.
[4] XBee®/XBee-PRO® RF Modules Product Manual, Digi International Inc. 11001 Bren Road East
Minnetonka, MN, 2013.
[5] DT-I/O Infrared Transmitter & Receiver Modules Data Sheets, Innovative Electronics 2005
ISSN: 1979-2867
74
ISSN: 1979-2867
ELECTRICAL ENGINEERING JOURNAL, VOL. 4, NO. 1, OCTOBER 2013