rancang bangun - Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir

SEMINAR NASIONAL V
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 5 NOVEMBER 2009
ISSN 1978-0176
RANCANG BANGUN
KWh METER DIGITAL BERBASIS MIKROKONTROLER
SUKARMAN, M.KHOIRI, SWARNADA SETIAWAN
JURUSAN TEKNOFISIKA NUKLIR, STTN-BATAN
Jl. Babaarsari Kotak Pos 6101 YKBB Yogyakarta 55281
Abstract
RANCANG BANGUN DIGITAL KWh METER BERBASIS MIKROKONTROLER. Pencatat energi
listrik (KWh) meter analog PLN masih menggunakan prinsip elektomekanik, besarnya daya yang digunakan
ditunjukkan dengan penampil angka yang juga diolah berdasarkan prinsip piringan mekanis. Meskipun
terjadi kesalahan akibat gesekan mekanis namun diabaikan. Karenanya proses ini diperlukan kalibrasi
ulang agar pencatatan dilakukan dengan benar. oleh karena itu dibuat suatu KWh meter digital yang hanya
menggunakan prinsip elektronik sehingga kesalahan yang ditimbulkan lebih kecil dibandingkan
menggunakan elektromekanik, Dalam penelitian ini dirancang KWh meter digital menggunakan
mikrokontroler AVR Atmega8 menggunakan ADC Internal. Sinyal arus, tegangan dan cos phi yang berasal
dari beban, melewati sensor (trafo arus) masuk ke dalam pengkondisi sinyal (jembatan dioda), dalam
pengkondisi sinyal tegangan dan arus dikondisikan menjadi tegangan yang kemudian diolah ADC menjadi
data daya untuk memberikan data masukan ke mikrokontroler yang kemudian ditampilkan oleh LCD. Hasil
penelitian menunjukkan bahwa KWh yang dibuat memiliki tingkat linieritas alat sebesar 0,946 dengan
spesifikasi linieritas trafo sebesar 0,964 dan tingkat eror ADC 0,0001954 yang dilakukan pada pengukuran
daya 0-450 watt.
Kata kunci : KWh meter, mikrokontroler
DESIGN AND CONSTRUCTION OF POWER METER BASED ON MICROCONTROLLER. Recorder
of electric power (KWh) of analog type already use electromechanical principal, where value of power
used show numerical indicator. It works mechanically disk rotation. Although there are error due to
mechanical friction, but its negligible. Therefore that it require recalibration so right recorded. Hence, it
change to digital power meter that it electronical principal. This research use microcontroller ATmega8
where it includes internal ADC. Current, voltage and cos phi different from load is measured by current
transformer (CT). then it give to signal conditional (SC) like diode bridge. Output from signal conditional
processed by ADC so it is power, and finally show to LCD indicator. The result show power meter have
linierity 0.964, with linierity of trafo is 0.964 and ADC error 0.0001954 at measurement of power 0-450
Watt.
Keyword : power meter, microcontroller,
Sukarman, dkk
333
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN
SEMINAR NASIONAL V
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 5 NOVEMBER 2009
ISSN 1978-0176
Latar Belakang
Sistem pencatatan data pemakaian daya
listrik bagi para pelanggan PLN pada umumnya
masih menggunakan cara konvensional,
sehingga
untuk
mengetahui
besarnya
pemakaian daya, pencatatan data dilakukan
secara manual atau dengan personal data entry
dengan
mendatangi
ke
masing-masing
pelanggan. Pengukuran dilakukan dengan
menghitung perkalian antara tegangan dan arus
melalui kumparan dinamis yang bekerja secara
mekanis.
Perkembangan teknologi elektronika
digital telah mendorong kearah perubahan yang
lebih baik, dari sisi konsumsi daya, harga dan
bentuk bahkan kompatibelitasnya (Doebelin,
Ernest O., 1983).
Pencatat daya listrik merupakan Alat
ukur yang digunakan untuk mengukur besarnya
daya listrik yang digunakan. Suatu alat ukur
minimal terdiri dari sensor, pengolah data dan
penampil (Elnanda,h, 2006). Penampil digital
akan memberi kemudahan dan kepastian nilai
walaupun masih dibutuhkan rangkaian analog
untuk proses analog.
Sebagai alat ukur tentu saja harus
dilakukan kalibrasi terhadap alat standar
(Wahyunggoro,O, 1998), agar data yang
diperoleh dapat dipertanggung jawabkan.
Dalam pengukuran digital, maka diperlukan
pengubah analog menjadi digital menggunakan
ADC. Pada mikrokontroler ATmega 8 terdapat
ADC internal 10 bit.
Texas Instruments telah membuat Piranti
IC AD7750 yang merupakan rangkaian terpadu
yang di dalamnya terdapat rangkaian ADC
sebagai respon terhadap sensor arus dan
tegangan yang kemudian diproses lebih lanjut
oleh MCS-51.
B.Yoyok W.P,
2008,
menggunakan rangkaian pengukur arus dan
tegangan serta beda fase untuk mengukur daya
listrik.
Penelitian lain Texas Instruments
menciptakan suatu chip yang digunakan untuk
melakukan pengukuran energi meter dengan
single
chip
MSP430FE427
(www.analog.com). Chip ini mempunyai
banyak keuntungan, di samping dirancang
khusus pengukuran energi listrik sehingga dari
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN
334
segi ketelitiannya sangat bagus karena semakin
hardware yang terpasang minimum maka
errornya pun minimum. Tetapi, kelemahan dari
chip ini hanya mempunyai satu port untuk akses
ke LCD/ Display, sehingga spesifikasi dari
display yang cocok secara serial (one wire).
Dengan mikrokontroler AVR yang praktis dan
memiliki fitur yang lebih lengkap dibandingkan
MCS-51 salah satu contohnya rangkaian ADC
terpadu dan fleksibel (mudah didapatkan,
murah, dan banyak port untuk akses ke LCD.
Perancangan watt-meter digital menggunakan
mikrokontroler AVR mengacu pada manual
handbook Atmel (www.atmel.com, 12 Maret
2008).
Dasar Teori
Energi aktif didefinisikan sebagai daya
yang
digunakan
oleh
piranti
untuk
menghasilkan daya guna. Persamaan energi
aktif ditunjukkan pada persamaan 1.1.
(1.1)
Dengan T, u(t), i(t) masing-masing
adalah periode satu siklus tegangan AC,
tegangan fungsi waktu, arus fungsi waktu
sedangkan U, I adalah tegangan dan arus yang
masing-masing mempunyai nilai RMS (Root
Mean Square) dan φ merupakan sudut
penyimpangan antara arus dan tegangan,
sehingga setelah diberi masukan (beban)
persamaan (1.1) menjadi :
(1.2)
Dengan N adalah banyaknya cuplikan,
u(n) dan i(n) adalah tegangan dan arus pada
saat cuplikan ke- n. Alat pengukur daya/
pengukur watt dikenal sebagai KWh meter
(Kilo Watt hour) meter (www.atmel.com,
Application note465, 12 Maret 2008). Berikut
gambar KWh meter analog ditunjukkan oleh
gambar 1.1
Sukarman, dkk
SEMINAR NASIONAL V
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 5 NOVEMBER 2009
ISSN 1978-0176
AVR ATmega 8 yang di dalamnya terdapat
rangkaian EEPROM yang dapat difungsikan
sebagai “bank” data/ penyimpan data mengenai
informasi yang didapat dari pengukuran arus
dan tegangan yang diproses oleh analog front
end (AFE) (www.atmel.com, Application
note465, 12 Maret 2008).
Perangakat Keras (hardware) KWh meter
Gambar 1.1 KWh meter analog
Pada KWh meter analog ditunjukkan
gambar 1.1. Prinsip kerja KWh meter analog
adalah jika terdapat beban listrik, akan
menginduksi menggerakkan piringan, hal ini
yang menjadi salah satu kelemahan yang sering
terjadi karena kesalahan terbesar disebabkan
karena piranti mekanik tersebut (Kirkup, Les,
2002).
Ikhtisar perhitungan energi listrik sebagai
konsumsi daya dari penggunaan beban sebagai
berikut :
W = P. t
(1.3)
Dengan W adalah energi listrik
(wattjam), P adalah daya sebagai beban (watt),
dan t adalah waktu yang digunakan selama
pemakaian (jam). Sedangkan untuk pengukuran
daya sebagai beban sebagai masukan (data)
yang nantinya akan diproses oleh pembuatan
KWh meter digital perlu adanya koreksi
terhadap fluktuasi tegangan sumber listrik AC
(PLN), sehingga daya yang terukur adalah daya
sesungguhnya.
Untuk
lebih
jelasnya
ditunjukkan persamaan 1.4 di bawah ini :
P = V2(fluktuasi)/ R
(1.4)
Dengan P adalah daya sesungguhnya
(watt), V adalah tegangan fluktuasi sumber AC
(volt), dan R adalah konstanta hambatan (ohm).
R diperoleh dengan menggunakan persamaan
1.5 di bawah ini :
R = V2tertulis/ Ptertulis
(1.5)
Dengan R adalah konstanta hambatan
(ohm), V adalah tegangan yang tertulis pada
beban (volt), P adalah daya yang tertulis pada
beban (watt).
Rangkaian pengukuran daya digital ini
menggunakan sebuah keping mikrokontroler
Sukarman, dkk
1. Catu daya : catu daya yang digunakan
sangat ringkas sehingga efisiensinya
sangat rendah tetapi dalam beaya sangat
murah atau ekonomis, hanya digunakan
untuk mencatu daya pada rangkaian sistem.
Terlihat dari gambar 1.2 di bawah ini ini
rangkaian catu daya secara blok schematic
(www.atmel.com, Application note465, 12
Maret 2008).
335
Gambar 1.2 power supply ATmega 8
2. Analog awal sampai akhir/ Signal
conditioning (Analog Front End)
Analog front end merupakan bagian
lain dari perangkat keras, penghubung dari
tegangan tinggi menjadi tegangan rendah.
Analog front end termasuk penguat Op amp
yang menyediakan inputan untuk ADC dalam
mikrokontroler. Analog front end/ SC terdiri
dari dua bagian:
a. Jembatan dioda.
b. Potensiometer.
3. catu daya (power supply) mikrokontroler :
sebelum masuk ke sistem listrik AC
didropkan menjadi 6V menggunakan trafo
CT diubah menjadi DC menggunakan
diode bridge masuk ke IC LM7805 keluar
DC 5V untuk catu daya sistem. Hal ini
dilakukan karena merupakan salah satu
proteksi jika diode zener dadal dalam teori.
4. RTC : dalam praktiknya menggunakan
timer internal karena RTC yang dimaksud
masih sangat jarang di pasaran dan juga
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BATAN
SEMINAR NASIONAL V
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 5 NOVEMBER 2009
ISSN 1978-0176
penggunaan RTC membutuhkan memori
yang cukup.
5. Mikrokontroler : AVR ATmega8 yang
compatible dengan AVR ATmega88
(www.atmel.com)
ditunjukkan
pada
gambar 1.3
Gambar 1.4 Sensor arus dan pengkondisi sinyal
Sensor Tegangan
Sensor tegangan berupa sebuah
transformer step-down pada umumnya, besar
transformer ialah 300mA. Keluaran dari sensor
ini berupa tegangan, berbentuk gelombang
sinusoidal (gambar 1.5).
Gambar 1.3 (ISP) ATmega 8 (www.atmel.com)
6. Sensor : Sensor dalam pembuatan sistem ini
menggunakan
trafo
arus
(current
transformator), untuk trafo jenis ini masih
sangat jarang dan jumlahnya pun terbatas
sehingga untuk mendapat trafo ini harus
membuat sendiri.
Sensor Arus
Sebatang kawat teraliri arus listrik
menuju beban dilewatkan diantara cicin toroid
dan sejumlah kawat email digulung padacincin
toroid tersebut maka kumparan kawat pada
cincin tersebut akan menginduksikan arus
listrik dari sebatang kawat arus tersebut.
Dengan mengolah sinyal induksi pada kawat
kumparan toroid tersebut maka akan diperoleh
nilai arus yang dilewatkan untuk mensuplay
beban pada ujung kawat arus. Dengan metode
ini arus yang dilewatkan akan terbaca pada
fungsi besaran tegangan berbentuk gelombang
sinusoidal (gambar 1.4).
Gambar 1.5 Sensor tegangan dan pengkondisi sinyal
Rangkaian Pengkondisi sinyal sebagai
pembentuk beda fasa
Dalam blok pengkondisi sinyal terdiri
dari blok–blok rangkaian, yang bertujuan
membuat sinyal sinusoidal keluaran dari sensor
arus dan tegangan menjadi sinyal persegi.
Pembentukan sinyal persegi dilakukan dengan
metode Zerro Crossing Detector, dengan
terbentuknya sinyal persegi maka akan
mempermudah untuk membentuk beda fasa
pada rangkaian logika EX-OR (Gambar 1.6).
Gambar 1.6 Rangkaian pembentuk beda fasa
1. LCD : LCD yang digunakan adalah tipe dot
matrik LMB 162A yang compatible dengan
LCD Hitachi M 1632. LCD ini merupakan
modul LCD dengan tampilan 16 x 2 baris
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN
336
Sukarman, dkk
SEMINAR NASIONAL V
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 5 NOVEMBER 2009
ISSN 1978-0176
yang didesain dengan konsumsi daya yang
rendah. Modul ini dilengkapi dengan
mikrokontroler yang didesain khusus untuk
mengendalikan LCD. Mikrokontroler HD
44780 buatan Hitachi
2. Rangkaian
schematic
keseluruhan
ditunjukkan pada gambar 1.7
Gambar 1.7 Blok diagram KWh meter digital
Gambar 1.8 flow chart program pengolah KWh meter digital
Perangkat Lunak (Software) KWh meter
Langkah Kerja
Program
utama
dari
algoritma
perangkat lunak dari pembutan KWh meter
digital, ditunjukkan gambar 1.8
Rancang bangun KWh meter digital dari
sistem KWh meter analog menggunakan
mikrokontroler AVR ATmega 8 :
Sukarman, dkk
337
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BATAN
SEMINAR NASIONAL V
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 5 NOVEMBER 2009
ISSN 1978-0176
1. Studi literatur/ referensi
2. Perancangan perangkat keras/ hardware ,
ditunjukkan pada gambar (1.2-1.7)
3. Pembuatan program untuk perangkat
lunaknya/ software, seperti gambar 1.8.
4. Pengujian alat
Data linieritas trafo arus ditunjukkan
pada tabel 1 dan gambar 1.9
Tabel 1 Linieritas Trafo arus
DAYA (WATT)
TEGANGAN TERUKUR (VOLT)
450
25
300
19
250
17
200
13
100
7
50
3.5
10
1
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Percobaan
1. Karakteristik sensor
Sensor
yang
digunakan
adalah
transformator arus (current transformator/ CT)
yang kemudian dikonversi menjadi tegangan.
Untuk menentukan kinerja dari sensor tersebut
adalah linieritas yang artinya jika sensor
dihubungkan/ diberi beban akan naik sebanding
besarnya beban yang terpasang.
Keterangan :
Tegangan terukur adalah perkalian tegangan dengan
arus yang dihasilkan dari trafo arus yang digunakan.
Tabel 2. KWh terukur dengan daya sesungguhnya (beban tetap, waktu variabel)
DAYA
TERTULIS
(WATT)
450
300
250
DAYA
SESUNGGUHYA
(WATT)
430
275
247
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN
T
(MENIT)
W HITUNG
(KWH)
W TERUKUR
(KWH)
10
0.071666
0.034143
20
0.143333
0.065646
30
0.215
0.106459
40
0.286666
0.133299
60
0.43
0.377062
10
0.045833
0.012006
20
0.091666
0.045001
30
0.1375
0.07679
40
0.183333
0.109097
60
0.275
0.291416
10
0.041166
0.009275
20
0.082333
0.035613
30
0.1235
0.071698
40
0.164666
0.086975
60
0.247
0.296913
338
Sukarman, dkk
SEMINAR NASIONAL V
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 5 NOVEMBER 2009
ISSN 1978-0176
V
Gambar 1.9 Linieritas Trafo arus
Pada gambar 1.9 karakteristik sensor
mendekati linier (dengan tingkat linieritas R2 =
0,964) sehingga trafo arus ini dapat digunakan
dalam pembacaan KWh meter (data yang
terukur pada tabel 1).
2. Karakteristik ADC
ADC yang digunakan merupakan ADC
yang terintegrasi dalam satu chip dengan kata
lain menggunakan ADC internal dengan
resolusi (R) 10 bit, yang artinya ADC tersebut
dapat mengukur sampai perubahan yang sangat
kecil, yaitu tegangan terkecil sebesar 0,000977.
Dari resolusi tersebut terbukti ADC yang
digunakan sangat teliti. Untuk mengetahui
secara lengkap dan jelas terlampir dalam data
sheet ATmega 8 dalam lampiran 1. Mengacu
pada data sheet karakteristik ADC ATmega 8,
eror ADC sebesar 0,0001954 (0,5 LSB).
Dari hasil percobaan karakteristik dari
sensor/ trafo arus dan karakteristik ADC pada
mikrokontroler diperoleh kesesuaian/ linear,
semakin besar input maka output yang
dihasilkan juga semakin besar (tabel 1).
Percobaan selanjutnya adalah mengetahui
hubungan kesebandingan energi listrik (KWh)
yang terukur pada variasi beban dengan waktu
konstan
dan
mengetahui
hubungan
kesebandingan energi listrik (KWh) yang
terukur pada variasi watu dengan beban tetap.
1. Data perhitungan energi listrik dengan
variasi daya sesungguhnya (persamaan 1.4
dan persamaan 1.5), dengan waktu konstan
ditunjukkan gambar 1.10.
2. Data perhitungan energi listrik variasi
waktu dengan daya sesungguhnya konstan
yang ditunjukkan gambar 1.11 dan tabel 2.
Gambar 1.10 Komparasi daya terukur dengan daya hitung
Sukarman, dkk
339
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BATAN
SEMINAR NASIONAL V
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 5 NOVEMBER 2009
ISSN 1978-0176
Gambar 1.11, Daya terukur konstan, waktu variasi
PEMBAHASAN
Dari hasil pecobaan yang telah
dilakukan dengan memperhitungkan linieritas
sensor
(trafo)
dan
linieritas
ADC
(mikrokontroler)
. Untuk percobaan
selanjutnya mengetahui kinerja dari alat yang
telah dibuat (KWh meter digital berbasis
mikrokontroler Atmega 8) dengan percobaan
mengetahui hubungan KWh meter yang terukur
dengan daya yang tertulis dengan waktu
konstan atau sebaliknya, mengetahui hubungan
KWh terukur dengan waktu variasi dengan
beban konstan. Dari hasil percobaan diperoleh
hasil sebagai berikut :
KWh terukur dengan beban variasi
dengan waktu konstan (gambar 1.8) diperoleh
nilai dengan faktor linieritas (R) diasumsikan
sebagai ketelitian KWh meter digital sebesar
0,946 sedangkan dari tingkat keakuratannya
diasumsikan bernilai 1 untuk persamaan linier y
= mx + c untuk m = 1 (gambar1.9) ternyata
masih terdapat eror/ ralat yang signifikan,
mengapa demikian? Hal ini ternyata terdapat
hubungan antara beban dengan fluktuasi
tegangan sumber (PLN). Sehingga daya terukur
harus dikoreksi dengan daya sesungguhnya
(faktor kalibrasi). Faktor kalibrasi dari gambar
1.9 sebesar 1/ 0,064 = 16 (pembulatan).
Sedangkan untuk percobaan hubungan KWh
meter yang terukur (gambar 1.10) dengan
waktu masih terdapat eror tetapi nilai erornya
lebih kecil dibandingkan dengan variasi beban
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN
340
dengan waktu konstan atau dengan kata lain
perubahan waktu tidak mempengaruhi kinerja
dari KWh meter digital.
KESIMPULAN
Dari perancangan alat ukur energi KWh
meter digital berbasis mikrokontroler ATmega
8 yang dibuat dengan spesifikasi KWh meter
digital sebagai berikut :
1. Telah dilakukan rancang bangun perangkat
Kwh
Meter
Digital
berbasis
mikrokontroler.
2. Range beban yang terukur (0-450) watt
(untuk beban diatas 450 watt belum
dilakukan percobaan).
3. Ketelitian KWh meter ini ditentukan oleh
tingkat kelinieritasan alat terhadap beban
koreksi yaitu sebesar 0,946 dan tingkat
keakuratan
sebesar
0.064
dengan
spesifikasi tingkat kelinieran trafo arus
(sensor) sebesar 0,964 dan tingkat eror
ADC internal mikrokontroler Atmega 8
sebesar 0,0001954 (0,5 LSB).
4. Faktor kalibrasi KWh meter digital sebesar
16.
DAFTAR PUSTAKA
1.
B. YOYOK WP, 2008, perancangan watt
meter digital 1 fasa dengan mikrokontroller
at89s51, teknik elektro, unika sogijapranata
semarang.
2.
ELNANDA,HARDA, 2006, perancangan alat
ukur daya listrik lampu pijar menggunakan
Sukarman, dkk
SEMINAR NASIONAL V
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 5 NOVEMBER 2009
ISSN 1978-0176
adc tlv2543 dengan tampilan komputer,
teknik elektro ugm, yogyakarta.
3.
DOEBELIN, ERNEST o., 1983, measurement
systems. Tokyo: mcgraw-hill international
book company
4.
KIRKUP, LES, 2002, calculating and
expressing uncertainty in measurement.
Faculty of science, university of technology
sidney, australia (dari internet).
5.
WAHYUNGGORO,
OYAS,
1998.
Pengukuran besaran listrik. Yogyakarta:
diktat bahan kuliah, jurusan teknik elektro
universitas gadjah mada
6.
www.atmel.com, application note465, 12 maret
2008, 10.00 wib.
7.
www.atmel.com, 12 maret 2008, 11.00 wib.
8.
Reference design user’s guide bill-of-material
(bom) microchip application note465, 12
maret 2008, 10.00 wib).
9.
www.analog device.com, solid state electricity
15 maret 2008, 06.00 wib.
Sukarman, dkk
341
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BATAN
SEMINAR NASIONAL V
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 5 NOVEMBER 2009
ISSN 1978-0176
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN
342
Sukarman, dkk