BAB III PERANCANGAN ALAT

BAB III
PERANCANGAN ALAT
Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai bagaimana alat dapat menampikan
dan menghitung hasil dari nilai nilai inputan sensor sensor dan gambaran Rancang
Bangun Alat Pengukuran Konsumsi Energi Listrik yang dapat ditampilkan
interface LCD(Liquid Crystal Display) 20x4.
Penelitian tersebut terdiri dari beberapa tahap yaitu rancangan umum alat, tahap
perancangan secara blok diagram, tahap perancangan analisa rangkaian secara
detail, tahap perancangan dan analisa secara flowchart, perancangan program
software arduino serta perancangan analisis secara program. Secara rinci diuraikan
sebagai berikut.
3.1
Perancangan Umum Alat
Rancang bangun alat pengukuran penggunaan konsumsi energi listrik
rumah tangga adalah sebuah rancangan yang digunakan untuk mengetahui
konsumsi listrik dari suatu alat eletronika yang dapat langsung di monitor melalui
Interface LCD 20x4, Untuk data yang ditampilkan didapatkan dari komponen
sensor tegangan, dan sensor arus yang di kirim saat melakukan pemograman pada
arduino.
33
http://digilib.mercubuana.ac.id/
3.2
Tahap Perancangan Secara Diagram Blok
Pada bagian ini akan dibahas mengenai blok diagram dengan prinsip kerja
masing- masing blok diagram. Analisa rangkaian disini adalah pembahasan
analisa rangkaian alat pengukuran penggunaan secara blok diagram. Blok diagram
terdiri dari rancangan blok input (masukan), rancangan blok proses, dan
rancangan blok output (keluaran).
Dimana setiap blok memiliki fungsi yang berbeda beda. Gambar 3.1
merupakan bagian yang saling berhubungan antara satu sama lain yang
dibutuhkan, elemen input yang mempengaruhi proses sehingga mengahasilkan
suatu keluaran output.
LCD 20X4
SENSOR ARUS
ARDUINO
I2C
UNO
SENSOR TEGANGAN
Input
Proses
Output
Gambar 3.1 Blok Diagram Rangkaian
Berdasarkan pada Gambar 3.1 dapat dilihat rancangan rangkaian secara blok
diagram yang terdiri dari blok masukan, blok proses dan blok keluaran. Dimana
blok masukan menjelaskan tentang masukan menjelaskan tentang masukan untuk
microcontroller serta media masukannya, blok proses menjelaskan proses setelah
masukan masuk dan komponen yang berperan sebagai pemroses masukan,
sedangkan blok keluaran menjelaskan tentang keluaran yang dihasilkan serta
media keluarannya.
34
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Secara rinci uraian Gambar 3.1 dapat dijelaskan sebagai berikut.Rancangan blok
masukan berfungsi mendata setiap komponen yang digunakan sebagai media
masukan yang akan di proses sehingga menghasilkan output sesuai yang di
harapkan masukan yang di peroleh dari rangkaian alat pengukuran penggunaan
konsumsi energi listrik didapatkan dari beberapa jenis komponen berikut
3.3
Perancangan power supply/Catu daya
Sensor dan mikrokontroler menjalankan perintah
dengan fungsi perlu
sumber tegangan pada rangkaian agar dapat menjalankan fungsinya pada
rangkaian system. Seperti pada gambar 3.2
Gambar 3.2 Skema rangkaian powersupply
3.4
Rancangan Blok Masukan
Rancangan blok masukan berfungsi untuk mendata setiap komponen
yang digunakan
sebagai
media
masukan
yang akan di proses sehingga
menghasilkan output sesuai yang diharapkan.
35
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Masukan yang diperoleh dari rangkaian alat pengukuran penggunaan energi listrik
didapatkan dari beberapa jenis komponen berikut. Seperti pada gambar 3.3
Gambar 3.3 Rangkaian sensor sensor masukan
Masukan dari sensor arus, dan sensor tegangan terhubung pada Arduino Uno pin:
Tabel 3.1 Komponen Masukan ke Pin Arduino Uno
No
Komponen
Pin Arduino Uno
1
Sensor Arus
A1
2
Sensor Tegangan
A2
3.4.1 Sensor Tegangan ZMPT 101B
Sensor Tegangan ZMPT 101B akan mengirimkan sinyal informasi
berupa data analog yang di terima diterima oleh PIN analog microcontroller
Arduino Uno.
36
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Sinyal tersebut kemudian diolah oleh microcontroller Arduino uno dan
kemudian diproses sebagai input data dan ditampilkan secara visual oleh
LCD 20x4. Bentuk fisik sensor Tegangan Zmpt 101B seperti gambar 3.4
Gambar 3.4 Sensor Tegangan ZMPT 101B
Pada program Sensor tegangan terdapat perumusan untuk mendapatkan nilai
dari Tegangan Power PLN. Dimana nilai tengangan DC yang dihasilkan dari
rangkaian minimal – maksimal tengangan Sensor 0 Volt dc – 5 Volt dc,
Tegangan akan dibaca oleh Arduino dengan konversi Analog to Digital
(Vrms) yang mana nilai Vrms ini adalah 0 – 1023,
Perumusannya sebagai berikut :
440 volt = 5 Volt = 1023
1 Vrms = 0.00488758553
volt float val=0,volt=0;
val=analogRead(0);
// membaca nilai A0
volt=val*0.00488758553*44*2; /// 1023*0.0048=5 volt *44=220 v *2
=440 Serial.println(volt);
// Print the value to Serial port
delay(1000);
37
http://digilib.mercubuana.ac.id/
3.4.2 Sensor Arus SCT 013-000 Dan Nilai Hambatan Burden Resistor
Yang Ideal
Pada sensor Arus SCT 013-000 prinsip kerja yang digunakan adalah
mengukuran Arus bolak balik dari kabel beban Tegangan AC yang melewati
Transformer (CT) yang terdapat pada komponen didalam sensor Arus
ini.Seperti transformator pada umumnya, transformator di sensor Arus ini
memiliki gulungan primer, inti magnetik, dan gulungan sekunder.
Gambar 3.5 Skema hambatan Resistor Burden dengan sensor arus
Berikut ini langkah langkah mencari nilai hambatan rangkaian Burden
Resistor yang Ideal :
1) Menentukan rentang nilai ukur yang akan di baca oleh sensor:(0-100A)
2) Menentukan nilai maksimum arus yang mengalir pada kumparan
primer sensor ;
Ip = Irms x √2 ampere
Ip = 100 x √2 ampere = 141,4 A
38
http://digilib.mercubuana.ac.id/
3) Menentukan arus maksimum yang mengalir pada kumparan sekunder
sensor ;
Is =
,
Is =
ampere
= 0,0707 A
4) Untuk memaksimalkan resolusi pengukuran tegangan,nilai resistor
yang dipasangkan harus menghasilkan nilai tegangan referensi pada
Mikrokontroller (0V-5V) maka
= = 2,5 V
5) Hitung nilai resistansi burden Resistor yang ideal menggunakan
hukum ohm;
R= Ω
Ω
Rburden =
R=
, ,
= 35,36 Ω
35 Ω bukan nilai resistor yang umum. Nilai-nilai terdekat kedua sisi dari 35 Ω
adalah 39 dan 33 Ω. penulis memilih nilai yang lebih kecil, atau arus beban
maksimum akan membuat tegangan yang lebih tinggi dari AREF. Yaitu 33 Ω ±
1%. Semakin jauh dari ideal nilai, semakin rendah akurasi yang akan di dapat.
3.4.3 Perancangan Rangkaian Pengondisi Sinyal Sensor Arus Sct 013-000
Rangkaian Pengondisi Sinyal yang digunakan dalam perancangan ini
adalah rangkaian Clamper. hanya dengan menggunakan rangkaian pembagi
tegangan dengan menggunakan resistor untuk mendapatkan seberapa besar
level DC yang dinaikan.
39
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Dan juga digunakan komponen kapasitor untuk menghalangi sinyal DC masuk
ke input dan sebaliknya sinyal input akan mampu melewati kapasitor , sehingga
tujuan yang di harapkan akan tercapai
Gambar 3.6 Skema rangkaian burden resistor dan rangkaian pembagi tegangan
Arduino
tidak
dapat
mengukur
tegangan
negatif,jadi
kita
perlu
menambahkan 2,5 V untuk rangkaian pembagi tegangan sehingga membuat
tegangan terukur. Antara 0V-5V
Penulis menggunakan Resistor 10 K(R2 dan R3) pada rangkaian pembagi
tegangan.serta menggunakan kapasitor 25V 10uf (C1).
Vout =
3.5
x vin =
x 5V = 2,5 V
Rancangan Blok Proses
Pada alat ini yang berfungsi sebagai proses adalah Arduino Uno Atmega328
40
http://digilib.mercubuana.ac.id/
3.5.1 Arduino Uno
Arduino Uno burfungsi untuk memproses setiap masukan sesuai dengan
kondisi logika pemograman yang telah di flash/upload sebelumnya. Setelah
microcontroller pada arduino memproses setiap masukan maka hasil akan
keluar melalui pin digital berupa digit biner ‘0’ atau ‘1’. Dimana nilai biner
‘0’ menyatakan tegangan ‘low’ dan biner ‘1’ merupakan tegangan ‘high’.
Dari gambar 3.6 dibawah adalah blok proses pada Arduino Uno dan
beberapa komponen sebagai masukannya yang kemudian akan di proses oleh
microcontroller dan akan menghasilkan keluaran.
Gambar 3.7 Blok Proses Arduino Uno
3.6 Rancangan Blok Keluaran
Setelah pemrosesan telah selesai pada blok proses, maka keluarlah
output yaitu
berupa nilai nilai pada LCD yang dapat melihat hasil
tampilan sensor dari blok masukan yang telah di proses oleh Arduino Uno
untuk dirubah menjadi data digital dan diproses lebih lanjut.
41
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Gambar 3.8 Rangkaian keluaran interface LCD(Liquid Crystal Display)
Tabel 3.2 Komponen Keluaran dari Pin Arduino Uno
No
3.7
Komponen
Pin Arduino Mega2560
1
LCD 20x4 SCL
A5
2
LCD 20x4 SDA
A4
Tahap Perancangan dan Analisa Rangkaian Secara Detail
Analisa secara detail berfungsi untuk mengetahui alur cara kerja
alat. Pada gambar 3.8 dibawah ini merupakan rangkaian keseluruhan dari
rancang bangun alat pengukuran penggunaan konsumsi energy listrik
rumah tangga.
42
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Gambar 3.9 Rangkaian Keseluruhan Rancang Bangun Alat Pengukuran
Penggunaan Konsumsi Energi Listrik Rumah Tangga
Rangkaian tersebut menggunakan tegangan atau catu daya DC (Direct Current)
sebesar 9V volt yang didapat dari adaptor. Arduino Uno dengan microcontroller
ATMega328 merupakan komponen yang memproses data masukan dari sensor
tegangan dan sensor arus. Kemudian microcontroller mengolah data yang
diterima sesuai dengan program yang dibuat sebelumnya dan microcontroller
43
http://digilib.mercubuana.ac.id/
mengeluarkan output sesuai dengan program yang sudah ditanamkan.kemudian
mengkalkulasi nilai nilai analog yang di dapat kemudian di tampilkan di interface.
Pada alat pengukuran penggunaan konsumsi energi listrik ini, ada
beberapa input yang mempunyai fungsinya masing- masing, antara lain ialah :
A.Sensor Tegangan ZMPT 101B
Berfungsi sebagai pengukur tegangan secara analog dimana pada saat
tegangan naik turun maka nilai tegangan analog tersebut akan mengalami
kenaikan atau terjadi penurunan nilai inputan
B.Rangkaian pembagi arus
Berfungsi sebagai pembagi tegangan karena Arduino hanya dapat menerima
tegangan dari 0 – 5 volt,maka perlu mengkonversi Arus menjadi tegangan,
dan diperlukan penambahan resistor pada sensor ini.
C.Sensor Arus SCT 013-000
Berfungsi sebagai pengukur arus secara analog dimana pada saat arus naik
turun maka nilai tegangan analog tersebut akan mengalami kenaikan atau
terjadi penurunan nilai inputan.
Data input dari microcontroller diolah menjadi nilai nilai parameter
kemudian di proses oleh arduino dan tampilkan pada interface LCD(Liquid
Crystal Display) 20X4.
3.8
Tahap Perancangan dan Analisis Secara Flowchart
Untuk mempermudah pembuatan program, penulis terlebih dahulu
membuat diagram alur atau bisa juga disebut dengan flowchart.
44
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Flowchart ini di maksudkan sebagai pemandu penulis dalam membuat
program agar kesalahan dapat diminimalisir, juga bertujuan agar program
yang dibuat merupakan suatu algoritma yang tepat. Cara kerja alat secara
diagram alur dijabarkan dalam bentuk flowchart pada gambar 3.9.
Rancang bangun alat pengukuran energi listrik
ini dirancang dengan
menggunakan interface berupa LCD(Liquid Crystal Display) yang
selanjutnya sensor arus dan sensor tegangan sebagai sumber inputan
analognya.
Adapun proses kerja dari system pengukuran alat ini sebagai berikut :
1. Sensor Arus SCT 013-000 mendeteksi inputan arus kemudian di
konversi menjadi nilai analog.
2. Rangkaian pembagi tegangan mengkonversikan nilai analog sensor arus
tadi menjadi nilai tegangan yang menjadi parameter pada mikrokontroler.
3. Sensor Tegangan ZMPT 101B menerima inputan tegangan yang
kemudian di konversikan menjadi nilai analog yang sudah di ubah menjadi
parameter tegangan inputan pada mikrokontroler
4. Sistem mikrokontroler Arduino menerima dan mengolah data input
masukan sensor sensor sebagai data primer yang kemudian mikrokontroler
mengkalkulasi nilai nilai tersebut.
5. Hasil dari perhitungan mikrokontroler, kemudian di kirim pada I2C
LCD 20x4 untuk tampilkan.
6. LCD(Liquid Crystal Display) 20X4 kemudian menampilkan nilai nilai
seperti arus,tegangan,daya aktif dan daya reaktif yang kemudian di baca
oleh pengguna.
45
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Mulai
Hitung
Arus,Tegangan,Daya
Nyata,Daya Semu
Inisialisasi
Perangkat Keras
Tampilkan Nilai
Arus,Tegangan,Daya
Nyata,Daya Semu
Inisialisasi
Variabel
Input data Arus
Dan Tegangan
Gambar 3.10 Flowchart Rancangan Alat
3.9
Perancangan Program Software Arduino
Perancangan
software
ini
akan
membahas
mengenai
tahap
perancangan perangkat lunak yang menggunakan software Arduino.
Tujuan perancangan lunak ini adalah untuk mempermudah dalam
memprogram
yang
akan
dimasukan
atau
ditanamkan
kedalam
microcontroller ATMega328 menggunakan software Arduino.
46
http://digilib.mercubuana.ac.id/
a. Langkah pertama membuka software Arduino dengan mengklik 2 kali
Arduino.exe
b. Membuat koding yang akan dimasukan ke dalam microcontroller sesuai
dengan kebutuhan alat.
c. Lalu untuk mengecek struktur dan kebenaran koding dapat diklik tombol
verify untuk mendeteksi apakah masih ada syntax yang error.
d. Jika kodingan sudah tidak ada kesalahan, maka untuk memasukan program ke
dalam microcontroller pilih tombol Upload pada software.
Gambar 3.11 Software Arduino
47
http://digilib.mercubuana.ac.id/
3.10
Perancangan Analisis Secara Program
Berikut ini adalah daftar program yang telah di upload ke dalam
microcontroller Arduino Uno atmega328, agar semua masukan yang
berupa sensor dapat bekerja dengan baik dan mengahasilkan keluaran
yang diinginkan.
Gambar 3.12 Program Sensor Arus dan Sensor Tegangan
49
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Gambar 3.13 Program I2C(Inter Integrated Circuit) dan Liquid Crystal Display
Gambar 3.13 Program Keseluruhan Dari Sensor Arus,SensorTegangan,I2C(Inter
Integrated Circuit) daLCD(Liquid Crystal Display
50
http://digilib.mercubuana.ac.id/