Prototipe Aplikasi K W h Meter Digital Menggunakan Mikrokontroler

Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH
Volume 26, November 2009
Prototipe Aplikasi KWh Meter Digital Menggunakan Mikrokontroler
ATMEGA8535 untuk Ruang Lingkup Kamar
ANDI SETIONO
Pusat Penelitian Fisika – LIPI, Komplek PUSPIPTEK Tangerang, Indonesia
E-MAIL :[email protected]
SUHARTO
Jurusan Fisika – FMIPA, Universitas Gadjah Mada Sekip Utara Bls, Yogyakarta 55281
INTISARI : Telah dibuat prototipe Kwh meter digital menggunakan mikrokontroler Atmega8535 untuk ruang lingkup kamar. Alat
ini berfungsi menghitung besar Watthours dan besar biaya beban listrik yang telah terpakai dari dua kamar yang berbeda. Untuk
mengukur besar Watthours, yang paling penting adalah pengukuran arusnya. Salah satu sensor arus yang dapat digunakan adalah
sensor ACS712T ELC D5B. Prinsip kerja sensor arus ini adalah mendeteksi medan magnet dari kawat berarus dengan IC Hall
efek yang sudah terintegrasi didalamnya. Besar arus yang masuk sebanding dengan besar medan magnet yang ditimbulkan.
Sistem ini terdiri dari empat bagian, yaitu sensor, kontroler, display dan rangkaian relay. Bagian sensor terdiri dari sensor arus
ACS712T ELC D5B dan trafo step down sebagai sensor tegangan. Bagian kontroler menggunakan sistem minimum ikrokontroler
Atmega8535. LCD 16 x 2 digunakan untuk menampilkan hasil penghitungan. Karena dalam alat ini menggunakan satu buah
sensor arus, maka perlu adanya mekanisme pengukuran arus yang dilakukan secara bergiliran dalam rentang waktu yang sama.
Rangkaian relay berperan dalam fungsi pergantian tersebut.
KATA KUNCI : Kwh Meter Digital, ACS712T ELC D5B
ABSTRACT : Have been created digital Kwh meter using microcontroller Atmega8535 for room scale area. This instrument can
count watthours value and electrical cost of two different room. The important thing to count Watthours is current measuring.
One of current sensor is ACS712T ELC D5B. The principal of this sensor is detect magnetic field around current counductor use
internal hall effect. Magnetic field around current in counductor is proportional to that current.There are four part of this
system, those are sensor part, controller part, display part and relay part. Sensor part consist of current sensor ACS712T ELC
D5B and step down transformator as voltage sensor. Contoller part use minimum system of microcontroller Atmega8535. LCD
16 x 2 is used to display counting result. As in this system just use one current sensor so it need substitution mechanism to detect
current in same time. Relay part have role in this mechanism.
KEYWORDS : digital Kwh meter, ACS712T ELC D5B
1.
PENDAHULUAN
KWH meter merupakan suatu alat ukur yang banyak dipakai baik di lingkungan perumahan, perkantoran
maupun industri. Alat ukur ini sudah mengalami perkembangan yang begitu luar biasa dalam beberapa tahun
terakhir ini.
Pada umumnya KWH meter dipasang di tiap rumah yang berlangganan listrik kepada PLN sebagai penyedia
listrik di Indonesia. Masalah muncul jika yang berlangganan adalah para penghuni kos (anak kos) khususnya
mengenai besarnya nilai tagihan yang harus dibayarkan oleh masing-masing penghuni kos kepada bendahara kos.
Pada umumnya penentuan tagihan kamar dilakukan dengan melihat jumlah peralatan listrik yang digunakan oleh
masing-masing penghuni kos kemudian diprosentasekan sesuai kesepakatan bersama. Namun hal tersebut dirasa
kurang valid dan tidak terlalu objektif. Oleh karena itu, salah satu cara untuk memudahkan penentuan besar tagihan
per kamar maka dirancang wattmeter yang ruang lingkupnya kamar. Alat ini memiliki output nilai watthours dan
besar tagihan yang harus dibayar (dalam rupiah). Dengan demikian perhitungan akan lebih fair dan adil.
Masalah utama pada sistem watt meter ini adalah bagaimana menentukan nilai arus dan tegangan yang
dihubungkan ke beban dengan daya yang bervariasi dan dalam jumlah yang sulit terkontrol/termonitor dengan baik.
Dengan beban yang bersifat variable maka akan menimbulkan nilai arus yang bervariasi pula. Selanjutnya
bagaimana menampilkan nilai keluaran dengan hardware yang efisien dan tidak terlalu banyak sehingga mengurangi
kompleksitas rangkaian pada sistem. Masalah terakhir adalah bagaimana melakukan kalibrasi alat dengan tepat.
Untuk mengukur daya listrik lampu pijar, salah satu aspek yang penting adalah pengukuran arusnya.
Beberapa cara untuk mengukur arus diantaranya adalah dengan menggunakan shunts, pembagi tegangan atau
transformer arus [3]. Dapat juga mengukur arus dengan cara mengukur medan magnetic yang ditimbulkannya [3].
Teknik pengukuran medan magnet untuk mengetahui besar arus listrik diterapkan dalam aplikasi ini. Saat ini sudah
diproduksi sensor arus, seperti ACS712T ELC D5B yang dapat mendeteksi arus hingga range 5 A. Prinsip sensor ini
32
Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH
Volume 26, November 2009
merespon medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang masuk. Besar medan magnet disekitar kawat
berarus selalu sebanding dengan arus yang melewati kawat tersebut. Sedangkan untuk menentukan nilai
tegangannya, tegangan AC yang akan diukur diturunkan terlebih dahulu dengan trafo, disearahkan, dan difilter
riaknya agar menjadi DC sehingga dapat dibaca ADC sebagai hasil pengukuran. Karena bila terjadi penurunan
tegangan AC, maka akan terjadi pula penurunan tegangan DC.
LCD dengan format 16 x 2 dapat menjadi solusi untuk menampilkan hasil pengambilan data sensor, bahkan
bias untuk interaksi antara mikrokontroler dengan manusia [1]. Dengan menggunakan teknik pemrograman,
berbagai data yang diperlukan dapat ditampilkan secara bergantian melalui konfigurasi relay sebagai switch.
Sehingga diperoleh efisiensi dalam penampilan nilai keluaran dan kompleksitas hardware dapat dihindari.
Kalibrasi dilakukan dengan menggunakan multimeter. Mulitimeter dapat mengukur tegangan dan arus yang
melalui suatu beban. Perkalian antara tegangan V dengan arus I akan diperoleh nilai daya P.
Proses penghitungan dan kontrol terhadap berbagai komponen dilakukan oleh mikrokontroler ATMega8535.
ADC internal ATMega8535 akan memudahkan perancangan dan dapat mengurangi kompleksitas hardware.
2. METODOLOGI/EKPERIMEN
Pada prinsipnya, daya merupakan hasil perkalian antara tegangan dengan arus yang diukur dalam satuan watt
[3]. Wattmeter digital adalah alat pengukur daya yang menampilkan nilai daya secara digital, dimana penghitungan
nilai daya diperoleh dengan mengacu pada rumus dasarnya kemudian disusun menggunakan program dan
ditampilkan melalui LCD. Secara sederhana, aplikasi wattmeter dapat diperoleh dengan menggabungkan voltmeter
digital dan amperemeter digital. Dengan demikian, untuk membuat wattmeter digital dibutuhkan beberapa
komponen penting diantaranya sensor arus sebagai detector arus beban, transformer step down sebagai detector
tegangan dan chip mikrokontroler sebagai pengolah data daya.
Berkaitan dengan hal tersebut, tulisan ini memuat bagaimana aplikasi wattmeter digital digunakan untuk
menampilkan besar daya dari 2 kamar dengan waktu pengukuran yang relative bersamaan. Beberapa komponen
yang digunakan dalam aplikasi ini adalah sebagai berikut:
2.1
Rangkaian Relay
Rangkaian relay 5 V dibutuhkan agar wattmeter digital dapat melakukan penghitungan daya 2 kamar dengan
relatife bersamaan.
VCC
PB.6
A
PB.7
B
Gambar 1. Rangkaian Relay
Rangkaian relay bekerja untuk memilih diantara 2 beban (A dan B), sehingga sensor arus dapat melakukan
pengukuran terhadap kedua beban tersebut secara bergantian dalam rentang waktu yang sama, dalam hal ini 10 s.
Kontrol terhadap rangkaian ini dilakukan oleh mikrokontroler melalui portB.6 dan portB.7. Ketika terdapat logika
‘1’ pada POTRB.6 atau PORTB.7 maka relay akan OFF. Sebaliknya ketika logika ‘0’ yang diberikan maka relay
akan ON.
33
Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH
Volume 26, November 2009
Penempatan sensor arus yang terlihat pada gambar diatas memungkinkan sensor arus hanya dapat
mendeteksi setengan dari arus beban yang sebenarnya. Untuk mengatasinya, maka nilai daya pada program
dikalikan dengan konstanta dua.
2.2
Rangkaian detektor arus
Rangkaian sensor arus menggunakan ACS712T ELC D5B sebagaimana ditunjukkan pada Gb 2.
Gambar 2. Rangkaian Sensor arus
Rangkaian sensor arus ini mengkondisikan arus listrik PLN disearahkan terlebih dahulu oleh konfigurasi
diode sebelum masuk ke pin sensor. Karena alasan penyearahan ini maka sensor arus mendeteksi setengah dari arus
beban yang sebenarnya. Arus tersebut masuk ke dua pin IP+ kemudian keluar dua pin IP_. Prinsip kerja sensor arus
ini adalah mendeteksi medan magnet dari kawat berarus dengan IC Hall efek yang sudah terintegrasi didalamnya.
Besar arus yang masuk akan sebanding dengan besar medan magnet yang ditimbulkan. Agar riak yang dihasilkan
berkurang maka output sensor difilter sebelum masuk ke pin ADC pada mikrokontroler. Ketika pertama kali diberi
catu daya, sensor ini akan mengeluarkan output tegangan sekitar 1,3 V. Nilai tegangan ini selanjutnya akan
dijadikan set point secara software di dalam program.
2.3
Rangkaian detector tegangan
Rangkaian detector tegangan ditunjukkan pada Gb 3.
Gambar 3. Rangkaian Sensor Tegangan
Deteksi tegangan dilakukan dengan menggunakan transformer 1A stepdown dari 220 ACV yang diturunkan
menjadi 12 ACV. Setelah melalui diode bridge (penyearah), beberapa filter dan pembagi tegangan, dihasilkan
tegangan DC yang berbanding lurus dengan naik turunnya tegangan listrik PLN. Tegangan 12 DC diturunkan
menjadi tegangan sekitar 1,5 VDC melalui rangkaian pembagi tegangan. Output rangkaian tegangan tersebut
dimasukkan ke pin adc.
34
Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH
2.4
Volume 26, November 2009
Rangkaian pegolah data daya
Rangkaian pengolah data berbasis mikrokontroler ATmega8535. Sistem minimum mikrokontroler
ATMega8535 seperti yang terlihat pada Gb 4 [2] digunakan sebagai pengolah nilai daya.
Gambar 4. Sistem Minimum Kontroler
Rangkaian ini berfungsi sebagai rangkaian controller. Kontroller adalah bagian yang terpenting dalam sistem
yang dibuat, komponen yang terpenting adalah IC mikrokontroller jenis ATMega8535 berfungsi sebagai otak yang
menjalankan instruksi-instruksi yang tersimpan dalam hal penghitungan arus, tegangan dan daya serta untuk
melakukan pengontrolan terhadap beberapa device.
Mikrokontroler adalah sebuah computer didalam chip yang berfungsi untuk mengontrol perangkat elektronik
[4]. Untuk dapat melakukan hal yang berguna dengan menggunakan mikrokontroler maka dibutuhkan kombinasi
antara perangkat keras dan perangkat lunak yang cocok [5]. Jadi perangkat keras dan perangkat lunak untuk aplikasi
embedeed system yang menggunakan mikrokontroler sangat terkait erat, dan kedua aspek desain sistem yang
lengkap perlu dipertimbangkan bersama-sama.
3.
3.1.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian Sensor Arus
Rangkaian sensor arus menggunakan ACS712T ELC D5B sebagai komponen utama. Arus yang diukur
adalah arus efektif atau Irms. Dalam pengujiannya, penulis mengambil beberapa sampel beban dengan pertamabahan
besar daya 100 W yang diakukan selama 5 kali percobaan. Hal tersebut dimaksudkan untuk mengetahui berapa
besar kenaikan rata-rata hasil konversi ADC tiap beban naik 100 W dengan tegangan referensi 2,5 V.
35
Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH
Volume 26, November 2009
Tabel 1. Percobaan 1
Tabel 2. Percobaan 2
Daya
ADC
Arus
Daya
ADC
0
534
0
535
100
540
6
0,17
0,17
100
541
6
0,18
0,18
200
547
7
300
553
6
0,37
0,2
200
547
6
0,37
0,19
0,54
0,17
300
554
7
0,55
0,18
400
559
6
0,73
0,19
400
559
5
0,74
0,19
500
566
7
0,91
0,18
500
567
rata-rata
8
0,92
0,18
∆ADC
∆Arus
0
rata-rata
6,4
0,182
Tabel 3. Percobaan 3
0
6,4
0,184
ADC
0
535
0,18
100
541
6
0,18
0,18
0,19
200
547
6
0,36
0,18
0,55
0,18
300
554
7
0,55
0,19
5
0,73
0,18
400
559
5
0,73
0,18
7
0,91
0,18
500
567
8
0,92
0,19
∆ADC
Arus
100
541
6
0,18
200
547
6
0,37
300
554
7
400
559
500
566
rata-rata
∆Arus
0
6,2
0,182
Tabel 5. Percobaan 5
∆ADC
rata-rata
∆ADC
Arus
∆Arus
0
6,4
0,184
Tabel 6. Rerata ad(0)c, arus dan standar deviasi adc(0),arus
Arus
∆Arus
Rata-rata adc (X)
Rata-rata arus (Y)
1
6,4
0,182
0,18
2
6,4
0,184
0,19
3
6,2
0,182
0,56
0,19
4
6,4
0,184
6
0,74
0,18
5
6,6
0,186
8
0,93
6,4
0,1836
0,141421356
0,00167332
0
535
100
541
6
0,18
200
548
7
0,37
300
554
6
400
560
500
568
rata-rata
∆Arus
Daya
ADC
535
ADC
Arus
Tabel 4. Percobaan 4
Daya
0
Daya
∆ADC
Percobaan
0
6,6
0,19
0,186
Rata-rata
standar
deviasi
Tabel. 6 menunjukkan bahwa setiap daya beban naik 100 W, rata-rata arus naik 0,1836 ± 0.00167 A. Sedangkan
konversi ADC rata-rata naik 6,4 ± 0.14 digit setiap kenaikan daya 100 W. Dengan demikian sensitivitas rata-rata
yang diperoleh sebesar
arus 
36
6,5  0,14
 34,86
0,1936  0,00167
baca ADC 0   nilai offset
34,86
(1)
Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH
Volume 26, November 2009
Sebagai referensi pengujian arus, digunakan multimeter Heles UX-838TR. Hasil pengujian arus ditampilkan dalam
Tabel. 7.
Tabel 7. Pengujian Arus
Lampu
I Multimeter
I Alat
Error
%error
100
0,18
0,19132
0,01132
6,288889
140
0,25
0,27313
0,02313
9,252
160
0,29
0,3004
0,0104
3,586207
175
0,32
0,32767
0,00767
2,396875
200
0,36
0,35494
0,00506
1,405556
240
0,44
0,43675
0,00325
0,738636
260
0,47
0,49129
0,02129
4,529787
275
0,51
0,49129
0,01871
3,668627
300
0,54
0,51856
0,02144
3,97037
340
0,62
0,60037
0,01963
3,166129
360
0,65
0,62764
0,02236
3,44
375
0,68
0,65491
0,02509
3,689706
400
0,72
0,70945
0,01055
1,465278
440
0,8
0,79126
0,00874
1,0925
460
0,84
0,8458
0,0058
0,690476
475
0,87
0,8458
0,0242
2,781609
500
0,9
0,873307
0,026693
2,965889
rata-rata error
0,015608
3,242855
standar deviasi
0,007993
2,13699
Tabel diatas menunjukkan bahwa pengujian arus memiliki error 0.016 ± 0.008 atau 3.24 ± 2.14 %.
3.2. Sensor tegangan
Sama halnya dengan arus, untuk menghitung tegangan terlebih dahulu dilakukan beberapa pencuplikan yang
membandingkan tegangan sesungguhnya dengan adc yang terbaca. Penghitungan tegangan menggunakann rumus
sebagai berikut:
tegangan 
204
 baca _ adc1
337
(2)
Multimeter DT-830B digunakan sebagai referensi tegangan. Tegangan yang diukur adalah tegangan efektif atau
Vrms. Tab. 8 menunjukkan hasil pengujian tegangan.
37
Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH
Volume 26, November 2009
Tabel 8. Pengujian Tegangan
V pada multimeter
198
V pada Alat
200,3
2,3
1,161616
199
200,9
1,9
0,954774
200
201,5
1,5
0,75
201
202,8
1,8
0,895522
202
203,4
1,4
0,693069
203
204,6
1,6
0,788177
1,75
0,87386
0,327109
0,170404
error
rata-rata
standar deviasi
% error
Tabel. 8 menunjukkan bahwa pengujian tegangan memiliki error rata-rata 1.75 ± 0.33 atau 0.87 ± 0.17 %.
3.3 Pengujian Watthours
Pengujian nilai watthours dilakukan dengan menggunakan lampu 500 W. Pengujian dilakukan dalam rentang
waktu 15 menit selama 1 jam. Tabel 9 menunjukkan hasil pengujian watthours.
Tabel.10 Pengujian Watthours
Waktu
Wh alat
Wh pembanding (Imultimeter x 200 x t)
Error
% Error
15 menit
91,2
91
0,2
0,21978022
30 menit
183,2
182
1,2
0,65934066
45 menit
273,4
273
0,4
0,14652015
60 menit
rata-rata
366,2
364
2,2
0,6043956
1
0,40750916
0,91
0,22668304
S. deviasi
Nilai Wh pembanding= Imultimeter x 200 x t, dengan menganggap tegangan konstan pada nilai 200 V.
Watthours pada alat didapatkan melalui perhitungan sebagai berikut:
watthours  daya  waktu
2  I  V  20
3600
VI

90

(3)
Selama 1 jam percobaan ditampilkan jumlah rupiah sebesar Rp 110,5 untuk beban dengan daya 500 W. Sebagai
perbandingan, apabila tegangan dianggap konstan 200 V, dan biaya per Kwh sebesar diasumsikan Rp300 maka
jumlah uang = 0,91x2x200x1x300/1000=109,2. Error uang=(110,5-109,2)/109,2=0,0119 atau 1,19%.
4. KESIMPULAN DAN SARAN
Wattmeter digital ini dapat mengukur daya lampu merk dop dengan relative baik dalam rentang daya 100
watt s/d 500 watt. Ralat rata-rata daya ukurnya adalah 0.41%. Untuk dapat meningkatkan kualitas pengukurannya
38
Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH
Volume 26, November 2009
sebaiknya diperhatikan bentuk rangkaian yang memiliki gangguan interferensi magnetic sekecil mungkin.
Wattmeter digital ini tentunya masih memiliki banyak kekurangan, sehingga masih perlu pengembangan lebih
lanjut.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Heryanto, M.Ary & Adi P, Wisnu. 2008. Pemrograman Bahasa C untuk Mikrokontoler Atmega 8535. ANDI
OFFSET. Yogyakarta.
[2] Bejo, Agus. 2008. C & AVR. Graha Ilmu. Yogyakarta.
[3] Iwansson, K; Sinapius, G and Hoornaert, W. 1999. Measuring Current, Voltage and Power. ELSEVIER
SCIENCE B.V. Amsterdam.
[4] Parab, Jivan S.; Shelake, Vinod G.; Kamat, Rajanish K. And Naik, Gourish M. 2007. Exploring C For
Microcontrollers. Springer. Dordrecht.
[5] Gadre, Dhananjay V. 2001. Programming And Customizing The Avr Microcontroller. Mcgraw-Hill. New York.
39