rancang bangun alat kontrol pemindahan catu daya utama
advertisement
RANCANG BANGUN ALAT KONTROL PEMINDAHAN CATU DAYA UTAMA ( PLN ) KE CATU DAYA CADANGAN ( GENSET ) SECARA OTOMATIS BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA16 LAPORAN TUGAS AKHIR Ditulis Sebagai Satu Syarat Untuk Menyelesaikan Pendidikan Diploma 3 oleh : ERNITA AFRILIANY HARAHAP NIM :1205041020 MUHAMMAD SHIRATH BARJAWI NIM :1205042085 RAHMAD NIM :1205042093 PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRONIKA JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI ME`DAN MEDAN 2015 ABSTRAK Judul: Rancang Bangun Alat Kontrol Pemindahan Catu Daya Utama ( PLN ) Ke Catu Daya Cadangan ( Genset ) Secara Otomatis Berbasis Mikrokontroler Atmega16. Pada saat sekarang ini, sering terjadi penurunan tegangan bahkan pemadaman listrik oleh PLN, yang banyak mengganggu kegiatan masyarakat. Penyedia sumber tenaga listrik memegang peranan penting dalam setiap aktivitas di rumah tangga yang mengharapkan pasokan tenaga listrik dapat tersedia secara terus menerus ( kontinu ). Beberapa rumah tangga biasanya memiliki catu daya cadangan yang biasa disebut generator set ( genset ). Apabila catu daya utama ( PLN ) tidak dapat menyediakan tenaga listrik secara normal, maka catu daya cadangan ( genset ) dioperasikan sebagai sumber tenaga listrik sehingga akivitas di rumah tangga tidak terganggu dan dapat terus berlangsung. Dalam pengoperasian sebuah genset, jarang sekali ditemukan pengontrolan genset secara otomatis. Semua pengoperasian dilakukan secara manual, mulai dari melepas switch tenaga dari catu daya utama ( PLN ), men-starter genset, menutup switch tenaga dari genset, barulah keluaran tenaga listrik dari genset dapat digunakan. Dalam tugas akhir ini, kami penulis mempelajari pengotomatisan genset berbasis mikrokontroler ATmega16 yang digunakan untuk mengontrol pemindahan catu daya utama ( PLN ) ke catu daya cadangan ( genset ), yang dilengkapi dengan LCD ( Liquid Crystal Display ) sebagai monitoring. Sensor tegangan digunakan untuk mendeteksi apakah terjadi penurunan tegangan dan memastikan ada atau tidaknya tegangan dari PLN. Kemudian sensor tegangan akan mengirimkan output tersebut kepada mikrokontroler ATmega16. Manfaat dari perancangan sistem ini antara lain genset dapat beroperasi secara otomatis tanpa harus bergantung pada seorang operator yang pada akhirnya dapat meningkatkan efisiensi kerja dan mempersingkat waktu. Kata kunci : ATmega16, Sensor Tegangan, LCD dan Generator Set. iii KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan segala rahmat dan karunia-Nya, sehingga pada akhirnya penulis menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik. Tugas akhir ini penulis sajikan dalam bentuk buku yang sederhana. Adapun judul penulisan tugas akhir, yang penulis ambil adalah sebagai berikut: “Rancang Bangun Alat Kontrol Pemindahan Catu Daya Utama ( PLN ) ke Catu Daya Cadangan ( Genset ) Secara Otomatis Berbasis Mikrokontroler Atmega16”. Tujuan penulisan tugas akhir ini dibuat sebagai salah satu syarat kelulusan program diploma tiga (DIII) Politeknik Negeri Medan. Dalam menyelesaikan tugas akhir ini, penulis banyak menghadapi hambatan dan kesulitan, namun berkat bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak maka tugas akhir ini dapat diselesaikan dengan baik. Karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. M. Syahruddin, S.T., M.T., Sebagai Direktur Politeknik Negeri Medan. 2. Junaidi, S.T., M.T., Sebagai Ketua Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Medan. 3. Berman P Panjaitan, S.T., M.T., Sebagai Kepala Program Studi Teknik Elektronika Politeknik Negeri Medan. 4. Ir. Akhiruddin, M.T., Sebagai Dosen Pembimbing yang selalu sedia memberikan waktu, memberikan semangat baik secara langsung maupun tidak langsung. 5. Drs. Ansharuddin, S,S.T., M.T., Sebagai Penguji I Sidang Pengujian Tugas Akhir. iv 6. Henry H L Toruan, S.T., M.T., Sebagai Penguji II Sidang Pengujian Tugas Akhir. 7. Dr. Arnita, M. Pd., Sebagai Koordinator Sidang Pengujian Tugas Akhir. 8. Ahmad Hidayat, S.ST, M.T., Sebagai Dosen Wali kelas EK – 6A yang selalu memberikan nasihat – nasihat. 9. Harris Aminuddin, S.ST., M.T., Sebagai Kepala Bengkel Program Studi Teknik Elektronika Politeknik Negeri Medan. 10. Ir. Akhiruddin, M.T., Sebagai Kepala Laboratorium Program Studi Teknik Elektronika Politeknik Negeri Medan. 11. Staff / karyawan / dosen di lingkungan Politeknik Negeri Medan. 12. Kedua orang tua penulis tercinta, Ayahanda Alm. Ir. Darwin Harahap, MP. dan Ibunda Pelita Hati Siregar, S.Kep.Ns., Sebagai orang tua dari Ernita Afriliany Harahap, Ayahanda Januri dan Ibunda Siti Aisyah, Sebagai orang tua dari Muhammad Shirath Barjawi, Ayahanda Alinafiah Pasaribu dan Ibunda Nur’aini Munthe, Sebagai orang tua dari Rahmad yang telah memberikan dorongan semangat baik secara materi maupun sebaliknya. 13. Rekan – rekan mahasiswa di Politeknik Negeri Medan, khususnya kelas EK – 6A. 14. Serta seluruh pihak yang secara langsung maupun tidak langsung telah membantu pengerjaan Tugas Akhir ini. Penulis menyadari bahwa penulisan tugas akhir ini masih jauh sekali dari sempurna, untuk itu penulis mohon kritik dan saran yang bersifat membangun demi kesempurnaan penulisan di masa yang akan datang. Semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi siapapun yang membacanya dan berguna untuk masa yang akan datang. Medan, 2 September 2015 Penulis v DAFTAR ISI LEMBAR PERSETUJUAN ................................................................................ i LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................. ii ABSTRAK ........................................................................................................... iii KATA PENGANTAR ..... ................................................................................... iv DAFTAR ISI ...................................................................................................... vi DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... ix DAFTAR TABEL .............................................................................................. xi BAB 1 PENDAHULUAN .................................................................................. 1 1.1 Latar Belakang ................................................................................ 1 1.2 Rumusan Masalah ........................................................................... 2 1.3 Batasan Masalah .............................................................................. 2 1.4 Tujuan ............................................................................................. 2 1.5 Manfaat ........................................................................................... 3 1.6 Metodologi Penulisan dan Perancangan ............................................ 3 1.7 Cara Kerja Rangkaian ...................................................................... 4 1.8 Sistematika Penulisan ...................................................................... 4 BAB 2 DASAR TEORI .................................................................................... 6 2.1 Mikrokontroler ................................................................................ 6 2.1.1 Mikrokontroler ATmega16 ............................................................ 7 2.1.2 Konstruksi Mikrokontroler ATmega16 ......................................... 7 2.1.3 Konfigurasi Pin Mikrokontroler ATmega16 ................................... 8 2.1.4 Arsitektur Mikrokontroler ATmega16 ............................................ 12 2.1.5 Instruksi Pemrograman Pada Mikrokontroler Atmega16 Menggunakan Bahasa C ............................................... 14 vi 2.1.6 Software Pendukung ..................................................................... 15 2.1.7 USB ISP Downloader .................................................................... 16 2.2 Kristal ............................................................................................... 17 2.3 Sensor Tegangan ............................................................................... 18 2.4 LCD ( Liquid Crystal Display ) ........................................................ 19 2.5 Push Button ....................................................................................... 20 2.6 Rangkaian Regulator ......................................................................... 20 2.7 Generator Set ( Genset ) .................................................................... 22 2.8 Relay ................................................................................................. 23 2.9 Kontaktor .......................................................................................... 25 2.10 Transistor Sebagai Saklar ................................................................ 27 2.11 Timer ............................................................................................... 30 BAB 3 PERANCANGAN DAN REALISASI .................................................... 31 3.1 Blok Diagram Sistem Pemindahan Catu Daya Utama ( PLN ) ke Catu Daya Cadangan ( Genset ) ................................................... 32 3.2 Rangkaian Dasar Mikrokontroller ATmega16 ................................... 34 3.3 Rangkaian Minimum Sistem Keseluruhan ....................................... 35 3.4 Perancangan Kontaktor...................................................................... 36 3.5 Rangkaian Sensor Tegangan .............................................................. 37 3.6 Rangkaian LCD ................................................................................ 39 3.7 Perancangan PCB .............................................................................. 39 3.7.1 Layout PCB .............................................................................. 40 3.7.2 Layout Komponen ......................................................................... 41 3.8 Perancangan Program Sistem ............................................................ 42 3.8.1 Flowchart Kerja Rangkaian ........................................................... 42 3.8.2 Penjelasan Flowchart .................................................................... 44 3.8.3 Listing Program ............................................................................. 45 vii BAB 4 PENGUJIAN DAN ANALISA .............................................................. 50 4.1 Tujuan Pengukuran Rangkaian ........................................................ 50 4.2 Pengujian dan Analisa Hardware ............................................ 50 4.2.1 Pengujian Otomatis Sistem ............................................................ 51 4.2.2 Pengujian Battery .......................................................................... 51 4.2.3 Pengujian Rangkaian Regulator 5 V .............................................. 52 4.2.4 Pengujian Rangkaian Mikrokontroler ............................................ 52 4.2.5 Pengujian Sensor Tegangan .......................................................... 53 4.2.6 Pengujian Data ADC pada Sensor Tegangan .................................. 54 4.2.7 Pengujian Relay .............................................................................. 54 4.2.8 Pengujian LCD ............................................................................... 56 4.3 Pengujian dan Analisa Software ....................................................... 57 BAB 5 SIMPULAN DAN SARAN .................................................................... 62 5.1 Simpulan ........................................................................................... 62 5.2 Saran ................................................................................................. 62 DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 63 LAMPIRAN ....................................................................................................... 65 viii DAFTAR GAMBAR Gambar Halaman 2.1 Peta Memori Data ATmega16 ........................................................................ 9 2.2 Konfigurasi Kaki ( pin ) ATmega16 ................................................................ 9 2.3 Blok Diagram ATmega16 ............................................................................. 13 2.4 Tampilan Bahasa Pemrograman C................................................................... 16 2.5 Hardware USB ISP Downloader .................................................................... 16 2.6 Software USB ISP Downloader....................................................................... 17 2.7 Simbol Kristal ................................................................................................. 17 2.8 Bentuk Fisik Sensor Tegangan ZMPT101B..................................................... 18 2.9 Koneksi Pin – pin Sensor Tegangan ZMPT101B ............................................ 18 2.10 Bentuk Fisik LCD ......................................................................................... 19 2.11 Tampilan Fisik Push Button .......................................................................... 20 2.12 Rangkaian Fixed Voltage Regulator Power Supply......................................... 21 2.13 Genset ........................................................................................................... 22 2.14 Spesifikasi Genset .......................................................................................... 23 2.15 Bentuk dan Simbol Relay .............................................................................. 24 2.16 Bagian – bagian Relay................................................................................... 24 2.17 Kontaktor ...................................................................................................... 26 2.18 Kontak – kontak Kontaktor ............................................................................ 27 2.19 Transistor PNP dan Transistor NPN .............................................................. 27 2.20 Karakteristik Transistor ................................................................................. 28 2.21 Bentuk Fisik Transistor NPN BC547 ............................................................. 29 ix 2.22 Blok Diagram Timer / Counter ...................................................................... 30 3.1 Diagram Sistem Kendali Pemindahan Catu Daya Utama ( PLN ) ke Catu Daya Cadangan ( Genset ) ..................................................... 32 3.2 Rangkaian Mikrokontroler ATmega16 ............................................................ 35 3.3 Rangkaian Minimum Sistem Keseluruhan ....................................................... 35 3.4 Konfigurasi Kontaktor..................................................................................... 36 3.5 Spesifikasi Kontaktor ...................................................................................... 37 3.6 Koneksi Rangkaian Sensor Tegangan ZMPT101B dengan Mikrokontroler ATmega16 .................................................................................................... 38 3.7 Bentuk Pin LCD 16x2 ..................................................................................... 39 3.8 Layout PCB..................................................................................................... 41 3.9 Layout Komponen ........................................................................................... 41 3.10 Fowchart Kerja Rangkaian ............................................................................ 43 3.11 Listing Program ............................................................................................. 49 x DAFTAR TABEL Tabel Halaman 2.1 Fungsi Khusus Port B ..................................................................................... 10 2.2 Fungsi Khusus Port C ..................................................................................... 11 2.3 Fungsi Khusus Port D .................................................................................... 11 2.4 Spesifikasi IC Regulator LM78XX ................................................................ 21 4.1 Waktu Pengujian Otomatis Sistem .................................................................. 51 4.2 Hasil Pengukuran Battery ................................................................................ 52 4.3 Hasil Pengukuran Regulator 5 V ..................................................................... 52 4.4 Hasil Pengukuran Output Mikrokontroler ATmega16 ..................................... 53 4.5 Hasil Pengukuran Sensor Tegangan ................................................................ 53 4.6 Hasil Pengujian Data ADC Sensor Tegangan .................................................. 54 4.7 Pengukuran Relay PLN ................................................................................... 55 4.8 Pengukuran Relay Genset................................................................................ 55 4.9 Pengukuran Relay Starting Genset .................................................................. 55 4.10 Pengukuran Relay Stop Genset ...................................................................... 55 4.11 Pengukuran Kontaktor................................................................................... 55 4.12 Pengukuran LCD .......................................................................................... 56 xi BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Seiring dengan teknologi di segala bidang, catu daya utama ( PLN ) sangat berpengaruh terhadap penyediaan energi listrik bagi masyarakat baik itu daya besar maupun daya kecil. Namun energi listrik dari PLN tidak selalu kontinu dalam penyalurannya. Suatu saat pasti terjadi pemadaman dan penurunan tegangan dari PLN, yang kemungkinan dapat disebabkan oleh gangguan pada sistem transmisi atau sistem distribusi. Sedangkan suplai energi listrik sangat diperlukan pada pusat perdagangan, perhotelan, perbankan, rumah sakit, industri sampai dengan rumah tangga untuk menjalankan aktivitasnya. Sehingga jika PLN padam atau mengalami penurunan, maka suplai eneri listrik pun berhenti, di sisi lain turunnya tegangan dapat merusak sejumlah alat elektronik rumah tangga. Berdasarkan hal tersebut, agar tidak terjadi pemadaman total dan penurunan tegangan pada penerangan ruangan maupun daerah penting yang harus mendapat suplai energi listrik secara terus -menerus, maka dibutuhkan catu daya cadangan ( genset ) sebagai back-up catu daya utama ( PLN ). Seperti yang kita ketahui, bahwa pengoperasian sebuah generator set sebagai sumber tenaga listrik cadangan, pada umumnya dilakukan secara manual. Dalam hal ini seorang operator harus memastikan bahwa switch catu daya utama ( PLN ) ke beban benar – benar terbuka, barulah kemudian tenaga listrik yang dibangkitkan dari genset dapat di suplai ke sistem dan dibebani, demikian pula sebaliknya apabila catu daya utama ( PLN ) telah memberikan daya kembali ke pelanggan. Sistem manual tergantung pada faktor manusia dan faktor kesalahan yang akan terjadi sangatlah besar karena apabila seorang operator tidak bekerja dengan teliti maka perpindahan sumber energi listrik antara catu daya utama ( PLN ) dengan catu daya cadangan ( genset ) akan berakibat buruk, jika seorang operator lupa untuk membuka switch PLN yang terhubung ke beban maka genset akan menyuplai listrik tidak hanya kepada beban yang dipakainya saja melainkan 1 2 genset akan menyuplai listrik ke pengguna listrik PLN lainnya. Apabila hal ini terjadi maka kerusakan pada genset akan terjadi disebabkan karena kelebihan beban, sehingga menyebabkan panas ( terbakar ) pada generatornya. Dari permasalahan tersebut, penulis berinspirasi untuk merancang sebuah program kontrol otomatis yang dapat digunakan untuk mengontrol pemindahan catu daya utama ( PLN ) ke catu daya cadangan ( genset ) yang berbasiskan mikrokontroler ATmega16. 1.2 Rumusan Masalah 1.2.1 Bagaimana merancang alat kontrol pemindahan catu daya utama ( PLN ) ke catu daya cadangan ( genset ) secara otomatis ? 1.2.2 Bagaimana mengendalikan alat kontrol pemindahan catu daya utama ( PLN ) ke catu daya cadangan ( genset ) secara otomatis menggunakan mikrokontroler ATmega16 ? 1.3 Batasan Masalah Dalam perancangan dan pembuatan tugas akhir ini diberikan batasan-batasan masalah sebagai berikut : 1.3.1 Membuat sistem pemindahan otomatis dari catu daya utama ke catu daya cadangan. 1.3.2 Perancangan dan pembuatan panel sistem kontrol pemindahan catu daya berbasis Mikrokontroler Atmega16. 1.3.3 Menggunakan Mikrokontroler ATmega16 sebagai media pengoperasian sistem pemindahan catu daya utama ke catu daya cadangan. 1.4 Tujuan Tujuan dari pembuatan tugas akhir ini adalah : 1.4.1 Untuk dapat merancang sistem pemindahan switch secara otomatis pada catu daya cadangan yang digunakan untuk mensuplai tegangan ke beban jika suplai dari PLN terjadi pemadaman dan penurunan. 3 1.4.2 Untuk dapat merancang sebuah panel sistem kontrol pemindahan catu daya berbasis Mikrokontroler ATmega16. 1.4.3 Sebagai syarat untuk menyelesaikan perkuliahan di Politeknik Negeri Medan. 1.5 Manfaat Adapun manfaat perancangan dan pembuatan tugas akhir ini adalah : 1.5.1 Membantu masyarakat dalam mengantisipasi kemungkinan terjadinya gangguan yang mengakibatkan tegangan listrik dari catu daya utama turun dan terputus. 1.5.2 Meningkatkan efisiensi kerja dan mempersingkat waktu dalam hal pemasokan energi listrik di rumah tangga. 1.5.3 Mahasiswa dan mahasiswi dapat menambah pengetahuan dan wawasan dalam melaksanakan proyek tugas akhir. 1.6 Metodologi Penulisan dan Perancangan Dalam perancangan dan pembuatan tugas akhir ini, dilakukan metode – metode pengerjaan sebagai berikut : 1.6.1 Secara teoritis, yaitu mengadakan studi literatur ( ke perpustakaan ) yang meliputi : - Mencari dari buku – buku maupun informasi yang mendukung ataupun yang ada hubungannya dengan topik yang dibahas. - Mempelajari buku – buku yang menyangkut teori – teori tentang rangkaian dan sistem mekanik yang digunakan. - Mencari data – data yang berhubungan dengan rancangan di internet. 1.6.2 Secara praktis, yaitu dengan berdiskusi dengan dosen pembimbing dan rekan mahasiswa, ataupun arahan dari orang – orang yang mengetahui tentang pembuatan proyek tugas akhir ini. 4 1.7 Cara Kerja Rangkaian Prinsip kerja alat ini adalah untuk memindahkan switch catu daya utama ( PLN ) ke catu daya cadangan ( Genset ) dengan menghubungkan kontaktor sebagai penyambung dan pemutus tegangan. Kontaktor akan bekerja sesuai dengan kondisi relay yang dikendalikan oleh mikrokontroler. Pada alat ini, sensor tegangan akan mendeteksi tegangan pada jala-jala catu daya utama ( PLN ), jika terjadi penurunan atau tidak ada suplai tegangan, maka secara otomatis mikrokontroler akan membuka relay yang terhubung pada kontaktor yang berada di catu daya utama ( PLN ) kemudian melakukan starting genset dengan delay selama 1,5 detik, 10 detik setelah genset menyala, relay pada genset akan menutup dan kontaktor akan menghubungkan suplai tegangan dari genset ke listrik rumah. Sebaliknya, ketika sensor tegangan mendeteksi adanya tegangan normal 220 VAC dari catu daya utama ( PLN ) maka mikrokontroler akan membuka relay yang berada di catu daya cadangan ( genset ) dan menutup relay catu daya utama ( PLN ). Pada sistem ini digunakan output pendukung berupa display LCD yang berfungsi sebagai monitoring. 1.8 Sistematika Penulisan Adapun yang akan menjadi sistematika penuliasan yang akan digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut : BAB I : PENDAHULUAN Pada bab ini berisi latar belakang, tujuan, batasan masalah, manfaat, metodologi sistematika penulisan. penulisan dan perancangan dan 5 BAB II : DASAR TEORI Pada bab ini dibahas mengenai dasar teori dan teori terapan dari komponen yang digunakan dalam rangkaian keseluruhan sistem elektronik. Literatur – literatur yang mendukung akan disertakan untuk pemahaman yang baik. BAB III : PERANCANGAN SISTEM Pada bab ini dibahas mengenai langkah – langkah perancangan sistem elektronika dan mekanik berdasarkan sistematika blok diagram yang telah disertakan. BAB IV : PENGUJIAN DAN ANALISIS Pada bab ini dibahas mengenai pengujian dari komponen sistem yang ada berdasarkan spesifikasi komponen. Pengujian sensor terhadap variabel objek dan besaran yang berbeda untuk mendapatkan data. Data yang telah didapatkan akan diolah menjadi berbentuk kesimpulan dan sistematik. BAB V : SIMPULAN DAN SARAN Pada bab ini akan dibahas tentang inti kesimpulan dari hasil pengujian sistem dan data hasil pengujian, saran yang datang setelah realisasi rancangan dan pembuatan ini selesai.
