Sistem Pengatur Intensitas Lampu Philips Master Led Secara

BAB III
PERANCANGAN DAN REALISASI
3.1.
Gambaran Umum Sistem
Sistem yang dirancang merupakan sistem pengatur intensitas cahaya lampu
Philips Master LED. Sistem ini dapat mengatur intensitas cahaya lampu baik secara
otomatis maupun secara manual. Perancangan terbagi atas 2 bagian, yaitu
perancangan perangkat keras, dan perancangan perangkat lunak. Perangkat lunak
terdiri atas 6 bagian, yaitu:
1. Modul catu daya
2. Modul zero crossing detector
3. Modul dimmer lampu
4. Modul TSOP
5. Modul mikrokontroler ATmega8
6. Modul PIR (Passive Infra Red) Paradox PA-465
Sedangkan perancangan perangkat lunak merupakan pemrograman terhadap
mikrokontroler yang berperan sebagai pengendali utama sistem.
26
27
Gambar 3.1. Blok diagram sistem
3.2.
Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras
3.2.1. Modul catu daya
Modul catu daya menghasilkan tegangan sebesar 5 Volt DC dan 10
Volt DC. Masing-masing sumber tegangan tersebut berasal dari PLN sebesar
220 Vrms diturunkan menjadi 12 Vrms menggunakan trafo step down.
Tegangan tersebut kemudian disearahkan dengan rangkaian diode bridge dan
diratakan dengan kapasitor sehingga menghasilkan tegangan DC.
28
ACPWR_IN
1 2
D1
1
5
3
1N4001
D2
1N4001
D3
D4
1N4001
C0
2200uF/25V
C1
100uF/25V
U1
IN
FB
ON/OFF OUT
GND
LM2576T-ADJ
4
2
L1 100uH
R2
6.8k
C2
1000uF/10V
D5
1N5822
1N4001
R1
2.2k
1
5
3
C1
100uF/25V
U1
IN
FB
ON/OFF OUT
GND
LM2576T-ADJ
4
2
L1 100uH
R4
8.2k
D5
1N5822
C2
1000uF/10V
R3
1.2k
Gambar 3.2. Rangkaian catu daya 5 Volt DC dan 10 Volt DC
Dioda D1-D4 merupakan rangkaian penyearah tegangan berbentuk
sinyal AC. Saat siklus tegangan positif, arus akan dilewatkan oleh D1
kemudian arus balikannya dikeluarkan oleh D3. Sedangkan saat siklus
tegangan negatif, arus akan dilewatkan oleh D4 dan arus baliknya dikeluarkan
lewat D2. Dengan demikian, baik tegangan saat siklus positif maupun siklus
negatif disalurkan namun menjadi searah meskipun masih berbentuk setengah
sinusoida.
Kapasitor C0 berfungsi untuk meratakan tegangan yang telah
searahkan oleh rangkaian diode. Waktu pengisian kapasitor lebih cepat
daripada waktu pengosongannya sehingga tengangan kapasitor akan tetap
karena telah terisi kembali sebelum kapasitor kosong. Sedangkan C1 berfungsi
29
sebagai menghilang riak tegangan pada masukan LM2576. Sesuai dengan
datasheet, nilai C1 yang direkomendasikan adalah 100 µF.
R1 dan R2 merupakan tahanan pembagi tegangan untuk feedback bagi
LM2576. Nilai ini menentukan nilai tegangan keluaran LM2576 sesuai
persamaan pada datasheet. Jika dipilih R1 = 2,2 k dan diinginkan tegangan
keluaran 5 Volt DC maka dapat dihitung R2 sebagai berikut:
𝑅
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 (1 + 𝑅2 )
1
𝑅
5 = 1,23 1 + 2,22k
𝑅2 =
5
− 1 2,2 k
1,23
𝑅2 = 6,743 k
Nilai yang paling mendekati hasil perhitungan R2 adalah 6,8 k
dengan ralat 0,9 %.
Sedangkan untuk tegangan keluaran 10 Volt DC, dengan pemilihan
nilai R1 sebesar 1,2 kΩ dapat dihitung nilai R2 sebagai berikut:
𝑅
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 (1 + 𝑅2 )
1
10 = 1,23 1 +
𝑅2 =
𝑅2
1,2 k
10
− 1 1,2 k
1,23
𝑅2 = 8,556 k
Sehingga dipasangkan R2 sebesar 8,2 k yang merupakan nilai
terdekat dengan hasil perhitungan dengan ralat sebesar 1 %.
30
Dioda D5 merupakan diode freewheel yang berfungsi menghilangkan
overshoot tegangan negatif. Overshoot tegangan negatif terjadi karena
induktansi magnetis yang muncul saat catu daya berkurang secara tiba-tiba.
Untuk keperluan ini perlu digunakan diode dengan kecepatan pensklaran yang
tinggi karena LM2576 bekerja dengan frekuensi pensaklaran 52 kHz. Selain
itu, D5 juga harus mampu menahan arus maksimum LM2576 sebesar 3 A dan
memiliki tegangan bias balik minimal 1,25 kali tegangan masukan
maksimum. Sehingga sesuai dengan datasheet, pada rangkaian ini dapat
digunakan diode schottky tipe 1N5822.
Induktor L1 berfungsi untuk menyimpan muatan saat pensaklaran
tersambung dan mengeluarkannya saat pensaklaran terputus. Sedangkan
kapasitor C2 berfungsi untuk memperhalus tegangan keluaran LM2576.
3.2.2. Modul zero crossing detector
Modul zero crossing detector pada sistem ini berfungsi untuk
mendeteksi keberadaan titik 0 (nol) Volt dari keluaran diode bridge. Dimana
tegangan keluaran diode bridge ini merupakan hasil penyearahan trafo step
down dengan tegangan sebesar 12 VRMS. Berikut gambar rangkaian zero
crossing detector.
31
Gambar 3.3. Rangkaian zero crossing detector
1
5
3
2200uF/25V
C1
100uF/25V
U1
IN
FB
ON/OFF OUT
GND
LM2576T-ADJ
4
2
L1 100uH
R2
6.8k
D5
1N5822
C2
1000uF/10V
R1
2.2k
Gambar 3.4. Untai LM2576T-ADJ (5 Volt)
Transistor difungsikan sebagai saklar dengan memanfaatkan dua
keadaan transistor yaitu kondisi tersumbat (cut-off) dan jenuh (saturation).
Kondisi tersumbat terjadi saat IB = 0 A atau tidak ada arus masukan pada kaki
basis sehingga IC = 0 A sesuai dengan persamaan
𝐼
ℎ𝑓𝑒 = 𝐼 𝐶 ..…...……………………………………………………. (3.1)
𝐵
Sedangkan kondisi jenuh terjadi saat IB = IB (saturasi), VBE = 0,7 Volt
dan VCE(saturasi) ≈ 0 Volt. Karena VCE ≈ 0 Volt maka tegangan keluaran =
VCC sehingga dapat diperoleh IC (pada saat saturasi) sebagai berikut:
32
𝐼𝐶 =
𝐼𝐶 =
𝑉𝑐𝑐
RC
.......……………………………………………………... (3.2)
5𝑉
= 50 𝑚𝐴
100Ω
Dari nilai IC tersebut dapat dihitung IB:
𝐼𝐵 =
𝐼𝐶
ℎ𝑓𝑒
𝐼𝐵 =
50 𝑚𝐴
= 416,67 µ𝐴
120
Dengan nilai IB diketahui, RB yang akan dipasang:
𝑅𝐵 =
𝑅𝐵 =
𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸
𝐼𝐵
………………………………………………....... (3.3)
(5 − 0,7)𝑉
= 10,32𝑘Ω
416,67 µ𝐴
Dengan demikian, dipasangkan resistor sebesar 10 kΩ yang mendekati
nilai 10.32 kΩ pada kaki basis dengan ralat sebesar 3,2 %.
3.2.3. Modul dimmer lampu
Modul dimmer terdiri dari 2 bagian utama, yaitu MOC 3020 dan
TRIAC BT136. MOC 3020 merupakan sensor optocoupler, yang berfungsi
sebagai pemisah antara rangkaian power dengan rangkaian kontrol.
Rangkaian kontrol yang dimaksud adalah mikrokontroler, sebagai pengatur
waktu ‘ON’ dan ‘OFF’ keluaran MOC 3020 ini. Sedangkan rangkaian power
menggunakan triac sebagai rangkaian pengendali tegangan yang masuk ke
lampu. Triac akan ‘ON’ ketika ada arus yang mengalir masuk ke gate, dan
menyebabkan semakin rendah tegangan ‘break over’nya. Triac akan ‘ON’
33
sampai tegangan MT1 dan MT2 sudah mencapai nol volt maka kondisi kerja
triac akan berubah dari ‘ON’ ke ‘OFF’.
360
mikrokontroler
100
220V AC
OPTOISO
BT136
330
Gambar 3.5. Rangkaian driver pengatur intensitas lampu
Setiap terdeteksi pulsa dari keluaran zero crossing detector,
mikrokontroler
akan
memicu
kaki
1
MOC
3020.
Mikrokontroler
menggunakan PWM (Pulse Width Modulation) untuk mengatur waktu ‘ON’
dan ‘OFF’ MOC 3020 ini. Lamanya waktu ‘ON’ diatur secara manual oleh
pengguna.
Gambar 3.6. Sinyal Output TRIAC
34
Cara di atas disebut pengendalian daya dengan pergeseran fase. Daya
pada beban dikendalikan dengan mengubah sudut hantar triac. Cara kerja triac
dalam pengendalian fase ini adalah dengan cara memotong sebagian luasan
dari tegangan AC yang berbentuk sinusoida, sebab triac dapat berubah dari
kondisi tidak menghantar ke kondisi menghantar dan sebaliknya.
Gambar 3.7. Pengendalian fase (phase controller)
Untuk mengaktifkan MOC 3020 diperlukan picuan arus pada kaki 1
sebesar 15-30 mA. Tegangan masukan led berasal dari keluaran port
mikrokontroler sebesar ± 5,06 Volt. Berdasarkan datasheet MOC 3020, LED
membutuhkan tegangan sebesar 3 Volt untuk mengaktifkannya. Sehingga
dapat dilakukan perhitungan terhadap Rin yang perlu dipasangkan pada
masukan MOC 3020.
Untuk perhitungan arus minimum IFT :
IFT
= (Vin – Vdioda) / Rin ………………………………... (3.4)
15mA = (5,06 – 3) / Rin
Rin
= 2,06V / 15mA
Rin
= 137 Ω
35
Untuk perhitungan arus maksimum IFT :
IFT
= (Vin – Vdioda) / Rin
30mA = (5,06 – 3) / Rin
Rin
= 2,06V / 30mA
Rin
= 68,667Ω
Sehingga dapat diketahui bahwa resistor yang dapat dipasang dengan
jangkauan 68,667 Ω ≤ Rin ≤ 137 Ω. Maka dari itu dipasangkan hambatan
sebesar 100Ω pada kaki inputan untuk memicu MOC 3020. Ketika MOC ini
aktif maka MOC akan mengeluarkan arus pada kaki 4 yang terhubung dengan
kaki gate triac dan menyebabkan triac ‘ON’.
3.2.4. Modul TSOP
Pada modul ini digunakan TSOP dengan seri 1238 yang memilliki
frekuensi carrier sebesar 38 kHz. TSOP ini digunakan untuk menerima data
yang dikirimkan oleh remote control. Berikut untainya:
Gambar 3.8. Rangkaian TSOP 1238
Nilai R1 yang digunakan sebesar 100Ω dan 4,7uF digunakan untuk
nilai pada kapasitor C1. Konfigurasi R1 dan C1 ini merupakan rekomendasi
36
dari pabrik yang berfungsi untuk mencegah terjadinya EOS (Electrical
Overstress). Electrical Overstress merupakan peristiwa dimana terjadi
kerusakan karena adanya arus atau tegangan yang besarnya melewati batas
kemampuan komponen.
Data yang dikirimkan oleh remote diterima oleh TSOP kemudian
dikirimkan ke mikrokontroler untuk diolah. Semua paket data yang
dikeluarkan remote control telah mengandung frekuensi carrier dan
dimodulasi dengan teknik PWM (Pulse Width Modulation). Pada perancangan
kali ini digunakan Timer 1 untuk menghitung lebar pulsa yang dikirimkan
remote. Lebar pulsa tersebut dihitung oleh mikrokontroler dengan ukuran 2
byte untuk tiap pulsa yang diterima. Kemudian byte tersebut digabungkan
sehingga dapat menjadi sebuah bit data yang nantinya digunakan untuk
diproses sebagai data remote.
Ada berbagai macam standar yang dapat digunakan untuk mendeteksi
paket datanya, diantaranya yang terkenal adalah protokol RC5 dan protokol
SIRC. Protokol RC5 digunakan oleh Philips, sedangkan protokol SIRC
(SONY TV Infrared Remote Control) digunakan oleh pabrikan Sony. Pada
modul TSOP ini digunakan pembacaan data remote dengan SIRC.
Sebuah paket data lengkap SIRC terdiri atas sebuah start bit dan 12 bit
data dan sebuah frame space yang memisahkan sebuah frame dengan frame
berikutnya. Dimana 12 bit data tersebut terbagi atas 7 bit command code (C6
– C0) dan 5 bit device code (D4 – D0). Protokol SIRC ini mengirimkan data
37
LSB terlebih dahulu, sehingga C0 adalah data pertama yang diterima setelah
start bit.
Gambar 3.9. Paket data yang dikirimkan protocol SIRC
(http://www.sbprojects.com/knowledge/ir/sirc.php)
Untuk mengidentifikasi start bit, pulsa yang dikirimkan sebesar 2,4
ms. Data ‘0’ diwakili dengan 0,6 ms tidak ada pulsa, dan 0,6 ms ada pulsa,
sehingga total waktu untuk mendeteksi data ‘0’ sebesar 1,2 ms. Sedangkan
data ‘1’ diwakili dengan 0,6 ms tidak ada pulsa, dan 1,2 ms ada pulsa,
sehingga total waktu yang dibutuhkan sebesar 1,8ms.
0,6ms
0,6ms
0,6ms
data ‘0’
1,2ms
data ‘1’
Gambar 3.10. Data ‘0’ dan data ‘1’ pada protokol SIRC
3.2.5. Modul mikrokontroler ATmega8
Pada modul ini, mikrokontroler ATmega8 digunakan untuk mengatur
dan mengolah beberapa data, yaitu:
1. Menerima data keluaran zero crossing detector.
38
Pulsa
yang
dihasilkan
modul
zero
crossing
detector
dimasukkan pada PORT D4 yang berfungsi sebagai interupsi
eksternal 1 (satu) ATmega8. Interupsi eksternal ini nantinya
digunakan sebagai penanda titik mulai waktu tunda yang diberikan
pada MOC 3020.
2. Mengolah data remote control melalui perantara TSOP 1238.
Data
yang
dikirimkan
oleh
remote
control
diterima
mikrokontroler dan dimasukkan pada PORT D3 yang berfungsi
sebagai interupsi eksternal 0 (nol). Sebuah paket data protokol
SIRC terdiri atas 1 start bit dan 12 bit data, sehingga untuk sebuah
paket data dilakukan interupsi eksternal sebanyak 13 kali.
Gambar 3.11. Interupsi remote control dan lebar pulsanya
Setiap kali interupsi terjadi, mikrokontroler akan mengaktifkan
Timer1 untuk melakukan perhitungan lebar pulsa untuk tiap
interupsi. Setelah perhitungan lebar pulsa itu dilakukan, dapat
diketahui data mana yang merupakan start bit dan data mana yang
merupakan bit data.
39
3. Mengatur lebar pulsa ‘ON’ dan ‘OFF’ untuk MOC3020.
Setelah mendapat interupsi eksternal dari modul zero crossing
detector, mikrokontroler akan mengaktifkan Timer 2 dengan nilai
pembanding sebesar OCR2. Untuk satu siklus, Timer 2 memiliki
waktu maksimal selama 10 mS. Lamanya lebar pulsa ‘ON’ dan
‘OFF’ bergantung pada besarnya OCR2. Keluarannya pada PORT
D7 akan diberikan pada input (kaki 1) MOC 3020 untuk
mengaktifkan MOC 3020.
4. Menerima dan mengolah data yang dari PIR Paradox PA-465.
Data yang dikirimkan oleh sensor ini berupa nilai logika ‘0’
atau ‘1’. Ketika data yang diberikan bernilai ‘0’ selama selang
waktu 3 menit, berarti sensor ini tidak mendeteksi adanya orang
dalam ruangan. Ketika dideteksi tidak ada orang dalam ruangan
maka mikrokontroler akan secara otomatis menonaktifkan lampu.
Tetapi apabila terdeteksi ada orang dalam ruangan, maka sensor ini
akan tetap bernilai ‘1’ dan lampu akan tetap menyala normal.
Pengendali mikro membutuhkan sumber osilator agar dapat bekerja.
Pada perancangan ini, digunakan osilator dengan kristal 11,0592 MHz dan
kapasitor 20 pF. Pemasangan osilator sesuai dengan gambar di bawah ini.
40
Gambar 3.12. Pemasangan osilator pada ATmega8
ATmega8 membutuhkan low-level reset jika akan me-reset ATmega8
secara manual, sehingga perlu ditambahkan sebuah rangkaian pe-reset pada
ATmega8 yang dihubungkan pada kaki RESET. Pada rangkaian tersebut
dipakai kapasitor 10 μF untuk menstabilkan tegangan pada kaki RESET,
supaya pengendali mikro tidak ter-reset bila catu daya tidak stabil (tiba-tiba
turun). Sedangkan resistor 10 kΩ berfungsi untuk menunda pengisian
kapasitor sehingga kaki RESET tetap mendapatkan tegangan < 0,9 Volt (batas
atas tegangan reset) selama minimal 1,5 μs (lebar pulsa minimum reset).
Saat tombol reset ditekan, maka akan terjadi pengosongan kapasitor
seketika sehingga kaki RESET bernilai ‘0’. Pada saat tombol dilepas, maka
akan terjadi proses pengisian sesuai dengan persamaan berikut:
𝑡
𝑉𝑐𝑎𝑝 𝑡 = 𝑉 1 − 𝑒 − 𝜏 ……………………………………….. (3.5)
Dengan Vcap(t) = tegangan kapasitor saat t detik, V = tegangan catu
daya, t = waktu pengisian, τ = RC, R = tahanan resistor, C = kapasitansi
kapasitor. Dengan demikian nilai t diperoleh:
41
𝑡
𝑉𝑐𝑎𝑝 𝑡 = 𝑉 1 − 𝑒 − 𝑅𝐶
0,9 = 5 1 − 𝑒
−
𝑡
1k × 10μ
𝑡
0,9
= 1 − 𝑒 − 10m
5
0,18
𝑡
= 1 − 𝑒 − 10m
𝑡
𝑒 − 10m = 1 − 0,18
𝑒
−
𝑡
1k × 10μ
= 0,82
𝑡
ln 𝑒 − 10m = log 0,82
−
𝑡
10𝑚
= −0,0862
𝑡 = −0,0862 × −10𝑚
𝑡 = 0,862 𝑚𝑠 = 862 𝜇𝑠 ≫ 1,5 𝜇𝑠
Gambar 3.13. Rangkaian Pe-reset ATmega8
42
3.2.6. Modul PIR (Passive Infra Red) Paradox PA-465
Modul PIR Paradox PA-465 merupakan sensor yang berfungsi untuk
mendeteksi pancaran sinar infra merah yang dipancarkan tubuh manusia.
Sensor ini membutuhkan pasokan tegangan sebesar 9-16 VDC untuk
mengaktifkannya. Paradox PA-465 memiliki daya jangkau sebesar 7 meter x
6 meter pada posisi ketinggian 2,5 meter dari permukaan tanah.
Ketika kondisi normal (tidak terdeteksi gerakan), LED warna merah
akan mati (OFF) dan kontak relay NC dan C akan terhubung. Saat terdeteksi
gerakan, LED warna merah akan menyala (ON) dan kontak relay NC dan C
akan terputus. Ketika kaki C terhubung dengan +Vcc, maka saat terdeteksi
adanya gerakan tegangan keluaran pada kaki NC akan bernilai ‘0’ (ground),
saat tidak ada gerakan tegangan keluaran pada kaki kaki NC bernilai +Vcc
(disini +Vcc berupa keluaran port mikrokontroller sekitar 5,06 V). Begitu
juga sebaliknya apabila kaki C terhubung dengan ground.
3.3.
Perancangan dan Realisasi Perangkat Lunak
Perangkat lunak yang dibuat digunakan untuk mengolah data dari modul zero
crossing detector dan juga mengatur lebar pulsa ‘ON’ dan ‘OFF’ pada input MOC
3020. Perangkat lunak juga mengolah data-data yang dikirim oleh remote control
melalui sensor TSOP 1238. Secara umum cara kerja sistem sesuai dengan diagram
alir pada Gambar 3.14.
43
Gambar 3.14. Diagram alir keseluruhan sistem
Pertama sistem akan mengecek data yang tersimpan di dalam EEPROM,
dimana data tersebut diberi label ‘level2’. Data dalam EEPROM merupakan level
terakhir yang disimpan oleh pengguna. Setelah mendapatkan nilai level, sistem akan
mengatur nilai OCR2 yang merupakan parameter yang berpengaruh lamanya waktu
Timer 2 aktif. Lamanya waktu Timer 2 aktif akan berpengaruh terhadap lebar pulsa
44
‘OFF’ dan ‘ON’ pada masukan MOC 3020. Lebar pulsa ‘OFF’ dan ‘ON’ secara tidak
langsung akan berpengaruh terhadap tegangan masukan lampu nantinya.
Karena menggunakan dimmer dengan karakteristik leading edge, sehingga
keluaran PORT D7 dibuat agar ‘OFF’ terlebih dahulu selama OCR2. Setelah nilai
TCNT2 sama dengan nilai OCR2, PORT D7 akan menghasilkan nilai logika ‘ON’
selama waktu 10 mS dikurangi dengan lamanya waktu yang diperlukan oleh OCR2.
Setelah itu nilai TCNT2 akan di-reset. Setiap terdeteksi adanya interupsi eksternal
dari zero crossing detector, perangkat lunak akan mengulang proses ini terus
menerus.
Perangkat lunak juga didesain untuk dapat mendeteksi perubahan nilai dari
sensor PIR. Ketika sensor PIR memberikan logika ‘1’, maka sistem akan terus
berlangsung karena itu menandakan ada orang dalam ruangan. Sedangkan ketika
terdeteksi tidak ada orang dalam ruangan dalam selang waktu 3 menit, selama selang
waktu itu juga PIR akan memberikan logika ‘0’ kepada mikrokontroler dan
mikrokontroler akan mengubah nilai level menjadi 0 (nol) untuk mematikan lampu.
Apabila terdeteksi ada orang dalam ruangan, sensor PIR akan langsung memberikan
logika ‘1’ kepada mikrokontroler dan sistem berjalan dari awal lagi.
Selain itu perangkat lunak juga digunakan untuk membaca data yang
dikirimkan oleh remote control dengan cara membaca lebar pulsa tiap data. Untuk
tiap data yang dikirimkan akan mengaktifkan interupsi eksternal mikrokontroler dan
secara otomatis perangkat lunak akan menghitung lebar pulsa yang dikirimkan untuk
setiap interupsi yang terjadi. Berikut diagram alirnya.
45
Gambar 3.15. Diagram alir pengolahan data remote control