PENGEMBANGAN SISTEM KONTROL OTOMATIK BERBASIS MIKROKONTROLER PIC18F4520 PADA PENGGUNAAN DAYA LISTRIK TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi persyaratan kelulusan tahap sarjana Oleh : Nur Asiah Aprianti 10203067 PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
PENGEMBANGAN SISTEM KONTROL OTOMATIK BERBASIS MIKROKONTROLER PIC18F4520 PADA PENGGUNAAN DAYA LISTRIK TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi persyaratan kelulusan tahap sarjana Oleh : Nur Asiah Aprianti 10203067 Telah diperiksa dan disahkan oleh Dosen Pembimbing, Dr. Eng. Khairurrijal NIP: 131 967 089 PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
Abstrak ABSTRAK Sistem kontrol otomatik yang diterapkan pada pengaturan daya telah dikembangkan perangkat kerasnya berbasiskan mikrokontroler PIC18F4520. Aksi kontrol yang digunakan pada sistem kontrol tersebut adalah aksi kontrol on-off. Keypad digunakan untuk memasukkan nilai arus maksimum yang diizinkan (set point) dan selanjutnya nilai set point tersebut ditampilkan oleh peraga LCD. Sensor efek Hall diterapkan untuk mengukur arus yang mengalir. Bila arus yang mengalir melebihi daya yang diizinkan, maka driver triac akan bekerja memutus arus tersebut. Kata kunci: Kontrol otomatik, Mikrokontroler PIC18F4520, Sensor efek Hall, Triac i
Abstrak ABSTRACT An automatic control system applied to power control has been developed. Its hardware is based on a PIC16F4520 microcontroller. The control action used in the control system is on-off control action. A keypad is employed to enter the allowed maximum current (set point) and the set point is displayed by an LCD. A Hall effect sensor is utilized to measure current. If the current is higher than the allowed current then the triac driver switches the triac off so that the current does not flow. Keywords: Automatic Control, Microcontroller PIC18F4520, Hall Effect Sensor, Triac ii
Prakata PRAKATA Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena atas rahmat, petunjuk dan izin-nya lah, penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul pengembangan sistem kontrol otomatis berbasis mikrokontroler PIC18F4520 pada penggunaan daya listrik tepat pada waktunya. Makalah tugas akhir ini penulis susun untuk memenuhi syarat kelulusan sarjana di program studi fisika ITB. Adapun tujuan diketengahkan permasalahan mengenai bagaimana mengontrol penggunaan daya listrik secara otomatis ini adalah selaras dengan bidang keahlian yang akan digeluti penulis, yaitu sistem kontrol dan aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari, sehingga tugas akhir ini dapat menunjang proses kedepannya. Pada kesempatan ini, tak lupa penulis ucapkan terima kasih yang sebesarbesarnya kepada: 1. Dosen pembimbing tugas akhir, bapak Khairurrijal, atas bimbingan, motivasi serta dorongannya selama penulis mengerjakan tugas akhir 2. Dosen penguji dalam sidang tugas akhir, bapak Sukirno dan bapak Abdul Waris, atas saran, kritikan serta kesediaannya meluangkan waktu untuk menguji penulis. 3. Keluarga di rumah, ibu, bapak dan kakak, atas doa, dukungan serta pengertiannya selama ini 4. Keluarga besar ELKAHFI, ka Asep atas bantuan dan arahannya di masamasa awal penulis mengerjakan tugas akhir, ka Arif atas bantuan, masukan, serta keikhlasan hatinya menjadi konsultan penulis selama iii
Prakata mengerjakan tugas akhir, Suryadi yang telah banyak membantu penulis menperbaiki program disaat-saat yang paling kritis, Yanuar, Heri dan ka Gungun atas segala bantuannya selama satu bimbingan. 5. Akhwat-akhwat fisika 2003, Rena, Icha, Indri, Ria, Rani, dll, atas dukungan serta waktunya dalam mendengarkan curhatan penulis selama mengerjakan tugas akhir, terutama sekali buat Rena yang senantiasa mensupport penulis di saat-saat kritis. 6. Adik-adik 2004 dan 2005, Rini, Teta, Liher, Tiin, Lizi, Osi, Eli dll yang senantiasa memberikan semangat dan dukungannya baik secara langsung maupun tidak langsung. 7. Teman-teman ELKAFI, Sandi yang bersedia untuk mencoba mengatasi permasalahan program yang penulis hadapi, Ferdi, Ichee, Nisa, Opik, Harri, Yusuf, dll 8. Karyawan FI-ITB, pa Yeye, pa Ohin, dan pa Dadang yang begitu tulus membantu dan bersenda gurau. Dan berbagai pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu di sini, semoga Allah membalas segala kebaikan yang telah diberikan kepada penulis. aamin Selain daripada itu, penulis menyadari bahwa dalam penulisan tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, karena keterbatasan kemampuan dan pengetahuan yang penulis miliki. Untuk itu, penulis mengharapkan saran dan kritik yang konstruktif dari para pembaca. Penulis iv
Daftar Isi DAFTAR ISI ABSTRAK... i PRAKATA... iii DAFTAR ISI. v DAFTAR GAMBAR viii DAFTAR TABEL... xi DAFTAR LAMPIRAN... xii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah 1 1.2 Rumusan Masalah. 2 1.3 Ruang Lingkup. 3 1.4 Tujuan Penulisan... 3 1.5 Anggapan Dasar/Postulat. 3 1.6 Hipotesis... 4 1.7 Cara Memperoleh Data... 4 1.8 Metode Penelitian. 4 1.9 Sistematika Penulisan... 5 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Kontrol Otomatik...... 6 2.2 Mikrokontroler PIC18F4520... 12 2.2.1 Port PIC18F4520... 14 2.2.2 Modul A/D Converter... 15 2.3 Sensor Arus.... 18 v
Daftar Isi 2.3.1 Toroidal current transformer... 20 2.3.2 Sensor efek Hall... 22 2.4 Triac...... 24 BAB III DESAIN DAN PENGEMBANGAN SISTEM 3.1 Perangkat Keras..... 26 3.2 Perangkat lunak... 29 3.2.1 Program utama.... 29 3.2.2 Program pendukung.... 30 3.2.2.1 Subrutin tampilan peraga LCD... 31 3.2.2.2 Subrutin membaca input keypad... 32 3.2.2.3 Subrutin untuk membaca ADC... 33 3.2.2.4 Subrutin aksi kontrol... 33 3.2.2.5 Subrutin komunikasi serial... 34 BAB IV ANALISIS RANGKAIAN ELEKTRONIK 4.1 Rangkaian Pengontrol... 36 4.1.1 ADC (A/D Conveter)... 38 4.2 Rangkaian Sistem Sensor... 38 4.2.1 Rangkaian sensor... 38 4.2.2 Rangkaian Pengkondisian sinyal... 40 4.3 Rangkaian Driver + Aktutor... 42 4.4 Rangkaian Peraga LCD... 42 4.5 Rangkaian Keypad... 43 4.6 Rangkaian Komunikasi Serial... 44 vi
Daftar Isi 4.7 Rangkaian Catu Daya... 45 4.8 Rangkaian ICSP... 46 BAB V PENGUJIAN SISTEM DAN ANALISIS HASIL 5.1 Respon Sensor Arus... 48 5.1.1 Transformator arus... 48 5.1.2 Sensor efek Hall... 50 5.1.3 Sistem sensor... 52 5.2 Respon Sistem Kontrol... 54 BAB VI PENUTUP 6.1 Kesimpulan... 57 6.2 Saran... 58 DAFTAR PUSTAKA... xiv LAMPIRAN vii
Daftar Gambar DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Diagram blok sistem kontrol dengan lup terbuka... 6 Gambar 2. Diagram blok sistem kontrol dengan lup tertutup... 7 Gambar 3. Diagram blok kontrol on-off... 9 Gambar 4. Kurva karakteristik kontrol on-off... 9 Gambar 5. Diagram Blok kontrol proporsional... 9 Gambar 6. Diagram Blok kontrol Integral... 10 Gambar 7. Diagram Blok kontrol Proporsional + Integral... 11 Gambar 8. Diagram Blok kontrol Proporsional + Derivatif... 11 Gambar 9. Diagram Blok kontrol Proporsional + Integral + Derivatif... 12 Gambar 10. Diagram pin mikrokontroler PIC18F4520... 13 Gambar 11. Diagram blok urutan waktu A/D Converter pada PIC18F4520... 16 Gambar 12. Diagram blok modul A/D Converter pada PIC18F4520... 16 Gambar 13. Diagram blok modul A/D Converter tipe SAR... 17 Gambar 14. Currrent transformer... 18 Gambar 15. Open loop Current Transducer... 20 Gambar 16. Inti toroid... 19 Gambar 17. Prinsip dasar efek Hall, tanpa medan magnet... 21 Gambar 18. Prinsip dasar efek Hall, terdapat medan magnet... 21 Gambar 19. Skematik simbol Triac... 22 Gambar 20. Kurva karakteristik I-V Triac... 23 Gambar 21. Diagram blok sistem sensor arus... 25 viii
Daftar Gambar Gambar 22. Diagram blok sistem kontrol daya listrik... 26 Gambar 23. Diagram alir program utama PIC18F4520... 28 Gambar 24. Diagram alir pengiriman data ke peraga LCD... 29 Gambar 25. Diagram alir pengiriman perintah ke peraga LCD... 29 Gambar 26. Diagram alir untuk membaca input keypad... 30 Gambar 27. Diagram alir pembacaan ADC... 31 Gambar 28. Diagram alir aksi kontrol... 32 Gambar 29. Diagram alir komunikasi serial... 32 Gambar 30. Rangkaian mikrokontroler PIC18F4520 (pengontrol)... 33 Gambar 31. Rangkaian sensor... 36 Gambar 32. Rangkaian pengkondisian sinyal... 37 Gambar 33. Rangkaian pengkondisian sinyal tambahan... 38 Gambar 34. Rangkaian driver + aktuator... 38 Gambar 35. Rangkaian peraga LCD... 39 Gambar 36. Rangkaian keypad... 40 Gambar 37. Rangkaian komunikasi serial... 41 Gambar 38. Rangkaian catu daya... 42 Gambar 39. Rangkaian ICSP... 42 Gambar 40. Respon transformator arus terhadap jumlah lilitan... 48 Gambar 41. Respon transformator arus terhadap hambatan beban... 49 Gambar 42. Kurva tanggapan amplitudo (n=170, RL=1000)... 50 Gambar 43. Respon sensor efek Hall (B 0 =2.5V DC )... 50 Gambar 44. Plant + sensor efek Hall... 51 ix
Daftar Gambar Gambar 45. Noise vs Frekuensi UGN3503... 52 Gambar 46. Respon sistem sensor (B 0 =2.5V DC )... 52 Gambar 47. Perbandingan respon sistem sensor (B 0 =2.5-2.75V DC )... 53 Gambar 48. Rangkaian sistem kontrol... 55 Gambar 49. Rangkaian pengontrol + aktuator... 56 x
Daftar Tabel DAFTAR TABEL Tabel 1. Port Mikrokontroler PIC18F4520... 14 Tabel 2. Transducer vs Shunt vs Transformer... 20 Tabel 3. Hubungan daya maksimum dengan ukuran inti toroid... 19 Tabel 4. Karakteristik elektrik UGN3503.... 22 Tabel 5. Konfigurasi pin-pin mikrokontroler... 34 Tabel 6. Data respon transformator arus... 49 Tabel 7. Data pengujian sistem sensor... 53 Tabel 8. Urutan dan skala prioritas rangkaian lampu... 54 Tabel 9. Aksi kontrol daya listrik pada penggunaan daya sebesar 150 W. 55 xi
Daftar Lampiran DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A. Rangkaian Sistem Kontrol Lampiran B. Gambar Pengujian Sistem Lampiran C. Publikasi Paper 1. Nur Asiah Aprianti, Suryadi, Heri Permadi, Suryadi, dan Khairurrijal. Simulasi Program Aplikasi Modul A/D Converter PIC16F877 dengan menggunakan PIC Microtrainer. Prosiding Seminar Instrumentasi Berbasis Fisika (Bandung, 31 Agustus 2006), pp. 132-136. 2. Heri Permadi, Nur Asiah Aprianti, Suryadi, Suryadi, dan Khairurrijal. Pemrogaman Lanjut Menggunakan PIC Microtrainer. Prosiding Seminar Instrumentasi Berbasis Fisika (Bandung, 31 Agustus 2006), pp. 210-215. 3. Suryadi, Heri Permadi, Nur Asiah Aprianti, Suryadi, dan Khairurrijal. PIC Microtrainer untuk Pemrograman Dasar Mikrokontroler Keluarga PIC. Prosiding Seminar Instrumentasi Berbasis Fisika (Bandung, 31 Agustus 2006), pp. 201-205. 4. Nur Asiah Aprianti, Suryadi, Khairurrijal. Analysis of Laboratory Scale Temperature Control System using MatLab. International Conference on Instrumentation Communication and Information Technology 2007 (Bandung, 8-9 Agustus 2007). 5. Suryadi, Asep Suhendi, Nur Asiah Aprianti dan Khairurrijal. Pengontrolan Temperatur menggunakan Kontroler PID Digital Berbasis Mikrokontroler xii
Daftar Lampiran PIC18F4520. Seminar Asosiasi Akademisi Perguruan Tinggi Seluruh Indonesia (ASASI) (Ciawi Bogor, 9-11 Agustus 2007). Lampiran D. Paper Tugas Akhir xiii