BAB III DESAIN DAN PENGEMBANGAN SISTEM 3.1 Perangkat Keras Perancangan perangkat keras untuk sistem kontrol daya listrik diawali dengan merancangan sistem sensor yang akan digunakan, yaitu sistem sensor arus. Pemilihan metode pengukuran (sensor) arus dilakukan dengan membandingkan tiga jenis metode yang umum digunakan (current transformer, shunt, current transducer), dari hasil perbandingan tersebut pertama kali penulis memilih untuk menggunakan metode current transformer karena dianggap sebagai metode yang paling mudah untuk diimplementasikan dalam pengukuran arus. Namun ternyata dari hasil percobaan, respon arus yang dihasilkan cukup linier terhadap tegangan output, memiliki daerah frekuensi yang sangat kecil (bukan frekuensi PLN) karena itu penulis menggunakan metode lain yang memiliki respon jauh lebih baik daripada current transformer. Metode tersebut adalah current tranducer. Metode current tranducer dipilih karena tanggapan output yang dihasilkan lebih linier dibandingkan dengan current transformer. Pengukuran arus dengan menggunakan metode current tranducer merupakan pengukuran arus yang memanfaatkan prinsip efek Hall dimana dalam metode ini penulis menggunakan sensor efek Hall, UGN3503 produksi Allegro MicroSystems, Inc., yang dalam aplikasinya sensor tersebut ditempatkan di tengah-tengah gap yang dibuat pada inti besi toroid yang telah dililiti kawat bearus listrik [5]. Untuk memperoleh sinyal output yang diharapkan maka penulis Tugas Akhir 10203067 26
menambahkan rangkaian signal conditioning berupa rangkaian penguat instrumentasi dan AC to DC Converter pada output sensor arus tersebut. Diagram blok sistem sensor arus diberikan pada Gambar 21. Gambar 21. Diagram blok sistem sensor arus Langkah selanjutnya dalam perancangan sistem kontrol daya listrik ini adalah pemilihan komponen yang berfungsi sebagai aktuator. Komponen yang diperlukan merupakan komponen yang bersifat saklar dan dapat berkerja pada arus AC selain itu juga memiliki kemampuan untuk dikontrol secara otomatis. Komponen tersebut adalah triac. Dalam pengoperasiannya triac membutuhkan driver, salah satu IC driver yang dapat digunakan untuk mengoperasikan triac adalah MOC3020. Setelah pengujian rangkaian aktuator, penulis mulai merancang sistem kontrol secara keseluruhan. Rancangan sistem kontrol daya listrik secara keseluruhan dapat dilihat pada diagram blok yang diberikan oleh Gambar 22. Sistem kontrol daya listrik dibangun dengan berbasiskan mikrokontroler PIC18F4520 sebagai pengontrol dan pengkonversi data analog dari sensor, menjadi data digital (A/D converter). Selain itu mikrokontroler sangat berperan dalam menampilkan nilai input dari keypad berupa nilai set point yang diingin oleh operator dan nilai output dari A/D converter berupa nilai yang terbaca oleh Tugas Akhir 10203067 27
sensor untuk ditampilkan di layar peraga matrik LCD 2x16. Data sinyal kontrol hasil pemprosesan mikrokontroler selanjutnya akan menjadi input bagi driver triac, MOC3020, yang kemudian akan mengaktifkan triac sebagai aktuator. Rancangan sistem kontrol daya listrik dilengkapi pula dengan modul komunikasi serial ke PC, modul tersebut dapat digunakan baik untuk memonitoring penggunaan dan pengontrolan daya listrik maupun pengembangan sistem ke depan. LCD DISPLAY PC keypad RS232 Signal conditioning ADC RISC CPU PIC18F4520 Triac Driver Triac Driver Triac Driver Triac Driver Triac Driver Current Sensing AC PLANT Gambar 22. Diagram blok sistem kontrol daya listrik Pembuatan perangkat keras dilakukan dengan bantuan software Protel 99 SE. Protel 99 SE merupakan software yang digunakan penulis untuk merancang Tugas Akhir 10203067 28
PCB (printed circuit board). Proses perancangan dimulai dengan membuat skema rangkaian pada schematic document yang selanjutnya file skematik tersebut ditransfer ke file PCB untuk mengatur layout papan PCB yang akan dibuat. Setelah layout papan PCB sesuai dengan keinginan dilanjutkan dengan routing untuk menghubungkan jalur-jalur listrik antar komponen. Rancangan layout papan PCB yang telah melalui proses routing selanjutnya dicetak dan dibuat repro filmnya. Repro film rancangan papan PCB selanjutnya dibawa ke pembuat PCB untuk diproduksi menjadi papan PCB yang siap digunakan. 3.2 Perangkat Lunak Perancangan perangkat lunak (software) yang dilakukan adalah merancang program untuk menjalankan fungsi mikrokontroler. Program tersebut ditulis dengan menggunakan bahasa C yang selanjutnya dicompile dengan compiler yang terdapat pada software MPLAB IDE produksi Microchip menjadi file heksa. File tersebut kemudian didownload kedalam memori program mikrokontroler PIC18F4520 melalui fitur ICSP (In Circuit Serial Programming) dengan bantuan software WinPIC Programmer. Rancangan program yang didownload kedalam memori program mikrokontroler PIC18F4520 dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu program utama dan program pendukung. 3.2.1 Program utama Program utama merupakan urutan perintah yang dieksekusi oleh mikrokontroler sebagai alur yang paling utama. Bagian ini meliputi tahap inisialisasi berupa konfigurasi awal dari modul-modul yang digunakan serta Tugas Akhir 10203067 29
mendefinisikan fungsi-fungsinya. Tahap yang penting adalah ketika mikrokontroler menjalankan algoritma aksi kontrol. Tahap ini meliputi pembacaan input set point dan pembacaan input analog dari sensor lalu membandingkannya untuk memperoleh sinyal kontrol. Sinyal kontrol yang dihasilkan oleh mikrokontroler selanjutnya digunakan untuk menggerakkan aktuator. Secara garis besar struktur dari program utama dapat dilihat pada diagram alir yang ditunjukkan pada Gambar 23. Inisialisasi Baca nilai set point ADC > set point? Aksi kontrol Baca input ADC Gambar 23. Diagram alir program utama PIC18F4520 3.2.2 Program pendukung Yang dimaksud dengan program pendukung adalah subrutin-subrutin yang menjalankan tugas tertentu yang berkaitan dengan pengoperasian modul internal maupun divais yang terhubung ke mikrokontroler. Beberapa program pendukung tersebut adalah sebagai berikut: Tugas Akhir 10203067 30
3.2.2.1 Subrutin tampilan peraga LCD Devais peraga LCD terhubung ke mikrokontroler melalui port D untuk jalur data dan port E untuk jalur kontrol. Jalur data terdiri atas delapan pin (8-bit data) sedangkan jalur kontrol terdiri atas tiga pin yaitu RS, R/W dan E. Data yang dikirim ke tampilan LCD dapat berupa data karakter yang ingin ditampilkan atau berupa perintah. Data berupa karakter atau perintah ditentukan oleh pin-pin pada jalur kontrol. Diagram alir untuk subrutin tampilan peraga LCD ditunjukkan oleh Gambar 24 dan Gambar 25. Data pada Port D Set pin RS Set pin E Clear pin E Clear pin R /W Gambar 24. Diagram alir pengiriman data ke peraga LCD Data pada Port D Clear pin RS Set pin E Clear pin E Clear pin R /W Gambar 25. Diagram alir pengiriman perintah ke peraga LCD Tugas Akhir 10203067 31
3.2.2.2 Subrutin membaca input keypad Keypad memiliki tujuh buah pin yang terhubung langsung ke mikrokontroler melalui port B (RB1-RB7) sebagai jalur pengontrol, 4 buah pin untuk baris dan 3 buah pin untuk kolom. Pin-pin kolom keypad diberi logika 0 (low) secara bergantian. Saat pin kolom diberi logika 0, setiap pin baris pada kolom tersebut diperiksa. Apabila terdapat nilai logika 0 pada salah satu barisnya maka display output aplikasi keypad yang digunakan (LCD) akan menunjukkan nilai dari kolom dan baris yang berlogika nol tersebut. Diagram alir untuk subrutin keypad ditunjukkan pada Gambar 26. C2=0 C1=0 Cek R1-R4 Cek R1-R4 R1/R2/R3= 0? R1/R2/R3/R4 = 0? C3=0 Cek R1-R4 Tulis angka R1/R2/R3 = 0? Gambar 26. Diagram alir untuk membaca input keypad Tugas Akhir 10203067 32
3.2.2.3 Subrutin untuk membaca ADC Untuk mempermudah proses pembacaan ADC, semua konfigurasi umum yang meliputi pengaktifan modul, pemilihan sumber clock, pemilihan saluran masukan serta konfigurasi tegangan referensi dilakukan pada tahap inisialisasi program utama. Sedangkan operasi pembacaan ADC secara umum ditunjukkan pada Gambar 27. BELUM Set Konfigurasi Modul ADC Konversi? Tunggu Waktu Akuisisi Start Konversi SUDAH Baca hasil Konversi Gambar 27. Diagram alir pembacaan ADC 3.2.2.4 Subrutin aksi kontrol Subrutin aksi kontrol ditunjukkan oleh Gambar 28. Aksi kontrol dilakukan berdasarkan skala prioritas, dimana pin prioritas pertama adalah RC1, prioritas kedua RC2, dan begitu seturusnya hingga prioritas terakhir adalah RC5. Langkah yang dilakukan adalah dengan melakukan poling terhadap nilai logika yang dimiliki driver triac. Tugas Akhir 10203067 33
RC2-RC5 = 1 RC1=1 RC3-RC5 = 1 RC2=1 RC4-RC5 = 1 RC3=1 RC5 = 1 RC4=1 RC5=1 Gambar 28. Diagram alir aksi kontrol 3.2.2.5 Subrutin komunikasi serial Proses komunikasi serial pada PIC18F4520 dilakukan oleh modul EUSART. Dalam sistem yang dibuat digunakan mode asinkron untuk berkomunikasi dengan komputer. Proses transmisi data melibatkan register TXREG sebagai penampung data sementara, sedangkan proses penerimaan melibatkan register RCREG sebagai penampung data yang diterima. Prosedur pengiriman dan penerimaan data dapat dilihat pada diagram alir yang ditunjukkan oleh Gambar 29. Tugas Akhir 10203067 34
Transmission Reception Set baud rate Set baud rate Enable serial port Enable serial port Enable transmission Enable reception Load data to TXREG Read data from RCREG Gambar 29. Diagram alir komunikasi serial Tugas Akhir 10203067 35