BAB III PERANCANGAN ALAT Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai bagaimana alat dapat menampikan dan menghitung hasil dari nilai nilai inputan sensor sensor dan gambaran Rancang Bangun Alat Pengukuran Konsumsi Energi Listrik yang dapat ditampilkan interface LCD(Liquid Crystal Display) 20x4. Penelitian tersebut terdiri dari beberapa tahap yaitu rancangan umum alat, tahap perancangan secara blok diagram, tahap perancangan analisa rangkaian secara detail, tahap perancangan dan analisa secara flowchart, perancangan program software arduino serta perancangan analisis secara program. Secara rinci diuraikan sebagai berikut. 3.1 Perancangan Umum Alat Rancang bangun alat pengukuran penggunaan konsumsi energi listrik rumah tangga adalah sebuah rancangan yang digunakan untuk mengetahui konsumsi listrik dari suatu alat eletronika yang dapat langsung di monitor melalui Interface LCD 20x4, Untuk data yang ditampilkan didapatkan dari komponen sensor tegangan, dan sensor arus yang di kirim saat melakukan pemograman pada arduino. 33
3.2 Tahap Perancangan Secara Diagram Blok Pada bagian ini akan dibahas mengenai blok diagram dengan prinsip kerja masing- masing blok diagram. Analisa rangkaian disini adalah pembahasan analisa rangkaian alat pengukuran penggunaan secara blok diagram. Blok diagram terdiri dari rancangan blok input (masukan), rancangan blok proses, dan rancangan blok output (keluaran). Dimana setiap blok memiliki fungsi yang berbeda beda. Gambar 3.1 merupakan bagian yang saling berhubungan antara satu sama lain yang dibutuhkan, elemen input yang mempengaruhi proses sehingga mengahasilkan suatu keluaran output. SENSOR ARUS LCD 20X4 ARDUINO UNO I2C SENSOR TEGANGAN Input Proses Output Gambar 3.1 Blok Diagram Rangkaian Berdasarkan pada Gambar 3.1 dapat dilihat rancangan rangkaian secara blok diagram yang terdiri dari blok masukan, blok proses dan blok keluaran. Dimana blok masukan menjelaskan tentang masukan menjelaskan tentang masukan untuk microcontroller serta media masukannya, blok proses menjelaskan proses setelah masukan masuk dan komponen yang berperan sebagai pemroses masukan, sedangkan blok keluaran menjelaskan tentang keluaran yang dihasilkan serta media keluarannya. 34
Secara rinci uraian Gambar 3.1 dapat dijelaskan sebagai berikut.rancangan blok masukan berfungsi mendata setiap komponen yang digunakan sebagai media masukan yang akan di proses sehingga menghasilkan output sesuai yang di harapkan masukan yang di peroleh dari rangkaian alat pengukuran penggunaan konsumsi energi listrik didapatkan dari beberapa jenis komponen berikut 3.3 Perancangan power supply/catu daya Sensor dan mikrokontroler menjalankan perintah dengan fungsi perlu sumber tegangan pada rangkaian agar dapat menjalankan fungsinya pada rangkaian system. Seperti pada gambar 3.2 Gambar 3.2 Skema rangkaian powersupply 3.4 Rancangan Blok Masukan Rancangan blok masukan berfungsi untuk mendata setiap komponen yang digunakan sebagai media masukan yang akan di proses sehingga menghasilkan output sesuai yang diharapkan. 35
Masukan yang diperoleh dari rangkaian alat pengukuran penggunaan energi listrik didapatkan dari beberapa jenis komponen berikut. Seperti pada gambar 3.3 Gambar 3.3 Rangkaian sensor sensor masukan Masukan dari sensor arus, dan sensor tegangan terhubung pada Arduino Uno pin: Tabel 3.1 Komponen Masukan ke Pin Arduino Uno No Komponen Pin Arduino Uno 1 Sensor Arus A1 2 Sensor Tegangan A2 3.4.1 Sensor Tegangan ZMPT 101B Sensor Tegangan ZMPT 101B akan mengirimkan sinyal informasi berupa data analog yang di terima diterima oleh PIN analog microcontroller Arduino Uno. 36
Sinyal tersebut kemudian diolah oleh microcontroller Arduino uno dan kemudian diproses sebagai input data dan ditampilkan secara visual oleh LCD 20x4. Bentuk fisik sensor Tegangan Zmpt 101B seperti gambar 3.4 Gambar 3.4 Sensor Tegangan ZMPT 101B Pada program Sensor tegangan terdapat perumusan untuk mendapatkan nilai dari Tegangan Power PLN. Dimana nilai tengangan DC yang dihasilkan dari rangkaian minimal maksimal tengangan Sensor 0 Volt dc 5 Volt dc, Tegangan akan dibaca oleh Arduino dengan konversi Analog to Digital (Vrms) yang mana nilai Vrms ini adalah 0 1023, Perumusannya sebagai berikut : 440 volt = 5 Volt = 1023 1 Vrms = 0.00488758553 volt float val=0,volt=0; val=analogread(0); // membaca nilai A0 volt=val*0.00488758553*44*2; /// 1023*0.0048=5 volt *44=220 v *2 =440 Serial.println(volt); // Print the value to Serial port delay(1000); 37
3.4.2 Sensor Arus SCT 013-000 Dan Nilai Hambatan Burden Resistor Yang Ideal Pada sensor Arus SCT 013-000 prinsip kerja yang digunakan adalah mengukuran Arus bolak balik dari kabel beban Tegangan AC yang melewati Transformer (CT) yang terdapat pada komponen didalam sensor Arus ini.seperti transformator pada umumnya, transformator di sensor Arus ini memiliki gulungan primer, inti magnetik, dan gulungan sekunder. Gambar 3.5 Skema hambatan Resistor Burden dengan sensor arus Berikut ini langkah langkah mencari nilai hambatan rangkaian Burden Resistor yang Ideal : 1) Menentukan rentang nilai ukur yang akan di baca oleh sensor:(0-100a) 2) Menentukan nilai maksimum arus yang mengalir pada kumparan primer sensor ; Ip = Irms x 2 ampere Ip = 100 x 2 ampere = 141,4 A 38
3) Menentukan arus maksimum yang mengalir pada kumparan sekunder sensor ; Is = ampere Is =, = 0,0707 A 4) Untuk memaksimalkan resolusi pengukuran tegangan,nilai resistor yang dipasangkan harus menghasilkan nilai tegangan referensi pada Mikrokontroller (0V-5V) maka = = 2,5 V 5) Hitung nilai resistansi burden Resistor yang ideal menggunakan hukum ohm; R = Ω Rburden = R = Ω,, = 35,36 Ω 35 Ω bukan nilai resistor yang umum. Nilai-nilai terdekat kedua sisi dari 35 Ω adalah 39 dan 33 Ω. penulis memilih nilai yang lebih kecil, atau arus beban maksimum akan membuat tegangan yang lebih tinggi dari AREF. Yaitu 33 Ω ± 1%. Semakin jauh dari ideal nilai, semakin rendah akurasi yang akan di dapat. 3.4.3 Perancangan Rangkaian Pengondisi Sinyal Sensor Arus Sct 013-000 Rangkaian Pengondisi Sinyal yang digunakan dalam perancangan ini adalah rangkaian Clamper. hanya dengan menggunakan rangkaian pembagi tegangan dengan menggunakan resistor untuk mendapatkan seberapa besar level DC yang dinaikan. 39
Dan juga digunakan komponen kapasitor untuk menghalangi sinyal DC masuk ke input dan sebaliknya sinyal input akan mampu melewati kapasitor, sehingga tujuan yang di harapkan akan tercapai Gambar 3.6 Skema rangkaian burden resistor dan rangkaian pembagi tegangan Arduino tidak dapat mengukur tegangan negatif,jadi kita perlu menambahkan 2,5 V untuk rangkaian pembagi tegangan sehingga membuat tegangan terukur. Antara 0V-5V Penulis menggunakan Resistor 10 K(R2 dan R3) pada rangkaian pembagi tegangan.serta menggunakan kapasitor 25V 10uf (C1). Vout = x vin = x 5V = 2,5 V 3.5 Rancangan Blok Proses Pada alat ini yang berfungsi sebagai proses adalah Arduino Uno Atmega328 40
3.5.1 Arduino Uno Arduino Uno burfungsi untuk memproses setiap masukan sesuai dengan kondisi logika pemograman yang telah di flash/upload sebelumnya. Setelah microcontroller pada arduino memproses setiap masukan maka hasil akan keluar melalui pin digital berupa digit biner 0 atau 1. Dimana nilai biner 0 menyatakan tegangan low dan biner 1 merupakan tegangan high. Dari gambar 3.6 dibawah adalah blok proses pada Arduino Uno dan beberapa komponen sebagai masukannya yang kemudian akan di proses oleh microcontroller dan akan menghasilkan keluaran. Gambar 3.7 Blok Proses Arduino Uno 3.6 Rancangan Blok Keluaran Setelah pemrosesan telah selesai pada blok proses, maka keluarlah output yaitu berupa nilai nilai pada LCD yang dapat melihat hasil tampilan sensor dari blok masukan yang telah di proses oleh Arduino Uno untuk dirubah menjadi data digital dan diproses lebih lanjut. 41
Gambar 3.8 Rangkaian keluaran interface LCD(Liquid Crystal Display) Tabel 3.2 Komponen Keluaran dari Pin Arduino Uno No Komponen Pin Arduino Mega2560 1 LCD 20x4 SCL A5 2 LCD 20x4 SDA A4 3.7 Tahap Perancangan dan Analisa Rangkaian Secara Detail Analisa secara detail berfungsi untuk mengetahui alur cara kerja alat. Pada gambar 3.8 dibawah ini merupakan rangkaian keseluruhan dari rancang bangun alat pengukuran penggunaan konsumsi energy listrik rumah tangga. 42
Gambar 3.9 Rangkaian Keseluruhan Rancang Bangun Alat Pengukuran Penggunaan Konsumsi Energi Listrik Rumah Tangga Rangkaian tersebut menggunakan tegangan atau catu daya DC (Direct Current) sebesar 9V volt yang didapat dari adaptor. Arduino Uno dengan microcontroller ATMega328 merupakan komponen yang memproses data masukan dari sensor tegangan dan sensor arus. Kemudian microcontroller mengolah data yang diterima sesuai dengan program yang dibuat sebelumnya dan microcontroller 43
mengeluarkan output sesuai dengan program yang sudah ditanamkan.kemudian mengkalkulasi nilai nilai analog yang di dapat kemudian di tampilkan di interface. Pada alat pengukuran penggunaan konsumsi energi listrik ini, ada beberapa input yang mempunyai fungsinya masing- masing, antara lain ialah : A.Sensor Tegangan ZMPT 101B Berfungsi sebagai pengukur tegangan secara analog dimana pada saat tegangan naik turun maka nilai tegangan analog tersebut akan mengalami kenaikan atau terjadi penurunan nilai inputan B.Rangkaian pembagi arus Berfungsi sebagai pembagi tegangan karena Arduino hanya dapat menerima tegangan dari 0 5 volt,maka perlu mengkonversi Arus menjadi tegangan, dan diperlukan penambahan resistor pada sensor ini. C.Sensor Arus SCT 013-000 Berfungsi sebagai pengukur arus secara analog dimana pada saat arus naik turun maka nilai tegangan analog tersebut akan mengalami kenaikan atau terjadi penurunan nilai inputan. Data input dari microcontroller diolah menjadi nilai nilai parameter kemudian di proses oleh arduino dan tampilkan pada interface LCD(Liquid Crystal Display) 20X4. 3.8 Tahap Perancangan dan Analisis Secara Flowchart Untuk mempermudah pembuatan program, penulis terlebih dahulu membuat diagram alur atau bisa juga disebut dengan flowchart. 44
Flowchart ini di maksudkan sebagai pemandu penulis dalam membuat program agar kesalahan dapat diminimalisir, juga bertujuan agar program yang dibuat merupakan suatu algoritma yang tepat. Cara kerja alat secara diagram alur dijabarkan dalam bentuk flowchart pada gambar 3.9. Rancang bangun alat pengukuran energi listrik ini dirancang dengan menggunakan interface berupa LCD(Liquid Crystal Display) yang selanjutnya sensor arus dan sensor tegangan sebagai sumber inputan analognya. Adapun proses kerja dari system pengukuran alat ini sebagai berikut : 1. Sensor Arus SCT 013-000 mendeteksi inputan arus kemudian di konversi menjadi nilai analog. 2. Rangkaian pembagi tegangan mengkonversikan nilai analog sensor arus tadi menjadi nilai tegangan yang menjadi parameter pada mikrokontroler. 3. Sensor Tegangan ZMPT 101B menerima inputan tegangan yang kemudian di konversikan menjadi nilai analog yang sudah di ubah menjadi parameter tegangan inputan pada mikrokontroler 4. Sistem mikrokontroler Arduino menerima dan mengolah data input masukan sensor sensor sebagai data primer yang kemudian mikrokontroler mengkalkulasi nilai nilai tersebut. 5. Hasil dari perhitungan mikrokontroler, kemudian di kirim pada I2C LCD 20x4 untuk tampilkan. 6. LCD(Liquid Crystal Display) 20X4 kemudian menampilkan nilai nilai seperti arus,tegangan,daya aktif dan daya reaktif yang kemudian di baca oleh pengguna. 45
Mulai Inisialisasi Hitung Arus,Tegangan,Daya Nyata,Daya Semu Perangkat Keras Inisialisasi Variabel Tampilkan Nilai Arus,Tegangan,Daya Nyata,Daya Semu Input data Arus Dan Tegangan Gambar 3.10 Flowchart Rancangan Alat 3.9 Perancangan Program Software Arduino Perancangan software ini akan membahas mengenai tahap perancangan perangkat lunak yang menggunakan software Arduino. Tujuan perancangan lunak ini adalah untuk mempermudah dalam memprogram yang akan dimasukan atau ditanamkan kedalam microcontroller ATMega328 menggunakan software Arduino. 46
a. Langkah pertama membuka software Arduino dengan mengklik 2 kali Arduino.exe b. Membuat koding yang akan dimasukan ke dalam microcontroller sesuai dengan kebutuhan alat. c. Lalu untuk mengecek struktur dan kebenaran koding dapat diklik tombol verify untuk mendeteksi apakah masih ada syntax yang error. d. Jika kodingan sudah tidak ada kesalahan, maka untuk memasukan program ke dalam microcontroller pilih tombol Upload pada software. Gambar 3.11 Software Arduino 47
3.10 Perancangan Analisis Secara Program Berikut ini adalah daftar program yang telah di upload ke dalam microcontroller Arduino Uno atmega328, agar semua masukan yang berupa sensor dapat bekerja dengan baik dan mengahasilkan keluaran yang diinginkan. Gambar 3.12 Program Sensor Arus dan Sensor Tegangan 49
Gambar 3.13 Program I2C(Inter Integrated Circuit) dan Liquid Crystal Display Gambar 3.13 Program Keseluruhan Dari Sensor Arus,SensorTegangan,I2C(Inter Integrated Circuit) dalcd(liquid Crystal Display 50