perancangan dan realisasi alat lengkap dalam blok … · sensor ini dapat mendeteksi tegangan...

10

BAB III

PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT

Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan sistem dan realisasi

perangkat keras dan perangkat lunak dari setiap modul yang mendukung alat

secara keseluruhan. Alat yang dirancang dan direalisasikan dapat dilihat secara

lengkap dalam blok diagram pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1. Blok Diagram Alat

3.1 Cara Kerja Sistem

Sistem ini mula-mula bekerja pada keadaan idle. Sampai sistem mendapat

masukkan nilai batas arus dan penekanan pada tombol start. Sesaat setelah

mendapat penekanan pada tombol start, sistem akan mulai bekerja.

Saat sistem mulai berkerja, sistem akan melakukan pemeriksaan nilai batas

arus secara berkala. Apabila suatu ketika nilai arus yang mengalir melewati batas

nilai arus, sistem secara otomatis akan memutus aliran listrik dan memberikan

11

peringatan kepada pengguna berupa sinyal suara dari buzzer. Saat terjadi kondisi

tripping ini, sistem akan mencatat data dan disimpan dalam sebuah memory card.

Setelah selang waktu tertentu, secara otomatis sistem akan menyala dan

melakukan rutin pemeriksaan nilai arus kembali. Apabila sistem masih

mendapatkan nilai arus yang mengalir masih di atas batas nilai arus, sistem akan

memutus aliran listrik kembali. Peringatan ini berlaku sebanyak tiga kali. Apabila

setelah tiga kali peringatan sistem masih mendapatkan nilai arus yang mengalir

masih di atas batas nilai arus, sistem akan memutus aliran listrik sampai ada

perintah manual dari pengguna berupa penekanan tombol reset.

3.2 Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras

Perangkat keras yang dirancang dan direalisasikan pada alat ini terdiri dari

mikrokontroler sebagai pengendali utama, untai sensor arus, untai sensor

tegangan, keypad 4×4 sebagai masukkan data, penampil LCD, dan buzzer.

3.2.1. Keypad 4×4

Modul keypad yang digunakan adalah modul keypad jenis membran dengan

ukuran 4 kolom × 4 baris. Bentuk fisik dari keypad 4×4 ditunjukkan oleh Gambar

3.2.

Gambar 3.2. Keypad 4x4

12

Perancangan untuk modul ini menggunakan scanning keypad. Scanning

dilakukan dengan mengkonfigurasikan pin-pin dari keypad menjadi masukan dan

keluaran untuk mikrokontroler. Ditentukan pin-pin yang dikonfigurasikan sebagai

keluaran, dihubungkan dengan pin yang terhubung dengan 4 baris pada keypad

dan pin-pin yang dikonfigurasikan sebagai masukan dihubungkan dengan pin

yang terhubung dengan 4 kolom pada keypad. Konfigurasi koneksi antar pin

ditunjukkan pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1. Konfigurasi Pin Keypad.

Pin Keypad

(tampak depan) Pin Mikrokontroler

Fungsi Pin

Mikrokontroler

Pin 1 Port D7 output




Pin 5 Port D3 input

Pin 6 Port D2 input

Pin 7 Port D1 input

Pin 8 Port D0 input

3.2.2. Modul Sensor Arus

Fungsi dari modul ini adalah untuk mendapatkan besaran arus yang ditarik

oleh beban yang terpasang. Selain besar tegangan, besar arus yang ditarik juga

merupakan besaran yang perlu diukur karena arus merupakan komponen

penyusun daya listrik. Untuk melakukan sensing arus yang ditarik oleh beban

yang terpasang, dimanfaatkan sebuah modul praktis ACS712 produksi Allegro

MicroSystem, Inc. Pemilihan ACS712 didasarkan pada kepraktisan package

sensor dan kinerja sensor yang dapat digunakan untuk sensing arus dengan nilai

cukup besar serta kepresisian keluaran sensor. Keluaran sensor arus ACS712

13

adalah tegangan yang besarnya selalu memiliki perbandingan yang tetap terhadap

arus yang ditarik.

Sensor arus ACS712 menggunakan teknologi hall effect untuk mendeteksi

besar arus yang lewat. Selain itu, sensor ini memiliki konsumsi daya rendah.

Dalam perancangan sensor arus ACS712 dipasang dengan konfigurasi seri

terhadap sumber tegangan dan beban yang diukur. Perancangan dapat dilihat pada

Gambar 3.3.

Gambar 3.3. Perancangan penempatan sensor arus ACS712

Pada saat beban menarik arus dari sumber tegangan, sensor akan mengukur

besar arus yang ditarik. Besar arus yang ditarik akan diubah menjadi tegangan

dengan perbandingan 100 mV tiap kenaikan 1 A. Rangkaian sensor arus yang

digunakan sesuai dengan datasheets dari ACS712[5] sesuai Gambar 3.4.

Gambar 3.4. Rangkaian sensor arus ACS712

Sensor Arus

ACS712

14

Penjelasan mengenai fungsi kaki-kaki pada ACS712 dapat diilihat pada

Tabel 3.2.

Tabel 3.2. Tabel kaki-kaki ACS712

Nomor

Kaki Nama Penjelasan

1 dan 2 IP + Pin untuk arus yang diukur

3 dan 4 IP - Pin untuk arus yang diukur

5 GND Pin untuk ground

6 FILTER Pin untuk eksternal kapasitor untuk menentukan

lebarnya banwidth

7 VIOUT Pin Keluaran

8 VCC Pin untuk terminal Vcc

3.2.3. Modul Sensor Tegangan

Sensor tegangan merupakan perangkat yang mendeteksi tegangan masukan

dan menghasilkan arus atau tegangan yang sebanding dengan tegangan masukan

tersebut. Pada skripsi ini digunakan AC voltage tranducer model AVS075-SD-

420E yang diproduksi oleh Loulensy Inc.

Gambar 3.5. AC voltage tranducer model AVS075-SD-420E

15

Sensor ini dapat mendeteksi tegangan masukan dari 0~500 VAC. Keluaran

sensor ini berupa arus yang bervariasi dari 0~20 mA sesuai tegangan AC

masukan. Sensor ini membutuhkan catu 12V. Wujud fisik dari sensor ini

ditunjukkan Gambar 3.5.

Gambar 3.6. Skema untai sensor tegangan

Keluaran dari sensor disambungkan dengan resistor 250Ω yang tersusun

secara paralel seperti yang terlihat pada Gambar 3.6. Pemilihan nilai resistor ini

dikarenakan keluaran dari modul ini yang berupa arus sebesar 0~20 mA. Hal ini

bertujuan untuk mengubah arus keluaran menjadi tegangan sebesar 0~5V agar

dapat diterjemahkan oleh mikrokontroler untuk diolah lebih lanjut.

3.2.4. Modul Real Time Clock

Fungsi real time clock (RTC) dalam perancangan ini adalah untuk

mengetahui waktu terjadinya tripping. Pada perancangan ini, RTC yang

digunakan adalah IC DS1307 dari Maxim Integrated.

Gambar

RTC memerlukan catu daya cadangan berupa baterai CMOS

dengan tegangan 3V untuk memberikan catu daya pada saat catu daya utama

dimatikan sehingga RTC tetap menyala setiap saat. Kristal yang dipakai dalam

RTC ini adalah 32.768kHz

dari DS1307 dikoneksikan ke pin S

ATmega32 dan komunik

Gambar 3.8. Real Time Clock

Gambar 3.7. Skema untai Real Time Clock (RTC) DS130

RTC memerlukan catu daya cadangan berupa baterai CMOS



32.768kHz sesuai dengan datasheet DS1307. Pin SCL dan SDA

dari DS1307 dikoneksikan ke pin SCL dan SDA dalam mikrokontroler

ATmega32 dan komunikasi dilakukan menggunakan protokol I2C.

. Real Time Clock (RTC) DS1307 yang terintegrasi pada

16

(RTC) DS1307

RTC memerlukan catu daya cadangan berupa baterai CMOS seri CR2032



Pin SCL dan SDA

CL dan SDA dalam mikrokontroler

C.

yang terintegrasi pada board

17

3.2.5. Mikrokontroler

Alat yang dirancang ini menggunakan mikrokontroler keluarga AVR jenis

ATmega32 sebagai pengendali utama. Pada perancangan ini masukkan melalui

keypad,Real Time Clock, sensor arus dan sensor tegangan, sedangkan output

berupa LCD, Relay, SDCard serta buzzer.

Konfigurasi penggunaan pin/port mikrokontroler ATmega32 dapat dilihat

dalam Tabel 3.3 dan skema dari board mikrokontroler dapat dilihat pada Gambar

3.9.

Tabel 3.3. Konfigurasi penggunaan pin/port mikrokontroler ATmega32

Nama PORT Fungsi

PORTA.0 Input dari sensor arus ACS712

PORTA.1 Input dari sensor tegangan

PORTB.0 I2C bus ( terhubung pada RTC )

PORTB.1 I2C bus ( terhubung pada RTC )

PORTB.2 Output ke relay

PORTB.3 Output ke buzzer

PORTB.4 CS SDCard

PORTB.5 MOSI SDCard

PORTB.6 MISO SDCard

PORTB.7 SCK SDCard

PORTC.0 Data bit 0 LCD karakter








PORTD.0 Input dari keypad




PORTD.4 Output ke keypad




18

Gambar 3.9. Skema board mikrokontroler ATmega32

19

3.2.6. Penampil LCD

Modul LCD merupakan modul antarmuka yang digunakan sebagai tampilan

berbagai karakter yang dimasukkan melalui keypad. Alat yang dirancang ini

menggunakan LCD 20 karakter × 4 karakter, maksudnya bahwa tampilan LCD

mampu menampilkan 20 karakter dalam empat baris tampilan, sehingga tampilan

yang dihasilkan sejumlah 80 karakter. Untai modul LCD diperlihatkan pada

Gambar 3.10.

Gambar 3.10. Untai modul penampil LCD

20

Pada Gambar 3.10 diperlihatkan untai modul LCD yang akan dihubungkan

dengan mikrokontroler, di mana di dalamnya terdapat 16 terminal yang

mempunyai fungsi masing-masing, yaitu :

1. DB4-DB7, merupakan pin untuk empat jalur data atas yang dapat digunakan

untuk membaca data dari modul ke mikrokontroler atau menulis data dari

mikrokontroler ke modul. DB7 juga digunakan sebagai penanda sibuk.

2. DB0-DB3, merupakan pin untuk empat jalur data bawah yang dapat

digunakan untuk membaca data dari modul ke mikrokontroler atau menulis

data dari mikrokontroler ke modul. Apabila yang dibutuhkan hanya 4 bit

maka, jalur data ini tidak digunakan, sehingga hanya menggunakan jalur

data atas.

3. E (Enable), merupakan pin untuk sinyal operasi awal yang mampu

mengaktifkan data tulis atau baca.

4. R/W (Read/Write), merupakan pin untuk sinyal pemilih baca atau tulis,

yang mana bila pin ini diberi logika 1, modul akan melakukan operasi baca,

sebaliknya bila diberi logika 0 akan melakukan operasi tulis. Pada aplikasi

ini karena LCD digunakan sebagai modul keluaran saja berarti hanya

melakukan operasi baca saja.

5. RS (Register Selection), merupakan pin untuk sinyal pemilih fungsi register

yang apabila diberikan logika 0, register berfungsi sebagai register instruksi

untuk operasi tulis atau sebagai penanda sibuk, dan sebagai pencacah alamat

untuk operasi baca. Apabila diberi logika 1, register berfungsi sebagai

register data, baik untuk operasi tulis ataupun baca.

6. VEE (VLC), merupakan pin untuk terminal catu daya untuk pengendalian

tampilan LCD, yaitu mengatur ketajaman tampilan karakter pada layar.

7. VCC, merupakan pin untuk terminal catu daya 5 volt.

8. VSS, merupakan pin grounding.

21

3.2.7. Modul Micro SDCard

Pada perancangan ini, setiap terjadi tripping alat akan menyimpan sebuah

log kerja. Log kerja ini akan disimpan pada sebuah Micro SD Card. Modul SD

Card ini menggunakan antarmuka SPI sebagai jalur komunikasi data. Terdapat 6

pin pada modul ini, yaitu GND, VCC, MISO, MOSI, SCK dan CS. GND dan

VCC masing-masing terhubung pada ground dan VCC mikrokontroler.

MISO,MOSI,SCK terhubung dengan mikrokontroler melalui atarmuka SPI.

Sedangkan CS adalah sebagai pin untuk chip select. Susunan pin modul Micro SD

Card ini dapat dilihat pada Tabel 3.4.

Gambar 3.11. Modul Micro SDCard dengan interface SPI

Tabel 3.4. Susunan pin dari modul Micro SDCard

No Pin Nama Pin Penjelasan

1 CS Chip Select

2 SCK Antarmuka SPI

3 MISO Antarmuka SPI

4 MOSI Antarmuka SPI

5 VCC Terhubung ke terminal VCC

6 GND Terhubung ke terminal GND

22

3.2.8. Solid State Relay

Agar mikrokontroler dapat mengatur kondisi On/Off pada keluaran alat yang

dirancang, digunakan Solid State Relay (SSR) sebagai komponen pensaklaran.

SSR yang digunakan adalah SSR-100DA yang diproduksi oleh Fotek. Pemilihan

komponen ini di dasari atas kelebihan relay SSR dibanding relay mekanik.

Kelebihan tersebut antara lain:

Tidak ada bagian yang bergerak (kontaktor) seperti halnya pada relay

mekanik, sehingga tidak memungkinkan terjadi no contact karena

tertutup oleh debu atau karat.

Respon perpindahan dari kondisi off ke kondisi on yang sangat cepat

hanya membutuhkan waktu sekitar 10 us.

Solid state relay sangat sensitif sehingga dapat dioperasikan langsung

dengan menggunakan level tegangan TTL.

Gambar 3.12. Solid State Relay SSR-100DA

Relay ini dapat difungsikan dengan tegangan masukan dari 3 ~ 32 VDC

dengan arus masukan dari 3 ~ 25 mA pada pin 3 dan 4. Pada pin 1 dan 2 yang

terhubung ke beban dapat menyaklarkan beban dengan tegangan 24 ~ 380 VAC

dengan arus maksimum 100A.

23

Gambar 3.13. Untai pensaklaran menggunakan SSR

3.2.9. Buzzer

Keluaran suara dari buzzer aktif selama 500ms dengan delay antar aktif

sebesar 2500ms. Panjang pendeknya bunyi dari buzzer diatur oleh PORTB 3

mikrokontroler.

Gambar 3.14. Skema untai modul buzzer

24

Transistor di sini berfungsi sebagai saklar (on-off) keluaran suara untuk

buzzer dari data yang keluar dari mikrokontroler.

Gambar 3.15. Transistor sebagai saklar

Pada saat kondisi mati atau cut-off, tidak ada arus yang mengalir melalui

beban Rc kecuali arus bocor yang sangat kecil (Iceo), sehingga besarnya tegangan

antara kolektor emitor (Vce) adalah:

Vce = Vcc – Iceo × Rc (3.1)

Karena kondisi mati Iceo = 0 (kondisi ideal), maka tegangan Vce menjadi

Vce = Vcc. Sedangkan tegangan pada Rc sangat kecil sehingga dapat diabaikan.

Vce = Vcc – 0 × Rc

Vce = Vcc (3.2)

Bila transistor mendapat tegangan positif pada basis, transistor akan menjadi

saturasi sehingga arus basis (Ib) mengalir dan menyebabkan arus mengalir dari

kolektor (Ic) ke emitor (Ie) melalui tahanan beban (Rc), sehingga tegangan antara

25

kolektor dan emitor menjadi nol (Vce = 0) dan tegangan jatuh tegangan pada Rc

adalah:

Vrc = Vcc – Vbuzzer (3.3)

= 5V – 3V

= 2 Volt

maka :

Rc =

=

, = 30 Ω

Besarnya arus basis pada saat transistor dalam keadaan saturasi adalah:

Ib =

(3.4)

Ib = ,

= 0,00167 A

Anggap Vbe= 0,7 volt, maka Vrb = 5V – 0,7V = 4,3 Volt

sehingga :

Rb =

(3.5)

Rb = ,

,

= ,

, = 257,48 Ω

Transistor sebagai saklar tertutup, arus yang mengalir pada kolektor (Ic) saat

transistor saturasi adalah:

Ic =

(3.6)

Ic =

= 0,167

Menurut hukum Kirchoff I besarnya arus yang mengalir di emitor (Ie)

adalah :

Ie = Ib + Ic (3.7)

= 0,00167 A + 0,167 A

= 0,168

26

3.3 Perancangan Perangkat Lunak

Gambar 3.16. Diagram Alir Cara Kerja

27

3.3.1. Penjelasan Diagram Alir

1. Pada saat sistem diaktifkan, maka mikrokontroler menampilkan menu

untuk memasukkan nilai batas arus pada LCD karakter.

2. Setelah memasukkan nilai batas arus, sistem akan meminta konfirmasi

dari pengguna.

3. Apabila input yang dimasukkan benar, secara otomatis sistem akan

mengirimkan logika On ke relay sehingga arus akan mengalir ke

beban.

4. Secara berkala sistem akan melakukan checking terhadap besarnya

arus yang mengalir. Checking ini akan terus berlangsung sampai saat

di mana arus yang mengalir melebihi batas yang sudah ditentukan.

5. Apabila arus yang mengalir ke beban melewati batas yang ditentukan,

sistem akan mengirimkan logika Off ke relay sehingga arus yang

mengalir terputus.

6. Dalam kondisi ini sistem akan memberikan peringatan kepada user

melalui sinyal keluaran yang berupa bunyi melalui buzzer. Sistem juga

melakukan perekaman data yang berupa nilai arus, nilai tegangan,

tanggal dan waktu yang disimpan pada kartu memori dalam format

.txt.

7. Sistem peringatan ini berlangsung selama 60 detik. Apabila sistem

peringatan sudah terjadi sebanyak 3 kali, maka sistem akan

mematikan aliran arus listrik ke beban sampai ada penekanan tombol

reset dari pengguna.

perancangan dan realisasi alat lengkap dalam blok … · sensor ini dapat mendeteksi tegangan...

Documents