27
BAB III PERANCANGAN SISTEM
3.1 Spesifikasi Sistem
Spesifikasi sistem dalam perancangan alat pengisi baterai smartphone berbayar dengan tenaga surya adalah :
1. Sumber daya pengisian baterai berasal dari tenaga matahari dengan
menggunakan panel surya. 2. Tegangan output panel surya 13,8V dengan arus pengisian 0,45A.
3. Tegangan output charger ponsel 5V. 4. Mikrokontroler ATMega 8535 digunakan sebegai pusat kendali otomatis.
Dengan spesifikasi diatas, maka dapat dilakukan pemilihan komponen yang sesuai untuk mendukung sistem dapat bekerja sesuai dengan yang diharapkan.
Secara umum diagram blok keseluruhan sistem dapat dilihat pada Gambar 3.1.
Sensor Koin Panel Surya
Relay Baterai
Relay Mikrokontroller
Regulator User
Regulator
Ponsel Regulator
Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem Keseluruhan
Universitas Sumatera Utara
28
28
Fungsi-fungsi diagram blok sistem pada Gambar 3.1 dapat dijelaskan
sebagai berikut :
1. Panel surya berfungsi menyerap energi matahari dan mengubahnya menjadi energi listrik.
2. Relay berfungsi untuk memutus dan mengalirkan arus listrik. 3. Regulator berfungsi untuk meregulasi tegangan dari panel surya.
4. Baterai berfungsi untuk menyimpan energi yang dihasilkan oleh panel surya. 5. Sensor berfungsi untuk mendeteksi koin.
6. Mikrokontroler berfungsi sebagai pengendali seluruh rangkaian.
3.2 Perancangan Perangkat Keras
Rangkaian alat pengisi baterai smartphone berbayar dengan tenaga surya merupakan suatu rangkaian elektronik yang terdiri dari beberapa bagian. Setiap
rangkaian memiliki fungsi tersendiri dan saling berinteraksi antara satu sama lain, sehingga membentuk suatu sistem. Adapun rangkaian sistem yang dirancang
dibagi menjadi beberapa bagian, antara lain: 1. Panel surya
2. Rangkaian Charger Baterai Lead Acid 3. Rangkaian Charger Smartphone
4. Rangkaian Penggerak Relay 5. Rangkaian Sensor Koin
6. Rangkaian LCD 7. Rangkaian Mikrokontroler ATMega 8535
Penjelasan dari masing-masing rangkaian sistem tersebut dapat dilihat pada masing-masing sub bab berikut ini.
Universitas Sumatera Utara
29
29
3.2.1 Panel Surya
Pada umumnya sebuah sel surya menghasilkan tegangan antara 0,5V dan 1V, tergantung intensitas cahaya dan zat semikonduktor yang dipakai. Dalam
penggunaannya, sel-sel surya dihubungkan satu sama lain sejajar atau seri, tergantung dari apa yang diperlukan untuk menghasilkan daya dengan kombinasi
tegangan dan arus yang dikehendaki. Arus listrik yang dihasilkan oleh panel surya akan disimpan ke baterai lead acid. Dalam perancangan ini jenis panel surya yang
digunakan adalah tipe monocrystaline. Spesifikasi panel surya dapat dilihat pada
Gambar 3.2 dan Tabel 3.1.
Gambar 3.2 Panel Surya Tipe Monocrystaline
Tabel 3.1 Spesifikasi Panel Surya Tipe Monocrystaline
Daya maksimal Pmax 20W
Voc 22,4V
Current at Pmax Imp 1,15A
Voltage at Pmax Vmp 17,4V
Standart Test condition AM 1,5 1000 wm
2
25 C
Pada Tabel 3.1 terdapat Standar Test Conditions STC untuk panel surya dimana AM Air Mass merupakan massa udara di bumi, yaitu sekitar 1,5
Universitas Sumatera Utara
30
30
spektrum, radiasinya adalah 1000 Watt per meter persegi atau disebut satu matahari puncak one peak sun hour
dan 25˚C suhu panel surya, bukan suhu udara. Pada kondisi tersebut panel surya mampu menghasilkan arus maksimum
dan tegangan maksimun. Hasil perkalian I
mp
dan V
mp
merupakan jumlah Watt maksimum pada STC, yaitu 1,15A x 17,4V = 20 Watt.
3.2.2 Rangkaian Charger Baterai Lead Acid
Pada perancangan ini jenis baterai yang digunakan adalah baterai lead acid atau sering juga disebut baterai timbal. Alasan pemilihan baterai ini digunakan
karena dapat diisi ulang, tidak memerlukan perawatan Maintenance Free, dari segi tata letak baterai ini dapat di letakkan pada posisi tegak, miring atau
terbalik. Bila pertimbangannya untuk segala posisi maka baterai ini adalah pilihan utama karena cairan air aki tidak akan tumpah.
Baterai yang digunakan memiliki kapasitas sebesar 12V 4,5Ah. Pada rancangan ini, tegangan baterai untuk kondisi penuh adalah 13,8V dan pada saat
kondisi lemah tegangan baterai 12,6V dengan arus pengisian normal sebesar 450 mA 0,45A. Tegangan maksimum yang dihasilkan oleh panel surya adalah
22,4V. Tegangan ini terlalu besar untuk mengisi baterai 12V, sehingga dibutuhkan rangkaian regulator tegangan. Regulator yang digunakan adalah IC
LM317, dapat dilihat pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3 Rangkaian Regulator Tegangan LM317
Universitas Sumatera Utara
31
31
Tegangan output sebesar 13,8V dari IC4 dapat dihasilkan dengan menggunakan satu fixed resistor dan satu variabel resistor dengan menggunakan
rumus sesuai dengan datasheet, yaitu :
out
I
Adj
R2 1 Nilai dari R12 dan R9 dipilih sesuai dengan datasheet
, R12 sebesar 5000Ω dan R9 sebesar 240
Ω, sehingga tegangan output dari LM317 dapat dihitung dengan menggunakan rumus persamaan 1, yaitu :
out out
out
Tegangan output sebesar 27,785V tidak dapat digunakan untuk pengisian baterai lead acid karena beda potensialnya terlalu jauh. Cara untuk mendapatkan
tegangan tersebut adalah dengan memutar variabel resistor hingga mendapatkan tegangan sebesar 13,8V dengan bantuan alat ukur multimeter.
Untuk mendapatkan arus pengisian sebesar 0,45mA digunakan IC4 sebagai pembatas arus, yang dapat dihitung sesuai dengan rumus datasheet, yaitu :
I
limit
= V
ref
R4 2 R4 = 1.20,45A
R4 = 2,6Ω Nilai hambatan yang diperoleh dari persamaan 2 adalah 2,6Ω. Jadi, nilai
resistor yang digunakan untuk membatasi arus yang masuk adalah 2,6 Ω, sedangkan yang tersedia di pasaran adalah 2,2Ω, dengan menggunakan R4
sebesar 2,2 Ω, arus pengisiannya adalah 0,5A. Rangkai regulator arus dapat dilihat
pada Gambar 3.4.
Universitas Sumatera Utara
32
32
Gambar 3.4 Rangkaian Regulator Arus LM317
Setelah nilai komponen untuk regulator tegangan dan pembatas arus diperoleh, maka dapat dirangkai suatu alat pengisi baterai lead acid, dapat dilihat
pada Gambar 3.5.
Gambar 3.5 Rangkaian Alat pengisi Baterai Lead Acid
3.2.3 Rangkaian Charger Smartphone
Rangkaian ini berfungsi untuk pengisian baterai smartphone. Ponsel jenis smartphone memiliki konsumsi arus yang berbeda-beda, oleh karena itu pada
perancangan ini metode pengisian baterai yang digunakan adalah constant voltage, yaitu dengan mempertahankan tegangan keluaran dari charger
smartphone. Dalam pengisian baterai smartphone dibutuhkan tegangan 5V. Sumber
tegangan berasal dari baterai lead acid 12V, sehingga dibutuhkan regulator tegangan untuk memperoleh tegangan 5V. Arus keluaran dari charger adalah 1A
1000 mA. Rangkaian charger smartphone dapat dilihat pada Gambar 3.6.
Universitas Sumatera Utara
33
33
Gambar 3.6 Rangkaian
Charger Smartphone
Komponen utama rangkaian pada Gambar 3.6 adalah IC LM317 yang berfungsi sebagai regulator tegangan. Untuk menghasilkan tegangan output yang
stabil dari IC5 digunakan satu fixed resistor dan satu variabel resistor, untuk R8 sebesar 2
40Ω dan R9 sebesar 5kΩ, sehingga tegangan output dari IC5 dapat dihitung dengan menggunakan rumus sesuai dengan datasheet LM317, yaitu :
V
out
=1,25 V 1+R9R8 +IAdjR9 3 V
out
=1,25 V 1+5000 Ω240 Ω+100μA5000 Ω
V
out
=1,25 V 21,83 +0.5V V
out
=27,785 V Tegangan output sebesar 27,785V tidak dapat digunakan untuk pengisian
baterai smartphone, karena baterai smartphone hanya mampu menerima tegangan maksimal sebesar 5V. Cara untuk mendapatkan tegangan tersebut adalah dengan
memutar variabel resistor hingga mendapatkan tegangan sebesar 5V dengan bantuan alat ukur multimeter. Untuk mendapatkan arus keluaran sebesar 1A
1000mA digunakan IC4 sebagai pembatas arus, nilai resistor dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
I
limit
= VrefR7 4 1A = 1,2VR7
R7 = 1,2V1A R7 = 1,2Ω
Dengan pemilihan komponen tersebut, maka dapat di rancang rangkaian charger smartphone seperti terlihat pada Gambar 3.6.
Universitas Sumatera Utara
34
34
3.2.4 Rangkaian Penggerak Relay
Rangkaian ini berfungsi untuk memutus dan mengaktifkan relay. Dalam perancangan ini hal yang pertama dilakukan adalah pemilihan jenis relay yang
digunakan. Relay yang digunakan adalah relay DPDT. Dari hasil pengukuran tahanan pada coil, relay ini memiliki
tahanan dalam sebesar 720Ω, V
CC
relay = +12 V, V
CE
saturasi = 0V, sehingga arus yang mengalir adalah : V = I.R 5
I
c
= I
Relay
I
c
= V
CC
-V
CEsat
R
relay
= 12V- 0V720Ω
= 12V720 Ω = 0,0166 mA
= 16,6 mA Setelah mengetahui jumlah arus yang dibutuhkan untuk mengaktifkan relay,
maka pemilihan komponen selanjutnya adalah mencari transistor yang memiliki keluaran arus pada kolektor I
c
di atas 16 mA. Pada perancangan ini jenis transistor yang digunakan adalah transistor BD139, sesuai dengan datasheet arus
maksimum yang digunakan pada kolektor ketika transistor sedang beroperasi kontinyu adalah 1,5 A1500mA, lebih dari ini transistor akan rusak
. Pada datasheet transistor BD139 terdapat nilai h
FE
min = 40, h
FE
max= 250, I
c
= 16 mA, sehingga arus basis I
b
dapat dihitung, yaitu :
mA 0,4
40 16mA
min h
I I
FE C
B
Dengan demikian, maka arus keluaran dari mikrokontroler akan mampu mencatu transistor yang membutuhkan arus minimal sebesar 4mA. Transistor
BD139 tidak perlu menggunakan tahanan pada basis, karena arus basis I
B
pada saat saturasi maksimal 50mA agar transistor tidak rusak, sedangkan arus keluaran
Universitas Sumatera Utara
35
35
dari pin mikrokontroler adalah 20 mA, sehingga transistor jenis ini akan aman digunakan. Dengan pemilihan komponen tersebut, maka dapat dirancang
rangkaian penggerak relay, dapat dilihat pada Gambar 3.7.
Gambar 3.7 Rangkaian Penggerak Relay
3.2.5 Rangkaian Sensor Koin
Rangkaian ini menggunakan optocoupler terdiri dari kombinasi LED dan phototransistor. Pada prinsipnya, optocoupler dengan kombinasi LED-
phototransistor adalah optocoupler yang terdiri dari sebuah komponen LED yang memancarkan cahaya infra merah IR LED dan sebuah komponen semikonduktor
yang peka terhadap cahaya phototransistor sebagai bagian yang digunakan untuk mendeteksi cahaya infra merah yang dipancarkan oleh IR LED. Rangkaian
optocoupler ditunjukkan pada Gambar 2.6 halaman 16. Gambar 2.6 menjelaskan bahwa arus listrik yang mengalir melalui IR LED
akan menyebabkan IR LED memancarkan cahaya infra merahnya. Intensitas cahaya tergantung pada jumlah arus listrik yang mengalir pada IR LED tersebut.
Kelebihan cahaya infra merah adalah pada ketahanannya yang lebih baik jika dibandingkan dengan cahaya tampak. Sinar infra merah tidak dapat dilihat dengan
mata telanjang.
Universitas Sumatera Utara
36
36
Cahaya infra merah yang dipancarkan akan dideteksi oleh phototransistor yang menyebabkan terjadinya hubungan atau switch on pada phototransistor.
Terminal basis pada phototransistor peka terhadap cahaya. Rangkaian sensor koin yang menggunakan optocoupler dapat dilihat pada Gambar 3.8.
Gambar 3.8 Rangkaian Sensor Koin
Pada rangkaian Gambar 3.8 digunakan sebuah LED yang diserikan dengan sebuah resistor. Resistor berfungsi untuk membatasi arus yang masuk ke LED
infra merah agar tidak rusak. Nilai resistor yang digunakan adalah 100 Ω, sehingga
arus yang mengalir pada IR LEDadalah : A
0,033 100
3,3V 100
1,7V 5V
R V
Vcc I
Led
Pancaran dari sinar infra merah akan diterima oleh phototransistor, kemudian akan diolah oleh rangkaian penerima agar menghasilkan data biner.
Pada saat phototransistor menerima sinar IR LED nilai tahanannya akan semakin kecil, sehingga arus yang mengalir semakin besar yang mengakibatkan transistor
jenuh, dan tegangan output V
out
= 0. Apabila phototransistor tidak terkena sinar infra merah nilai tahananya akan semakin besar, sehingga tidak ada arus yang
Universitas Sumatera Utara
37
37
mengalir yang mengakibatkan photransistor cut off, dimana V
out
= V
cc
. Photoransistor cut off akan dibaca oleh mikrokontroler sebagai logika high, ketika
koin menghalangi sinar infra merah. 3.2.6 LCD
Liquid Crystal Display
LCD liquid crystal display adalah suatu alat penampil dari bahan cairan kristal yang pengoperasiannya menggunakan sistem dot matriks. Fungsi LCD
pada rancangan ini digunakan untuk menampilkan hasil dari proses perhitungan mikrokontroler. Pada perancangan ini, LCD yang digunakan adalah LCD dengan
tampilan 2x16 2 baris x 16 kolom dengan konsumsi daya rendah. Hubungan
antara LCD dengan port mikrokontroler dapat dilihat pada Gambar 3.9.
Gambar 3.9 Hubungan LCD ke Mikrokontroler
Pada rangkaian Gambar 3.10, pin 1 LCD dihubungkan ke GND, pin 2 dihubungkan ke VCC, pin 3 ke Port C2, pin 4 merupakan Register Select RS,
pin 5 merupakan RWReadWrite, pin 6 merupakan enable, pin 7-11 merupakan data. Reset, RW, clock dan data dihubungkan ke mikrokontroler Atmega8535.
Universitas Sumatera Utara
38
38
3.2.7 Rangkaian Mikrokontroler ATMega 8535
Rangkaian mikrokontroler ATMega 8535 berfungsi sebagai pusat kendali dari seluruh sistem. Rangkaian ini juga berfungsi untuk memproses masukan yang
berasal dari tombol pengaturan setting pada perangkat keras. Di dalam mikrokontroler ATMega 8535 sudah terdapat fitur ADC.
ADC merupakan salah satu fitur mikrokontroler ATMega 8535 yang berfungsi untuk mengubah data analog menjadi data digital. Dalam hal ini ADC
fungsinya sangat vital untuk bisa mengontrol pengisian baterai pada saat lemah dan penuh. Berikut tampilan rangkaian minimum mikrokontroler ATMega 8535
ditunjukkan pada Gambar 3.10.
Gambar 3.10 Rangkaian Minimum Mikrokontroler ATMega 8535
Rangkaian IO adalah semua rangkaian yang terhubung dengan mikrokontroler ATMega 8535, seperti tampak pada Gambar 3.10. Bandar-bandar
yang digunakan untuk mengendalikan rangkaian IO dapat dilihat pada tabel 3.2
Universitas Sumatera Utara
39
39
Tabel 3.2 Spesifikasi PORTBandar yang digunakan
PORTBandar Bit
Fungsi A
7 Membaca tegangan baterai
B 1,2
Penggerak relay C
0,1,2,4,5,6,7 Menampilkan LCD
D 0,1
Mendeteksi koin 2
Tombol Start Men-download program ke mikrokontroler ATMega 8535 digunakan
programmerdownloader ISP In System Programming. Keuntungan dari program ISP adalah dapat memprogram mikrokontroler yang sedang terpasang
dengan rangkaian lainnya tanpa harus mencabutmelepas mikrokontroler tersebut dari rangkaian. Jadi, tidak perlu lagi untuk bolak-balik mencabut chip
mikrokontroler dari rangkaian untuk download program ke mikrokontroler tersebut. Downloader yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 3.11.
Gambar 3.11 ISP Programmer
Universitas Sumatera Utara
40
40
3.3 Diagram Alir Program
Diagram alir untuk proses kerja program diperlihatkan pada Gambar 3.12.
Inisialisasi, nilai awal
Vmax Vmin Cek Tegangan Baterai
Lead Acid, Baca Port D0 dan Port D1
Baca Koin
Aktifkan Relay Charger Batereai
Lead Acid
Non Aktifkan Relay Charger
Baterai Lead Acid
Y
Lama Waktu Charger aktif =
jumlah koin x 20 Menit
Baca Countdown
Timer Aktifkan Relay
Charger smartphone
Non Aktifkan Relay Charger
smartphone T
T Y
Y
T
Y T
Lama Waktu Charger aktif =
jumlah koin x 10 Menit
Hitung Jumlah waktu Port D0
dan Port D1 T
Y
T
Cek Tegangan Baterai Lead Acid, Baca Port
D0 dan Port D1 Baca Koin
Y Vbat ≤ 12,6V?
Ada Koin masuk pada
Port D0?
Tekan Tombol Start?
Ada koin masuk pada
Port D1?
Vbat ≥12,6V?
Timer = 0 ? Start
Gambar 3.12 Diagram Alir Program Charger Baterai Lead Acid dan
Smartphone
Universitas Sumatera Utara
41
41
Program dimulai dengan membaca tegangan baterai lead acid. Pada saat tegangan baterai ≤12,6V relay charger baterai lead acid akan diaktifkan, ketika
tegangan baterai mencapai ≥13,8V relay charger baterai akan diputuskan. Relay charger baterai lead acid akan aktif apabila ada tegangan masukan dari panel
surya minimal 14V, apabila tegangannya di bawah 14V pengisian panel surya tidak akan aktif, khususnya pada malam hari relay charger baterai lead acid tidak
akan aktif apabila tegangan masukan tidak memenuhi syarat pengisian baterai, untuk menghindari adanya arus yang mengalir dari baterai ke panel surya
digunakan sebuah dioda sebagai pembalik tegangan. Sensor berfungsi mendeteksi jenis koin yang masuk, misalnya koin Rp
1000 melewati sensor, maka pada LCD akan tampil lama waktu penggunaan charger ponsel yang akan aktif selama dua puluh menit, setelah itu menekan
tombol start untuk memulai pengisian baterai ponsel dan timer akan menghitung mundur waktu pengisian baterai. Mikrokontroler akan selalu memantaumembaca
tegangan baterai lead acid. Prinsip kerja dan fungsi instuksi pada program awal.
include mega8535.h include stdio.h
include delay.h include alcd.h
define ADC_VREF_TYPE 0x00 Instuksi program diatas merupakan perintah untuk library program pada
Atmega8535,, dan delay. Read the AD conversion result
unsigned int read_adcunsigned char adc_input
Universitas Sumatera Utara
42
42
ADMUX=adc_input | ADC_VREF_TYPE 0xff; Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage
delay_us10; Start the AD conversion
ADCSRA|=0x40; Wait for the AD conversion to complete
while ADCSRA 0x10==0; ADCSRA|=0x10;
return ADCW; }
Instruksi diatas berfungsi untuk mengaktifkan fitur ADC. unsigned char x,T,i;
unsigned int V; char buf[16];
void Displayvoid{ lcd_clear;
lcd_gotoxy0,0; lcd_putsf masukkan coin;
sprintfbuf,Waktu : i mnt ,T; lcd_gotoxy0,1;
lcd_putsbuf; delay_ms200;}
Instruksi diatas berfungsi untuk menampilkan LCD.
void BatCheckvoid{ V = read_adc0;
if V 126{PORTB.1 = 1;}
Universitas Sumatera Utara
43
43
if V = 138{PORTB.1 = 0;} }
Instruksi diatas berfungsi untuk memutus dan mengaktifkan relay dengan membaca tegangan baterai menggunakan fitur ADC.
void mainvoid {
PORTA=0x00; DDRA=0x00;
PORTB=0x00; DDRB=0xFF;
PORTC=0x00; DDRC=0x00;
PORTD=0xFF; DDRD=0x00;
Instruksi diatas berfungsi untuk inisialisasi Port A,B,C,dan D.
while 1 { x = 0;
lcd_gotoxy0,0; lcd_putsf masukkan coin;
lcd_gotoxy0,1; lcd_putsf Rp500; Rp1000;;
while PIND.2 == 1{ BatCheck; if PIND.0 == 1{delay_ms10;
if PIND.0 == 1PIND.1 == 1{x++; ifx 18{x = 18;}
T = 10 x;delay_ms100; whilePIND.0 == 1{}
goto a;} if PIND.0 == 1{x++;x++;
ifx 18{x = 18;} T = 10 x;delay_ms100;
whilePIND.0 == 1{} a: Display;}
} }
Universitas Sumatera Utara
44
44
lcd_clear; lcd_gotoxy0,0;
lcd_putsfSedang mengisi..; PORTB.0 =1;
while T 0{ for i=60;i0;i--
{ sprintfbuf,Waktu : i ,T;
lcd_gotoxy0,1; lcd_putsbuf;
sprintfbuf,i ,i; lcd_gotoxy12,1;
lcd_putsbuf; BatCheck;
delay_ms1000; }
T--; }
PORTB.0 = 0; lcd_clear;
lcd_gotoxy0,0; lcd_putsfCharging selesai;
delay_ms5000; }
}
Instruksi diatas berfungsi untuk mendeteksi koin dan mengaktifkan timer.
Universitas Sumatera Utara
45
BAB IV PENGUJIAN
4.1 Pengujian Rangkaian
Setelah selesai melakukan tahap perancangan perangkat keras dan lunak, tahap selanjutnya adalah pengujian alat. Pengujian bertujuan untuk mengetahui
sejauh mana kinerja sistem yang telah dirancang dan untuk mengetahui letak kekurangan dari alat yang dirancang.
4.1.1 Pengujian Catu Daya
Pengujian rangkaian catu daya bertujuan untuk memeriksa apakah suplai tegangan yang diberikan ke rangkaian sesuai dengan kemampuan rangkaian yang
diberi catu daya. Hal ini dilakukan untuk mengantisipasi kelebihan tegangan yang akan berpotensi mengakibatkan beberapa kerusakan pada komponen, sehingga
sistem tidak akan bekerja dengan baik. Pada rancangan ini sumber catu daya yang digunakan ada dua jenis, yaitu dari panel surya dan baterai lead acid, dapat dilihat
pada Gambar 4.1.
Gambar 4.1 Pengujian Rangkaian Catu Daya
Universitas Sumatera Utara
Kategori