BAB II LANDASAN TEORI - Pembuatan dan Pengukuran Watt dengan Sensor Arus Seri ACS 712 Menggunakan Mikrokontroller ATM 8535

BAB II LANDASAN TEORI Pengukuran daya pada suatu sirkit pada umumnya dapat dibedakan dengan dua tipe,

  yaitu tipe daya resistif dan induktif. Namun pada tulisan ini hanya daya resistif yang akan dibicarakan. Hal ini dibuat untuk mempermudah baik dalam pembuatan, pengukuran, dan pengkalibrasian Wattmeter Digital yang waktunya dapat diprogram.

  Untuk merealisasikan pembuatan dan pengkalibrasian alat ukur tersebut maka di bawah ini akan dijelaskan terlebih dahulu beberapa konsep atau teori dasar yang melatarbelakanginya. Diantaranya adalah, konsep dasar Wattmeter, hukum Ohm, daya listrik, sensor arus, mikrokontroller, penampil LCD, beberapa komponen dasar sebagai pendukung, dan pemrograman dengan Code Vision AVR.

2.1. Watt meter

  Wattmeter adalah instrument atau alat pengukuran daya listrik khususnya daya listrik nyata yang pembacaannya diberikan dalam satuan Watt. Wattmeter berfungsi sebagai alat yangmengukur daya listrik pada beban - beban yang sedang beroperasi dalam suatu sistem kelistrikandengan beberapa kondisi beban, seperti beban dc, beban

• – AC satu phase serta beban AC tiga phase. Wattmeter biasanya digunakan pada lab lab fisika dimana alat ini digunakan sebagai alat peraga untuk mengetahui daya yang dipakai dalam suatu rangkaian beban. Sebelum mempelajari alat ini lebih lanjut, ada

baiknya kita pelajari sedikit mengenai parameter yang diukur oleh alat ini. Daya listrik dalam pengertiannya dapat dikelompokkan dalam dua kelompok sesuai dengan catu tenaga listriknya, yaitu daya listrik DC dan daya listrik AC. Daya listrik DC dirumuskan sebagai :P = V . I dimana : P = daya (Watt)V = tegangan (Volt)I = arus (Amper) Daya listrik AC ada 2 macam yaitu: daya untuk satu phase dan daya untuk tiga phase.

  Wattmeter analog yang paling sederhana adalah wattmeter jenis elektrodinamis, dimana terdiri dari sepasang kumparan tetap yang disebut kumparan arus dan kumparan bergerak yang disebut kumparan potensial. Kumparan arus dihubungkan secara seri dengan rangkaian, sedangkan kumparan potensial dihubungkan secara paralel. Selain itu pada wattmeter ini, kumparan potensial membawa jarum yang bergerak di atas skala untuk menunjukkan pengukuran. Sebuah arus yang mengalir melalui arus kumparan menghasilkan medan elektromagnetik di sekitar kumparan. Kekuatan bidang ini adalah sebanding dengan baris saat inidan di fase dengan itu. sebuah resistor bernilai tinggi dihubungkan secara seri dengan alat ini untuk mengurangi arus yang mengalir melewatinya. Kumparan potensial pada wattmeter umumnya memiliki resistansi yang tinggi.

  Umumnya, daya dalam rangkaian listrik adalah merupakan hasil kali dari tegangan dan arus dengan satuan Watt. Secara khusus, pengukuran daya dibuat berdasarkan pergerakan jarum meter yang disebut pergerakan dynamometer yang gerakannya sama dengan meter D’Arsonval.

  Rangkaian dasar dari Wattmeter analog dikenal sebagai Pergerakan jarum pada

  Electrodynamometer yang diperlihatkan seperti pada Gambar 2.1 berikut :

Gambar 2.1. Rangkaian Dasar Wattmeter Analog.

2.2. Hukum Dasar Kelistrikan

2.2.1. Hukum Ohm

  Hukum Ohm adalah suatu pernyataan bahwa besar arus listrik yang mengalir melalui sebuayang diterapkan kepadanya atau juga menyatakan bahwa besar arus yang mengalir pada suatu konduktor pada suhu tetap sebanding dengan beda potensial antara kedua ujung- ujung konduktor.

  Sebuah benda penghantar dikatakan mematuhi hukum Ohm apabila nilaitidak bergantung terhadap besar dan polaritas beda potensial yang dikenakan kepadanya. Walaupun pernyataan ini tidak selalu berlaku untuk semua jenis penghantar, namun istilah "hukum" tetap digunakan dengan alasan sejarah.

  Secara matematis hukum Ohm diekspresikan dengan persamaan: dimana I adalahyang terdapat pada kedua ujung penghantar dalam satuan

  Hukum ini dicetuskan oleh ri ada 2 bunyi hukum Ohm yaitu :

  1) Besarnya arus listrik yang mengalir sebanding dengan besarnya beda potensial (Tegangan). Untuk sementara tegangan dan beda potensial dianggap sama walau sebenarnya kedua secara konsep berbeda. Secara matematika di tuliskan I ∞ V atau V ∞ I, Untuk menghilangkan kesebandingan ini maka perlu ditambahkan sebuah konstanta yang kemudian di kenal dengan Hambatan (R) sehingga persamaannya menjadi V = I.R. Dimana V adalah tegangan (volt), I adalah kuat arus (A) dan R adalah hambatan (Ohm).

  2) Perbandingan antara tegangan dengan kuat arus merupakan suatu bilangan konstan yang disebut hambatan listrik. Secara matematika di tuliskan V/I = R atau dituliskan V = I.R.

  Fungsi utama hukum Ohm adalah digunakan untuk mengetahui hubungan tegangan dan kuat arus serta dapat digunakan untuk menentukan suatu hambatan beban listrik tanpa menggunakan Ohmmeter. Kesimpulan akhir hukum Ohm adalah semakin besar sumber tegangan maka semakin besar arus yang dihasilkan. Kemudian konsep yang sering salah pada siswa adalah hambatan listrik dipengaruhi oleh besar tegangan dan arus listrik. Konsep ini salah, besar kecilnya hambatan listrik tidak dipengaruhi oleh besar tegangan dan arus listrik tetapi dipengaruhi oleh panjang penampang, luas penampang dan jenis bahan.

  Hukum dasar tentang arus listrik adalah mengacu terhadap hukum Ohm, yang menyatakan bahwa:

  I = V/R

  Dimana, I adalah arus dalam satuan Ampere, V adalah tegangan dalam satuan Volt, dan R adalah hambatan dalam satuan Ohm.

2.2.2. Daya Listrik

  Daya listrik didefinisikan sebagai laju hantaran /detik).

  Peranti mengkonversi kerja ini ke dalam berbagai bentuk yang berguna, sepertimotor listrik), dan suara (loudspeaker). Listrik dapat diperoleh da

  Daya adalah hasil kali antara arus listrik I dan tengangan V dengan satuan Watt. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut :

  

P = VxI

  atau ₂ P = V R Dalam hal ini, daya yang dimaksud adalah daya resistif saja.

  Sedangkan daya dalam selang waktu tertentu adalah perkalian antara daya dengan waktu dalam satuan watt jam.

2.3. Sensor Arus

  Banyak metode yang dapat digunakan untuk mengukur kuat arus listrik, diantaranya adalah dengan metode shunt resistif, tranformer arus, dan sensor magnetik. Dengan metode tersebut maka telah dikembangkan beberapa teknologi dalam perealisasian dalam bentuk kemasaan yang telah dikenal sebagai sensor magnetic fluxgate, digital clamp ampere meter, dan efek Hall.

2.3.1. Hall Effect Allegro ACS 712

  Pengukuran sensor arus biasanya membutuhkan sebuah resistor shun yaitu resistor yang dihubungkan secara seri pada beban dan mengubah aliran arus menjadi tegangan. Tegangan tersebut biasanya diumpankan ke current transformer terlebih dahulu sebelum masuk ke pengkondisi signal.

  Teknologi Hall Effect yang diterapkan oleh Allegro menggantikan fungsi resistor shunt dan current transformer menjadi sebuah sensor dengan ukuran yang relative jauh lebih kecil. Aliran arus listrik yang mengakibatkan medan magnet yang menginduksi bagian dynamic offset cancellation dari ACS 712. Bagian ini akan dikuatkan oleh amplifier dan melalui filter sebelum dikeluarkan melalui kaki 6 dan 7, modul tersebut membantu penggunaan untuk mempermudah instalasi arus ini ke dalam system. ACS 712 adalah Hall Effect current sensor. Hall effect allegro ACS 712 merupakan sensor yang presisi sebagai sensor arus AC atau DC dalam pembacaan arus dalam dunia industry, otomitif, komersil dan system – system komunikasi.

  Pada umumnya aplikasi sensor ini digunakan untuk mangontrol motor, deteksi beban listrik, switched-mode power supplies dan proteksi beban berlebih. Sensor ini memiliki pembacaan dengan ketepatan yang tinggi, karena didalamnya terdapat rangkaian low-offset linear Hall dengan satu lintasan yang terbuat dari tembaga. Cara kerja sensor ini adalah arus yang dibaca mengalir melalui kabel tembaga yang terdapat didalamnya yang menghasilkan medan magnet yang ditangkap oleh integratet Hall IC dan diubah menjadi tegangan proporsional.

  Ketelitian dalam pembacaan sensor dioptimalkan dengan cara pemasangan komponen yang ada didalamnya antara penghantar yang menghasilkan medan magnet dengan Hall transducer secara berdekatan. Persisnya, tegangan proporsional yang rendah akan menstabilkan Bi CMOS Hall IC yang didalamnya yang telah dibuat untuk ketelitian yang tinggi oleh pabrik.

  Sensor arus yang telah dikemas dalam bentuk IC seperti Hall effect buatan Allegro dengan tipe ACS 712 adalah merupakan sensor arus yang menggunakan prinsip mengukur/ merespon medan magnet disekitar kawat berarus.

  Prinsip kerja IC tersebut adalah mengkombinasikan fungsi resistor shunt dan current transformer sehingga dapat difungsikan sebagai sensor arus ac maupun dc yang mempunyai pembacaan dengan ketepatan tinggi.

  Agar supaya medan magnetnya cukup kuat dan terukur oleh sensor efek Hall maka telah dilengkapi dengan lilitan dengan inti ferit. Isyarat dari sensor efek Hall ini pada umumnya dikalibrasi pada medan sama dengan Nol pada tegangan 2,5 V.

  Bentuk komponen ACS 712 tersebut adalah seperti pada Gambar 2.1 berikut.

Gambar 2.2. IC sensor ACS 712

2.3.2. Karakteristik Dan Fitur Penting ACS 712 Beberapa fitur penting dari sensor arus ACS 712 adalah sebagai berikut.

• : 50 kHz

  : 5 µs Response time

  Bandwith

• Resistansi internal : 1,2 mΩ
• : 5.0 V Operasi catu daya
• : 66
• – 185 mV/A Sensitivitas out
• : 1,5 % pada TA = 25 °C, dan 4 % pada -40 °C

  : ac atau dc Tegangan out

• sampai 85 °C.

  Total error out

• Karakteristik Tegangan terhadap arus dari komponen tersebut, diperlihatkan pada Gambar 2.3. berikut : Gambar 2.3. Karakteristik Tegangan-vs Arus IC ACS 712.

  : aturan pabrik Akurasi

2.4. Mikrokontroler ATmega-8535

  Banyak komponen mikrokontrol yang telah beredar di pasaran elektronik sekarang ini, diantaranya adalah mikrokontroller ATmega seri 8535. Mikrokontroller, sesuai namanya adalah suatu komponen pengontrol atau pengendali yang berukuran mikro. Mikrokontroller suatu sistem elektronika yang terdiri dari beberapa bagian, diantaranya adalah bagian mikroprosesor, memori, sistem input/output, dan beberapa fasilitas seperti timer, pulsa modulasi dan sebagainya yang telah dikemas menjadi suatu IC. Mikrokontroler AVR ( Alf and Vegard’s RISC processor) standar memiliki arsitektur 8-bit, dimana semua instruksi dikemas dalam kode 16- bit dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam satu siklus clock.

  Mikrokontroler merupakan sebuah sistem komputer yang seluruh atau sebagian besar elemennya dikemas dalam satu chip IC, sehingga sering disebut single chip microcomputer. Lebih lanjut, mikrokontroler merupakan sistem komputer yang mempunyai satu atau beberapa tugas yang sangat spesifik, berbeda dangan PC (Personal Computer) yang memiliki beragam fungsi. Perbedaan lainnya adalah perbandingan RAM dan ROM yang sangat berbeda antara komputer dengan mikrokontroler.

  Mikrokontroler adalah sebuah system microprocessor dimana didalamnya sudah terdapat CPU, ROM, RAM, I/O, Clock dan peralatan internal lainnya yang sudah saling terhubung dan terorganisasi (teralamati) dengan baik oleh pabrik pembuatnya dan dikemas dalam satu chip yang siap pakai. Sehingga kita tinggal memprogram isi ROM sesuai aturan penggunaan oleh pabrik yang membuatnya menurut Winoto (2008:3).

  Teknologi yang digunakan pada mikrokontroler AVR berbeda dengan mikrokontroler seri MCS-51. AVR berteknologi RISC (Reduced Instruction Set

  

Computer ), sedangkan seri MCS-51 berteknologi CISC (Complex Instruction Set

Computer

  ). Mikrokontroler AVR dapat dikelompokkan menjadi empat kelas, yaitu keluarga ATtiny, keluarga AT90Sxx, keluarga ATMega, dan keluarga AT89RFxx.

  Pada dasarnya yang membedakan masing-masing kelas adalah memori, kelengkapan periperal dan fungsi-fungsi tambahan yang dimiliki.

  ATMega8535 adalah mikrokontroler CMOS 8 bit daya rendah berbasis arsitektur RISC. Instruksi dikerjakan pada satu siklus clock, ATMega8535 mempunyai throughput mendekati 1 MIPS per MHz, hal ini membuat ATMega8535 dapat bekerja dengan kecepatan tinggi walaupun dengan penggunaan daya rendah.

  Mikrokontroler ATmega8535 memiliki beberapa fitur atau spesifikasi yang menjadikannya sebuah solusi pengendali yang efektif untuk berbagai keperluan.

  Berikut adalah tabel perbandingan beberapa seri mikrokontroler AVR buatan Atmel.

Tabel 3.2 Beberapa Seri Mikrokontroller AVR buatan Atmel Pi AD

  Flash RAM EEPRO Time Time n UAR PW C SP

  IS Seri (KBytes (Bytes M r 16- r 8- I/ T M 10-

  I P ) ) (KBytes) bit bit O bit ATmega8 8 1024

  0.5

  0.25

  1 Ya ATmega128 128 4096

  4

  53

  2

  2

  2

  8

  8

  1 Ya ATtiny12 1 - 0.0625 6 - 1 - - - - Ya ATtiny2313 2 128 0.125

  18

  1

  1

  1 4 -

  1 Ya ATtiny44 4 256

  12

  4

  8

  memori untuk penyimpanan data secara permanen oleh program yang sedang running.

   EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) adalah

  untuk penyimpanan data sementara dan pengolahan data ketika program sedang running.

   RAM (Random Acces Memory) merupakan memori yang membantu CPU

  Keterangan:  Flash adalah suatu jenis Read Only Memory yang biasanya diisi dengan program hasil buatan manusia yang harus dijalankan oleh mikrokontroler.

  1 Ya

  4

  1 1 -

  1 1 -

  12

  0.5

  1 Ya ATtiny84 8 512

  8

  4

  8

  1

  23

  1

  1

  1

  1 3 6/8 1 Ya ATmega853

  5 8 512

  0.5

  32

  2

  2

  1

  4

  8

  1 Ya ATmega16 16 1024

  0.5

  32

  2

  2

  2

  1

  32

  1

  1 Ya ATmega32 32 2048

  8

  6

  2

  1

  2

  35

  0.5

  1 Ya ATmega162 16 1024

  8

  4

   Port I/O adalah kaki untuk jalur keluar atau masuk sinyal sebagai hasil keluaran ataupun masukan bagi program.

   Timer adalah modul dalam hardware yang bekerja untuk menghitung waktu/pulsa .

   UART (Universal Asynchronous Receive Transmit) adalah jalur komunikasi data khusus secara serial asynchronous.

   PWM (Pulse Width Modulation) adalah fasilitas untuk membuat modulasi pulsa.

   ADC (Analog to Digital Converter) adalah fasilitas untuk dapat menerima

  sinyal analog dalam range tertentu untuk kemudian dikonversi menjadi suatu nilai digital dalam range tertentu.

   SPI (Serial Peripheral Interface) adalah jalur komunikasi data khusus secara serial secara serial synchronous.

   ISP (In System Programming) adalah kemampuan khusus mikrokontroler untuk dapat diprogram langsung dalam sistem rangkaiannya dengan membutuhkan jumlah pin yang minimal.

2.4.1 Fitur – Fitur Mikrokontroller ATmega8535

  Adapun fitur-fitur dari mikrokontroller ATmega8535 adalah sebagai berikut : 1.

  Saluran I/O Sebanyak 32 buah, yaitu port A sampai port D (Port A, B, C dan

  D) 2. ADC (Analog to Digital Converter) 10 bit sebanyak 8 chanel.

  3. Tiga buah timer/ counter dengan kemampuan perbandingan, yaitu 2 buah timer/ counter 8 bit dan 1 buah timer/ counter 16 bit.

  4. CPU yang memiliki 32 buah register.

  5.

  131 instruksi yang hanya membutuhkan 1 siklus clock.

  6. Watchdog timer dengan osilator internal.

  7. Tegangan operasi 2,7 V – 5,5 V.

  8. Internal SRAM sebesar 512 byte.

  9. Memori flash sebesar 8 KB dengan kemampuan Read While Write.

  10. Unit interupsi internal dan eksternal.

  11. Port antarmuka SPI (Serial Pheripheral Interface).

  12. Kecepatan hampir mencapai 16 MPIS pada kristal 16 MHz.

  13. Internal downloader USB AVR (In-system Programming dilengkapi LED programming indicator).

  14. Tidak membutuhkan power tambahan saat melakukan downloader proram.

  15. EEPROM (Electrically Erasble Programmable Read Only Memory), sebesar 512 byte yang dapat doprogram saat operasi.

  16. Antarmuka komparator analog.

  17. Port USART untuk komunikasi serial.

2.4.2. Diagram Blok ATmega 8535

  Pada diagram blok ATMega8535 digambarkan 32 general purpose Working

register yang dihubungkan secara langsung dengan Arithmetic Logic Unit (ALU).

  Sehingga memungkinkan dua register yang berbeda dapat diakses dalam satu siklus clock.

  Diagram blok komponen IC ATmega 8535 adalah seperti pada Gambar 2.4, sebagai berikut :

  :

Gambar 3.3 Blok Diagram ATmega8535

  Dari diagram blok tersebut dapat dilihat bahwa ATmega 8535 memiliki bagian-bagian antara lain adalah sebagai berikut:

  1. Saluran I/O sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C dan Port D.

  2. ADC 8 Channel 10 bit.

  3. Tiga buah timer/counter dengan kemampuan pembanding.

  4. CPU yang terdiri dari 32 buah register.

  5. Watchdog timer dengan osilator internal.

  6. SRAM sebesar 512 byte.

  7. Memori flash sebesar 8KB dengan kemampuan Reead While Write.

  8. Intterupt internal dan eksternal.

  9. Port antarmuka SPI (Serial Pheripheral Interface).

  10. EEPROM sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat operasi.

  11. Antarmuka komparator analog.

  12. Port USART untuk komunikasi serial.

2.4.3.Konfigurasi Pin Mikrokontroller AVR ATmega 8535

  Konfigurasi pin mikrokontrol ATmega 8535 tersebut adalah seperti pada Gambar 2.5.

Gambar 3.4 Pin Mikrokontroller ATmega8535 Konfigurasi pin ATmega 8535 dapat dilihat pada gambar di atas. Dari Gambar dapat dijelaskan secara fungisional konfigurasi pin ATmega 8535 sebagai berikut :

  1. VCC merupakan pin yang berfungsi sebagai pin input catu daya.

  10. AREF merupakan pin input tegangan referensi ADC.

  5. Interupt waktu kkonversi selesai.

  4. Konversi pada saat CPU sleep.

  3. Memiliki 8 masukan analog.

  2. Resolusi 10 bit.

  Medan dalam pengoperasian.

  Karakteristik ADC internal mikrokontroller ATmega 8535 adalah: 1.

  9. AVCC merupakan pin input tegangan untuk ADC.

  2. GND sebagai pin ground.

  8. XTAL1 dan XTAL2 merupakan pin input clock eksternal.

  7. RESET merupakan pin yang digunakan untuk me-reset mikrokontroller.

  6. Port D (PD0-PD7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu komparator analog, interupsi eksternal dan komunikasi serial.

  5. Port C (PC0-PC7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu TWI, komparator analog dan timer osilator.

  4. Port B (PB0-PB7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu Timer/Counter, komparator analog dan SPI.

  3. Port A (PA0-PA7) merupakan pin I/O dua arah dan input ADC.

2.4.4. Karakteristik ADC Internal Mikrokontroller ATmega 8535

  2.5. LCD

  Banyak model dan tipe LCD sebagai penampil hasil suatu proses, baik tampilan karakter maupun grafis. Salah satu penampil karakter adalah model H1602B dengan karakter 16 x 2. Artinya, mempunyai dua baris penampil yang masing-masing 16 karakter. Keterangan lebih lanjut tentang LCD dari tipe H1602B dapat dilihat pada Lampiran I.

  2.6. Pemrograman C

  Banyak pemrograman yang dapat digunakan untuk memprogram mikrokontrol khususnya seri AVR dari Atmel diantaranya adalah dengan pemrograman bahasa C.

2.6.1. Struktur Penulisan Bahasa C

  Umumnya penulisan pada pemrograman bahasa c didahului dengan tanda pagar seperti berikut ini.

  #include<[library1.h]> // optional #define [nama1] [nilai]; // optional [global variables] // optional [functions] // optional Int main (void) // optional { [deklarasi local variable/constant] [isi program utama]

  } Keterangan

  Opsional artinya boleh ditulis atau tidak, sesuaikan dengan kebutuhan

• Penulisan variabel di awal agar supaya dapat digunakan pada sepanjang
• program dan dengan deklarasi fungsi-fungsi yang terlibat.

2.6.2. Deklarasi Variabel dan Konstanta

  Variabel adalah merupakan suatu memori penyimpan data yang nilainya dapat di ubah-ubah.

  Penulisannya adalah sebagai berikut : [tipe data] [nama] = [nilai]; Konstanta adalah merupakan suatu memori penyimpan data yang nilainya tidak dapat di ubah-ubah.

  Penulisannya adalah sebagai berikut : const [nama] = [nilai]; pernyataan atau statement adalah setiap operasi dalam pemrograman yang harus diikuti dengan tanda [;] atau [}].

  Contoh suatu pernyataan: Daya = VxI; //daya sesaat dengan perhitungan rumus.

2.6.3. Operasi Logika dan Bilangan Biner

  Operator Logika : AND && NOT ! OR ||

  Biner : AND & OR |

  XOR ˆ

  Shift right ˃˃ Shift left >>, dan sebagainya.