BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Listrik - Perancangan Alat Penghitung Energi Listrik Berbasis Digital Menggunakan Kwh Meter Dan Plc
BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Listrik
Listrik merupakan suatu muatan yang terdiri dari muatan positif dan muatan negatif, dimana sebuah benda akan dikatakan memiliki energi listrik apabila suatu benda itu mempunyai perbedaan jumlah muatan. Energi listrik banyak di gunakan untuk berbagai peralatan atau mesin. Energi listrik tidak dapat dilihat secara langsung namun dampak atau akibat dari energy listrik dapat dilihat seperti sinar atau cahaya bola lampu.
Satuan-satuan listrik yang paling umum kita gunakan sehari-hari adalah (ILR,2011) :
Tegangan listrik (voltage) dalam satuan volt (V) Arus listrik (current) dalam satuan ampere (A) Frekuensi (frequency) dalam satuan Hertz (Hz) Daya listrik (power) dalam satuan watt (W) atau volt-ampere (VA) dan energi listrik dalam satuan watt-hour (Wh) atau kilowatt-hour (kWh).
2.1.1 Daya Listrik
Untuk menghitung pemakaian listrik dapat dihitung dari daya listrik. Daya listrik merupakan jumlah energi yang digunakan untuk melakukan kerja atau usaha. Dalam sistem listrik arus bolak-balik, dikenal 3 jenis daya yaitu :
Daya Nyata ( simbol : S ; satuan : VA (Volt Ampere)) Daya Aktif (simbol : P ; satuan : W (Watt))
Daya Reaktif (simbol :Q ; satuan : VAR (Volt Ampere Reaktif)) Daya Aktif adalah daya yang digunakan untuk energi kerja sebenarnya. Daya inilah yang dikonversikan menjadi energi tenaga (mekanik), cahaya atau panas.
Satuan daya aktif adalah watt.
Daya Reaktif adalah daya yang digunakan untuk pembangkitan fluks magnetik atau medan magnet. Satuannya adalah VAR. contoh peralatan listrik yang memerukan daya reaktif adalah motor listrik atau dinamo, trafo, ballast lampu konvensional dan peralatan listrik lain yang menggunakan proses induksi listrik lilitan untuk operasinya.
Daya Nyata dengan satuan VA adalah total perkalian antara arus dan tegangan pada suatu jaringan listrik atau penjumlahan dengan metode trigonometri dari daya aktif dan reaktif dalam segitiga daya.
Hubungan antara ketiga jenis daya ini dapat dilihat pada Gambar 2.1.2.
Gambar 2.1.2 Segitiga Daya ListrikSumber : ILR, 2012 Dengan melihat hubungan ketiga daya tersebut. Rumus untuk daya nyata adalah perkalian antara arus dan tegangan, yaitu : Dimana : S = Daya Nyata (VA) V = Voltage/Tegangan (Volt) I = Arus (Ampere)
Sedangkan hubungan antara daya nyata dan daya aktif dapat dihitung dengan rumus trigonometri sebagai berikut :
=
Cos φ /Cos =
φ P = V x I x Cos φ
Rumus untuk daya aktif adalah :
P = V x I x cos φ
Dimana : P = Daya Aktif (watt) V = Tegangan (volt) I = Arus (ampere) Cos
φ = Faktor daya Faktor daya yang dinotasikan sebagai cos
φ didefinisikan sebagai perbandingan antara arus yang dapat menghasilkan kerja didalam suatu rangkaian terhadap arus total yang masuk kedalam rangkaian atau dapat dikatakan sebagai perbandingan daya aktif (kW) dan daya semu (kVA). Daya reaktif yang tinggi akan meningkatkan sudut ini dan sebagai hasilnya faktor daya akan menjadi lebih rendah. Nilai cos φ yang digunakan PLN adalah sebesar 0.8.
2.1.2 Biaya pemakaian listrik
Biaya listirk sangat tergantung dari jumlah pemakaian listrik (industri, bisnis, sosial, dan rumah tangga). Berdasarkan Peraturan Menteri Energi dan Sumber Daya Mineral Nomor 31 Tahun 2014, tarif tenaga listrik yang disediakan oleh perusahaan perseroan (PERSERO) PT. Perusahaan Listri Negara sebagaimana terlihat pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Tarif Tenaga Listrik Untuk Keperluan Rumah Tangga Berlaku Mulai Januari 2015 Reguler Gol.Pra Bayar No. Batas Daya Biaya Beban Biaya Pemakaian Tarif (Rp/kWh) (Rp/kVa/bulan) (Rp/kWh)
1. R-1/TR s.d 450 VA 11.000 Blok I : 0 s.d. 30 kWh : 169 415
Blok II : di atas 30 kWh s.d. 60 kWh : 360 Blok III : di atas 60 kWh : 495
2. R-1/TR 900 VA 20.000 Blok I : 0 s.d. 20 kWh : 275 605
Blok II : di atas 20 kWh s.d. 60 kWh : 445 Blok III : di atas 60 kWh : 495
3. R-1/TR 1.300 VA *) 1.496,05 1.496,05
4. R-1/TR 2.200 VA *) 1.496,05 1.496,05
5. R-2/TR 3.500 s.d *) 1.496,05 1.496,05
5.500 VA
6. R-3/TR 6.600 VA **) 1.496,05 1.496,05
keatasSumber : PLN, 2015 Catatan :
- ) Ditetapkan Rekening Minimum (RM) :
RM1 = 40 (Jam Nyala) x Daya Tersambung (kVA) x Biaya Pemakaian Jam Nyala : kWh per bulan dibagi dengan kVA tersambung.
2.2 Power Line Communication (PLC)
Power Line Communication (PLC) merupakan teknologi yang menggunakan koneksi kabel listrik yang dapat digunakan pada jaringan listrik yang telah ada untuk untuk mentransfer data, gambar dan suara. Kecepatan maksimal yang bisa diraih menggunakan teknologi ini kurang lebih mendekati kecepatan koneksi transmisi data menggunakan fiber optic, mulai dari 256 Kbit/s sampai 45Mbit/s.
Power Line Communication ini bukan lah ssebuah teknologi baru. Pada tahun 1991 Dr. Paul Brown ditunjuk untuk memimpin grup riset kecil pada Open University di inggris untuk menyelidiki kelayakan telekomunikasi melalui kabel listrik. Dia menemukan bahwa di masa lalu banyak insinyur yang telah berjuang dengan ide-ide yang sama tetapi gagal karena noise. Dr. Brown beserta rekan-rekan tim risetnya menemukan suatu ide menggunakan sinyal-sinyal pada frekuensi tinggi diatas frekuensi yang secara potensial mengubah noise. Meskipun begitu ide ini juga mengelami kendala yaitu sinyal-sinyal frekuensi tinggi tidak mampu berjalan cukup jauh dan gaung atau pantulan dalam sistem dapat secara efektif menenggelamkan sinyal-sinyal itu. Sehingga tim riset memutuskan untuk menggunakan lebih dari satu frekuensi dan mengirim data dalam bentuk paket-paket diskrit yang dipandu oleh beberapa bentuk sistem pensinyalan (Elektro Indonesia, 1990).
Komunikasi dengan Power Line Communication dimana sinyal pembawa ditumpangkan pada saluran transmisi tenaga sehingga menjadi rangkaian frekuensi tinggi, pada umumnya berkisar antara puluhan kilohertz sampai dengan ratusan kilohertz (Gani, H, 2005). Analoginya, arus listrik mengalir seperti air laut yang menghasilkan gelombang dan buih. Gelombang adalah arusnya, sedangkan buih berupa noisenya. Noise inilah yang dimanfaatkan oleh teknologi PLC untuk menghantarkan sinyal suara atau data.
2.2.1 Arsitektur Jaringan Power Line Communication (PLC)
Secara umum, PLC dikembangkan menjadi dua macam arsitektur yaitu outdoor-PLC yaitu PLC untuk menghantarkan internet melalui jaringan listrik dan indoor-PLC, yaitu PLC untuk jaringan lokal dalam sebuah Local Area Network (LAN). Banyak sekali istilah yang digunakan untuk kedua arsitektur ini. Outdoor-PLC dikenal dengan PLC Access Network atau Access Broadband Power Line (BPL), sedangkan indoor- PLC dikenal juga dengan PLC Home Networking. Aristektur jaringan PLC diilustrasikan dalam Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Ilustrasi Arsitektur Jaringan PLC2.2.1.1 PLC Access Network
PLC Access Network adalah jaringan yang menghubungkan antara pelanggan dengan jaringan backbone telekomunikasi, dimana jaringan ini terletak antara pelanggan dengan transformator, atau jaringan yang terdapat dalam satu transformator. Dari transformator sinyal akan dihubungkan dengan jaringan telekomunikasi lainnya sebagai backbone seperti Fiber Optic, xDSL dan Wireless Local Loop (WLL) (Syahrul, 2001).
Sinyal yang berasal dari backbone network di transformer akan melalui suatu perangkat PLC yang mengkonversikan sinyal agar dimengerti oleh PLC yang menuju ke pelanggan/rumah.
2.2.1.2 PLC Home Networking PLC Home Networking adalah network terminal yang terdapat di pelanggan.rumah.
Pada dasarnya perangkat yang terkenal di pelanggan berdasarkan fungsinya dapat di bagi lagi menjadi (Syahrul, 2001) : a.
Conditioning Unit Conditioning Unit yang diletakkan di meteran pelanggan berfungsi sebagai filter “high pass” untuk melewatkan dan membangkitkan sinyal informasi dan filter “low pass” untuk melewatkan arus listrik. b.
Service Unit Service Unit yang dihubungkan ke conditioning unit berfungsi sebagai interface ke telepon (voice) atau komputer (komunikasi data), dimana kedua aplikasi tersebut dapat di gunakan tanpa saling mengganggu. Service unit ini sifatnya plug and play sehingga dapat dipindah-pindahkan.
2.2.2 Kendala Power Line Communication (PLC)
Kabel listrik juga merupakan sistem terbuka (open network) dimana sinyal bisa keluar (jaringan listrik merupakan suatu antena yang dapat menimbulkan radiasi elektromagnetik yang dapat menggangu sistem komunikasi dan juga terbuka dari luar (Suprianto, 2009).
PLC sebagai teknologi yang memanfaatkan saluran listrik untuk menumpangkan sinyal suara dan data, tentunya dihadapkan kendala-kendala yang cukup rumit. Hal ini disebabkan berbagi kenyataan bahwa PLC mengambil tempat secara langsung pada jaringan dimana kebanyakan dari peralatan listrik dioperasikan, akibatnya level noise pada jaringan akan menjadi tinggi. Level noise bergantung pada sejumlah keadaan, seperti alam dan sumber-sumber buatan dari radiasi elektromagnetik, struktur fisik dan parameter jaringan.
Beberapa kendala yang terkait dengan jarinngan listrik adalah noise,
distorsion, disturbancem dan attenuation. tentunya hal ini akan mempengaruhi
kualitas dari pengiriman suara dan data, sehingga diperlukan suatu metode modulasi yang mampu memberikan solusi pemecahannya (Widodo, 2004).
2.2.2.1 Noise
Setiap jaringan listrik menerima sinyal litrik yang diradiasikan oleh alat-alat pada jaringan tersebut dan diemisikan oleh sumber-sumber lainnya. Karena itu mengapa setiap jaringan listrik dapat dikarakterisasikan oleh suatu yang disebut noise. Kualitas kirim suara dan data dipengaruhi oleh bandwidth, frekuensi yang digunakan, dan rasio sinyal-noise (SNR, signal to noise ratio). (Widodo, 2004).
2.2.2.2 Distorsion
Permasalahan lain yang harus dihadapi pada jaringan listrik adalah distorsion (peyimpangan). Dimana distorsion ini dapat muncul selama kerangka waktu milidetik sampai beberapa menit. Distorsion disebabkan oleh peralatan mesin bor, oven
, blender, dan lampu yang di on/off (Marzuki, 2008).
microwave
2.2.2.3 Attenuation
Salah satu masalah utama dari PLC adalah attenuation (pelemahan) sinyal yang sangat tinggi, terutama jika frekuensi kerjanya diatas kisaran puluhan MHz. Adanya
attenuation ini akan menyebabkan menurunkan tingkat sinyal pada suatu jarak
tertentu (Lutfianto, 2012).2.2.2.4 Disturbance
Keanehan sistem PLC penting lainnya adalah sering terjadinya berbagai macam
disturbance dari jaringan. Jaringan tegangan rendah tidak dapat membangun transmisi
data dan ada beberapa kerugian untuk pemakaian dalam telekomunikasi. Karena itu jaringan PLC kelihatan menjadi lebih terganggu dari pada jaringan komunikasi kawat lainnya. Karena aturan regulasi yang ketat untuk radiasi elektromagnetik dari jaringan PLC terhadap lingkungan, sistem PLC harus bekerja dengan daya sinyal yang sangat rendah. Hal ini membuat sistem PLC lebih sensitive terhadap disturbance dan sistem transmisi PLC harus menghadapi problem ini. Sampai kini SNR cukup untuk menghindari disturbance dalam jaringan, namun sampai saat ini tidak ada pemakaian metode khusus untuk melawan disturbance yang terjadi (Widodo, 2004).
2.2.3 Metode Modulasi
Secara konseptual sistem transmisi PLC pada powerline cukup sederhana, yaitu dengan cara menitipkan sinyal data telekomunikasi pada noise yang ada pada listrik. Namun, secara teknis untuk menumpangkan sinyal data diperlukan frekuensi rendah dengan kisaran 1-50 Hz dan membutuhkan kondisi tegangan listrik yang stabil. Karena pada frekuensi tinggi bias terjadi radiasi dari kabel listrik yang dapat mengganggu frekuensi lainnya dan seperti yang telah dijelaskan sebelumnya frekuensi tinggi menghasilkan Signal to Noise Ratio (SNR) yang kecil. Sedangkan kualitas kirim suara dan data sangat dipengaruhi oleh bandwidth, frekuensi yang digunakan dan SNR. Bandwidth tinggi dicapai dengan menggunakan kisaran frekuensi yang tinggi atau dengan menaikkan level SNR. Untuk menaikkan level SNR, dibutuhkan injeksi sinyal yang lebih tinggi. Sementara standar frekuensi yang dialokasikan untuk PLC berada sekitar 1-50 Hz.
Masalah tersebut dapat diatasi dengan cara menggunakan dua buah metode modulasi (Widodo, 2004):
1. Teknik Modulasi CDM (Code Division Multiplexing) atau Spread
Spectrum
Dalam menggunakan metode ini, sinyal infomasi dapat tersebar dalam kisaran frekuensi yang lebar. Tingkat sinyal informasi dibuat sangat rendah dengan harapan ridak akan terganggu tingkat noise yang sangat tinggi di PLC.
Spread Spectrum menggunakan sinyal yang mirip dengan noise pada
wideband . Karena mirip dengan noise, sinyal ini sulit dideteksi keberadaannya, sinyal
spread spectrum juga sulit di intercept atau di-demodulasi. Lebih jauh, sinyal spread
spectrum lebih sulit untuk diganggu (jam) daripada sinyal narrowband. Sifat Low
Probability of Intercept (LPI) dan anti-jam (AJ) ini adalah alasan mengapa pihak
militer telah menggunakan spread spectrum selama bertahun-tahun. Sinyal spread
spectrum secara sengaja dibuat lebih lebar daripada informasi yang dibawa sehingga
menyamarkan sinyalnya sebagai noise. Kode yang digunakan pada sistem spread memiliki sifat acak tetapi periodic sehingga disebut sinyal acak semu
spectrum
(pseudo random). Kode tersebut bersifat sebagai noise tapi deterministic sehingga disebut juga noise semu (pseudo noise). Pembangkit sinyal kode ini disebut Pseudo
Random Generator (PRG) atau Pseudo Noise Generator (PNG). PRG inilah yang
akan melebarkan dan sekaligus mengacak sinyal data yang akan dikirimkan.Pada metode modulasi ini data mengalir pada frekuensi yang sangat tinggi, hal ini dapat dianalogikan bahwa kabel adalah sebuah saluran yang terdiri dari beberapa pipa kecil didalamnya, gelombang listrik sendiri menempati salah satu pipa dengan frekuensi sekitar 50 Hz, sedangkan dengan metode spread spectrum ini, data mengalir melalui pipa dengan frekuensi 1-30 MHz.
2. Teknik Modulasi OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
OFDM adalah sebuah bentuk teknik transmisi yang menggunakan beberapa buah frekuensi yang saling tegak lurus (orthogonal), menggunakan banyak frekuensi (multicarrier), dan menggunakan Discrete Fourier Transfer (DFT). Metode modulasi ini dipergunakan banyak vendor karena dinilai cukup stabil. Berbeda dengan teknik modulasi sebelumnya, pada teknik ini data dititipkan pada gelombang listrik sendri. Efisiensi modulasinya dapat mencapai 5 bit per hz yang lebih tinggi dari metode modulasi lainnya.
2.2.4 Kelebihan dari PLC
Sebagai sebuah alat, PLC juga mempunyai beberapa kelebihan antara lain : 1.
Proses pemasangan mudah Dengan memasang perangkat PLC pada gardu distribusi sebuah gedung, maka seluruh computer dalam gedung sudah dapat saling terhubung.
2. Biaya yang digunakan sedikit Biaya yang dimaksud adalah dalam hal instalasi, karena pada teknologi PLC menggunakan jaringan yang sudah ada dan tidak perlu membangun jaringan baru lagi.
3. Perawatan tidak susah Perawatan terhadap jaringan listrik maka sekaligus jalur data tersebut juga mengalami perawatan, karena menggunakan media yang sama.
4. Mudah dipindah Dengan teknologi PLC ini, hal yang paling luar biasa adalah user dapat melakukan koneksi atau browsing dan cek email dari ruangan manapun selama ada stop kontak.
2.3 Raspberry Pi
Raspberry Pi adalah sebuah SBC (Single Board Computer) seukuran kartu kredit yang dikembangkan oleh Yayasan Raspberry Pi di inggris (UK) dengan maksud untuk memicu pengajaran ilmu komputer dasar di sekolah-sekolah (Putra, 2012).
Raspberry Pi telah dilengkapi dengan semua fungsi layaknya sebuah komputer lengkap, menggunakan SoC (System on a Chip) ARM yang dikemas dan diintegrasikan diatas PCB (papan sirkuit) dengan dimensi 5.5 cm x 8.5 cm dan ketinggian 2 cm seperti pada Gambar 2.3. (GudangLinux, 2013).
Gambar 2.3 Raspberry Pi2.3.1 Sejarah Raspberry Pi
Pada tahun 2006, Eben Upton dan rekan-rekannya di University of Laboratorium Komputer Cambridge termasuk Rob Mullins, Jack Lang dan Alan Mycroft memiliki ide untuk membuat sebuah komputer kecil dan murah yang dapat digunakan oleh anak-anak. Eben dan rekan-rekanya membuat komputer tersebut karena khawatir tentang penurunan angka dari tahun ke tahun dan tingkat ketrampilan siswa Ilmu Komputer pada setiap tahun akademik. Tidak banyak yang dapat dilakukan sekelompok kecil orang untuk mengatasi masalah sepert kurikulum sekolah yang tidak mewujudkan komputer murah dimana saat situasi komputer telah menjadi begitu mahal (Raspberry. 2006).
Pada tahun 2008, prosesor dirancang untuk perangkat mobile sehingga menjadi lebih terjangkau dan cukup kuat untuk mendukung multimedia. Dengan fitur tersebut Eben dan rekan-rekannya merasa akan membuat komputer yang diinginkan oleh anak-anak yang awalnya tidak tertarik dalam pemrograman berorientasi. Kemudian Eben, Rob, Jack dan Alan, bekerja sama dengan Pete Lomas, MD dari desain dan pembuatan hardware di perusahaan Norcott Technologies, dan David Braben, Co-Writer Mikro di BBC untuk membentuk Raspberry Pi Foundation (Raspberry. 2006).
Raspberry Pi Foundation adalah sebuah lembaga amal pendidikan yang terdaftar (nomor registrasi 1129409) yang berbasis di inggris. Tujuan yayasan tersebut adalah untuk memajukan pendidikan orang dewasa dan anak-anak, khususnya di bidang komputer, ilmu komputer dan mata pelajaran yang terkait (Raspberry. 2006).
2.3.2 Komponen Pada Raspberry Pi
Pada Raspberry Pi ada beberapa komponen yang mendukung agar tercipta sebuah komputer mini. Komponen tersebut dideskripsikan dibawah ini dan dapat dilihat pada
Gambar 2.3.2 (Richard & Wallace, 2012).A.
Prosesor Pada jantung Raspberry Pi terdapatlah prosesor yang dapat ditemukan pada iPhone 3G dan Kindle 2, jadi kapabilitas Raspberry Pi dapat dibandingkan dengan perangkat-perangkat kecil tersebut. Chip ini terbuat dari arsitektur ARM11 32 bit dan 700 MHz. Chip ARM hadir dalam berbagai arsitektur dengan inti yang berbeda yang dapat dikonfigurasi untuk memberikan kemampuan yang berbeda pada harga tertentu. Raspberry Model B memiliki RAM berukuran 512 MB dan Model A memiliki RAM berukuran 256 MB.
B.
Slot Secure Digital Card (SD Card).
Untuk media penyimpanan Raspberry tidak menggunakan harddrive, melainkan di SD Card. Dengan ukuran SD Card yang kecil lebih memudahkan C.
USB Port Pada Model B ada dua USB Port 2.0, namun pada Model A hanya ada satu
USB Port . USB Port ini dapat dihubungkan dengan beberapa peripheral seperti: mouse, keyboard, dll.
D.
Ethernet Port Model B memiliki sebuah Ethernet Port RJ45 standar. Model A tidak, namun dapat dihubungkan ke jaringan kabel dengan adapter USB Ethernet (port pada Model B sebenarnya adalah adapter USB to Ethernet onboard). Pilihan lainnya adalah dengan menggunakan USB Dongle untuk koneksi WiFi.
E.
Konektor HDMI
Port HDMI menyediakan output audio dan video digital. Mendukung 14
resolusi video yang berbeda, dan sinyal HDMI dapat dikonversi ke DVI (banyak digunakan dibeberapa monitor).
F.
LED indikator/status Raspberry Pi memiliki lima LED indikator yang memberikan pemberitahuan, seperti pada Tabel 2.3.
Tabel 2.3 LED IndikatorMenyala ketika SD card diakses ACT Hijau
Dihubungkan ke daya 3,3 Volt PWR Merah
Menyala ketika adapter jaringan full duplex FDX Hijau
Indikator aktifitas jaringan LNK Hijau
Menyala ketika koneksi jaringan 100Mbps 100 Kuning G.
Output Audio Analog Ini adalah sebuah jack audio analog mini standar 3,5 mm, yang ditujukan untuk menangani beban impedansi tinggi. H.
Output Composite Video Ini adalah jack tipe RCA standar yang menyediakan sinyal Composite Video NTSC atau PAL. Format video ini sangatlah terhitung resolusi rendah bila dibandingkan HDMI. Jika memiliki televisi atau monitor lebih baik gunakan HDMI.
I. Input Daya Pertama kali yang disadari adalah tidak adanya saklar daya pada Raspberry Pi.
Konektor mikroUSB digunakan sebagai penyalur daya (mikroUSB ini bukannlah USB Port tambahan, ini hanya digunakan untuk daya).
(a) (b)
2.4 Mikrokontroller Kemajuan teknologi di bidang elektronika begitu pesat sejak ditemukannya transistor.
Dengan cepat perangkat semikonduktor ini menggantikan posisi tabung hampa karena ukurannya yang lebih kecil dan harganya yang jauh lebih murah. Transistor kemudian membawa kepada penemuan integrated circuit (IC), sebuah perangkat semikondukto yang berisi dari beberapa buah transistor sampai jutaan transistor yang membentuk suatu rangkaian dengan fungsi tertentu, dari penguat operasional smpai pengolah sinyal digital. Dari transistor ini lahirlah mikrokontroller.
Mikrokontroller telah banyak digunakan di berbagai peralatan elektronik, dari peralatan rumah tangga, perangkat audio-video, pengendali mesin-mesin industri sampai pesawat ruang angkasa. Atmel sebagai salah satu vendor yang mengembangkan dan memasarkan produk mikrokontroller telah menjadi suatu teknologi standar bagi para desainer sistem elektronika masa kini. Dengan perkembangan terakhir, yaitu generasi AVR (
Alf and Vegard’s Rice Processor), para
desainer sistem elektronika telah diberi suatu teknologi yang memiliki kapabilitas yang amat maju, tetapi dengan biaya ekonomis yang cukup minimal.
Mikrokontroller AVR memiliki arsitektur RISC 8 bit, di mana semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam 1 siklus clock. Secara umum, AVR dapat dikelompokkan menjadi 4 kelas yaitu keluarga ATtiny, keluarga AT90Sxx, keluarga ATMega, dan AT86RFxx. Pada dasarnya yang membedakan masing-masing kelas adalah memori, peripheral, dan fungsinya. Dari segi arsitektur dan instruksi yang digunakan, mereka bisa dikatakan hampir sama (Wardhana, 2006).
Beberapa fitur yang umumnya ada di dalam mikrokontroller adalah sebagai berikut (Berlian, et al. 2010): ROM (Read Only Memory)
- ROM seringkali disebut sebagai kode memori karena berfungsi untuk tempat penyimpanan proram yang akan diberikan oleh user
- RAM digunakan oleh mikrokontroller untuk tempat penyimpanan variabel. Memori ini bersifat volatile yang berarti akan kehilangan semua datanya jika tidak mendapatkan catu daya.
RAM (Random Access Memory)
- Merupakan tempat penyimpanan nilai-nilai yang akan digunakan dalam proses yang telah disediakan oleh mikrokontroller
Register
- Merupakan register khusus yang berfungsi untuk mengatur jalannya mikrokontroller. Register ini terletak pada RAM
Special Function Register
- Pin input adalah bagian yang berfungsi sebagai penerima signal dari luar, pin ini dapat dihubungkan ke berbagi media inputan seperti keypad, sensor dan sebagainya. Pin output adalah bagian yang berfungsi untuk mengeluarkan signal dari hasil proses algoritma mikrokontroller
Input dan Output Pin
- Interrupt bagian dari mikrokontroller yang berfungsi sebagai bagian yang dapat melakukan interupsi, sehingga ketika program utama sedang berjalan, program utama tersebut dapat diinterupsi dan menjalankan program interupsi terlebih dahulu. Beberapa interrup pada umumnya adalah sebagai berikut :
Interrupt
- Interrupt akan terjadi bila ada inputan dari pin interrupt
Interrupt Eksternal
- Interrup timer
Interrup akan terjadi bila waktu tertentu telah tercapai Interrupt serial
- Interrupt yang terjadi ketika ada penerimaan data dari komunikasi serial
2.4.1 Fitur AVR ATMega328
ATMega328 adalah mikrokontroller keluaran dari Atmel yang mempunyai aristektur RISC (Reduce Instruction Set Computing) yang dimana setiap proses eksekusi data lebih cepat dari pada arsitektur CISC (Complex Instruction Set Computing).
Mikrokontroller ini memiliki beberapa fitur antara lain (Ginting, 2012): 130 macam instruksi yang hampir semuanya dieksekusi dalam satu siklus clock.
32 x 8-bit register serba guna. Kecepatan mencapai 16 MIPS dengan clock 16 MHz. 32 KB Flash memory dan pada arduino memiliki bootloader yang menggunakan 2 KB dari flash memory sebagai bootloader.
Memiliki EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only
Memory ) sebesar 1 KB sebagai tempat peyimpanan data semi permanen karena EEPROM tetap dapat menyimpan data meskipun catu daya dimatikan.
Memiliki SRAM (Static Random Access Memory) sebesar 2 KB. Memiliki pin I/O digital sebanyak 14 pin 6 diantaranya PWM (Pulse Width Modulation ) output.
Master/Slave SPI serial interface.
Mikrokontroller Atmega328 memiliki arsitektur Harvard, yaitu memisahkan memori untuk kode program dan memori untuk data sehingga dapat memaksimalkan kerja dan parallelism. Instruksi-instruksi dalam memori program dieksekusi dalam satu alur tunggal, dimana pada saat satu instruksi dikerjakan instruksi berikutnya sudah diambil dari memori program. Konsep inilah yang memungkinkan instruksi- instruksi dapat dieksekusi dalam setiap satu siklus clock. 32 x 8-bit register serba guna digunakan untuk mendukung operasi ALU (Arithmatic Logic Unit) yang dapat dilakukan dalam satu siklus. 6 dari register serbaguna ini dapat digunakan sebagai 3 buah register pointer 16-bit pada mode pengalamatan tidak langsung untuk mengambil data pada ruang memori data (Berlian, et al. 2010).
Ketiga register pointer 16-bit ini disebut dengan register X (gabungan R26 dan R27), register Y (gabungan R28 dan R29), dan register Z (gabungan R30 dan R31). Hampir semua instruksi AVR memiliki format 16-bit. Setiap alamat memori program terdiri dari instruksi 16-bit atau 32-bit (Ginting, 2012).
Selain register serba guna di atas, terdapat register lain yang terpetakan dengan memory mapped I/O selebar 64 byte. Beberapa register ini digunakan untuk fungsi khusus antara lain sebagai register control Timer/Counter, Interupsi, ADC, USART, SPI, EEPROM, dan fungsi I/O lainnya. Register-register ini menempati memori pada alamat 0x20h
- – 0x5Fh (Berlian, et al. 2010). Berikut ini adalah tampilan arsitektur Atmega328 :
2.4.2 Konfigurasi Pin ATMega328
ATMega328 merupakan mikrokontroller keluarga AVR 8-bit. Beberapa tipe mikrokontroller yang sama dengan ATMega8 ini antara lain ATMega8535, ATMega16, ATMega32, ATMega328, yang membedakan antara mikrokontroller antara lain adalah ukuran memori, banyaknya GPIO (pin input/output), peripheral (USART, timer, counter, dll. Dari segi ukuran fisik, ATMega328 memiliki ukuran fisik lebih kecil dibandingkan dengan beberapa mikrokontroller diatas.
ATMega328 memiliki 3 buah PORT utama yaitu PORTB, PORTC dan PORTD dengan total pin input/output sebanyak 23 pin. PORT tersebut dapat difungsikan sebagai input/output digital atau difungsikan sebagai peripheral lainnya.
1. Port B Port B merupakan jalur data 8-bit yang dapat difungsikan sebagai input/output.
Selain itu Port B juga dapat memiliki fungsi alternatif seperti dibawah ini : a.
ICP1 (PB0), berfungsi sebagai Timer Counter 1 input capture pin.
b.
OC1A (PB1), OC1B (PB2) dan OC2A (PB3) dapat difungsikan sebagai keluaran PWM (Pulse width Modulation).
c.
MOSI (PB3), MISO (PB4), SCK (PB5), SS (PB2) merupakan jalur komunikasi SPI.
d.
TOSC1 (PB6) dan TOSC2 (PB7) dapat difungsikan sebagai sumber clock eksternal untuk timer.
e.
XTAL1 (PB6) dan XTAL2 (PB7) merupakan sumber clock utama mikrokontroller.
2. Port C Port C merupakan jalur data 7-bit yang dapat difungsikan sebagai input/output digital. Fungsi alternatif Port C antara lain sebagai berikut : a.
ADC6 channel (PC0, PC1, PC2, PC3, PC4, PC5) dengan resolusi 10-bit.
ADC dapat digunakan untuk mengubah input yang berupa tegangan analog menjadi data digital.
b.
I2C (SDA dan SDL) merupakan salah satu fitur yang terdapat pada Port C.
I2C digunakan untuk komunikasi dengan sensor atau device lain yang memiliki komunikasi data tipe I2C seperti sensor kompas, accelerometer
nunchuck .
3. Port D Port D merupakan jalur data 8-bit yang masing-masing pin-nya dapat difungsikan sebagai input/output. Fungsi alternatif lainnya sebagai berikut : a.
USART (TXD dan RXD) merupakan jalur data komunikasi serial dengan level sinyal TTL. Pin TXD berfungsi untuk mengirimkan data serial, sedangkan RXD yaitu sebagai pin yang berfungsi untuk menerima data serial.
b.
Interrupt (INT0 dan INT1) merupakan pin dengan fungsi khusus sebgai interupsi hardware. Interupsi biasanya digunakan sebagai selaan dari program, misal pada saat program berjalan kemudian terjadi interupsi
hardware/software maka program utama akan berhenti dan menjalankan program interupsi.
c.
XCK dapat difungsikan sebagai sumber clock eksternal untuk USART, namun dapat juga memanfaatkan clock dari CPU, sehingga tidak perlu membutuhkan eksternal clock.
d.
T0 dan T1 berfungsi sebagai masukan counter eksternal untuk timer 1 dan
timer 0.
e.
AIN0 dan AIN1 keduanya merupakan masukan input untuk analog comparator .
Gambar 2.4.2 Konfigurasi Pin ATMega3282.5 Protokol Komunikasi I2C
Mengatasi terbatasnya jumlah kaki IC prosesor, beberapa perusahaan IC mengembangkan teknik transfer data secara seri untuk menghubungkan IC prosesor ke IC pendukungnya, transfer data secara seri antar IC ini tidak ada hubungannya dengan transfer data seri yang biasa dipakai untuk modem. Sebuah IC memori dengan kapasitas 2 KB yang dibentuk dengan teknik transfer data secara parallel paling tidak mempunyai 24 kaki, yaitu :
8 kaki untuk jalur data 11 kaki untuk jalur penomoran memori (jalur alamat) 3 kaki untuk jalur control 2 kaki untuk catu daya
Teknik transfer data secara seri antar IC dikembangkan oleh 3 perusahaan IC, yang pertama adalah teknik I2C (Inter Integrated Circuit) yang dikenalkan oleh Philips, teknik SPI (Serial Peripheral Interface) dari Motorala dan teknik MicroWire ciptaan National Semikonductor. Teknik I2C memakai 2 jalur untuk keperluan transfer data secara seri, sedangkan SPI dan MicroWire memakai 3 jalur. Semua teknik mempunyai 1 jalur untuk Clock, I2C hanya punya satu jalur data 2 arah, sedangkan SPI dan MicroWire mempunyai 2 jalur data satu arah, masing-masing untuk jalur data masuk dan jalur data keluar.
I2C merupakan bus standar yang didesain oleh Philips pada awal tahun 1980an untuk memudahkan komunikasi antar komponen yang tersebar pada papan rangkaian. Pada awalnya, kecepatan komunikasi maksimumnya diset pada 100kbps karena pada awalnya kecepatan tinggi blum dibutuhkan pada transmisi data. Untuk yang membutuhkan kecepatan tinggi, ada mode 400kbps dan sejak 1998 ada mode kecepatan tinggi 3,4 Mbps. I2C tidak hanya digunakan pada komponen yang terletak pada satu board, tetapi juga digunakan untuk mengkoneksikan komponen yang dihubungkan melalui kabel (Prima, 2011).
Kesederhanaan dan fleksibilitas merupakan ciri utama dari I2C, kedua hal tersebut membuat bus ini mampu menarik penggunaannya dalam berbagai aplikasi. Fitur-fitru signifikan dari bus ini adalah (Prima, 2011). : Hanya 2 jalur/kabel yang dibutuhkan.
Tidak ada aturan baud rate yang ketat seperti RS232, dibus ini IC yang berperan sebagai master akan mengeluarkan bus clock.
Hubungan master/slave berlaku antara komponen satu dengan yang lain, setiap perangkat yang terhubung dengan bus mempunyai alamat unik yang diset melalui software.
IC yang berperan sebgai master mengontrol seluruh jalur komunikasi dengan mengatur clock dan menentukan siapa yang menggunakan jalur komunikasi. Jadi IC ang berperan sebagai slave tidak akan mengirim data kalau tidak diperintah oleh master.
I2C merupakan bus yang mendukung multi-master yang mempunyai kemampuan arbritasi dan pendeteksi tabrakan data.
Secara fisik sistem bus I2C terdiri dari 2 buah kawat aktif dan jalur catu daya serta ground. Dua buah kawat aktif yaitu SDA yang merupakan kepanjangan dari Serial Data dan SCL yang merupakan kepanjangan Serial Clock merupakan jalur kawat dua arah (bidirectional). Dalam konsep komunikasi bus I2C hanya dibutuhkan enam operasi dasar sederhana untuk mentransmisikan dan menerima informasi. Keenam kode operasi itu adalah sebagai berikut : 1.
Sebuah bit start.
2. Suatu alamat slave 7-bit.
3. Suatu bit read/write yang akan menentukan apakah slave akan berfungsi sebagai transmitter atau receiver.
4. Suatu bit pemberitahuan (knowledge).
5. Bit pesan yang dibagi ke dalam segmen 8-bit.
6. Suatu bit stop. Keuntungan yang didapat dengan menggunakan I2C antara lain : 1.
Meminimalkan jalur hubungan antar IC.
2. Menghemat luasan PCB yang dibutuhkan .
3. Membuat sistem yang didesian berorientasi software(mudah diekspan dan diupgrade).
4. Membuat sistem yang didesain menjadi standart, sehingga dapat dihubungkan dengan sistem lain yang juga menggunakan I2C bus.
2.6 Sensor Arus
Untuk mendapatkan jumlah pemakaian energi listrik, terlebih dahulu diketahui jumlah arus listrik yang dipakai. Dengan menggunakan sensor arus, hal ini dapat diwujudkan. Sensor Ydhc SCT-013-000 merupakan salah satu sensor arus yang dapat mengukur arus listrik sampai 100 A. Sensor ini menggunakan hukum biot-savart untuk mendapat nilai arus listrik yang mengalir pada kabel.
2.6.1 Hukum Biot-Savart
Besarnya medan Magnet disekitar kawat lurus panjang berarus listrik. Dipengaruhi oleh besarnya kuat arus listrik dan jarak titik tinjauan terhadap kawat. Semakin besar kuat arus semakin besar kuat medan magnetnya, semakin jauh jaraknya terhadap kawat semakin kecil kuat medan magnetnya.
Gambar 2.6.1 Medan Magnet di sekitar Kawat LurusBerdasarkan perumusan matematik oleh Biot-Savart maka besarnya kuat medan magnet disekitar kawat berarus listrik dirumuskan dengan :
µ ˳. I =
2
.Dengan rumus Hukum Biot-Savart, dapat ditentukan rumus yang berlaku pada Sensor SCT-013-000 ketika dihubungkan dengan kawat yang dialiri arus listrik, maka rumusnya adalah :
. 2 . = µ
˳
B = Medan magnet dalam tesla ( T )
−7 o = permeabilitas ruang hampa = 4 Wb/amp. m
μ π. 10
I = Kuat arus listrik dalam ampere ( A ) a = jarak titik P dari kawat dalam meter (m) Medan magnet adalah besaran vector, sehingga apabila suatu titik dipengaruhi oleh beberapa medan magnet maka di dalam perhitungannya menggunakan operasi vektor. Berikut ditampilkan beberapa gambar yang menunnjukkan arah arus dan arah medan magnet. Arah medan magnet didaerah titik P ( diatas kawat berarus listrik ) menembus bidang menjauhi pengamat sedang didaerah titik Q dibawah kawat berarus listrik menembus bidang mendekati pengamat.