PEMANFAATAN MIKROKONTROLER SEBAGAI PENGENDALI SOLAR TRACKER UNTUK MENDAPATKAN ENERGI MAKSIMAL

P erancangan ini bertujuan untuk membuat suatu alat penyimpan energi listrik melalui solar cell yang dapat seoptimal mungkin mendapatkan panas dari sinar matahari. Kondisi ini dapat dilakukan jika solar cell tersebut selalu tegak lurus terhadap arah fokus datangnya sinar matahari, dengan demikian solar cell harus selalu mengikuti arah pergerakan matahari.

Untuk dapat merealisasi sistem tersebut dibutuhkan beberapa sensor peka cahaya yang membaca arah datangnya
cahaya dari beberapa sudut. Sudut yang paling kuat dari sensor peka cahaya
tersebut diasumsikan sebagai sudut fokus arah datangnya sinar matahari, sehingga
sudut dengan fokus terkuat tersebutlah yang akan diikuti oleh pergerakan solar
tracker ini.
Sebagai sensor peka cahaya digunakan 5 buah sensor peka cahaya (LDR),
empat buah diantaranya diletakkan pada kondisi keempat penjuru mata-angin dan
sebuah lagi ditempatkan ditengah-tengahnya sebagai pembanding dari masingmasing
fokus yang diterima oleh LDR terkuat tersebut. Kepekaan paling kuat dari
LDR tersebut akan diikuti oleh pergerakan solar cell hingga terdapat nilai
kepekaan yang sama antara salah satu LDR yang diikuti tersebut dengan LDR
yang ditengah sebagai pembandingnya. Dengan kondisi ini maka solar cell akan
selalu mendapatkan sinar matahari secara optimal disepanjang hari.
Selain memanfaatkan sensor peka cahaya realisasi alat ini juga didukung
dengan beberapa rangkaian terkombinasi yang masing-masing berfungsi sebagai
penyimpan energi listrik yang diterima oleh solar cel tersebut dalam hal ini
diaplikasikan kedalam accumulator 12 volt. Selain ini juga terdapat unit penampil
data daya yang dihasilkan oleh penerimaan energi pada solar cel. Sedangkan
sebagai penggerak / tracker solar cell ini menggunakan motor DC terkopel gearbox
yang masing-masing track-nya digerakkan melalui sistem pemrograman pada
mikrokontroller AT 89S52. Secara keseluruhan realisasi sistem ini ditunjukkan
seperti pada diagram blok berikut ini:

Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem Kerja Solar Ttracker

3.2 Sistem Rangkaian Sensor Peka Cahaya
Pada alat ini menggunakan empat buah sensor peka cahaya LDR yang
dipasang sebagai pelacak arah fokus datangnya sinar matahari, di mana ke empat
sensor tersebut membentuk formasi layang-layang sama sisi dan di tengahnya
terdapat sebuah LDR lagi yang berfungsi sebagai pembanding kuat cahaya yang
diterima oleh masing-masing sensor pada kondisi terfokusnya. Pada kondisi
sebuah sensor mempunyai kepekaan terkuat maka tracker akan bergerak menuju
arah tersebut hingga didapatkan suatu kondisi kepekaan sensor terkuat tersebut
sama dengan kepekaan yang diterima oleh sensor yang ditengah sebagai
pembandingnya. Pada aplikasinya keempat sensor tersebut masing-masing
dihubungkan dengan komparator pada input inverting, sementara sensor yang di
tengah dihubungkan pada keempat komparator tersebut pada input non invertingnya.

Gambar 3.2 Skematik Posisi dan Sistem Rangkaian Sensor

Berdasar prinsip kerja LDR dimana pada kondisi mendapatkan cahaya
maka tahanannya turun, sehingga dengan metode rangkaian diatas pada LDR yang
mendapatkan kuat cahaya terbesar maka tegangan yang dihasilkan adalah
tertinggi. Masing-masing tegangan keluaran LDR terhubung dengan terminal
inverting rangkaian komparator. Sehingga dengan sistem rangkaian diatas,
komparator akan menghasilkan logika tinggi jika salah satu dari ke empat LDR
mempunyai tegangan keluaran lebih besar dari tegangan keluaran pembadingnya.
Logika keluaran rangkaian komparator inilah yang digunakan sebagai sinyal
informasi bagi rangkaian pemrograman untuk menggerakkan motor DC menuju
arah LDR dengan tegangan terbesar tersebut. Dengan demikian Tracker akan
mencari sumber cahaya terkuat hingga didapatkan kondisi tegangan keluaran LDR
pembanding sama atau bahkan lebih besar dari keempat LDR yang dituju tersebut.
Pada kondisi ini keluaran komparator berlogika rendah sehingga melalui
pemrograman pada mikrokontroller putaran motor DC akan dihentikan.

3.3 Sistem Minimum Mikrokontroler AT89S52
Dalam menjalankan chip IC mikrokontroler MCS-51 memerlukan
komponen elektronika pendukung lainnya. Suatu rangkaian yang paling sederhana
dan minim komponen pendukungnya disebut sebagai suatu rangkaian sistem
minimum. Dalam perancangan Tugas Akhir ini, sistem minimum mikrokontroler
AT89S52 terdiri dari:
1. Chip IC mikrokontroler AT89S52 keluarga MCS-51
2. Kristal 12 MHz
3. Kapasitor
4. Resistor

Gambar 3.3 Sistem Minimum Mikrokontroler AT89S52

Aplikasi mikrokontroller AT89S52 pada alat ini berfungsi sebagai
penerjemah data konduksi komparator pada rangkaian LDR untuk mengatur arah
putaran motor DC penggerak solar tracker. Untuk aplikasi ini menggunakan port 2
sebagai data masukan dan port 1 sebagai alamat keluarannya. Proses kerja
mikrokontroller ini ditentukan berdasar pulsa komparator 1,2,3,4 yang masuk
pada port 2.0 hingga 2.3. Dimana jika salah satu tegangan pada LDR 1,2,3,4 lebih
besar dari tegangan referensi komparator pada LDR tersebut akan berlogika
tinggi, pulsa masukan dari salah satu komparator 1,2,3,4 ini berfungsi untuk
menggerakkan motor solar tracker sesuai arah posisi LDR, jika tegangan referensi
lebih besar dari semua tegangan LDR, semua komparator berlogika rendah
sehingga tidak ada logika untuk menyulut data maskan pada port 2. Kondisi ini
menyebabkan semua alamat pada port 1 juga berlogika rendah sehingga motor
penggerak solar tracker berhenti. Untuk proses ini dirancang suatu diagram alir
sebagai berikut :

Gambar 3.4 Diagram Alir Mikrokontroller sebagai Penggerak Solar Tracker

Berdasar diagram alir yang disusun diatas maka dapat dirancang suatu
metode pemrograman berbahasa assembler sebagai proses pengalamatan data
komparator.

3.4 Perancangan Rangkaian Driver
Rangkaian driver dirancang untuk mengaktifkan motor DC sebagai
penggerak solar tracker. Kombinasi rangkaian driver ini dirancang supaya motor
DC dapat berputar forward-reverse, menyesuaikan input program yang bekerja
berdasar pembacaan sinyal dari LDR. Rangkaian driver ini diperlukan untuk
memberikan pemisahan tegangan kontrol sebesar 5 volt yang dihasilkan dari
keluaran mikrokontroller menjadi tegangan sesuai yang dibutuhkan oleh motor
DC tersebut. Untuk merealisasi ide ini dilakukan dengan menggunakan transistor
yang memanfaatkan tegangan kecil dari mikrokontroller sebagai pemicu dioda
masukannya dan memberikan tegangan yang relatif lebih besar pada transistor
keluarannya.
Metode reverse-foreward pada cara kerja motor DC dilakukan dengan
membalik arah arus yang melalui motor, hal ini direalisasikan dengan
menempatkan empat buah relay sebagai pembentuk arah arus dimana relay
digerakkan dari sebuah driver BD 139 yang memicu transistor D 313.

Gambar 3.5 Rangkaian Driver

Driver pada rangkaian diatas menggunakan BD 139 untuk memicu
transistor D 313 pada rangkaian daya penggerak motor DC. Untuk setiap motor
dengan arah gerakan referse forward digerakkan dengan menggunakan empat
buah relay (C1, C2, C3, C4) sebagai saklar daya yang membentuk kuadrant arah
arus yang masuk pada polaritas motor. Dimana C1 dan C2 aktif bersama sebagai
pemicu forward motor DC, dan C3 dan C4 aktif bersama sebagai pemicu reverse
motor DC. Dengan konfigurasi rangkaian seperti pada gambar diatas maka dapat
daiuraikan prinsip kerja aliran arus sebagai penggerak motor sebagai berikut,
saklar C1 dan C2 mengalami kondisi ON – OFF secara bersama-sama demikian
juga saklar C3 dan C4 karena keduanya dipicu dari sebuah transistor. Pada saat
transistor S1 mendapatkan pulsa maka relay C1 dan C2 ON menyebabkan
masing-masing kontak nya terhubung ke NO sehingga motor pada sisi “a” menuju
C1 terhubung ground dan motor pada sisi “b” menuju C2 terhubung tegangan
VCC. Kondisi ini menyebabkan motor berputar pada arah tertentu (sebut saja
kanan). Pada saat transistor S2 mendapatkan pulsa maka relay C3 dan C4 ON
menyebabkan masing-masing kontaknya terhubung ke NO sehingga motor pada
sisi “a” menuju C4 terhubung tegangan VCC dan motor pada sisi “b” menuju C3
terhubung ground. Kondisi ini menyebabkan motor berputar pada arah sebaliknya.
Dengan demikian berdasarkan pemicuan pulsa pada transistor 1 dan 2 akan
mengaktifkan ke empat relay tersebut untuk membuat suatu kondisi motor
berputar pada dua arah yang saling berlawanan.
Sedangkan pada BD 139 sendiri memiliki cara kerja dimana ketika
tegangan dari output mikrokontroller memicu dioda led pada pin 1, dioda tersebut
akan memancarkan sinar yang diterima oleh fototransistor sehingga transistor
pada sisi keluaran BD 139 menutup, hal ini menyebabkan arus pada sumber
(VCC) mengalir dari Kolektor menuju Emitor dan memicu transistor pada
rangkaian daya.

3.5 Pengukur Daya Solar Cell
Dengan memberikan sinar yang jatuh pada permukaan solar cell maka
board solar cell tersebut akan menghasilkan besaran listrik pada sisi keluarannya.
Pada aplikasi sistem ini besaran listrik tersebut diumpan balikkan untuk
menjalankan sistem kontrol pada pengendali solar tracker ini. Untuk menjalankan
sistem ini diperlukan sebuah accumulator untuk menyimpan besaran listrik dari
soler cell tersebut sehingga ketika solar cell melemah karena tidak adanya cahaya,
maka masih ada cadangan suplly yang bisa dimanfaatkan dari accumulator
tersebut. Untuk menunjang hal tersebut maka perlu diketahui pula besarnya daya
listrik yang dihasilkan oleh sollar cell tersebut, untuk itu pada sistem ini juga
dibuat suatu display daya listrik solar cell yang akan memantau secara realtime
besarnya daya yang dihasilkan oleh solar cell. Untuk keperluan ini pada keluaran
solar cell dipasang sensor arus dan sensor tegangan untuk mencuplik daya dari
solar cell tersebut. Untuk mencuplik arus digunakan sensor arus yang terpasang
seri terhadap solar cell. Dengan sistem ini maka didapatkan arus yang dihasilkan
oleh solar cell, yang dibaca pada skala tegangan. Sedangkan pencuplikan
tegangan dilakukan dengan menempatkan dua buah resistor simetris pada sisi
keluaran solar cell sehingga didapatkan sebuah nilai tegangan pada titik bagi
kedua resistor simetris tersebut. Dari kedua parameter ini kemudian
dikembangkan suatu sistem rangkaian sehingga didapatkan daya dari perkalian
kedua sensor tersebut. Berikut gambar sensor arus dan sensor tegangan :

Gambar 3.6 Sensor Tegangan dan Sensor Arus

3.6 Perancangan Rangkaian Multiplyer MC 1495
MC 1495 merupakan sebuah chip monolitik yang didesain untuk
menghasilkan sebuah output linier dari dua buah sinyal masukan yang berbeda.
Pada alat ini MC1495 difungsikan sebagai pengali dua buah sinyal yang
dihasilkan dari keluaran sensor rus dan sensor tegangan pada solar sell. IC ini
bekerja dengan mengolah dua tegangan masukan sebagai X input dan Y input.
Untuk menghasilkan sebuah tegangan analog yang linier IC ini dikombinasikan
dengan beberapa komponen eksternal sebagai ofset adjuster dari kedua sinyal
masukan tersebut.

Gambar 3.7 Skematik Rangkaian Multiplyer MC 1495

Pada rangkaian diatas tegangan dan arus yang dihasilkan oleh masingmasing
sensornya dihubungkan pada input pin 4 dan pin 9. Untuk menghasilkan
sebuah tegangan keluaran yang linier pada MC 1495 ini dipoerlukan sutu prosedur
kerja sebagai berikut :
1. Memberikan gelombang sinus 1 KHz sebesar 5 Vpp pada pin 4 dan
menghubungkan pin 9 dengan ground. Kemudian atur potensio P2 hingga
gelombang AC tersebut mempunyai offset nol pada keluarannya.
2. Memberikan gelombang sinus 1 KHz sebesar 5 Vpp pada pin 9 dan
menghubungkan pin 4 dengan ground. Kemudian atur potensio P1 hingga
gelombang AC tersebut mempunyai offset nol pada keluarannya.
3. Memberikan tegangan senilai nol volt pada kedua input X dan Y kemudian
atur potensio P4 hingga keluarannya juga bernilai nol volt.
4. Memberikan tegangan positif (lebih baik sekitar 10 volt) pada kedua input X
dan Y kemudian atur potensio P3 hingga keluarannya juga bernilai 10 volt.
Jika keempat prosedur tersebut telah berhasil maka proses kalibrasi
multiplyer MC1495 berhasil dan IC ini telah siap untuk diberi sinyal apapun
karena keluarnnya telah menjadi sebuah sinyal linier hasil perkalian dari kedua
masukan tersebut.

3.7 Perancangan Rangkaian ICL 7107
ICL 7107 merupakan sebuah chip dengan kemampuan kerja yang baik
dengan supply daya yang rendah. ICL 7107 merupakan sebuah chip yang bisa
berfungsi sekaligus sebagai A/D Converter dan dekoder seven segment sekaligus
dengan pin keluarannya yang masing-masing dilengkapi dengan clock dan
pengaturan referensi didalamnya. Sehingga dengan chip ini sebuah tegangan
analog pada sisi masukannya dapat langsung diolah menjadi digital sekaligus
dialamatkan kedalam keluaran untuk menjalankan seven segment. IC jenis ini
biasa digunakan dalam display multimeter digital dengan 3 ½ digit tampilan.
Dimana tiga digit diperlukan untuk menampilkan bilangan seven segment secara
penuh dan ½ digit untuk menampilkan angka 1/-1 .

Gambar 3.8 Skematik Rangkaian ICL 7107 sebagai Display Daya

Pada aplikasi alat ini ICL 7107 berfungsi untuk menampilkan daya yang
dihasilkan oleh solar cell setelah melalui pengolahan analog pada multiplyer
1495. Untuk menampilkan besarnya daya solar cell secara presisi ICL 7107
dilengkapi dengan pengatur referensi melalui resistor ekstern pada pin 36.
Dengan mengatur besarnya tegangan yang masuk pada pin ini hingga display
seven segment akan menghasilkan blangan “000” pada kondisi openload.

3.8 Catu Daya Penggerak Solar Tracker
Sistem solar tracker ini diharapkan bisa berfungsi secara mandiri sebagai
alat yang mampu menghasilkan catu daya sendiri untuk menjalankan sistem
penggerak baik motornya atau pun sistem kontrol pada alat ini. Hal ini dapat
direalisasi dengan menggabungkan sistem converter DC-DC yang meregulasikan
tegangan plate yang dihasilkan pada solar cell menjadi tegangan kerja yang
dibutuhkan oleh komponen kontrol dan motor penggerak solar tracker ini.
Proses diatas tentunya bukan suatu proses yang sederhana dan memerlukan
riset yang lebih berkelanjutan untuk itu sebagai catu daya pada sistem ini
sementara menggunakan catu catu daya dari listrik yang disediakan oleh jala-jala
dengan sistem regulasi konvensional sebagai tegangan kerja masing-masing
sistem penggerak dan sistem kontrol sollar tracker ini. Ada beberapa kebutuhan
tegangan yang dibutuhkan pada alat ini diantaranya catu daya 5 volt yang
dibutuhkan sebagai catu mikrokontroller dan catu ADC ICL7107. Catu daya 15
volt simetris yang berfungsi sebagai pencatu rangkaian opersional amplifier dan
sebagai pensuplay tegangan pada rangkaian multiplyer analog 1495. Sedangkan
untuk penggerak motor menggunakan accumulator 12 volt yang suply
tegangannya dihasilkan dari sistem carge pada tegangan keluaran solar cell. Untuk
kebutuhan masing-masing catu daya tersebut dirancang suatu sistem rangkaian
peregulasi tegangan sebagai berikut :

Gambar 3.9 Rangkaian Power Supply
Sedangkan pada tegangan simetris menggunakan regulator pembentuk
tegangan 7805 untuk membentuk tegangan positif 5 volt dan regulator 7905 untuk
menghasilkan tegangan negatif 5 volt. Pada perancangan sistem tegangan simetris
ini tidak disertai dengan transistor sebab regulator tersebut telah dilengkapi
dengan sistem penstabil sehingga untuk diaplikasikan pada beban yang tidak
terlalu besar seperti pada alat ini kemampuan penstabilan regulator ini masih
mencukupi.

Oleh: Dedy Dhomo A
Teknik Elektro
UNIKA Soegijaprnata
Semarang