Perancangan Watt Meter Digital 1 Fasa Dengan Mikrokontroller AT89S51

Watt meter digital ini dirancang dengan metode perkalian yang dihasilkan dari pembacaan arus beban oleh sensor arus dan pembacaan tegangan melalui sensor tegangan. Disamping itu alat juga memperhitungkan faktor daya beban yang diperoleh dengan mencari selisih atau pergeseran fasa antara sinyal arus dan tegangan yang dihasilkan oleh sensor tersebut. Sehingga untuk proses pengolahan sinyal terdapat tiga parameter sinyal yakni sinyal arus, sinyal tegangan dan beda fasa kedua sinyal tersebut. Untuk proses pengolahan ketiga sinyal tersebut dilakukan dengan menggunakan mikrokontroller AT89S51 yang membaca ketiga besaran tersebut melalui ADC 0809. Tampilan daya ditunjukkan melalui LCD dot matrik.

Diagram blok untuk keseluruhan rangkaian tersebut ditunjukkan pada gambar berikut ini :

Gambar 3.1 Digram blok watt meter digital

3.2.1 Sensor Arus
Sebatang kawat teraliri arus listrik menuju beban dilewatkan diantara cicin toroid dan sejumlah kawat email digulung padacincin toroid tersebut maka kumparan kawat pada cincin tersebut akan menginduksikan arus listrik dari sebatang kawat arus tersebut. Dengan mengolah sinyal induksi pada kawat kumparan toroid tersebut maka akan diperoleh nilai arus yang dilewatkan untuk mensuplay beban pada ujung kawat arus. Dengan metode ini arus yang dilewatkan akan terbaca pada fungsi besaran tegangan berbentuk gelombang sinusoidal.

Gambar 3.2 Sensor arus dan pengkondisi sinyal

Jenis penguat yang digunakan pada pengolah sinyal arus diatas merupakan penguat non inverting, pada bagian belakang diberikan sebuah dioda terpasang sebagai callper yang memotong sinyal dibawah sumbu nol dan kapasitor berfungsi sebagai pemurni tegangan DC. Sehingga pada rangkaian pengkondisi sinyal ini menghasilkan tegangan DC yang kompatibel terhadap kebutuhan tegnagan ADC.

3.2.2 Sensor Tegangan
Sensor tegangan berupa sebuah transformer step-down pada umumnya, besar transformer ialah 300mA. Keluaran dari sensor ini berupa tegangan, berbentuk gelombang sinusoidal.

Gambar 3.3 Sensor tegangan dan pengkondisi sinyal

Dari transformator tegangan yang mengkonversi tegangan 220 volt menjadi 3 volt kemudian sinyal disearahkan dengan penyearah gelombang penuh. Kalibrasi tegangan dilakukan dengan menempatkan resistor variable 50k sehingga tegangan yang dihasilkan dapat diatur, pada ujung rangkaian dipasang sebuah filter kapasitor untuk menghasilkan tegnagan DC murni yang kompatyibel terhadap tegangan yang dibutuhkan oleh ADC.

3.3 Rangkaian Pengkondisi sinyal sebagai pembentuk beda fasa
Dalam blok pengkondisi sinyal terdiri dari blok–blok rangkaian, yang bertujuan membuat sinyal sinusoidal keluaran dari sensor arus dan tegangan menjadi sinyal persegi. Pembentukan sinyal persegi dilakukan dengan metode Zerro Crossing Detector, dengan terbentuknya sinyal persegi maka akan mempermudah untuk membentuk beda fasa pada rangkaian logika EX-OR.

Gambar 3.4A Rangkaian pembentuk beda fasa

Gambar rangkaian diatas merupakan rangkaian pengkondisi sinyal keluaran dari kedua sensor yang digunakan, rangkaian ini menghasilkan tiga faktor utama yang digunakan untuk perhitungan daya, yaitu : Tegangan, Arus faktor daya.
Sinyal yang dihasilkan oleh sensor secara langsung sebelum dilewatkanpada rangkaian pengkondisi masing-masing sinyal diambil dan dilewatkan pada rangkaian zerro Crossing Detector sehingga menghasilkan gelombang persegi. Dioda clamper berfungsi untuk memotong tegangan dibawah sumbu nol untuk diumpankan pada gerbang EX-OR. Logika EX-OR menghasilkan selisih kedua pulsa masukan, dan membentuk perbedaan fasa antara arus dan tegangan.
Ketiga parameter diatas diperlukan untuk menentukan besarnya daya yang diserap oleh beban. Hal ini mengaku pada metode perhitungan daya AC :

Dengan cos merupakan pergeseran fasa arus dan tegangan yang menuju beban.
3.4 F to V 2917 sebagai penghasil tegangan DC rangkaian beda fasa
Sinyal yang dibutuhkan oleh ADC dari ketiga factor pembentuk daya diatas merupakan tegangan DC untuk itu pulsa beda fasa inipun harus diubah menjadi tegangan analog. Untuk menghasilkan tegangan dari frekuensi gelombang kotak tersebut diperlukan konverter F to V, pada perancangan ini rangkaian F to V diimplementasikan dengan IC 2917. Agar bisa menghasilkan tegangan keluaran yang baik, perancangan F to V ini didukung oleh komponen-komponen ekstern seperti ditunjukkan pada Gambar 3.4B dibawah ini

Gambar 3.4B rangkaian F to V converter

LM2917 / 2907 adalah IC single chip F to V converter atau sering disebut rangkaian tachogenerator statis yang didesain dengan pemakaian komponen eksternal seminimal mungkin namun dapat menghasilkan tegangan keluaran yang optimal.
Tachogenerator statis mengambil pulsa dari pembangkit frekuensi masukan melalui komparator pertama . Input inverting pada komparator pertama dihubungkan dengan ground melalui sebuah kapasitor seri dan masukan non inverting mendapat masukan sinyal gelombang kotak. Dengan rangkaian yang demikian maka komparator pertama ini berfungsi sebagai detektor penyilang nol (zero crossing detector) yang membandingkan gelombang persegi pada input non inverting dengan acuan tegangan nol volt pada masukan inverting. Keluaran dari komparator pertama ini diumpankan pada charge pump yang berfungsi mengubah frekuensi menjadi tegangan pada saat sinyal input berubah keadaan. Tegangan yang dihasilkan oleh rangkaian tachogenerator diatas dirumuskan dengan
Vo = VCC x f IN x C1 x R1 x K
Dimana K konstanta penguatan LM 2917 sebesar 1 kali, sedangkan C2 pada gambar rangkaian diatas berfungsi sebagai perbaikan riple tegangan sekaligus memperbaiki respon waktu perubahan . sedangkan nilai R1 200k dan C1 10nF.

3.5 Aplikasi rangkaian ADC 0809
ADC 0809 merupakan produk komponen pengubah data analog ke digital dengan komposisi paling lengkap, hal ini karena pada ADC 0809 juga dilengkapi dengan 8 chanel multiplekser selain dari 8 bit data digital peubah analog yang kompatibel terhadap port pada mikrokontroler. Dengan adanya 8 chanel multiplekser ini maka input ADC 0809 bisa membaca 8 data analog masukannya yang akan dibaca secara bergantian berdasar alamat chanel yang dipanggil oleh multiplekser. Aplikasi ADC jenis ini memang sangat tepat pada sistem mikrokontroller hal ini karena sistem kerja setiap daata proses konversi ADC 0809 harus digerakkan melalui pulsa-pulsa digital yang akan lebih mudah jika dikontrol melalui mikrokontroller. Sistem rangkaian ADC 0809 pada aplikasi mikrokontroller seperti pada gambar berikut ini

Gambar 3.5 Rangkaian ADC 0809 pada aplikasi mikrokontroller

Pada gambar diatas menunjukkan sistem kerja yang saling melengkapi dari ADC 0809 terhadap fungsi-sungsi port pada mikrokontroller. Sejumlah data analog yang akan dibaca terhubung pada Vin1 hingga Vin8 dengan metode pembacaan berdasar logika data pada AD0 hingga AD2. Sistem pengaktifan masing-masing chanel data masukan pada ADC 0809 dilakukan melalui sistem multiflekser berikut :

Tabel 3.1 Sistem multiplekser pada ADC 0809

Dari tabel diatas 3 Address line yang secara kombinasi tabel kebenaran mampu menghasilkan 8 urutan logika berfungsi untuk memanggil kedelapan alamat chanel. Sehingga pada logika yang dimaksud oleh adrress line maka data analog pada alamat itulah yang dibaca oleh ADC 0809.

3.1 IC program mikrokontrol AT89S52
Mikrokontroler yang digunakan dalam perancangan ini adalah mikrokontroler AT89S52 yang memiliki kemampuan sebagai berikut:
• Kompatibel dengan produk dan program assembler MCS-51
• Dapat di simpan program sebesar 4 kByte Flash.
• 32 pin Input/Output yang dapat diprogram.
• 128 x 8 bit internal RAM, dll
Dengan kemampuan sesuai fasilitas mikrokontrol AT89S52 diatas maka pada mikrokontroller ini mampu melakukan pemrograman untuk pengalamatan data berdasar perubahan logika digital yang dihasilkan dari pembacaan ADC 0804. Untuk proses pengalamatan data dari ADC pada system ini menggunakan data pada port 1 dan keluaran data tersebut dialamatkan pada port 2 untuk menjalankan perintah data pada alamat LCD M1632.

Gambar 3.6 Konfigurasi sismin mikrokontroller AT89S52

Untuk merancang suatu sismin mikrokontroller AT89S5x dibutuhkan beberapa komponen tambahan untuk membuat mikrokontroller tersebut menjadi suatu system minimum yang terintegrasi. Komponen yang dibutuhkan dalam aplikasi rangkaian sismin tersebut yaitu rangkaian pembangkit frekuensi kerja mikrokontroller yang diaplikasikan dengan kristal 12 MHz. Dan dua buah keramik 33 pF yang disusun seperti pada pin 18 dan 19 diatas. Sebuah system reset yang aktif tinggi untuk memulai siklus kerja baru pada setiap perubahan interuksi kerja mikrokontroller terhubung dengan terminal RST. Yang tidak kalah urgen adalah power supply 5 volt untuk mengaktifkan tegangan kerja system minimum diatas.
Pada system minimum yang menggunakan IC terprogram AT89S5X jauh lebih praktis disbanding dengan sismin yang menggunakan jenis AT 89C5x sebab pada aplikasi jenis 89S5X sismin bisa difungsikan sekaligus sebagai system download program dari serial port tanpa harus memindahkan IC pada sismin baru ketika akan diaplikasikan pada program yang akan dijalankan. Sedangkan dengan menggunakan tipe 89C5x rangkaian down load tidak bisa difungsikan sebagai sismin sehingga untuk mengaplikasikan program, IC mikrokontroller harus dipindahkan kedalam sismin yang teraplikasi khusus kedalam rangkaian kerja.
Dengan menggunakan IC terprogram AT89S52 maka setiap data yang masuk dari ADC 0809 pada port 1 akan direspon oleh port keluaran (port 2) untuk dialamatkan pada LCD yang disediakan. Untuk menghasilkan suatu data yang tertampil pada LCD maka diperlukan pengaturan program yang langkah kerjanya ditentukan oleh alir kerja pemrograman sebagai berikut :

Gambar 3.7 Diagram Alir pemrograman mikrokontroller

3.2 Penyambungan LCD M1632
LCD M1632 adalah sebuah modul terintegrasi yang tersusun dari bahan Liquid Cristal dependent dan beberapa bahan lain yang terintegrasi menjadi satu modul. Bahkan pada modul ini juga terdapat internal chip mikrokontroller sebagai salah satu piranti kerjanya. Modul LCD bisa menampilkan beberapa perintah berdasar karakter yang diinginkan melalui metode pemrograman dari sebuah mikrokontroller eksternal. Untuk menggabungkan modul ini dengan IC terprogram (mikrokontroller) tersebut kita perlu mengetahui fungsi dari masing-masing pin yang dimiliki oleh modul LCD tersebut. Metode penyambungan sebuah LCD memerlukan tahap-tahap kerja berikut; Hubungkan pin 1 dengan Ground, pin 2 dengan VCC +5 volt dan pin 3 dengan pin tegangan sebuah timer potensiometer 5KΩ yang dihubungkan sebagai pembagi tegangan (pin-pin yang masing-masing terhubung dengan Ground dan VCC. Selanjutnya potensio ini akan berfungsi sebagai pengatur kontras LCD. Terminal 4 modul LCD digunakan untuk memberikan informasi pada LCD tersebut bahwa ada data yang akan dikirim berupa karakter angka dan huruf ataukah berupa kode pengaturan. Terminal 5 berfungsi untuk menentukan arah data yang memberikan keterangan bahwa mikrokontroller akan meminta data atau mengirimkan data ke dan dari LCD. Terminal 6 berfungsi sebagai terminal enabel dimana jika arah data adalah menuju LCD, maka LCD akan mengambil data pada saat terminal enabel berada pada transisi turun. Sebaliknya jika data berasal dari LCD maka mikrokontroller sudah harus mengambil data sebelum sinyal enabel tersebut menjadi low. Teminal 7 hingga terminal 14 adalah jalur data yang terhubung dengan port I/O mikrokontroller dimana pada ke delapan jalur ini terjadi transaksi pengiriman dan pengambilan data yang tertampil pada layar LCD. Sedangkan terminal 15 dan 16 adalah pin untuk menyalakan lampu pada LCD tersebut. Secara lengkap uraian diatas dapat dilihat dalam tabel berikut :

Tabel 3.2 Tabel fungsi pin pada LCD M1632

Pada aplikasi ini penyambungan LCD dengan mikrokontroler adalah menghubungkan terminal 7 ke P2.0 berturut-turut hingga terminal 14 dengan P2.7. Kemudian terminal 4 (RS) dengan P3.0 dan terminal 6 (E) dengan P3.1. Terminal 5 langsung disambungkan ke GND sebab jika kita tidak mikrokontroller akan melakukan pembacaan data pada LCD (hal ini lebih sering dilakukan). Modul LCD M1632 membutuhkan waktu sekitar 15mS untuk persiapan sebelum dapat menerima data maupun instruksi. Jadi diperlukan listing pemrograman awal untuk melakukan penundaan sekitar 15mS sebelum memberikan data ataupun instruksi apapun untuk pertamakalinya. Modul LCD M1632 memberikan dua pilihan interface, yaitu 4 bit dan 8 bit. Kita telah menyambungkan LCD dengan lebar data 8 bit. Jadi kita memilih interface 8 bit. Pemilihan ini dilakukan dengan mengirim kode perintah 38H pada inisialisasi awal. Instruksi ini membutuhkan waktu tunda sekitar 4 mS.

Gambar 3.6 Penyambungan LCD pada port mikrokontroller

Tugas Akhir Oleh : B.Yoyok W.P
Teknik Elektro
Unika Sogijapranata
Semarang