## PERANCANGAN SISTEM MONITORING TEGANGAN PIEZOELEKTRIK UNTUK PENGISIAN BATERAI BERBASIS BLUETHOOTH
Ashhab Aghnil Hakim 1 , Esa Apriaskar 2 , Djunaidi 3
1,2,3 Program Studi S1 Teknik Elektro, Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Negeri Semarang Kampus Sekaran, Gunungpati, Semarang, 50229, Indonesia ashhabhakim99@students.unnes.ac.id 1 , esa.apriaskar@mail.unnes.ac.id 2 , djunaidi@mail.unnes.ac.id 3
Abstract— Electrical energy has become one of the basic needs at this time. The more population, the more electricity consumption is  needed.  so  it  takes  a  lot  of  innovation  to  support  those  needs. Energy harvesting system is one of them, by using piezoelectricity, we can harvest electrical energy. This tool works by changing the kinetic  energy  of  the  human  footing  which  is  then  converted  to produce  electrical  energy.  In  use, when  it  runs  normally  on  this prototype the influence of the elasticity of the materials present in this  prototype  will  cause  vibrations  and  give  effect  to  the piezoelectric sensor. Then the vibrations detected by piezoelectric will respond to the kinetic energy produced. This kinetic energy is produced from human footing which can be converted into other forms  of  energy  according  to  energy  conversion.  Energy utilization  is  carried  out  by  storing  the  energy  output  from  the piezoelectric  into  the  battery  (recharge),  which  then  by  using  a voltage sensor and Bluetooth module HC-05 will be monitored and data will be sent to the cellphone so that the piezoelectric output voltage can be recorded and monitored.
Keywords :  Piezoelectric, Battery, Voltage Sensor, Bluetooth HC- 05.
Abstrak—  Energi  listrik  sudah  menjadi  salah  satu  kebutuhan pokok saat ini. Semakin banyak jumlah penduduk maka semakin banyak  pula  konsumsi  listrik  yang  dibutuhkan.  sehingga dibutuhkan  banyak  inovasi  untuk  menyokong  kebutuhan tersebut.  Sistem  pemanen  energi  merupakan  salah  satunya, dengan  menggunakan  piezoelektrik  kita  dapat  memanen  energi listrik Cara  kerja  alat  ni yaitu  dengan  mengubah  energi  kinetik dari  pijakan  manusia  yang  kemudian  di  konversi  untuk menghasilkan  energi  listrik.  Dalam  penggunaannya,  ketika berjalan  normal  di  atas  prototipe  ini  pengaruh  sifat  eleastisitas bahan  yang  ada  pada  prototipe  ini  akan  menyebabkan  getaran dan  memberikan  efek  pada  sensor  piezoelektrik.  Kemudian getaran  yang  dideteksi  oleh  piezoelektrik  akan  merespon  energi kinetik yang dihasilkan. Energi kinetik ini dihasilkan dari pijakan manusia yang dapat dikonversi menjadi bentuk energi lain sesuai dengan  konversi  energi.  Pemanfaatan  energi  dilakukan  dengan menampung  hasil  energi  dari  piezoelektrik  ke  dalam  baterai (recharge),  yang  kemudian  dengan  menggunakan  sensor tegangan  dan  modul  Bluetooth  HC-05  akan  dimonitoring  dan data akan dikirim ke ponsel supaya tegangan output piezoelektrik dapat didata dan dimonitoring.
Kata kunci :  Piezoelektrik, Baterai, Sensor Tegangan, Bluetooth HC-05.
Kata kunci— Android, Panel Surya, Arduino Uno, Bluetooth.

## I. P ENDAHULUAN
Energi  merupakan  suatu  kebutuhan  pokok  dalam  kehidupan manusia, dengan semakin menipisnya energi fosil di bumi ini karna sifatnya yang tak terbaharukan. Manusia mulai mencari energy  baru  dengan  menciptakan  suatu  alat  pemanen  energy (energy harvesting). Piezoelektrik   merupakan  salah satu dari sekian  banyaknya  yang  dapat  diaplikasikan  untuk  memanen energy,  cara  kerjanya  yaitu  dengan  mengubah  energy  kinetik yang  dihasilkan  dari  pijakan  manusia  menjadi  energi  listrik Pemanfaatan piezoelektrik sebagai generator merupakan  suatu  upaya  mendapatkan  energi  listrik  yang merujuk pada konsep harvesting energy yang hal ini merujuk pada  pengembangan  piezoelektrik  sebagai  generator  yang mengubah getaran yang dihasilkan mobil listrik menjadi energi listrik  yang  dapat  digunakan  pada  piranti  elektronik  berdaya rendah  (low  power  devices).  Getaran  merupakan  salah  satu bentuk  energi  mekanik  yang  paling  sering  dijumpai  di  mobil listrik.  Banyak  sumber  energi  getaran  yang  tersedia  dan dimanfaatkan  menjadi  dasar  pembuatan  catu  daya  mikro dengan  menggunakan  piezoelektrik.  Dari  hasil  pengujian menunjukkan  bahwa  ada  pengaruh  terhadap  pemberian besarnya  tahanan  beban  pada  piezoelektrik,  semakin  besar tahanan  beban  maka  tegangannya  juga  semakin  besar  dan tahanan  dibawah  20  KΩ  tidak  ada  arus  yang  mengalir. Piezoelektrik  memiliki  daya  output  yang  kecil  akan  tetapi dengan  nilai  impedansi  internal  yang  tinggi.  Oleh  karena penggunaan  piezoelektrik  sebagai  generator  memungkinkan untuk  digunakan  dalam  teknologi  pada  bagian  mobil  listrik yang membutuhkan daya kecil [1].
Penelitian  lain  tentang  piezoelectric  [2]  bahwa pijakan  kaki  manusia  pada  lantai  yang  sudah  terpasang piezoelectric dibawahnya menjadi input energi mekanik untuk mendapatkan energi listrik dari lantai. Banyaknya energi listrik yang  dapat  dihasilkan  lantai  piezoelectric  berbanding  lurus dengan  besar  gaya  yang  diberikan  pada  lantai  piezoelectric. Arus  tertinggi  yang  didapatkan  dari  lantai  yang  dibuat  akibat gaya mekanik yakni 938 mikro ampere dan arus terendah 464 mikro  ampere.  Sedangkan  tegangan  tertinggi  yang  didapat yakni 80 volt dan terendah 61 volt. Pemanfaatan energi dapat dilakukan  dengan  menampung  hasil  energi  kedalam  sebuah baterai  sekunder(recharge)  dengan  memperhatikan  kapasitas baterai dan intensitas penginjakan.
Pada penelitian lainnya [3] menganalisis
gelombangan  tegangan  keluaran  piezoelektrik  sehingga  dapat
diliat bentuk gelombang yang menempelkan piezoelektrik pada dinding  kemudian  memukulkannya  menggunakan  silinder pemukul  yang  dipasang  pada  sebuah  motor  sehingga  motor berputa,  silinder  pemukul  akan  mengenai  piezoelektrik.hasil penelitian  ini  di  mana  tegangan  yang  dihasilkan  oleh piezoelektri  berpengaruh  terhadap  dimensi  (luas  penampang dan tebal) dari piezoelektrik,
Penelitian  lain  [4]  bertujuan  untuk  membandingkan pengisian kapasitor oleh piezoelektrik dengan baterai. Metode peneltian  berupa  mengetuk  sebuah  piezoelektrik  berdiameter 2,7 cm menggunakan jari tangan dengan frekuensi 30 bpm, 60 bpm, 90 bpm, 120 bpm, 150 bpm, dan 180 bpm untuk mengisi kapasitor  sebesar  47  uF  yang  tegangannya  diamati  setiap  10 detik selama 90 detik. Ketukan 30, 60, 90, 120, 150, dan 180 bpm  secara  berturut  –  turut  menghasilkan  tegangan  akhir kapasitor sebesar 575 mV, 882 mV, 980 mV, 1337 mV, 1383 mV,  dan  1444  mV.  Setelah  itu,  hubungan  antara  frekuensi ketukan  dan  tegangan  akhir  kapasitor  dianalsisis  untuk dibandingkan dengan pengisian kapasitor oleh baterai.
Pada  Penelitian  [5]  memanfaatkan  waste  vibration energy  dari  gerakan  kendaraan  bermotor  menggunakan  polisi tidur  piezoelektrik.  Polisi  tidur  piezoelektrik  yang  dirancang pada  penelitian  terdiri  atas  sistem  mekanik  polisi  tidur  yang berfungsi menerima masukan dari tekanan kendaraan bermotor, sistem  kantilever  piezoelektrik  sebagai  komponen  penghasil energi  listrik  dan  sistem  harvesting  energy  sebagai  pemanen energi  dari  material  piezoelektrik.  Satu  modul  sistem  terdiri dari rangkaian paralel piezoelektrik yang dihubungkan dengan buck  konverter  MB39C811.  Sistem  yang  paling  maksimal menghasilkan  energi  adalah  rangkaian  lima  modul  secara paralel.  Polisi  tidur  piezoelektrik  mampu  menghasilkan  daya listrik  dengan  masukan  60  kali  lindasan  kendaran  bermotor sebesar  2.166mWh  dengan  efisiensi  2.87  %  dibandingkan dengan masukan manual.

## II. LANDASAN TEORI

## Piezoelektrik
Piezoelektrik merupakan suatu komponen elektronika yang materialnya  memiliki  kemampuan  untuk  dapat  menghasilkan energy  listrik  ketika  pada  permukaan  piezoelektrik  diberikan tekanan  mekanik.  Piezoelektrik  memiliki  material  yang tersusun  atas  molekul  krustal,  keramik,  atau  polimer  yang apabila  ndiberi  tekanan  dapat  menghasilkan  energy  listrik, kemampuan  inilah  yang  akan  dimanfaatkan  untuk  memanen energy listrik.
Efek  piezoelectric  merupakan  sebuah  kemampuan  suatu material  untuk  bergetar  apabila  diberikan  tegangan  pada material tersebut dan sebaliknya, apabila suatu material diberi tekanan  maka  material  tersebut  akan  menghasilkan  tegangan. Efek  piezoelectric  terjadi  jika  medan  listrik  tebentuk  ketika material  dikenai  tekanan  mekanik.  Pada  saat  medan  listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan  dengan  medan  listrik,  dihasilkan  dipol  yang terinduksi  dengan  molekul  atau  struktur  kristal  materi. Penyesuaian  molekul  akan  mengakibatkan  material  berubah dimensi. Fenomena tersebut dikenal dengan electrostriction.
Besarnya konsentrasi muatan listrik yang terbentuk dari efek piezoelectric  dapat  dinyatakan  dalam  dua  mode,  yaitu  charge mode dan voltage mode.  Tegangan dan Arus yang dihasilkan piezoelectric berbanding lurus dengan gaya yang diberikan dan berbanding terbalik dengan luas penampang bidang.

## Gambar 1. Piezoelektrik

## Arduino Uno
Arduino  Uno  merupakan  sebuah  board  mikrokontroler berbasis Atmega328 yang memiliki 14 pin digital input/output diantaranya terdiri dari 6 pin input sebagai output PWM, 6 pin input analog, osilator kristal 16 MHz, koneksi USB, jack power, ICSP  header,  dan  tombol  reset.  Untuk  menggunakan  arduino uno  cukup  dengan  menghubungkan  board  arduino  uno  ke komputer  dengan  menggunakan  kabel  USB  atau  dari  baterai untuk menjalankanya.

## Gambar 2. Arduino Uno

## Sensor Tegangan
Prinsip  kerja  modul  sensor  tegangan  ini  dapat  membuat tegangan input mengurangi 5 kali dari tegangan asli. Sehingga, sensor hanya mampu membaca tegangan maksimal 25  V bila diinginkan Arduino analog input dengan tegangan 5 V, dan jika untuk  tegangan  3,3  V,  tegangan  input  harus  tidak  lebih  dari 16.5 V.
Gambar 3. Modul Sensor Tegangan
Cara mengukur tegangan pada modul piezoelektrik, modul tegangan ini dirangakai secara pararel dengan piezoelektrik.

## Baterai
Baterai merupakan sebuah perangkat yang dapat mengubah energi  kimia  yang  disimpannya  menjadi  energi  Listrik  yang dapat digunakan oleh suatu perangkat Elektronik. Baterai atau akkumulator  adalah  sebuah  sel  listrik  dimana  didalamnya berlangsung  proses  elektrokimia  yang  reversible  (dapat berkebalikan) dengan efisiensinya yang tinggi. Yang dimaksud dengan  reaksi  elektrokimia  reversible  adalah  didalam  baterai dapat  berlangsung  proses  pengubahan  kimia  menjadi  tenaga listrik (proses pengosongan) dan sebaliknya dari tenaga listrik menjadi  tenaga  kimia  (proses  pengisian)  dengan  cara  proses regenerasi dari elektroda - elektroda yang dipakai yaitu, dengan melewatkan arus listrik dalam arah polaritas yang berlawanan didalam sel.

## Modul Bluetooth HC-05
Modul Bluetooth HC-05 adalah modul komunikasi nirkabel via bluetooth  yang dimana beroperasi pada frekuensi 2.4GHz dengan pilihan dua mode konektivitas.Mode 1 berperan sebagai slave atau receiver data saja, mode 2 berperan sebagai master atau dapat bertindak sebagai transceiver.
Pengaplikasian  komponen  ini  sangat  cocok  pada  project elektronika  dengan  komunikasi  nirkabel  atau  wireless    antara lain  aplikasi  sistem  kendali,  monitoring,  maupun  gabungan keduanya.
Gambar 4. Module Bluetooth HC-05

## III. METODE PENELITIAN

## A. Analisa Kebutuhan Hardware dan Software
Bahan  dan  peralatan  yang  dibutuhkan  dalam pembuatan  Sistem  Monitoring  Tegangan  Piezoelektrik Untuk  Pengisian  Baterai  Berbasis  Bluetooth  diantaranya Perangkat  Keras  (Hardware)  berupa  modul  Piezoelektrik, ponsel android, Modul Bluetooth, Modul sensor tegangan, RTC, Arduino Uno, Kabel Jujmper, PCB, baterai, Rectifier. Serta  perangkat  lunak  berupa  Arduino  IDE  (Integrated Development Environment) dan Aplikasi Blueserial.

## B. Perancangan Sistem
Secara  umum  sistem  yang  akan  dibuat  dapat digambarkan dengan Diagram Blok pada gambar 5.  Alur kerja  yang  digambarkan  dalam  Blok  Diagram  Sistem adalah Konversi energy mekanik menjadi energy listrik saat Modul  Piezoelektrik  diberikan  tekanan  ataupun  getaran yang kemudian tegangan keluaran dari modul piezoelektrik disearahkan  terlebih  dahulu  oleh  diode  rectifier  sebelum masuk ke baterai dan sensor tegangan, lalu mikrokontroler yaitu  Arduino  akan  membaca  data  tegangan  dan  waktu pengambilan  data  oleh  modul  sensor  dan  Modul  RTC tegangan  kemudian  dikirimkan  ke  android  melalui  modul Bluetooth HC-05.
Berikut gambaran umum system.
Gambar 5. Block Diagram Sistem C. Konfigurasi hardware Konfigurasi Hardware secara keseluruhan dapat digambarkan seperti gambar berikut:
Modul RTC
Gambar 6. Konfigurasi Hardware Secara Keseluruhan
Arduino UNO mendapat sumber tegangan dari baterai 9V. RX  dan  TX  modul  Bluetooth  dihubungkan  ke  TX  dan  RX Arduino  UNO  dan  mengambil  sumber  tegangan  (5V)  dari Arduino UNO. Data modul tegangan dihubungkan dengan PIN analog  IN0  dan  mengambil  sumber  tegangan  5v  pada Arduino.sedangkan Pin SDA dan SCL RTC mendapatkan Pin analog IN4 dan IN5 dan juga mengambil sumber tegangan 5v dari Arduino.

## D. Perancangan Mekanik Piezoelektrik
Modul yang  saya rancang merupakan perbaikan dari alat    yang    pernah  dibuat.  Dengan  ditambahkan  beberapa komponen  dan  memodifikasi  pada  susunan  sistem  dengan tujuan untuk memperbaiki dan menyempurnakan alat tersebut.
Gambar 7. Desain Mekanik Piezoelekterik
Perancangan Mekanik Piezoelektrik diatas dirancang dengan menempatkan Sterofoam di bagian bawah Piezoelektrik supaya piezoelektrik tidak mudah rusak dan juga berguna untuk memaksimalkan hasil getaran piezoelektrik.
Pembuatan  dan  perancangan  pada  prototipe  dengan pemanfaatan  sensor  piezoelektrik  sebagai  penghasil  sumber energi  terbagi  dua,  yaitu  dengan  penyusunan  secara  seri  dan paralel.  Perancangan  prototipe  dengan  menyusun  beberapa
sensor  piezoelektrik  yang  satu  dengan  yang  lain  untuk membentuk suatu generator pembangkit yang akan memberikan tegangan dan arus dengan menempelkannya pada gabus sebagai alas penompang agar sensor tidak rusak ketika di beri beban.
Namun  karna  tujuan  kita  adalah  menggunakan piezoelektrik untuk mencharging baterai maka kita membutuhkan  tegangan  yang  cukup  sehingga  piezoelektrik dirangkai secara pararel. diketahui jumlah total tegangan yang dihasilkan  pada  rangkaian  Pararel  adalah  penjumlahan tegangan yang dihasilkan tiap sensor piezoelektrik dan jumlah total arus adalah sama dengan arus yang dihasilkan tiap sensor piezoelektrik
Gambar 8. Rangkaian Piezoelektrik Secara Pararel
E. Pembuatan alat
Konfigurasi hardware keseluruhan pada perancangan hardware direalisasikan pada alat sebenarnya.
Gambar 9.Rangkaian Keseluruhan Alat
Rangkaian  keseluruhan  alat  yang  dibuat  yang  terdiri  dari Arduino Uno, Modul RTC, Bluetooth modul, Sensor Tegangan, Baterai Adaptor 9V, dan Terminal kabel.
F. Pembuatan Program Arduino
Program arduino ditulis dengan bahasa C menggunakan software Arduino IDE (Integrated Development Environment). Pada Arduino IDE terdapat 2 fungsi yaitu : 1. Fungsi void setup()
Papan Piezoelektrik Sterofoam Papan
Pada fungsi void setup() ini akan ditetapkan tipe data yang masuk, pin yang digunakan, juga menetapkan pin-pin tersebut sebagai output, seperti pada gambar berikut :
Gambar 10. Fungsi void setup() pada Arduino
2. Fungsi Program Utama
Program  utama  adalah  fungsi  looping  jika mendapat input data,  source code pada Arduino IDE seperti berikut :
Gambar 11. Tampilan Program Utama Arduino IV ANALISA DAN PEMBAHASAN Pengujian  dan  analisis  sistem  meliputi  dua  macam yaitu  pengujian  rangkaian  monitoring  tegangan  piezoelektrik dan  pengujian  sistem  piezoelectric  yang  telah  dibuat.  Pada
Pengujian  Sistem  Monitoring  digunakan  software  Blueserial untuk  menyambungkan  dengan  modul  Bluetooth  HC-05 supaya dapat membaca data tegangan pada ponsel android.
1. Pengujian Mekanik Piezoelektrik dan Sistem Monitoring
Pada  pengujian  pembaca  tegangan  dilakukan pengambilan data dari rangkaian sensor tegangan yang telah dibuat yang kemudian dicatat waktu pengambilan datanya oleh  RTC  dan  dikirim  oleh  modul  Bluetooth  HC-05. Rangkaian  tersebut  berfungsi  untuk  membaca  tegangan yang dihasilkan piezoelectric setelah melalui rectifier.
Sebelum  pengujian  dilakukan  instal  terlebih dahulu software blueserial pada ponsel android setelah itu hubungkan Bluetooth ponsel dengan modul Bluetooth HC- 05  lalu  buka  aplikasi  yang  sudah  diinstal  di  ponsel kemudian  hubungkan  dengan  Bluetooth  HC-05  maka dengan  otomatis  akan  menampilkan  data  tegangan  dari piezoelektrik.
Berikut  contoh  data  yang  sudah  diambil  pada aplikasi blueserial.
Gambar 12. Monitoring data tegangan lewat ponsel
Lewat  gambar  diatas  telah  terbukti  bahwa pengujian  Mekanik  Piezoelektrik  dan system monitoring  menggunakan  Bluetooth  HC-05  berhasil dan  data  telah  berhasil  diambil  dan  dapat  diketahui tegangan output dari piezoelektrik.
Berikut data yang didapatkan dari pengukuran rangkaian pembaca tegangan
Gambar 13. Data Tegangan Piezoelektrik
.

## V. KESIMPULAN
Berdasarkan  perancangan  sistem,  pembuatan  alat  serta  dari pengujian-pengujian  yang  telah  dilakukan  dapat  disimpulkan bahwa  piezoelektrik  untuk  mencharging  baterai  masih  bleum memadai karna tegangan yang dikeluarkan masih belum stabil dan  mungkin  perlu  dilakukan  penelitian  lebih  lanjut  untuk dapat  membuat  mekanik  piezoelektrik  yang  lebih  stabil  dan cukup memadai untuk pengisian baterai

## R EFERENSI
[1] Ahmad  Hendriawan,  D.  C.  (2014).  PIEZOELECTRIC SEBAGAI ALTERNATIF CATU DAYA TAMBAHAN PADA MOBIL LISTRIK . Inovtek, 26.
[2] Fahad Hermawan Widodo, M. R. (2017). System Design And  Monitoring  Current  Power  Generated  by Piezoelectric Floor for Battery Charging . e-Proceeding of Engineering, 795.
[3] Harriyantu, A. R. (2015). STUDI ANALISIS
GELOMBANG TEGANGAN PIEZOELEKTRIK.
[4] R.  Gustav  Rinaldi,  M.  A.  (2018).  PERBANDINGAN PENGISIAN  KAPASITOR  OLEH  PIEZOELEKTRIK DENGAN BATEREI . Prosiding SNFA , 2548.
[5] Yulia.E  ,Ekawati.E,  Nugraha  (2016)  POLISI  TIDUR
PIEZOELEKTRIK SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK  DENGAN  MEMANFAATKAN  ENERGI MEKANAIK
KENDARAAN BERMOTOR , j.Oto,Ktrl.Inst Vol 8 No 1 ,ISSN : 2085-2517
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00

## Data Tegangan Piezoelektrik