## SISTEM PEMBATAS DAYA PADA STOP KONTAK BERBASIS MIKROKONTROLER AT89C51

## Muhammad Rofiq, ST
Dosen STMIK ASIA Malang

## Abstraksi
Pelanggan  listrik  umumnya  tidak  memperhatikan  batas  maksimum  pemakaian  daya  listrik pda  sebuah  stop  kontak.  Hal  ini  dapat  mengakibatkan  kebakaran.  Untuk  itu  diperlukan  alat  untuk membatasi penggunaan daya listrik pada stop kontak.
Sistem pembatas daya ini terdiri dari sensor tegangan, sensor arus, ADC multi kanal (ADC 0809),  pengolah  data  (MCS51),  penampil  daya  (LCD  TM162ABC),  tombol  masukan  (keypad matrik  3x4),  pemutus  arus,  dan  buzer.  Data  daya  maksimum  ditentukan  melalui  tombol  keypad. Nilai  tegangan  dan  arus  diperoleh  dari  sensor  tegangan  dan  sensor  arus  yang  diubah  menjadi  data digital  oleh  ADC  sebagai  data  masukan  bagi  mikrokontroler.  Perhitungan  daya  diperoleh  dari perkalian  tegangan  dan  arus.  Sedangkan  nilai  tegangan  dan  arus  berdasarkan  akar  kuadrat  dari integral nilai sesaat kuadrat dibagi periode. LCD akan menampilkan daya maksimum dan sisa daya. Buzer akan berbunyi jika daya terukur melebihi daya maksimumnya dan pemutus arus bekerja jika daya  terukur  masih  lebih.  Dari  pengujian  yang  telah  dilakukan,  alat  ini  mampu  mengukur  daya hingga 500 W dengan nilai kesalahan rata-rata 1,6% - 6,1%.

## LATAR BELAKANG
Saat  ini  listrik  bisa  dikategorikan  sebagai  kebutuhan  pokok  manusia  karena  baik  industri besar  maupun  kecil  sangat  bergantung  dengan  adanya  pasokan  listrik,  begitu  pula  dengan  rumah tangga.  Hampir  bisa  dipastikan  bahwa  setiap  rumah  tangga  mempunyai  aliran  listrik  dari  PLN, terutama di kota-kota besar.
Namun,  konsumen  umumnya  tidak  pernah  memperhatikan  penggunaan  energi  listrik dengan  tepat.  Salah  satu  contohnya  adalah  pemakaian  stop  kontak.  Sering  kali  kita  melihat pemakaian  stop  kontak  dengan  beban  berlebih.  Misalnya,  sebuah  stop  kontak  digunakan  untuk televisi,  komputer,  lemari  es, rice  cooker ,  mesin  AC  atau  kadang-kadang  dengan  memakai  kabel perpanjangan  digunakan  pula  untuk  beban  dengan  daya  yang  besar.  Dengan  demikian,  bisa dipastikan kabel dalam stop kontak tersebut akan panas karena kapasitas kabel dalam mengalirkan arus tidak mencukupi. Hal ini bisa meng  akibatkan  kabel tersebut terbakar. Dan apabila tempat di sekitar  kabel  tersebut  merupakan  bahan  yang  mudah  terbakar,  seperti  kayu,  plastik,  dan  kertas, kebakaran yang lebih besar dapat terjadi.
Melihat  kenyataan  tersebut,  diperlukan  suatu  alat  yang  mampu  membatasi  besar daya maksimum yang dapat dicatu dari sebuah stop kontak. Jika daya yang terpakai sudah melebihi  batas  daya  yang  diperbolehkan  secara  otomatis  sambungan  listrik  untuk  stop kontak  tersebut  akan  terputus  tanpa  harus  memutuskan  aliran  listrik  utama.  Dengan demikian  resiko  kecelakaan  terutama  kebakaran  yang  diakibatkan  oleh  kelebihan  beban arus listrik dapat diperkecil.

## PERUMUSAN MASALAH
Penelitian  ini  ditekankan  pada:  (1)  bagaiamana  merancang  dan  membuat  rangkaian untuk  membatasi  daya  pada  stop  kontak  secara  otomatis,  (2)  bagaimana  me-rancang
dan membuat rangkaian pengubah sinyal analog menjadi digital sebagai masukan dari mikrokontroler,  (3)  bagaimana  menyu-  sun  dan  menerapkan  perangkat  lunak  sistem, (4) bagaimana merancang driver untuk mengendalikan relay dan buzzer

## PEMBATASAN MASALAH
Dalam penelitian ini diberikan batasan-batasan masalah sebagai berikut:
1. Perencanaan dan pembuatan perangkat keras dan perangkat lunak.
2. Peralatan hanya untuk membatasi pemakaian daya efektif pada stop kontak  sedangkan  energi listrik dan biaya penggunaan tidak dibahas.
3. Tidak membahas sistem tenaga secara keseluruhan
4. Tidak membahas catu daya

## TUJUAN PENELITIAN
Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk  membuat  alat  pembatas  daya  efektif  pada  stop kontak dengan menggunakan mikrokontroler

## TINJAUAN PUSTAKA
Dalam  suatu  rangkaian  listrik,  daya  merupakan  suatu  besaran  yang  penting.  Ukuran komponen  dan  pengelompokan  komponen  dalam  peralatan  eletronika  terutama  ditentukan  karena kebutuhan  untuk  menghilangkan  tenaga  listrik  yang  berubah  menjadi  panas.  Daya  yang dipergunakan  dalam  rangkaian  listrik  dapat  diperoleh  dari  tegangan  dan  arusnya.  Karena  menurut definisi v=dw/dq dan i = dq/dt , maka daya adalah: i v dt dq dq dw dt dw p . .   
Sehingga  daya  sesaat  merupakan  hasil  kali  tegangan  sesaat  dengan  arus  sesaat.  Secara matematika, arus efektif dinyatakan sebagai :
  T ef dt t i T I 0 2 ) ( 1
Pernyataan  serupa  berlaku  pula  untuk  tegangan.  Dengan  mengganti i dengan v akan diperoleh  nilai  efektif  untuk  tegangan  yang  berupa  fungsi  berulang  terhadap  waktu.  Nilai  efektif juga  dikenal  sebagai  nilai rms-root  mean  square sesuai  dengan  definisinya,  yang  jika  dibaca  dari belakang  akan  memberikan  garis  besar  proses  perhitungannya;  mula-mula  ordinat  gelombang dipangkatduakan, kemudian dihitung nilai rata-rata ordinat gelombang yang telah dipangkatduakan itu, dan akhirnya hasil tersebut diambil akar pangkat-duanya. (Budiono, 1995)
Transformator  adalah  suatu  peralatan  listrik  yang  tidak  berputar  yang  meneruskan  tenaga listrik dari satu rangkaian ke rangkaian yang lain dengan frekuensi yang sama dan dengan tegangan yang berubah melalui sirkit magnetik (Kong Tse, 2002)
Transformator arus dipergunakan dengan dihubungkannya dalam seri kumparan primernya dengan  beban,  kumparan  sekundernya  dihubungkan  dengan  sirkit  arus  dari  alat  pengukur  amper atau  alat  pengukur  watt.  Pada  dasarnya  prinsip  kerja  dari  transformator  arus  sama  dengan transformator  tegangan.  Arus  beban  sama  dengan  arus  yang  mengalir  pada  kumparan  primer. Dengan  adanya  impedansi  pada  kumparan  primer  maka  akan  timbul  tegangan.  Sesuai  dengan perbandingan  transformasi  maka  nilai  tegangan  yang  timbul  pada  kumparan  sekunder  tergantung dari perbandingan jumlah lilitan primer dan sekunder. (Soejana, 2000)
Rangkaian  pembagi  tegangan  berfungsi  sebagai  kalibrasi  tegangan  keluaran  dari  sensor tegangan  dengan range tegangan  masukan  ADC.  Bentuk  umumnya  dinyatakan  sebagai  berikut: Dalam suatu rangkaian yang terdiri dari n buah resistor yang dihubungkan seri dengan suatu sumber
v ,  tegangan v k yang  terdapat  antara  kutub  resistor R k adalah v R R R R v k k k . ... 2 1     (Mismail,
1995)
Penyearah  presisi  memancarkan  satu  polaritas  isyarat  masukan  dan  membalik  yang  lain.  Jadi dua  siklus-setengah  dari  suatu  arus  bolak-balik  dipancarkan  tapi  diubah  menjadi  berpolaritas tunggal pada keluaran rang-kaiannya. Penyearah presisi disebut juga rangkaian harga mutlak. Harga mutlak dari sebuah bilangan (atau tegangan) sama dengan besarnya tanpa memperdulikan tandanya. (Coughlin, 1994)
ADC  bekerja  berdasarkan  prinsip  komparator  dengan  membandingkan  analog  V in -nya  dengan V out DAC. Jika analog V in -nya lebih besar dari V out DAC maka keluaran op-amp (komparator) akan tinggi. Apabila masukan analog V in -nya lebih kecil dari output DAC maka keluaran op-amp rendah. Dengan kata lain pengkonversian sinyal analog pada ADC akan terus dibandingkan sampai didapat nilai yang sesuai dengan nilai masukan yang sesungguhnya. (Malvino, 1993)
Mikrokontroler  AT89C51  yang  diproduksi  oleh  ATMEL  Company  merupakan  salah  satu anggota keluarga dari MCS-51. IC jenis ini berorientasi pada kontrol yang dapat diprogram ulang. Mikrokontroler  AT89C51  mempunyai  karakteristik  utama  yaitu  CPU  dengan  lebar  data  8  bit, prosesor Boole untuk operasi logika 1 bit, ruang memori program sebesar 64 k byte, ruang memori data  sebesar  64  k byte, EPROM  sebesar  4  k byte untuk  memori  program  pada chip, RAM  sebesar 256 byte untuk  memori  data  pada  c hip, 32  jalur  bidirectional  (dapat  digunakan  sebagai  masukan atau  keluaran)  dan  setiap  jalur  bit  dapat  dialamati,  2  buah counter/timer 16  bit,  UART (Universal Asyncronous  Receiver  Transmitter)  full  duplex, 5  jalur  interupsi  dengan  2  tingkat  prioritas  yang dapat deprogram, osilator internal terdapat dalam chip (Atmel, 1997) Tipe  LCD  yang  digunakan  adalah  TM  162ABC  buatan Seiko  Instruments  Inc .  Tipe  ini mempunyai konsumsi daya rendah dengan menggunakan teknologi  CMOS dengan spesifikasi yaitu 16  karakter  dengan  5x7 dot  matrik  dan  kursor,  rasio  kerja:  1/16, p ower  On  Reset secara  otomatis, karakter  generator  ROM  8320  Bits,  karakter  generator  RAM  512  Bits,  antarmuka  dengan  MPU empat bit dan delapan bit, tegangan masukan sebesar 5V  10%
Transistor  merupakan  suatu  komponen  aktif  semikonduktor  yang  bekerja  menggunakan  aliran elektron di dalam bahannya. Transistor terdiri dari tiga daerah semikonduktor. Untuk transistor tipe NPN  terdiri  dari  daerah  emitor  tipe  n,  daerah  basis  tipe  p,  dan  daerah  kolektor  tipe  n.  Sedangkan tipe PNP, terdiri dari daerah emitor tipe p, daerah kolektor tipe p, dan daerah basis tipe n. Transistor menggunakan 2 persambungan pn yaitu persambungan emiter basis (EBJ) dan kolektor basis (CBJ). (Malvino, 1996)
Relay merupakan  actuator  elektromekanis  yang  bekerja  menggunakan  elektromagnet.  Relay pada sistem ini digunakan sebagai sebagai penghubung dan pemutus arus beban. Relay sebenarnya adalah saklar yang dikendalikan secara elektronik. (Soejana, 2000)
Untuk  proses  pengintegralan  digunakan  pendekatan  dengan  menggunakan  metode  aturan trapesium. Untuk perhitungan akar kuadrat digunakan metode Newton Raphson . Secara lebih umum kita  mempunyai  algoritma  yang  disebut  juga  suatu rumus  rekursi atau  suatu skema  iterasi
) ( ' ) ( 1 r r r r x f x f x x    (Purcell, 1999)

## METODOLOGI PENELITIAN
Perancangan  alat  pada  dasarnya  menggunakan  data  sekunder  dari  literatur  tetapi  jika  data sekunder ini tidak tersedia, percobaan awal dilakukan untuk memperoleh data primer. Perancangan dilakukan dengan menggunakan pendekatan moduler mulai dari masukan menuju keluaran. Metode ini digunakan baik untuk perancangan perangkat keras maupun perangkat lunak.
Hasil rancangan yang berupa rangkaian per blok diimplementasikan menjadi satu kesatuan pada sebuah  PCB  ( Printed  Circuid  Board ).  Layout  PCB  tersebut  dibuat  dengan  menggunakan  Program Protel  98.  Perangkat  lunak  yang  dirancang  dalam  bentuk  diagram  alir  diimplementasikan  sebagai program  Assembler  dengan  menggunakan  Program  Pinnacle.  Untuk  memasukkan  program  ini  ke mikrokontroller digunakan emulator HB2000.
Pengujian  dilakukan  terhadap  modul-modul  sistem  dengan  cara  mengevaluasi  hasil  keluaran tiap  modul  untuk  masukan-masukan  tertentu  berdasarkan  rancangan  yang  telah  dibuat.  Setelah masing-masing  blok  bekerja  sesuai  dengan  spesifikasi  yang  diinginkan,  dilakukan  pengujian keseluruhan sistem yang berupa alat yang sudah jadi.

## PERENCANAAN DAN PEMBUATAN ALAT 1. Blok diagram sistem
Blok diagram sistem secara keseluruhan ditunjukkan dalam Gambar 1.

## Gambar 1 Blok diagram sistem pembatas daya pada stop kontak

## 2. Perencanaan Perangkat Keras

## Sensor tegangan
Rangkaian  sensor  tegangan  ini  terdiri  dari  transformator step  down ,  rangkaian  pembagi tegangan,  dan  penyearah  presisi  atau  rangkaian  harga  mutlak.  Pada  sisi  primer  transformator digunakan  tegangan  pada  0–220V  sedangkan  pada  sisi  sekunder  digunakan  tegangan    0  –  6V. Untuk  meng  kalibrasi  tegangan  agar  sesuai  tegangan  masukan  ADC  maka  digunakan  rangkaian pembagi tegangan dengan menggunakan  resistor variabel yang direncanakan sebesar 10kΩ. Besar tegangan keluaran dari rangkaian pembagi tegangan diperoleh dengan memperhatikan perancangan ADC.

## Sensor arus
Rangkaian sensor arus ini terdiri dari trafo arus dan rangkaian penyearah presisi-rangkaian harga mutlak. Dengan daya efektif maksimum 1300W maka arus efektif maksimum yang mengalir pada beban sebesar 6,95A. Perhitungan nilai arus efektif maksimum diatas diperoleh dengan asumsi nilai tegangan efektif sebesar 220V dan faktor daya (cos θ) sebesar 0,85. Nilai faktor daya sebesar 0,85 ini merupakan nilai standar PLN dalam perkiraan beban untuk rumah tangga.

## ADC 0809
Rangkaian  ADC  berfungsi  sebagai  data  masukan  bagi  mikrokontroler  dalam  pembacaan sinyal  analog  dari  sensor  tegangan  maupun  sensor  arus.  Tipe  yang  dipakai  dalam  perancangan  ini
adalah  ADC  0809 . Masukan  analog  yang  digunakan  sebanyak  2  buah  yaitu  IN 0 untuk  rangkaian sensor tegangan dan IN 1 untuk rangkaian sensor arus.

## Mikrokontroler AT89C51
Sistem mikrokontroler beserta komponen pendukungnya secara lengkap ditunjukkan dalam Gambar 2
Gambar 2 Rangkaian sistem mikrokontroler beserta komponen pendukungnya

## LCD
Jalur  data  LCD  dihubungkan  dengan  p2  mikrokontroler.  Sedangkan  sebagai  sinyal-sinyal kontrol, p3.5 sebagai jalur kontrol RS ( Register Selection ) dan p3.6 sebagai jalur EN ( enable ). Jalur kontrol W R/ dihubungkan langsung ke ground sebab mode operasi yang dilakukan selalu operasi penulisan  ke  register  instruksi  maupun  register  data  internal  modul  LCD.  Dengan  mengubah  nilai V EE meng-gunakan  potensiometer  akan  diperoleh  tingkat  kecerahan  yang  berbeda  pada  tampilan LCD. Dioda dipasang antara V CC dan terminal BL+ untuk mencatu lampu latar tampilan LCD pada tegangan 4,3 V. Sehingga akan diperoleh tingkat kecerahan yang sesuai dengan yang diinginkan.

## Keypad Matrik 3x4
Keypad  matrik  3x4  disini  artinya  terdapat  3  jalur  kolom  dan  4  jalur  baris  sehingga  akan membentuk  matriks  3X4  sama  dengan  menghasilkan  12  kode  yang  berbeda.  Rangkaian  keypad dihubungkan dengan p1.0–p1.6 pada mikrokontroler.

## Rangkaian Buzer
Rangkaian  buzer  berfungsi  sebagai  tanda  bahwa  daya  efektif  yang  terukur  melebihi  batas daya  efektif  maksimum  yang  telah  ditentukan.  Rangkaian  buzer  ini  menggunakan  transistor  serta aktif-tidaknya transistor dikendalikan oleh mikrokontroler pada pin p3.0.
Relay
Rangkaian relay ini  berfungsi  sebagai  pemutus  dan  penghubung  arus  beban  yang  terdiri dari transistor dan relay . Basis transistor ini dihubungkan dengan p1.7 sebagai pengendali dari aktif tidaknya  transistor. Relay yang  digunakan  adalah  jenis  SPDT  dengan  kondisi  normal  terbuka. Spesifikasi relay seperti  yang  tertera  adalah  tegangan  koil  12  V DC ,  arus  koil  50  mA,  dan  mampu dibebani arus sampai 10 A, serta tegangan AC sampai 220 V

## 3. Perancangan Perangkat Lunak
Pusat pengendali dari alat ini adalah mikrokontroler Atmel AT89C51. Dalam perancangan perangkat lunaknya menggunakan bahasa assembler.

## Diagram Alir Program Utama
Pada diagram alir program utama menjelaskan secara keseluruhan proses  sistem mulai dari awal dihidupkan. Flow chart untuk progran utama ditunjukkan dalam Gambar 3.

## Gambar 3  Flow chart program utama

## PENGUJIAN
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui tingkat keberhasilan perancangan alat. Pengujian yang  dilakukan  meliputi  pengujian  tiap  blok  rangkaian  dan  keseluruhan  sistem.  Hasil  pengujian kemudian dibandingkan dengan perancangan, dan selanjutnya dianalisa.
Pengujian rangkaian meliputi :
 Pengujian keypad, LCD, dan mikrokontroler
 Pengujian sensor tegangan
 Pengujian sensor arus
 Pengujian ADC
 Pengujian driver buzer
 Pengujian driver relay
 Pengujian keseluruhan

## Analisis
1. Dari  hasil pengujian  keypad, LCD, dan mikrokontroler didapatkan bahwa tampilan pada  LCD sesuai  dengan  penekanan  tombol  pada  keypad.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa  komunikasi keypad-LCD berfungsi dengan baik.
2. Pengujian sensor tegangan sesuai dengan data masukan pada ADC
3. Pengujian  sensor  arus  menunjukkan  bahwa  tegangan  pada  sisi  sekunder  trafo  arus  arus mengalami  perubahan  sesuai  dengan  perubahan  arus  pada  sisi  primernya.  Dalam  hal  ini tegangan  tidak  selalu  linier  dengan  perubahan  arus  pada  sisi  primer  sehingga  hasil  dari pengukuran merupakan hasil pendekatan yang akan dikompensasi pada perangkat lunaknya.
4. Pada  pengujian  ADC,  dengan  membandingkan  hasil  pengujian  dan  perhitungan,  maka didapatkan kesalahan maksimumnya sebesar 1 LSB.
5. Pada pengujian driver buzzer, sudah sesuai dengan hasil perhitungan pada perancangannya dan buzer bekerja saat ada perubahan pada p3.0.
6. Pada pengujian relay , relay bekerja saat ada perubahan logika pada p1.7
7. Pada  pengujian  keseluruhan,  ketelitian  alat  berkisar  1,6%  -  6,1%.  Hal  ini  diakibatkan  oleh perubahan arus yang tidak linier dengan perubahan tegangan pada sisi sekunder trafo arus. Serta perubahan arus yang kecil mengakibatkan tegangan pada sisi primer trafo arus juga mengalami perubahan yang kecil  sehingga tegangan induksi yang dihasilkan juga kecil.

## KESIMPULAN DAN SARAN HASIL PENELITIAN

## 1.   KESIMPULAN
a. Buzer akan berbunyi jika hasil pengukuran melebihi nilai yang telah ditentukan.
b. Relay bekerja setelah ada tanda peringatan buzzer apabila nilai terukur melebihi nilai yang ditentukan.
c. Ketelitian alat berdasarkan hasil pengujian secara keseluruhan berkisar antara 1,6%-6,1%.
2.   SARAN
a. Karena  arus  beban  yang  mengalir  kecil  sehingga  tegangan  induksi  yang  dihasilkan  juga kecil.  Akibatnya  perubahan  daya  dibawah  50  W  kurang  terdeteksi.  Untuk  itu  lebih  baik digunakan sensor arus yang lebih bagus.
b. Dalam  pengembangan  selanjutnya  perlu  dipertimbangkan  analisis  pada  kondisi  hubung singkat  karena  metode  perhitungan  yang  tidak  memungkinkan  untuk  menganalisis  kondisi hubung singkat.

## DAFTAR PUSTAKA
Atmel, 1997. AT89C51 8-bit Mikrokontroler with 4K Byte flash : http://www.atmel.com Coughlin, Robert F dan Frederick F. Driscoll. 1994. Penguat Operasional dan Rangkaian Terpadu Linear, Edisi kedua, Terjemahan Herman Widodo S. Jakarta: Erlangga Kong Tse, Chi. 2002. Analisis Rangkaian Linear . Jakarta : Erlangga
Malvino, Albert Paul. 1993. Elektronika Komputer Digital Pengantar Mikrokomputer , Edisi kedua, Alih bahasa Tjia may On . Jakarta: Erlangga Malvino,  Albert  Paul.  1996. Prinsip-Prinsip  Elektronik,  Edisi  kedua,  Terjemahan  Hanapi Gunawan. Jakarta: Erlangga
Mismail, Budiono. 1995. Rangkaian Listrik, jilid 1. Bandung : ITB
Nalwan, Paulus Andi. 2003. Panduan Praktis Teknik Antarmuka dan Pemrograman Mikrokontroler AT89C51. Jakarta: PT Elek Media Komputindo
National  Semiconductor.  1999. ADC0808,ADC0809 8-bit  P  compatible  A/D  Converter    with  8- Channel Multiplexer.
http://www.national.com
Purcell,  Edwin  J  dan  Dale  Varberg.  1999. Kalkulus  dan  Geometri  Analitis, jilid  1.  Jakarta  : Erlangga
Seiko Instruments. 1987. Liquid Crystal Display Module TM162ABC6 User Manual.
http://www.alldatasheet.com /TM162ABC.pdf, 1987
Soejana. 2000. Pengukuran Alat-alat Listrik . Jakarta : Erlangga Wakeman,  Larry.  2002. Using  the  ADC  0808/0809  Compatible  A/D  Converter  with  8-Channel Analog Multiplexer : National Semiconductor.