## Sistem Kontrol Otomatik Pembatasan Daya Listrik Berbasis Mikrokontroler PIC18F4520
N.A Aprianti 1 , I.W Fathona 1 , Suprijadi 2 , M. Budiman 1 , dan Khairurrijal 1,#
1 KK Fisika Material Elektronik,
2 KK Fisika Teoretik Energi Tinggi dan Instrumentasi,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung
Jalan Ganesa 10, Bandung 40132
# krijal@fi.itb.ac.id
Received date : 5 November 2010 Accepted date : 8 November 2010

## Abstrak
Sistem  kontrol  otomatik  yang  diterapkan  untuk  membatasi  daya  listrik  telah  dirancang  dan dikembangkan  berbasis  mikrokontroler  PIC18F4520.  Dalam  melakukan  pengontrolan,  sistem tersebut  menggunakan  aksi  kontrol  on-off.  Sebagai  aktuator  digunakan  Triac  beserta  drivernya sedangkan  sensornya  menggunakan  sensor  arus  berbasis  efek  Hall.  Sistem  tersebut  dilen gkapi keypad untuk memasukkan set point arus dan peraga LCD untuk memantau arus yang terukur. Dari pengujian  yang  telah  dilakukan,  ditunjukkan  bahwa  sistem  telah  berjalan  baik.  Aksi  kontrol  PID (proporsional-integral-diferensial)  disarankan  menggantikan  on-off  untuk  pengontrolan  yang  lebih baik.
Kata  kunci:  Aksi  kontrol  on-off,  Kontrol  otomatik,  Mikrokontroler  PIC18F4520,  Pembatas  Daya, Sensor efek Hall, Triac

## Abstract
Automatic control system for controlling the electronic power has been designed and developed based on microcontroller PIC18F4520 and on-off control action. This system uses Triac and its driver as an actuator and Hall Effect-based current sensor. This system also provided with  a keypad to  enter the set  point  current  and  LCD  display  to  monitor  the  flow  measured.  From  the  testing  that  has  been conducted,  it  was  showed  that  the  system  has  been  running  well.  PID  (proportional-integral- differential) controller is suggested to replace the on-off controller for better controlling.
Keywords: on-off control action, Automatic control, Microcontroller PIC18F4520,  Power restrain, Hall Effect sensor, Triac

## 1 Pendahuluan
Kontrol  otomatik  pada  umumnya  sangat  diperlukan  dalam  bidang  industri.  Di  samping dibutuhkan  pada  pesawat  ruang  angkasa,  peluru  kendali,  sistem  pengemudian  pesawat, dan  sebagainya,  kontrol  otomatik  juga  telah  menjadi  bagian  penting  dan  terpadu  dari proses-proses  dalam  pabrik  dan  industri  modern,  seperti  pengontrolan  tekanan, temperatur,  kelembaban,  viskositas,  dan  aliran  dalam  industri  proses,  pengerjaan  dengan mesin  perkakas,  penanganan,  dan  perakitan  bagian-bagian  mekanik  dalam  industri manufaktur  [1].  Selain  itu  kontrol  otomatik  pun  kini  telah  banyak  diterapkan  dalam kehidupan sehari-hari [2][3].
Solusi yang biasa digunakan masyarakat untuk membatasi daya yang mengalir dalam suatu alat listrik termasuk lampu adalah menggunakan mini circuit  breaker (MCB).  Dengan MCB,
arus  yang mengalir akan diputus bila melampaui arus maksimum yang  diizinkan oleh MCB tersebut.  Ada  keperluan  di  masyarakat  untuk  menyalakan  minimum  satu  dan  maksimum lima  lampu,  dengan  daya  lampu  berbeda -beda  dari  kelima  lampu  tersebut,  di  dalam jaringan  listrik  yang  sama  dengan  daya  total  yang  dibatasi  secara  otomatis.  Solusi konvensional dengan memasang lima buah MCB biasa pada  setiap lampu tidak menjawab keperluan  masyarakat  terseb ut.  Yang  diperlukan  dengan  demikian  suatu  sistem  MCB cerdas dengan daya maksimum yang dapat diatur.
Makalah  ini  melaporkan  rancangan  sistem  MCB  cerdas  untuk  lima  lampu  menggunakan sebuah  mikrokontroler  PIC18F4520.  Dari  rancangan  tersebut,  sistem  kemudian  dibangun dan diuji.

## 2 Rancang - Bangun Sistem
Untuk  merancang  MCB  cerdas,  cara  kerja  MCB  konvensional  harus  diketahui. Sesungguhnya  MCB  adalah  sebuah  saklar  on -off  yang  akan  membuat  saklar  tersebut menjadi  off  bila  arus  yang  melalui  MCB  tersebut  sama  dengan  atau  lebih  besar  dari  yang diizinkan.  Saklar  elektronik   triac  digunakan  untuk  menggantikan  MCB  konvensional tersebut.  Triac  memiliki  3  buah  kaki:  MT1  ( main  terminal 1)  dan  MT2  ( main  terminal 2) yang  dihubungkan  ke  jaringan  listrik  serta  G  ( gate )  yang  bertindak  memicu  sehingga  MT1 dan MT2 terhubung (saklar on) .
Gambar 1 Skema triac
Agar  saklar  elektronik  triac  menjadi  cerdas,  maka  harus  ada  sebuah  sensor  yang  mampu membaca  arus  yang  mengalir  dan  memberitahukan  kepada  sistem  kontrol  utama  untuk mengambil  tindakan  memberi  tegangan  kepada  kaki  G  agar  membuka  saklar  elektronik tersebut.  Sistem  kontol  utama  dirancang  berasal  dari  mikrokontroler.  Aksesoris  lain  yang membantu  fungsi  mikrokontroler  sebagai  sistem  kontrol  utama  adalah  (1)  sebuah  keypad sehingga  parameter  kontrol  dapat  dimasukkan,  (2)  peraga  LCD  yang  digunakan  untuk memantau  parameter  yang  telah  dimasukkan  maupun  besar  arus  yang  mengalir,  dan  (3) sistem  komunikasi  serial  (RS  232)  yang  memudahkan  komunikasi  antar  mikrokontroler tersebut dan sebuah komputer.
Karena  mikrokontroler  pada  umum nya  mengalirkan  arus  yang  lemah  sehingga  tidak mungkin secara  langsung dapat memicu triac, maka penggerak ( driver ) bagi triac tersebut diperlukan.  Kemudian,  pada  umum nya  keluaran  sensor  arus  adalah  analog  dan  harus diubah  menjadi  digital  oleh  analog  to  digital  converter  (ADC)  agar  dapat  dibaca  oleh mikrokontroler tersebut. Seringkali juga antara sensor dan ADC harus disediak an rangkaian pengkondisi  sinyal  agar  level  tegangan  siap  diterima  oleh  ADC  tersebut.  Dengan  memilih mikrokontroler PIC18F4520, seluruh keperluan dalam rancangan tersebut tersedia.
Gambar 2 Mikrokontroler PIC18F4520 dan lambang fungsi 40 kakinya
Mikrokontroler  PIC18F4520  merupakan  salah  satu  jenis  mikrokontroler  yang  berbasis arsitektur  RISC ( Reduced Instruction  Set  Computer ) dengan hanya 75 instruksi yang dapat beroperasi  hingga  frekuensi  40  M Hz.  Ia  memiliki  teknologi flash  memory sehingga  dapat diprogram-hapus  hingga  seratus  ribu  kali  bahkan  fungsinya  sebagai  EEPROM  hingga  satu juta  kali  baca-tulis  dengan  kapasitas  memori  program   32  kB/16  ribu  lebih  instruksi  dan memori  data  lebih  dari  1,5  kB.  Ia  juga  dilengkapi  5  port  I/O  dengan  fungsi  pokok  sebagai input/output  dan  fungsi  tambahan  lainnya  dan  mampu  menangani  20  sumber interrupt dengan tingkat prioritasnya. Dari segi arsitekturnya, mikrokontroler ini teroptimasi com piler C.  Selain  itu,  ia  telah  dilengkapi  dengan  berbagai  macam  modul  internal  yang  memiliki kemampuan  yang  cukup  baik  seperti:  13  kanal  ADC  10  bit,  modul Enhanced  Addressable USART  ( Universal  Synchronous-Asynchronous  Receiver  Transmitter )  yang  mendukung komunikasi  serial  RS  485,  RS  232  dan  protocol  bus  LIN  1.2,  modul  MSSP  ( Master Synchronous Serial  Port ) yang mendukung komunikasi 3-wire  SPI 4 modus dan I 2 C modus master dan slave ,  modul  ECCP  ( Enhanced  Capture/Compare/PWM )  ,  dan  4  buah Timer . Gambar  mikrokontroler  PIC18F4520  40  kaki  dan  lambang  fungsional  kakinya  diberikan dalam Gambar 2 [4].
Akhirnya, blok rancangan sistem kontrol otomatik pembatasan daya listrik lima buah lampu berbasis  mikrokontroler  PIC18F4520  ditunjukkan  dalam  Gambar  3.  Karena  prototipe sistem ini hanya membatasi daya kelima lampu tersebut hingga 200 watt, maka triac  yang digunakan  adalah  BT136  dari  Philips  Semiconductors  [5],  driver  yang  cocok  adalah MOC3020  yang  terisolasi  secara  optik  dari  Fairchild  Semiconductors  [6],  dan  sensor arusnya  adalah  UGN  3503  yang  memanfaatkan  efek  Hall  dari  Allegro  Microsystems  [7]. Rangkaian  pengkondisi  sinyal,  yang  sesungguhnya  adalah  sebuah  penguat,  dibuat  untuk menyesuaikan  tegangan keluaran sensor arus  UGN 3503 dengan ADC dari mikrokontroler PIC18F4520.
ADC PORT E PORT D PORT C PORT B P O R T C PIC18F4520 P O R T A LCD PC KEYPAD R A N G K A IA N P E N G K O N D IS I S IN Y A L LAMPU 1 LAMPU 2 LAMPU 3
LAMPU 4 LAMPU 5 TRIAC 1 TRIAC 2 TRIAC 3 TRIAC 4
TRIAC 5 SENSOR ARUS SUMBER PLN 3 8 2 8 R S 2 3 2 5 1 DRIVER TRIAC 1 DRIVER TRIAC 2 DRIVER TRIAC 3 DRIVER TRIAC 4 DRIVER TRIAC 5
Gambar 3 Diagram blok sistem kontrol pembatasan daya listrik
Gambar 4 Rangkaian baku untuk menjalankan mikrokontroler PIC18F4520
Pada  rangkaian  baku  yang  diberikan  dalam  Gambar  4,  terdapat  saklar  tekan S1  yang berfungsi untuk menstart/menstop aksi hasil pemograman dengan mengaktifkan interrupt di kaki RB0/INT dan saklar tekan lain S2 untuk mereset program (MCLR).
Tabel 1 Peruntukan port mikrokontroler PIC18F4520 Port Kaki I/O Fungsi A A0 I Dari keluaran sensor B B1, B2, B3, B4, B5, B6, B7 I Dari keypad 3x4 C C1, C2, C3, C4, C5 C6, C7 O O/I Ke 5 driver triac Komunikasi serial D D0, D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7 O Ke LCD 2x16 (data) E E0, E1, E2 O Ke LCD (kontrol)
Rancangan  juga  telah  mendefinisikan  peruntukan  port  mikrokontroler   dalam  Gambar  5 seperti  diperlihatkan  dalam  Tabel  1.  Kaki  RA0  (port  A  kaki  A0)  dipilih  untuk  menerima keluaran  sensor  arus  UGN  3503  setelah  melalui  rangkaian  pengkondisi  sinyal.  Kaki  RB1 hingga  RB7  (port  B  kaki  B0  sampai  dengan  B7)  menerima  sinyal  dari  keypad.  Kaki  RC1 hingga  RC5  mengeluarkan  sinyal  yang  diberikan  ke  masing-masing  driver  triac  MOC3020, sedangkan  kaki  RC6  dan  RC7  terhubung  langsung  dengan  modul  USART  yang  digunakan untuk  komunikasi  serial  RS-232  dengan  computer  (PC).  Untuk  menampilkan  huruf/angka (alfanumerik)  pada  LC D,  port  D  (RD0  sampai  dengan  RD7)  digunakan  untuk  memberikan data  alfanumerik  tersebut  dan  jalur  kontrolnya  menggunakan  port  E  yang  hanya  tiga  kaki RE0  sampai  dengan  RE2.  Rancangan  program  utama  untuk  menjalankan  fungsi mikrokontroler tersebut sebagai pengontrol lampu dengan aksi kontrol on-off diberikan oleh diagram alir dalam Gambar 5.
Karena ada lima lampu dan penyalaannya dibuat sesuai dengan keinginan yang memenuhi aturan berikut:
1. Lampu  yang  memiliki  daya  terbesar  merupakan  prioritas  pertama  yang  tidak  boleh padam
2. Apabila  terdapat  beberapa  lampu  yang  memiliki  nilai  daya  yang  sama  maka  urutan prioritas  bergantung  pada  urutan  lampu  tersebut  (urutan  lampu  yang  paling  awal memiliki prioritas paling tinggi diantara lampu lainnya).
3. Aturan  tersebut  dituangkan  dalam  diagram  alir  yang  diberikan  dalam  Gambar  6  yang digunakan untuk menggantikan blok “Aksi kontrol” dalam diagram alir di Gam bar 5.
Gambar 5 Diagram alir program utama pengontrolan dengan aksi kontrol of-off
Gambar 6 Diagram alir program pembuatan prioritas penyalaan lampu
Gambar 7 Rangkaian lengkap sistem kontrol yang dibangun. Lampu A, B, C, D, E diurut dari kiri ke

## kanan
Akhirnya,  rangkaian  lengkap  sistem  kontrol  otomatik  pembatasan  daya  listrik  untuk  5 lampu  yang  telah  dibangun  berdasarkan  rancangan  sebelumnya  diperlihatkan  dalam Gambar 7. Lima lampu  yang telah dipasang berdaya total 160 watt seperti diberikan dalam Tabel 2, sehingga dengan aturan  yang dibuat prioritas lampu juga ditunjukkan dalam tabel yang sama.
Tabel 2 Urutan dan skala prioritas rangkaian lampu Lampu A B C D E Daya (W) 15 40 15 75 15 Prioritas 3 2 4 1 5

## 3 Hasil Uji Sistem dan Pembahasan
Hasil pengujian terhadap sistem kontrol otomatik pembatasan daya listrik pada lima lampu dengan  daya  total  160  watt  telah  dilakukan.  Bila set  point dibuat  sama  dengan160  watt, maka seluruh lampu menyala seperti diperlihatkan dalam Gambar 8.  Hasil pengamatan ini sesuai dengan rancangan karena daya total 160 watt dan set point juga 160 watt.
Untuk set point sama  dengan 110 watt,  yang menyala hanya lampu B dan  D  dengan daya 115  watt  seperti  diperlihatkan  dalam  Gambar  9.  Ini  berarti  bahwa  daya  total  lampu  115 watt sedikit lebih tinggi dari set point sebesar 110 watt. Kesalahan ini karena sifat dari aksi kontrol on-off yang  digunakan. Namun demikian kesalahan tersebut masih  dalam toleransi yang diperkenankan dalam aksi kontrol tersebut .
3 2
4 1 5
Gambar 8 Penyalaan sistem lima lampu untuk set point sama dengan atau lebih dari 160 watt
Gambar 9 Penyalaan sistem lima lampu untuk set point sama dengan dari 110 watt
Untuk set point sama  dengan 110 watt,  yang menyala hanya lampu B dan  D  dengan daya 115  watt  seperti  diperlihatkan  dalam  Gamb ar  9.  Ini  berarti  bahwa  daya  total  lampu  115 watt sedikit lebih tinggi dari set point sebesar 110 watt. Kesalahan ini karena sifat dari aksi kontrol on-off yang  digunakan. Namun demikian kesalahan tersebut masih  dalam toleransi yang diperkenankan dalam aksi kontrol tersebut.
Tabel 3 Aksi kontrol daya listrik pada penggunaan daya sebesar 160 watt
Set point (W) 160 140 130 110 90 50 Lampu A (15 W) 1 1 1 0 0 0 Lampu B (40 W) 1 1 1 1 0 0 Lampu C (15 W) 1 1 0 0 0 0 Lampu D (75 W) 1 1 1 1 1 0 Lampu E (15 W) 1 0 0 0 0
0
Untuk  nilai set  point lain,  lampu-lampu  mana  saja  yang  teramati  menyala  ditunjukkan dalam Tabel 3. Dengan demikian, aksi kontrol on-off yang digunakan telah berfungsi  baik. Untuk  pencapaian  yang  lebih  baik  terhadap  nilai set  point ,  aksi  kontrol  sebaiknya  diganti menjadi PID (proporsional-integral-diferensial).

## 4 Kesimpulan
Kami  telah  merancang  dan  membangun  prototipe  sistem  kontrol  otomatik  pembatasan daya  listrik  berbasis  mikrokontroler  PIC18F4520.  Dalam  melakukan  pengontrolan,  sistem tersebut  menggunakan  aksi  kontrol  on-off.  Dari  hasil  pengujian,  didapatkan  bahwa  sistem telah  berjalan  baik.  Untuk  pengontolan  yang  lebih  baik  disarankan  menggunakan  aksi kontrol PID.

## 5 Daftar Pustaka
[1] K. Ogata, Teknik Kontrol Automatik, Jilid 1. Jakarta: Penerbit Erlangga, (1985).
[2] I.  Suryadi  and  R.  J.  Widodo,  “Control  Systems  in  Our  Daily  Life”,  in  IFIP  Advances  in Information and Communication Technology (D. Li, ed.), Volume 258, 2008.
[3] F.  Silva,  V.  Filipe,  and  A.  Pereira,  “Automatic  Control  of  Students'  Attendance  in Classrooms  Using  RFID”,  3rd  Int.  Conf.  Systems  and  Networks  Commun.  2008 (ICSNC '08) (Sliema, October 26-31, 2008), pp. 384-389.
[4] Microchip Technology Inc., “PIC18F2420/2520/4420/4520 Data Sheet”, 2004.
[5] Philips Semiconductors, “Product Specification Triac BT 136 Series”, 1997.
[6] Fairchild  Semiconductors,  “Optoisolators  Triac  Driver  Output  (250/400  Volt  Peak)”, 2002.
[7] Allegro  Microsystems,  “Linear  Hall-Effect  Sensors,  Application  Note  27702A,  1998.