26

BAB III

PERANCANGAN DAN REALISASI

3.1. Gambaran Umum Sistem

Sistem yang dirancang merupakan sistem pengatur intensitas cahaya lampu

Philips Master LED. Sistem ini dapat mengatur intensitas cahaya lampu baik secara

otomatis maupun secara manual. Perancangan terbagi atas 2 bagian, yaitu

perancangan perangkat keras, dan perancangan perangkat lunak. Perangkat lunak

terdiri atas 6 bagian, yaitu:

1. Modul catu daya

2. Modul zero crossing detector

3. Modul dimmer lampu

4. Modul TSOP

5. Modul mikrokontroler ATmega8

6. Modul PIR (Passive Infra Red) Paradox PA-465

Sedangkan perancangan perangkat lunak merupakan pemrograman terhadap

mikrokontroler yang berperan sebagai pengendali utama sistem.

27

Gambar 3.1. Blok diagram sistem

3.2. Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras

3.2.1. Modul catu daya

Modul catu daya menghasilkan tegangan sebesar 5 Volt DC dan 10

Volt DC. Masing-masing sumber tegangan tersebut berasal dari PLN sebesar

220 Vrms diturunkan menjadi 12 Vrms menggunakan trafo step down.

Tegangan tersebut kemudian disearahkan dengan rangkaian diode bridge dan

diratakan dengan kapasitor sehingga menghasilkan tegangan DC.

28

Gambar 3.2. Rangkaian catu daya 5 Volt DC dan 10 Volt DC

Dioda D1-D4 merupakan rangkaian penyearah tegangan berbentuk

sinyal AC. Saat siklus tegangan positif, arus akan dilewatkan oleh D1

kemudian arus balikannya dikeluarkan oleh D3. Sedangkan saat siklus

tegangan negatif, arus akan dilewatkan oleh D4 dan arus baliknya dikeluarkan

lewat D2. Dengan demikian, baik tegangan saat siklus positif maupun siklus

negatif disalurkan namun menjadi searah meskipun masih berbentuk setengah

sinusoida.

Kapasitor C0 berfungsi untuk meratakan tegangan yang telah

searahkan oleh rangkaian diode. Waktu pengisian kapasitor lebih cepat

daripada waktu pengosongannya sehingga tengangan kapasitor akan tetap

karena telah terisi kembali sebelum kapasitor kosong. Sedangkan C1 berfungsi

D1

1N4001 D2

1N4001 D3

1N4001

D4 1N4001

1 2

ACPWR_IN

100uF/25V C1

FB 4 ON/OFF 5 GND 3 IN 1

OUT 2 U1

LM2576T-ADJ 1000uF/10V C2

6.8k R2

2.2k R1

D5 1N5822

100uH L1

2200uF/25V C0

100uF/25V C1

FB 4 ON/OFF 5 GND 3 IN 1

OUT 2 U1

LM2576T-ADJ 1000uF/10V C2

8.2k R4

1.2k R3

D5 1N5822

100uH L1

29

sebagai menghilang riak tegangan pada masukan LM2576. Sesuai dengan

datasheet, nilai C1 yang direkomendasikan adalah 100 µF.

R1 dan R2 merupakan tahanan pembagi tegangan untuk feedback bagi

LM2576. Nilai ini menentukan nilai tegangan keluaran LM2576 sesuai

persamaan pada datasheet. Jika dipilih R1 = 2,2 k dan diinginkan tegangan

keluaran 5 Volt DC maka dapat dihitung R2 sebagai berikut:

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 (1 +𝑅2

𝑅1)

5 = 1,23 1 +𝑅2

2,2 k

𝑅2 = 5

1,23− 1 2,2 k

𝑅2 = 6,743 k

Nilai yang paling mendekati hasil perhitungan R2 adalah 6,8 k

dengan ralat 0,9 %.

Sedangkan untuk tegangan keluaran 10 Volt DC, dengan pemilihan

nilai R1 sebesar 1,2 kΩ dapat dihitung nilai R2 sebagai berikut:

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 (1 +𝑅2

𝑅1)

10 = 1,23 1 +𝑅2

1,2 k

𝑅2 = 10

1,23− 1 1,2 k

𝑅2 = 8,556 k

Sehingga dipasangkan R2 sebesar 8,2 k yang merupakan nilai

terdekat dengan hasil perhitungan dengan ralat sebesar 1 %.

30

Dioda D5 merupakan diode freewheel yang berfungsi menghilangkan

overshoot tegangan negatif. Overshoot tegangan negatif terjadi karena

induktansi magnetis yang muncul saat catu daya berkurang secara tiba-tiba.

Untuk keperluan ini perlu digunakan diode dengan kecepatan pensklaran yang

tinggi karena LM2576 bekerja dengan frekuensi pensaklaran 52 kHz. Selain

itu, D5 juga harus mampu menahan arus maksimum LM2576 sebesar 3 A dan

memiliki tegangan bias balik minimal 1,25 kali tegangan masukan

maksimum. Sehingga sesuai dengan datasheet, pada rangkaian ini dapat

digunakan diode schottky tipe 1N5822.

Induktor L1 berfungsi untuk menyimpan muatan saat pensaklaran

tersambung dan mengeluarkannya saat pensaklaran terputus. Sedangkan

kapasitor C2 berfungsi untuk memperhalus tegangan keluaran LM2576.

3.2.2. Modul zero crossing detector

Modul zero crossing detector pada sistem ini berfungsi untuk

mendeteksi keberadaan titik 0 (nol) Volt dari keluaran diode bridge. Dimana

tegangan keluaran diode bridge ini merupakan hasil penyearahan trafo step

down dengan tegangan sebesar 12 VRMS. Berikut gambar rangkaian zero

crossing detector.

31

Gambar 3.3. Rangkaian zero crossing detector

Gambar 3.4. Untai LM2576T-ADJ (5 Volt)

Transistor difungsikan sebagai saklar dengan memanfaatkan dua

keadaan transistor yaitu kondisi tersumbat (cut-off) dan jenuh (saturation).

Kondisi tersumbat terjadi saat IB = 0 A atau tidak ada arus masukan pada kaki

basis sehingga IC = 0 A sesuai dengan persamaan

ℎ𝑓𝑒 =𝐼𝐶

𝐼𝐵..…...……………………………………………………. (3.1)

Sedangkan kondisi jenuh terjadi saat IB = IB (saturasi), VBE = 0,7 Volt

dan VCE(saturasi) ≈ 0 Volt. Karena VCE ≈ 0 Volt maka tegangan keluaran =

VCC sehingga dapat diperoleh IC (pada saat saturasi) sebagai berikut:

100uF/25V C1

FB 4 ON/OFF 5 GND 3 IN 1

OUT 2 U1

LM2576T-ADJ 1000uF/10V C2

6.8k R2

2.2k R1

D5 1N5822

100uH L1

2200uF/25V

32

𝐼𝐶 =𝑉𝑐𝑐

RC .......……………………………………………………... (3.2)

𝐼𝐶 =5 𝑉

100Ω= 50 𝑚𝐴

Dari nilai IC tersebut dapat dihitung IB:

𝐼𝐵 =𝐼𝐶ℎ𝑓𝑒

𝐼𝐵 =50 𝑚𝐴

120= 416,67 µ𝐴

Dengan nilai IB diketahui, RB yang akan dipasang:

𝑅𝐵 = 𝑉𝐶𝐶− 𝑉𝐵𝐸

𝐼𝐵 ………………………………………………....... (3.3)

𝑅𝐵 = (5 − 0,7)𝑉

416,67 µ𝐴= 10,32𝑘Ω

Dengan demikian, dipasangkan resistor sebesar 10 kΩ yang mendekati

nilai 10.32 kΩ pada kaki basis dengan ralat sebesar 3,2 %.

3.2.3. Modul dimmer lampu

Modul dimmer terdiri dari 2 bagian utama, yaitu MOC 3020 dan

TRIAC BT136. MOC 3020 merupakan sensor optocoupler, yang berfungsi

sebagai pemisah antara rangkaian power dengan rangkaian kontrol.

Rangkaian kontrol yang dimaksud adalah mikrokontroler, sebagai pengatur

waktu ‘ON’ dan ‘OFF’ keluaran MOC 3020 ini. Sedangkan rangkaian power

menggunakan triac sebagai rangkaian pengendali tegangan yang masuk ke

lampu. Triac akan ‘ON’ ketika ada arus yang mengalir masuk ke gate, dan

menyebabkan semakin rendah tegangan ‘break over’nya. Triac akan ‘ON’

33

sampai tegangan MT1 dan MT2 sudah mencapai nol volt maka kondisi kerja

triac akan berubah dari ‘ON’ ke ‘OFF’.

Gambar 3.5. Rangkaian driver pengatur intensitas lampu

Setiap terdeteksi pulsa dari keluaran zero crossing detector,

mikrokontroler akan memicu kaki 1 MOC 3020. Mikrokontroler

menggunakan PWM (Pulse Width Modulation) untuk mengatur waktu ‘ON’

dan ‘OFF’ MOC 3020 ini. Lamanya waktu ‘ON’ diatur secara manual oleh

pengguna.

Gambar 3.6. Sinyal Output TRIAC

330

220V AC

BT136

mikrokontroler

OPTOISO

360

100

34

Cara di atas disebut pengendalian daya dengan pergeseran fase. Daya

pada beban dikendalikan dengan mengubah sudut hantar triac. Cara kerja triac

dalam pengendalian fase ini adalah dengan cara memotong sebagian luasan

dari tegangan AC yang berbentuk sinusoida, sebab triac dapat berubah dari

kondisi tidak menghantar ke kondisi menghantar dan sebaliknya.

Gambar 3.7. Pengendalian fase (phase controller)

Untuk mengaktifkan MOC 3020 diperlukan picuan arus pada kaki 1

sebesar 15-30 mA. Tegangan masukan led berasal dari keluaran port

mikrokontroler sebesar ± 5,06 Volt. Berdasarkan datasheet MOC 3020, LED

membutuhkan tegangan sebesar 3 Volt untuk mengaktifkannya. Sehingga

dapat dilakukan perhitungan terhadap Rin yang perlu dipasangkan pada

masukan MOC 3020.

Untuk perhitungan arus minimum IFT :

IFT = (Vin – Vdioda) / Rin ………………………………... (3.4)

15mA = (5,06 – 3) / Rin

Rin = 2,06V / 15mA

Rin = 137 Ω

35

Untuk perhitungan arus maksimum IFT :

IFT = (Vin – Vdioda) / Rin

30mA = (5,06 – 3) / Rin

Rin = 2,06V / 30mA

Rin = 68,667Ω

Sehingga dapat diketahui bahwa resistor yang dapat dipasang dengan

jangkauan 68,667 Ω ≤ Rin ≤ 137 Ω. Maka dari itu dipasangkan hambatan

sebesar 100Ω pada kaki inputan untuk memicu MOC 3020. Ketika MOC ini

aktif maka MOC akan mengeluarkan arus pada kaki 4 yang terhubung dengan

kaki gate triac dan menyebabkan triac ‘ON’.

3.2.4. Modul TSOP

Pada modul ini digunakan TSOP dengan seri 1238 yang memilliki

frekuensi carrier sebesar 38 kHz. TSOP ini digunakan untuk menerima data

yang dikirimkan oleh remote control. Berikut untainya:

Gambar 3.8. Rangkaian TSOP 1238

Nilai R1 yang digunakan sebesar 100Ω dan 4,7uF digunakan untuk

nilai pada kapasitor C1. Konfigurasi R1 dan C1 ini merupakan rekomendasi

36

dari pabrik yang berfungsi untuk mencegah terjadinya EOS (Electrical

Overstress). Electrical Overstress merupakan peristiwa dimana terjadi

kerusakan karena adanya arus atau tegangan yang besarnya melewati batas

kemampuan komponen.

Data yang dikirimkan oleh remote diterima oleh TSOP kemudian

dikirimkan ke mikrokontroler untuk diolah. Semua paket data yang

dikeluarkan remote control telah mengandung frekuensi carrier dan

dimodulasi dengan teknik PWM (Pulse Width Modulation). Pada perancangan

kali ini digunakan Timer 1 untuk menghitung lebar pulsa yang dikirimkan

remote. Lebar pulsa tersebut dihitung oleh mikrokontroler dengan ukuran 2

byte untuk tiap pulsa yang diterima. Kemudian byte tersebut digabungkan

sehingga dapat menjadi sebuah bit data yang nantinya digunakan untuk

diproses sebagai data remote.

Ada berbagai macam standar yang dapat digunakan untuk mendeteksi

paket datanya, diantaranya yang terkenal adalah protokol RC5 dan protokol

SIRC. Protokol RC5 digunakan oleh Philips, sedangkan protokol SIRC

(SONY TV Infrared Remote Control) digunakan oleh pabrikan Sony. Pada

modul TSOP ini digunakan pembacaan data remote dengan SIRC.

Sebuah paket data lengkap SIRC terdiri atas sebuah start bit dan 12 bit

data dan sebuah frame space yang memisahkan sebuah frame dengan frame

berikutnya. Dimana 12 bit data tersebut terbagi atas 7 bit command code (C6

– C0) dan 5 bit device code (D4 – D0). Protokol SIRC ini mengirimkan data

37

LSB terlebih dahulu, sehingga C0 adalah data pertama yang diterima setelah

start bit.

Gambar 3.9. Paket data yang dikirimkan protocol SIRC

(http://www.sbprojects.com/knowledge/ir/sirc.php)

Untuk mengidentifikasi start bit, pulsa yang dikirimkan sebesar 2,4

ms. Data ‘0’ diwakili dengan 0,6 ms tidak ada pulsa, dan 0,6 ms ada pulsa,

sehingga total waktu untuk mendeteksi data ‘0’ sebesar 1,2 ms. Sedangkan

data ‘1’ diwakili dengan 0,6 ms tidak ada pulsa, dan 1,2 ms ada pulsa,

sehingga total waktu yang dibutuhkan sebesar 1,8ms.

0,6ms 0,6ms 0,6ms 1,2ms

data ‘0’ data ‘1’

Gambar 3.10. Data ‘0’ dan data ‘1’ pada protokol SIRC

3.2.5. Modul mikrokontroler ATmega8

Pada modul ini, mikrokontroler ATmega8 digunakan untuk mengatur

dan mengolah beberapa data, yaitu:

1. Menerima data keluaran zero crossing detector.

38

Pulsa yang dihasilkan modul zero crossing detector

dimasukkan pada PORT D4 yang berfungsi sebagai interupsi

eksternal 1 (satu) ATmega8. Interupsi eksternal ini nantinya

digunakan sebagai penanda titik mulai waktu tunda yang diberikan

pada MOC 3020.

2. Mengolah data remote control melalui perantara TSOP 1238.

Data yang dikirimkan oleh remote control diterima

mikrokontroler dan dimasukkan pada PORT D3 yang berfungsi

sebagai interupsi eksternal 0 (nol). Sebuah paket data protokol

SIRC terdiri atas 1 start bit dan 12 bit data, sehingga untuk sebuah

paket data dilakukan interupsi eksternal sebanyak 13 kali.

Gambar 3.11. Interupsi remote control dan lebar pulsanya

Setiap kali interupsi terjadi, mikrokontroler akan mengaktifkan

Timer1 untuk melakukan perhitungan lebar pulsa untuk tiap

interupsi. Setelah perhitungan lebar pulsa itu dilakukan, dapat

diketahui data mana yang merupakan start bit dan data mana yang

merupakan bit data.

39

3. Mengatur lebar pulsa ‘ON’ dan ‘OFF’ untuk MOC3020.

Setelah mendapat interupsi eksternal dari modul zero crossing

detector, mikrokontroler akan mengaktifkan Timer 2 dengan nilai

pembanding sebesar OCR2. Untuk satu siklus, Timer 2 memiliki

waktu maksimal selama 10 mS. Lamanya lebar pulsa ‘ON’ dan

‘OFF’ bergantung pada besarnya OCR2. Keluarannya pada PORT

D7 akan diberikan pada input (kaki 1) MOC 3020 untuk

mengaktifkan MOC 3020.

4. Menerima dan mengolah data yang dari PIR Paradox PA-465.

Data yang dikirimkan oleh sensor ini berupa nilai logika ‘0’

atau ‘1’. Ketika data yang diberikan bernilai ‘0’ selama selang

waktu 3 menit, berarti sensor ini tidak mendeteksi adanya orang

dalam ruangan. Ketika dideteksi tidak ada orang dalam ruangan

maka mikrokontroler akan secara otomatis menonaktifkan lampu.

Tetapi apabila terdeteksi ada orang dalam ruangan, maka sensor ini

akan tetap bernilai ‘1’ dan lampu akan tetap menyala normal.

Pengendali mikro membutuhkan sumber osilator agar dapat bekerja.

Pada perancangan ini, digunakan osilator dengan kristal 11,0592 MHz dan

kapasitor 20 pF. Pemasangan osilator sesuai dengan gambar di bawah ini.

40

Gambar 3.12. Pemasangan osilator pada ATmega8

ATmega8 membutuhkan low-level reset jika akan me-reset ATmega8

secara manual, sehingga perlu ditambahkan sebuah rangkaian pe-reset pada

ATmega8 yang dihubungkan pada kaki RESET. Pada rangkaian tersebut

dipakai kapasitor 10 μF untuk menstabilkan tegangan pada kaki RESET,

supaya pengendali mikro tidak ter-reset bila catu daya tidak stabil (tiba-tiba

turun). Sedangkan resistor 10 kΩ berfungsi untuk menunda pengisian

kapasitor sehingga kaki RESET tetap mendapatkan tegangan < 0,9 Volt (batas

atas tegangan reset) selama minimal 1,5 μs (lebar pulsa minimum reset).

Saat tombol reset ditekan, maka akan terjadi pengosongan kapasitor

seketika sehingga kaki RESET bernilai ‘0’. Pada saat tombol dilepas, maka

akan terjadi proses pengisian sesuai dengan persamaan berikut:

𝑉𝑐𝑎𝑝 𝑡 = 𝑉 1 − 𝑒− 𝑡

𝜏 ……………………………………….. (3.5)

Dengan Vcap(t) = tegangan kapasitor saat t detik, V = tegangan catu

daya, t = waktu pengisian, τ = RC, R = tahanan resistor, C = kapasitansi

kapasitor. Dengan demikian nilai t diperoleh:

41

𝑉𝑐𝑎𝑝 𝑡 = 𝑉 1 − 𝑒− 𝑡

𝑅𝐶

0,9 = 5 1 − 𝑒−

𝑡1k × 10μ

0,9

5 = 1 − 𝑒−

𝑡10m

0,18 = 1 − 𝑒− 𝑡

10m

𝑒− 𝑡

10m = 1 − 0,18

𝑒−

𝑡1k × 10μ = 0,82

ln 𝑒− 𝑡

10m = log 0,82

− 𝑡

10𝑚 = −0,0862

𝑡 = −0,0862 × −10𝑚

𝑡 = 0,862 𝑚𝑠 = 862 𝜇𝑠 ≫ 1,5 𝜇𝑠

Gambar 3.13. Rangkaian Pe-reset ATmega8

42

3.2.6. Modul PIR (Passive Infra Red) Paradox PA-465

Modul PIR Paradox PA-465 merupakan sensor yang berfungsi untuk

mendeteksi pancaran sinar infra merah yang dipancarkan tubuh manusia.

Sensor ini membutuhkan pasokan tegangan sebesar 9-16 VDC untuk

mengaktifkannya. Paradox PA-465 memiliki daya jangkau sebesar 7 meter x

6 meter pada posisi ketinggian 2,5 meter dari permukaan tanah.

Ketika kondisi normal (tidak terdeteksi gerakan), LED warna merah

akan mati (OFF) dan kontak relay NC dan C akan terhubung. Saat terdeteksi

gerakan, LED warna merah akan menyala (ON) dan kontak relay NC dan C

akan terputus. Ketika kaki C terhubung dengan +Vcc, maka saat terdeteksi

adanya gerakan tegangan keluaran pada kaki NC akan bernilai ‘0’ (ground),

saat tidak ada gerakan tegangan keluaran pada kaki kaki NC bernilai +Vcc

(disini +Vcc berupa keluaran port mikrokontroller sekitar 5,06 V). Begitu

juga sebaliknya apabila kaki C terhubung dengan ground.

3.3. Perancangan dan Realisasi Perangkat Lunak

Perangkat lunak yang dibuat digunakan untuk mengolah data dari modul zero

crossing detector dan juga mengatur lebar pulsa ‘ON’ dan ‘OFF’ pada input MOC

3020. Perangkat lunak juga mengolah data-data yang dikirim oleh remote control

melalui sensor TSOP 1238. Secara umum cara kerja sistem sesuai dengan diagram

alir pada Gambar 3.14.

43

Gambar 3.14. Diagram alir keseluruhan sistem

Pertama sistem akan mengecek data yang tersimpan di dalam EEPROM,

dimana data tersebut diberi label ‘level2’. Data dalam EEPROM merupakan level

terakhir yang disimpan oleh pengguna. Setelah mendapatkan nilai level, sistem akan

mengatur nilai OCR2 yang merupakan parameter yang berpengaruh lamanya waktu

Timer 2 aktif. Lamanya waktu Timer 2 aktif akan berpengaruh terhadap lebar pulsa

44

‘OFF’ dan ‘ON’ pada masukan MOC 3020. Lebar pulsa ‘OFF’ dan ‘ON’ secara tidak

langsung akan berpengaruh terhadap tegangan masukan lampu nantinya.

Karena menggunakan dimmer dengan karakteristik leading edge, sehingga

keluaran PORT D7 dibuat agar ‘OFF’ terlebih dahulu selama OCR2. Setelah nilai

TCNT2 sama dengan nilai OCR2, PORT D7 akan menghasilkan nilai logika ‘ON’

selama waktu 10 mS dikurangi dengan lamanya waktu yang diperlukan oleh OCR2.

Setelah itu nilai TCNT2 akan di-reset. Setiap terdeteksi adanya interupsi eksternal

dari zero crossing detector, perangkat lunak akan mengulang proses ini terus

menerus.

Perangkat lunak juga didesain untuk dapat mendeteksi perubahan nilai dari

sensor PIR. Ketika sensor PIR memberikan logika ‘1’, maka sistem akan terus

berlangsung karena itu menandakan ada orang dalam ruangan. Sedangkan ketika

terdeteksi tidak ada orang dalam ruangan dalam selang waktu 3 menit, selama selang

waktu itu juga PIR akan memberikan logika ‘0’ kepada mikrokontroler dan

mikrokontroler akan mengubah nilai level menjadi 0 (nol) untuk mematikan lampu.

Apabila terdeteksi ada orang dalam ruangan, sensor PIR akan langsung memberikan

logika ‘1’ kepada mikrokontroler dan sistem berjalan dari awal lagi.

Selain itu perangkat lunak juga digunakan untuk membaca data yang

dikirimkan oleh remote control dengan cara membaca lebar pulsa tiap data. Untuk

tiap data yang dikirimkan akan mengaktifkan interupsi eksternal mikrokontroler dan

secara otomatis perangkat lunak akan menghitung lebar pulsa yang dikirimkan untuk

setiap interupsi yang terjadi. Berikut diagram alirnya.

45

Gambar 3.15. Diagram alir pengolahan data remote control