Perancangan Alat Pengisi Baterai Lead Acid Berbasis Mikrokontroler ATMega 8535

Bagian ini menjelaskan latar belakang perancangan alat pengisi baterai lead acid otomatis. Diketahui bahwa baterai lead acid banyak digunakan, memiliki performa baik dan harga material yang relatif murah. Namun, pengisian yang tidak terkontrol dapat menyebabkan pemanasan berlebih, memperpendek umur baterai dan boros energi. Oleh karena itu, dirancanglah alat pengisi baterai otomatis yang mampu memantau kondisi tegangan baterai, baik saat kosong maupun penuh, dengan tujuan untuk memulai dan menghentikan proses pengisian secara otomatis. Penggunaan mikrokontroler ATMega8535 sebagai pengendali utama menjadi pilihan karena kemampuannya dalam mengontrol dan memonitor sistem secara real-time. Sistem ini akan menampilkan tegangan baterai pada LCD, memberikan informasi yang jelas kepada pengguna. Tugas akhir ini dilakukan di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Bagian ini memberikan landasan teori mengenai komponen-komponen utama yang digunakan dalam perancangan. Penjelasan meliputi karakteristik baterai lead acid, mekanisme pengisian baterai, dan potensi bahaya pengisian berlebih. Selanjutnya dijelaskan tentang mikrokontroler, khususnya ATMega8535, yang mencakup arsitektur, fungsi timer, dan sistem bus. Fungsi dan cara kerja LCD (Liquid Crystal Display) untuk menampilkan data tegangan baterai juga diuraikan. Prinsip kerja relay sebagai saklar elektronik untuk mengontrol arus pengisian juga dibahas secara detail. Terakhir, dijelaskan tentang CodeVisionAVR, software compiler yang digunakan untuk memprogram mikrokontroler ATMega8535, mencakup kelebihan dan fungsi utamanya dalam proses pengembangan perangkat lunak.

Bagian ini menjelaskan detail rancangan alat pengisi baterai, termasuk skema rangkaian dan pemilihan komponen. Tegangan baterai penuh ditargetkan pada 13.8 Volt dan tegangan rendah pada 12.1 Volt dengan arus pengisian 400mA. Rancangan catu daya yang digunakan dijelaskan secara rinci, mencakup transformator step-down, penyearah gelombang penuh, dan filter kapasitor untuk meratakan tegangan DC. IC LM317 digunakan sebagai regulator tegangan dan pembatas arus. Rangkaian pembagi tegangan digunakan untuk menurunkan tegangan baterai agar sesuai dengan range input ADC mikrokontroler. Rangkaian mikrokontroler ATMega8535 dijelaskan, termasuk sistem minimum, clock, dan rangkaian reset. Rangkaian penggerak relay menggunakan transistor untuk mengontrol pengaktifan dan penonaktifan relay yang menghubungkan dan memutuskan arus pengisian ke baterai. Proses pemrograman mikrokontroler menggunakan programmer ISP (In-System Programming) dijelaskan.

Bagian ini menjelaskan metode pengujian dan hasil yang diperoleh. Pengujian difokuskan pada pengujian rangkaian relay untuk memastikan fungsi menghubungkan dan memutuskan arus pengisian. Kemudian dilakukan pengujian sistem secara menyeluruh, dengan mengisi baterai 12V 4Ah sebanyak lima kali, dengan tegangan awal yang berbeda untuk memvalidasi kinerja alat pengisi baterai otomatis. Hasil pengujian menunjukkan bahwa sistem bekerja sesuai dengan yang diharapkan, mampu mendeteksi tegangan minimum dan maksimum baterai, mengaktifkan dan menonaktifkan pengisian secara otomatis, serta menampilkan tegangan baterai secara akurat pada LCD. Data pengujian yang rinci, seperti kurva tegangan dan data arus, kemungkinan besar disertakan dalam lampiran (walaupun tidak ditampilkan dalam cuplikan teks ini).

Sistem kerja alat pengisi baterai diawali dengan proses monitoring tegangan baterai. Mikrokontroler ATMega8535, sebagai unit kontrol utama, secara terus menerus membaca tegangan baterai menggunakan sensor tegangan. Sensor ini memberikan data analog yang kemudian dikonversi menjadi data digital oleh Analog-to-Digital Converter (ADC) pada mikrokontroler. Nilai tegangan digital ini kemudian diproses oleh mikrokontroler untuk menentukan status baterai, yaitu apakah tegangan baterai berada di bawah batas minimum (mengindikasikan baterai perlu diisi) atau di atas batas maksimum (menunjukkan baterai sudah penuh). Proses pembacaan tegangan baterai ini dilakukan secara berkala, memungkinkan sistem untuk secara akurat melacak perubahan tegangan baterai. Nilai tegangan yang terbaca kemudian ditampilkan pada layar LCD, memberikan informasi visual kepada pengguna mengenai status baterai.

Berdasarkan data tegangan baterai yang dibaca, mikrokontroler mengontrol proses pengisian dan pengosongan. Jika tegangan baterai berada di bawah batas minimum yang telah diprogram, mikrokontroler akan memberikan sinyal ke relay untuk menghubungkan sumber daya ke baterai, memulai proses pengisian. Arus pengisian diatur dan dibatasi oleh IC LM317 agar tidak melebihi kapasitas baterai, mencegah kerusakan akibat arus berlebih. Proses pengisian akan berlanjut hingga tegangan baterai mencapai batas maksimum yang telah diprogram. Sebaliknya, jika tegangan baterai telah mencapai batas maksimum, mikrokontroler akan memberikan sinyal ke relay untuk memutuskan koneksi sumber daya ke baterai, menghentikan proses pengisian. Sistem dirancang untuk mencegah pengisian berlebih yang dapat merusak baterai dan membuang energi listrik. Relay berperan penting dalam memastikan koneksi dan pemutusan arus ke baterai secara tepat dan aman.

Nilai tegangan baterai yang terbaca dan diproses oleh mikrokontroler ditampilkan pada LCD. Ini memberikan umpan balik visual kepada pengguna tentang status pengisian baterai. Informasi yang ditampilkan pada LCD memungkinkan pengguna untuk memantau proses pengisian secara langsung, mengetahui kapan baterai mulai diisi, kapan proses pengisian selesai, dan tegangan baterai saat itu. Dengan adanya tampilan visual ini, pengguna dapat dengan mudah memonitor kondisi baterai dan menghindari pengisian berlebih atau pengisian yang tidak perlu. LCD 16x2 digunakan karena ukurannya yang kompak dan kemampuannya menampilkan informasi yang cukup untuk tujuan aplikasi ini.

Mikrokontroler ATMega8535 merupakan jantung sistem, berfungsi sebagai unit kontrol utama. Ia bertanggung jawab untuk membaca tegangan baterai melalui ADC (Analog-to-Digital Converter), memproses data tersebut untuk menentukan status baterai (kosong atau penuh), dan memberikan sinyal kontrol ke relay untuk memulai atau menghentikan proses pengisian. ATMega8535 juga mengontrol tampilan data tegangan baterai pada LCD. Sistem minimum ATMega8535, termasuk osilator kristal (12 MHz) dan kapasitor, dijelaskan dalam rancangan. Pemrograman ATMega8535 dilakukan menggunakan CodeVisionAVR, sebuah compiler yang menyediakan IDE (Integrated Development Environment) dan fasilitas untuk mengunduh program langsung ke mikrokontroler melalui programmer ISP (In-System Programming).

Rangkaian catu daya mengubah tegangan AC 220 Volt menjadi tegangan DC yang stabil untuk proses pengisian baterai. Transformator step-down menurunkan tegangan AC, kemudian penyearah gelombang penuh mengubahnya menjadi tegangan DC. Filter kapasitor digunakan untuk meratakan tegangan DC dan mengurangi riak (ripple). IC LM317 berfungsi sebagai regulator tegangan dan pembatas arus, memastikan tegangan output tetap konstan pada 13.8 Volt dan arus pengisian dibatasi pada 0.4 A. Perhitungan tegangan trafo dilakukan berdasarkan konsumsi arus total rangkaian (496mA), memperhitungkan tegangan DC, tegangan riak, dan tegangan puncak.

Sensor tegangan digunakan untuk membaca tegangan baterai. Rangkaian pembagi tegangan, yang terdiri dari dua resistor (R14=4K7 dan R15=10K), digunakan untuk menurunkan tegangan baterai sebelum diukur oleh ADC mikrokontroler. Tegangan output dari rangkaian pembagi tegangan (4.4V saat baterai penuh) berada dalam range yang dapat diproses oleh ADC mikrokontroler. Perhitungan tegangan output sensor dilakukan untuk menentukan tegangan pada saat baterai lemah (diasumsikan 12.1V). Sistem menggunakan pembacaan tegangan ini untuk menentukan kapan memulai dan menghentikan proses pengisian.

Relay berfungsi sebagai saklar elektronik untuk menghubungkan dan memutuskan arus pengisian ke baterai. Rangkaian penggerak relay menggunakan transistor (Q1) yang dikontrol oleh mikrokontroler melalui port PB7. Ketika mikrokontroler mengirimkan sinyal tinggi ke port PB7, transistor aktif, mengaktifkan relay dan menghubungkan arus pengisian ke baterai. Sebaliknya, sinyal rendah dari mikrokontroler mematikan transistor dan membuka relay, memutus arus pengisian. Pengujian menunjukkan bahwa relay berfungsi dengan baik dalam mengontrol koneksi dan pemutusan arus pengisian.

LCD 16x2 digunakan untuk menampilkan informasi tegangan baterai secara real-time. LCD ini dipilih karena membutuhkan daya yang rendah, memiliki kontras yang baik dan mudah dihubungkan dengan mikrokontroler. Semua fungsi display dikendalikan oleh instruksi khusus yang dikirimkan oleh mikrokontroler. Informasi yang ditampilkan pada LCD memberikan umpan balik visual yang penting bagi pengguna untuk memantau status pengisian baterai dan memastikan sistem berfungsi dengan baik.

Pengujian awal difokuskan pada rangkaian relay. Tegangan 5 volt diberikan ke basis transistor Q1 melalui resistor R13, dengan sinyal pemicu berasal dari mikrokontroler pada port PB7. Sinyal logika tinggi pada port PB7 menjenuhkan transistor, mengalirkan arus ke kumparan relay, sehingga saklar relay tertutup dan rangkaian pengisian terhubung ke baterai. Sebaliknya, sinyal logika rendah membuka saklar relay, memutuskan arus pengisian. Hasil pengujian menunjukkan bahwa relay berfungsi dengan baik, mampu menghubungkan dan memutuskan koneksi sesuai dengan sinyal kontrol dari mikrokontroler. Ini menjadi validasi awal keberhasilan desain rangkaian kontrol pengisian.

Setelah integrasi seluruh rangkaian dan perangkat lunak, pengujian sistem dilakukan untuk memvalidasi kinerja alat pengisi baterai secara keseluruhan. Pengujian dilakukan dengan mengisi baterai 12V 4Ah sebanyak lima kali, dengan variasi tegangan awal yang berbeda untuk menguji kemampuan sistem dalam berbagai kondisi. Tujuan pengujian ini adalah untuk memastikan bahwa sistem mampu membaca kondisi tegangan baterai (penuh dan kosong), mengaktifkan dan menonaktifkan proses pengisian secara otomatis, dan menampilkan informasi tegangan pada LCD dengan akurat. Hasil pengujian menunjukkan bahwa perancangan sesuai dengan yang diharapkan, menunjukkan keberhasilan dalam mengembangkan alat pengisi baterai lead acid otomatis berbasis mikrokontroler ATMega8535.