ALAT PENDINGIN-PENGHANGAT (COOLER-WARMER BOX) PORTABEL MENGGUNAKAN ELEMEN PELTIER Oleh : Stephanus Riosetiawan NIM : 612004056
Skripsi ini untuk melengkapi syarat-syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik dalam Konsentrasi Teknik Elektronika PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRONIKA FAKULTAS TEKNIK ELEKTRONIKA DAN KOMPUTER UNIVERSITAS KRISTEN SATYA WACANA SALATIGA Januari 2012
ALAT PENDINGIN-PENGHANGAT (COOLER-WARMER BOX) PORTABEL MENGGUNAKAN ELEMEN PELTIER
Oleh : Stephanus Riosetiawan NIM : 612004056
Skripsi ini telah diterima dan disahkan Sebagai salah satu persyaratan guna mencapai SARJANA TEKNIK ELEKTRO dalam Konsentrasi Teknik Elektronika PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRONIKA FAKULTAS TEKNIK ELEKTRONIKA DAN KOMPUTER UNIVERSITAS KRISTEN SATYA WACANA SALATIGA
Disahkan Oleh : Pembimbing I
Pembimbing II
Ir. Lukas B. Setyawan M.Sc.
Ir. F. Dalu Setiaji, M.T.
Tgl. :………………………..
Tgl. :………………………..
INTISARI Makanan dan minuman yang telah dipersiapkan untuk bekal pasti ingin dikonsumsi lagi dalam kondisi yang sama seperti ketika disajikan, walaupun telah berselang beberapa waktu. Karena dengan demikian rasanya akan tetap menggugah selera, pun juga kandungan nutrisinya masih terjaga dengan baik. Namun sering kali makanan tersebut pada akhirnya tidak terkonsumsi karena sudah dingin atau basi. Hal ini terjadi karena cara penyimpanan makanan yang kurang baik serta adanya jeda waktu yang terlalu lama antara ketika makanan tersebut sudah tersajikan hingga sewaktu hendak dikonsumsi. Untuk itu diperlukan suatu alat yang dapat menampung makanan atau minuman dan menyimpannya dalam kondisi yang sesuai. Tujuan pembuatan skripsi ini adalah merancang dan membuat alat penyimpanan (cooler-warmer box) yang mampu menjaga kondisi suhu makanan atau minuman yang disimpan, ramah lingkungan, serta dapat dibawa-bawa dalam perjalanan. Sehingga dapat menunjang kegiatan dan mobilitas masyarakat umum di era modern ini. Alat yang dirancang ini memiliki dua buah ruangan yang masing-masing berfungsi sebagai ruangan pendingin dan penghangat. Dengan kendali PID, suhu pada ruang pendingin dapat ditentukan hingga pada suhu 10°C, sedangkan suhu pada ruang penghangatnya dapat ditentukan sebesar 40°C atau 60°C. Dengan aki kering 12 V 12 Ah sebagai catu daya, coolerwarmer box dapat beroperasi selama sekitar 2,5 jam.
i
KATA PENGANTAR Segala puji, hormat dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas uluran kasih karunia yang telah dicurahkanNya kepada penulis di hari demi hari dalam meniti waktu semenjak awal mengecap ilmu di kancah perkuliahan ini hingga akhirnya penulis dapat menyelesaikan karya tulis berupa skripsi ini sebagai syarat memperoleh ijazah Sarjana Teknik Elektro Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga. Semua usaha yang penulis lakukan selama perjuangan akademik ini tentu tidak akan berarti tanpa doa, bantuan, dorongan serta bimbingan dari berbagai pihak. Untuk itu, perkenankanlah penulis dengan segenap kerendahan hati mengucapkan terima kasih yang sebesar–besarnya kepada: 1. Tuhan Yesus Kristus dengan kekuatan dan kasih karuniaNya yang selalu menyertai. Menerangi pikiran dengan sinar kasihNya yang lembut berpijar. ImanNya yang selalu merengkuh mengenyahkan peluh, agar tetap teduh dengan kehendak yang teguh. Berpadu dengan hikmat yang menjaga semangat untuk tetap giat. Mungkin tangan ini yang bekerja, namun perantaraanNya lah yang senantiasa menghantarkan hingga pada pencapaian ini. Mungkin kaki ini yang melangkah, namun inilah jalan yang Dia berikan sesuai dengan rencanaNya yang agung. 2. Bapak Ir. Lukas B. Setyawan, M.Sc. sebagai Pembimbing I dalam perjuangan demi penyelesaian skripsi ini. Terima kasih atas kesediaannya meluangkan segenap waktu dan tenaga dalam membimbing penulis demi terselesaikannya karya ini. Semangat mengayomi yang takkan pernah padam akan selalu bergelora dalam hatimu, Pak. Salam hormat. ii
3. Bapak Ir.
F. Dalu Setiaji, M.T. selaku pembimbing II yang dengan setia menyertai
perjalanan penulisan skripsi ini. Salut akan jiwa besar yang selalu memberi pengarahan dengan teliti dan telaten. Semua pengorbanan waktu dan tenagamu tak ada yang sia-sia, Pak. Salam jabat erat. 4. Seluruh tenaga pengajar FTEK UKSW yang telah memberikan bekal dan bimbingan yang luar biasa selama menimba ilmu dan menoreh wawasan dalam kawah candradimuka teknik elektro. Tidak lupa Mas Wicak, Mbak Tien, Mas Hari, Pak Bambang, Pak Sentot, Pak Harto, Pak Budi, Pak Wage dan segenap laboran FTEK UKSW yang telah membantu selama kuliah dan pengerjaan skripsi ini. 5. Ayahanda Yosaphat Sugiyatno dan ibunda Oktavia Sarhesti Padmini. Orangtua yang tiada jemu memberikan segala bentuk dukungan. Dengan cinta tak berpamrih, menyembuhkan segala keluh kesah dengan nasihat yang menenangkan jiwa. Cinta yang tak tergantikan walau dengan gunung harta dan samudera air mata. Terima kasih ayah dan ibu, orangtua paling super. Juga adik-adik yang senantiasa mendukung dalam doa dan penghiburan. Menyulap penat menjadi semangat. Menghilangkan segala beban pikiran menjadi keceriaan yang selalu menawan. 6.
Seluruh penghuni lab skripsi, dan segenap sesama pejuang emblem sandal jepit. Yohan “obo”, Novent, Surya, Iwan, Tri “kotrek”, Jeimy, Lintang, Adi “pakche”, Bayu, Daniel “deka”, Daniel “ganteng”, Daniel “dancuk” Kristianto, Adrian “beeha”, Ardhian “lampung”, Hansen, Ivan “ipan”, Thomas, Luis, Panji “panjul”, Mas Widi, Erik “sembir”, Anton “sitok”, Yohanes “koh mumi”, yang bahu-membahu selalu saling membantu di kala susah dan sangat susah. Gak ada loe gak rame!
iii
7. Segenap pahlawan sesama pejuang karya besar mahasiswa akhir. Linda Susilowati, Regina Ambar Ayu, Erwin Santoso, Paramitha Aristi, Diah Nindya Kirana, Made Diah Nagara, Ratih Prativi Nagara. Terima kasih telah memberi warna tersendiri dalam perjalanan kisah kebersamaan yang bermula dari saling berbagi. Sumber inspirasi yang memompa semangat dalam diri. Terus beraksi! 8. Mas “mboel” Andreas Bintang Persada, ST. dan sodara “bajuri” Happy Prakosa Adhi, ST. terimakasih atas ide, dan motivasinya. Puji Tuhan, inspirasi karya besar ini terlahir dari keterlibatanmu, sobat. 9. Para insan seperjalanan yang senantiasa menyuguhkan dinamika kehidupan di kota kecil Salatiga ini. Terimakasih bang Ranto, mbak Sukini, pada punggawa Salatiga Indie Musik, XT FM, Imbas, Scientiarum, para barista Café Rindang, Kopi Bakar Mr. Two, Frame Coffee Shop, Vancouver Coffee Shop, Pujasera Om item, Warteg Sederhana. Serta segenap wadah sosial lainnya seantero Salatiga. 10. Para insan pengobar semangat yang selalu ada bahkan semenjak ide penulisan ini belum terpercik. Terima kasih Rindy Julia, Ratkhi Aber, “Laskar Pasoepati”, Miftahud, Happy “Aremaholic”, yang telah berbagi pengalaman dan keceriaan selama berselancar dunia maya. Terima kasih yang tak terkira, Fajar Sastro, Aditya “guk”, Wisnu “macil”, Amrih, Yhonas, Fakih Rahman, Paulo Renata, dan tak lupa Tenesia. Serta kawan-kawan Padmanaba, atas keakraban dan kehangatan yang tak pernah surut. Keep in touch! 11. Para kerabat erat yang telah banyak membantu dan memberi semangat yang mungkin akan memenuhi lembar-lembar ini jika disebutkan satu-persatu. Terima kasih, tidak akan kulupa. Salam genggam jemari tangan.
iv
Penulis berharap tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi pembaca dan dapat dikembangkan lagi menjadi lebih baik lagi. Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, sehingga sangat diharapkan kritik dan saran dari pembaca sekalian yang dapat berguna untuk kemajuan kita bersama.
Salatiga, Januari 2012
Penulis
v
DAFTAR ISI Halaman INTISARI…………………………………………………………………………………..
i
KATA PENGANTAR……………………………………………………………………...
ii
DAFTAR ISI……………………………………………………………………………….
vi
DAFTAR GAMBAR……………………………………………………………………….
ix
DAFTAR TABEL…………………………………………………………………………..
xi
BAB I PENDAHULUAN………………………………………………………………….
1
1.1 Latar Belakang Masalah………………………………………………………..
1
1.2 Batasan Masalah………………………………………………………………..
4
1.3 Sistematika Penulisan…………………………………………………………..
6
BAB II LANDASAN TEORI………………………………………………………………
7
2.1 Prinsip Penyimpanan Makanan ………………………………………………..
8
2.2 Peltier……………………………………………………………………………
9
2.3 Kotak Ruangan Pendingin dan Penghangat……………………………………
11
2.4 Mikrokontroler ATMega32…………………………………………………….
13
2.5 Sensor Suhu ……………………………………………………………………
19
2.6 Sistem Pengendali ……………………………………………………………...
20
2.6.1 Kendali Proportional (P)……………………………………………...
20
2.6.2 Kendali Integral (I)…………………………………………………… 23 2.6.3 Kendali Derivative (D)………………………………………………..
25
2.6.4 Kendali Proportional Integral Derivative (PID)……………………...
27
vi
BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM…………………………………
31
3.1 Gambaran dan Cara Kerja Alat…………………………………………………
31
3.1.1. Perhitungan Kp, Kd, dan Ki dengan metode Ziegler-Nichols………..
34
3.2 Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras …………………………………..
39
3.2.1 Ruangan Pendingin dan Penghangat …………………………………
39
3.2.2 Modul Mikrokontroler ……………………………………………….
40
3.2.2.1 PORT A……………………………………………………….. 40 3.2.2.2 PORT B …………………………………………………….. 40 3.2.2.3 PORT C …………………………………………………….. 41 3.2.2.4 PORT D ……………………………………………………
41
3.2.3 Catu Daya dan Modul Regulator Tegangan………………………….
42
3.2.4 Rangkaian Pengendali Sensor Suhu……………………………….....
43
3.2.5 Modul Pengendali Pendingin………………………………………...
44
3.3 Perancangan dan Realisasi Perangkat Lunak…………………………………..
45
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS...………………………………………………..
47
4.1 Pengujian Tiap Modul………………………………………………………….
47
4.1.1 Pengujian Regulator Tegangan………………………………………
47
4.1.2 Pengujian Peltier ……………………………………………………..
48
4.1.3 Pengujian Sensor Suhu……………………………………………….
49
4.1.4 Pengujian Port Mikrokontroler ………………………………………
51
4.2 Pengujian Sistem……………………………………………………………….
51
4.2.1 Pengujian Kotak Ruangan Pendingin ……………………………….
52
4.2.2 Pengujian Kotak Ruangan Penghangat ………………………………
54
vii
4.2.3 Pengujian Kinerja Sistem Kendali……………………………………
55
4.2.4 Pengujian Daya Tahan Baterai……………………………………….
56
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN……………………………………………………
58
5.1 Kesimpulan……………………………………………………………………..
58
5.2 Saran……………………………………………………………………………
60
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
viii
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1.
Prinsip kerja Peltier …………………………………………………………... 10
Gambar 2.2.
Bagian-bagian penyusun Peltier …………………………………………....… 10
Gambar 2.3.
Aliran Elektron dan Hole pada pelet tipe N dan tipe P …………………….… 11
Gambar 2.4.
Blok Diagram Fungsional ATMega32 ……………………………………..… 17
Gambar 2.5.
Konfigurasi pin ATMega32 ………………………………………………..… 18
Gambar 2.6.
Blok diagram pengendali proporsional ……………………………………… 21
Gambar 2.7.
Proportional band dari kendali proporsional tergantung pada penguatan …… 22
Gambar 2.8.
Kurva sinyal error e(t) dan u(t) terhadap t pada pembangkit kesalahan nol … 23
Gambar 2.9.
Blok diagram kontroller integral ………………………………………………24
Gambar 2.10. Perubahan keluaran sebagai akibat penguatan dan kesalahan ………………... 24 Gambar 2.11. Blok Diagram pengendali derivative …………………………………………. 25 Gambar 2.12. Kurva waktu hubungan input-output kendali derivative ……………………... 26 Gambar 2.13. Blok diagram kontroler PID ………………………………………………….. 28 Gambar 2.14. Unit respon step system ………………………………………………………. 29 Gambar 2.15. Kurva respon sistem terhadap input unit step ………………………………... 29 Gambar 3.1.
Blok diagram kinerja alat …………………………………………………….. 32
Gambar 3.2.
Kurva respon sistem terhadap input unit step ………………………………... 35
Gambar 3.3.
Grafik perubahan suhu Peltier saat daya maksimum ………………………… 37
Gambar 3.4.
Rangkaian regulator tegangan ……………………………………………….. 43
Gambar 3.5.
Rangkaian pengendali sensor suhu LM 35DZ ……………………………….. 44
ix
Gambar 3.6.
Rangkaian driver Peltier……………………………………………………… 45
Gambar 3.7.
Diagram alir program ………………………………………………………... 46
Gambar 4.1.
Perbandingan kinerja sistem dengan PID dan Tanpa PID …………………… 56
x
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1.1.
Perbandingan fitur beberapa jenis pendingin-penghangat portabel dan alat yang dirancang …………………………………………………………. 4
Tabel 2.1.
Tabel nilai konduktivitas thermal………………………………………………. 12
Tabel 2.2.
Perbedaan seri AVR berdasarkan jumlah memori ……………………………... 14
Tabel 2.3.
Penalaan paramater PID dengan metode kurva reaksi …………………………. 30
Tabel 3.1.
Penalaan paramater PID dengan metode kurva reaksi Ziegler-Nichols ………... 36
Tabel 3.2.
Konfigurasi penggunaan pada port Mikrokontroler ……………………………. 42
Tabel 4.1.
Hasil Pengujian Regulator Tegangan …………………………………………... 48
Tabel 4.2.
Hasil Pengujian Peltier …………………………………………………………. 49
Tabel 4.3.
Hasil pengujian sensor suhu ……………………………………………………. 50
Tabel 4.4.
Hasil pengujian proses pengkondisian suhu di ruang pendingin ………………. 52
Tabel 4.5.
Hasil pengujian proses pengkondisian suhu di ruang pendingin dengan menggunakan Peltier yang baru ………………………………………………. 53
Tabel 4.6.
Hasil pengujian proses pengkondisian suhu di ruang penghangat ……………... 54
Tabel 4.7.
Hasil Pengujian Daya Tahan Baterai …………………………………………… 57
xi
