BAB II LANDASAN TEORI

  DRY BOX CABINET

2012

 

BAB II LANDASAN TEORI

   

2.1   Mikrokontroler   Mikrokontroler adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai    

masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus, cara kerja mikrokontroler sebenarnya membaca dan menulis data. Mikrokontroler merupakan komputer di dalam chip yang digunakan untuk   mengontrol peralatan elektronik, yang menekankan efisiensi dan efektifitas biaya.

Secara harfiahnya bisa disebut “pengendali kecil” dimana sebuah sistem    

elektronik

yang

sebelumnya

banyak

memerlukan

komponen-komponen

pendukung seperti IC TTL dan CMOS dapat direduksi/diperkecil dan akhirnya terpusat serta dikendalikan oleh mikrokontroler ini. Dengan penggunaan mikrokontroler ini maka: 1. Sistem elektronik akan menjadi lebih ringkas. 2. Rancang bangun sistem elektronik akan lebih cepat karena sebagian besar dari sistem adalah perangkat lunak yang mudah dimodifikasi. 3. Pencarian gangguan lebih mudah ditelusuri karena sistemnya yang kompak. 2.2

Mikrokontroler ATMega16 Mikrokontrol ATMega16 merupakan seri mikrokontrol buatan Atmel,

berbasis arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer) yang hampir semua instruksi dieksekusi dalam satu sistem clock. Selain itu terdapat 32 register general purpose, timer/counter fleksibel dengan mode compare, intrrupt internal dan eksternal, serial UART, progammable watchdog timer, dan power setting, ADC dan PWM internal. 2.1.1 Spesifikasi Mikrokontroler ATMega16 Berikut merupakan beberapa spesifikasi AMega16: 1. Arsitektur RISC dengan thoughtput mencapai 16 MIPS pada frekuensi 16 Mhz

POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara  

4

  DRY BOX CABINET

2012

 

2. Memiliki kapasitas flash memory 16 Kbyte, EEPROM 512 Byte dan Sram

   

1 Kbyte

3. Saluran port I/O sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C dan Port D  4. CPU yang terdiri atas 32 register  5. User interupsi internal dan eksternal

   

6. Port USART sebagai komunikasi serial 7. Konsumsi daya rendah (DC5V) 8. Fitur peripheral yang terdiri dari:    

a. 2 buah counter/timer 8 bit dengan Prescaler terpisah dan Mode Compare b. 1 buah counter/timer 16 bit dengan Prescaler terpisah, Mode Compare

 

dan Mode Capture c. 4 channel PWM d. 8 channel, 10 bit ADC -

8 Single-ended Channel

-

7 Differential Channel hanya pada kemasan TQFP

-

2 Differential Channel dengan Progammable Gain 1x, 10x atau 200x.

e. Byte-oriented Two-wire Serial Interface f. Antarmuka SPI g. Watchdog timer dan osilator internal h. On chip analog comparator. 2.2.1

Konfigurasi Pena (Pin) ATMega16 Konfigurasi pin ATMega16 dengan kemasan 40 pin DIP (Dual In-Line

Package) dapat dilihat pada Gambar 2.1. Dari Gambar 2.1 dapat dijelaskan masing-masing fungsi dari pin ATmega16 sebagai berikut: 1. Vcc merupakan pin yang berfungsi sebagai masukan catu daya. 2. GND merupakan pin Ground 3. Port A (PA0…7) merupakan pin input/output dua arah dan pin masukan ADC POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara  

5

  DRY BOX CABINET

     

2012

4. Port B (PB0…7) merupakan pin input/output dua arah dan pin dengan fungsi khusus seperti SPI, MISO, MOSI, SS, AIN1/OC0, AIN0/INT2, T1, T0, TI/XCK

 

5. Port C (PC0…7) merupakan pin input/output dua arah dan pin dengan

 

fungsi khusus seperti TOSC2, TOSC1, TDI, TD0, TMS, TCK, SDA, SCL

 

6. Port D (PD0…7) merupakan pin input/output dua arah dan pin dengan

 

fungsi khusus seperti RXD, TXD, INT0, INT1, OC1B, OC1A, ICP1  

7. RESET merupakan pin yang digunakan untuk me-reset mikrokontroler

 

8. XTAL1 dan XTAL2 merupakan pin masukan clock eksternal 9. AVCC merupakan pin masukan tegangan untuk ADC

 

10. AREF merupakan pin masukan tegangan referensi ADC.

Gambar 2.1 Konfigurasi Pin ATMega16

2.3

SHT 11 SHT 11 adalah sebuah single chip sensor suhu dan kelembaban relatif

dengan multi modul sensor yang output-nya telah dikalibrasikan secara digital. Di bagian dalamnya terdapat kapasitif polimer sebagai elemen untuk sensor kelembaban relatif dan sebuah pita regangan yang digunakan sebagai sensor temperatur. Output kedua sensor digabungkan dan dihubungkan pada ADC 14 bit dan sebuah interface serial pada satu chip yang sama. Sensor ini menghasilkan sinyal keluaran yang baik dengan waktu respon yang cepat. SHT 11 dikalibrasi POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara  

6

  DRY BOX CABINET

2012

 

pada ruangan dengan kelembaban yang teliti menggunakan hygrometer sebagai  

referensinya. Koefisien kalibrasinya telah di programkan kedalam OTP memory.  

Koefisien tersebut akan digunakan untuk mengkalibrasi keluaran dari sensor selama proses pengukuran. SHT 11 membutuhkan supply tegangan 2.4 sampai 5,5   volt.  SCK (Serial Clock Input) digunakan untuk mensinkronkan komunikasi

   

 

antara mikrokontroller dengan SHT11. DATA (Serial Data) digunakan untuk transfer data dari dan ke SHT 11. Berikut spesifikasi sensor SHT11:  Suhu:   Terkalibrasi

: Celcius dan Fahrenheit

  Daerah pengukuran

: (-40) – 123.8) °C

Akurasi

: ±0.4°C

 Kelembaban: Terkalibrasi

: % RH

Daerah pengukuran

: (0-100)%

Akurasi

: ±3%

Tegangan sumber

: 2.4 V – 5.5 V

Output

: Serial dua jalur (two-wires serial)

Tersambung dengan kabel serat yang terbungkus GND (Ground) sepanjang 500 mm dengan female-connector pada ujung kabel.

Gambar 2.2 Sistem Sensor Kelembaban dan Temperatur

Sensor SHT11 ini mempunyai satu jalur data yang digunakan untuk perintah pengalamatan dan pembacaan data. Pengambilan data untuk masing-masing pengukuran dilakukan

dengan memberikan

perintah pengalamatan oleh

mikrokontroler. Port B pin 0 (PinB.0) mikrokontroler memberikan perintah POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara  

7

  DRY BOX CABINET

2012

 

pengalamatan pada pin Data SHT11 00000101 untuk pengukuran kelembaban  

relatif dan 00000011 untuk pengukuran temperatur. SHT 11 memberikan keluaran  

data kelembaban dan temperatur pada pin Data secara bergantian sesuai dengan clock   yang diberikan oleh mikrokontroler pada port B pin 1 (PinB.1) agar sensor dapat   bekerja. Sensor SHT 11 memiliki ADC (Analog to Digital Converter) di

 

dalamnya sehingga keluaran data SHT11 sudah terkonversi dalam bentuk data kemudian ditampilkan nilainya pada LCD.

 

2.4

Liquid Crystal Display ( LCD )  

LCD display module 20x2 terdiri dari dua bagian, yang pertama merupakan

  LCD sebagai media penampil informasi dalam bentuk huruf atau angka dua panel  

baris, masing-masing baris bisa menampung 20 huruf atau angka. Bagian kedua merupakan sebuah sistem yang dibentuk dengan mikrokontroler yang ditempel dibalik panel LCD,

sistem lain cukup mengirimkan kode-kode ASCII dari

informasi yang ditampilkan. Berikut ini pin konfigurasi dari LCD 20x2:

Gambar 2.3 Konfigurasi Pin LCD 20x2

Berikut penjelasan dari pin LCD 20 x 2:VSS = GND 1. VDD = Tegangan suplai positif 5 Volt 2. Vo = Tegangan untuk mengatur kontras dari tampilan karakter 3. RS (Regester Select) 4. R/W (1=Read, 0=Write). 5. E = pin 4 (RS) – pin 6 (E) digunakan untuk aktivasi LCD 6. D0 7. D1 8. D2 POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara  

8

  DRY BOX CABINET

     

2012

9. D3 10. D4 11. D5

  12. D6   13. D7 = pin 7 (D0) – pin 14 (D7) digunakan untuk komunikasi data parallel

dengan pengendali

 

14. Anoda LED Backlight LCD

 

15. Katoda LED Backlight LCD.  

2.5   Relay  

Relay adalah komponen elektronika berupa saklar elektronik yang digerakkan oleh arus listrik. Secara prinsip, relay merupakan tuas saklar yang digerakan oleh gaya magnet yang timbul dari lilitan kawat pada batang besi (solenoid). Ketika solenoid dialiri listrik maka akan timbul gaya magnet yang akan menarik saklar sehingga akan menutup dan ketika arus dihentikan maka posisi saklar akan kembali seperti semula.

Gambar 2.4 Relay

Kontak penghubung relay terdiri dari 2 bagian yaitu: 1. Kontak NC (Normally Close) Kontak penghubung dalam kondisi menutup atau terhubung bila relay tidak mendapat masukan tegangan pada kumparannya. Tetapi bila diberi tegangan yang mencukupi pada kumparannya maka kontak penghubung menjadi terbuka (kondisi awal sebelum diaktifkan close).

POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara  

9

  DRY BOX CABINET

2012

 

2. Kontak NO (Normally Open)  

 

Kontak penghubung dalam kondisi terbuka bila relay tidak mendapat tegangan pada kumparannya. Tetapi bila diberikan tegangan yang mencukupi

  pada kumparannya maka kontak penghubung menjadi tertutup atau terhubung   (kondisi awal sebelum diaktifkan open).  

3. Common Kontak ini digunakan untuk dihubungkan antara NC atau NO. Jika relay yang

 

digunakan adalah NO maka dapat dihubungkan antara NO dengan Common,   dan jika relay yang dibutuhkan adalah NC maka dapat dihubungkan antara   NC dengan Common.

 

Berdasarkan jumlah kutub pada relay, maka relay dibagi menjadi 4 jenis: 

SPST



SPDT = Single Pole Double Throw



DPST = Double Pole Single Throw



DPDT = Double Pole Double Throw

= Single Pole Single Throw

Pole adalah jumlah COMMON, sedangkan throw adalah jumlah terminal output (NO dan NC). Untuk lebih memahami, dapat dilihat pada gambar 2.5.

Gambar 2.5 Skematik Tipe-Tipe Relay

1) Relay SPST (Single Pole Single Through ) Relay dengan satu induk saklar dengan satu saluran kontak (normally closed).

POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara  

10

  DRY BOX CABINET

2012

 

2) Relay DPST (Double Pole Single Through)

   

Sama seperti SPST tetapi mempunyai dua buah saklar terpisah yang bekerjanya serentak/bersamaan dan satu saluran kontak (normally closed)

 

untuk tiap saklar.

 3) Relay SPDT (Single Pole Double Through)

Merupakan

 

relay

yang

mempunyai

satu

induk

saklar

untuk

menghubungkan dua saluran kontak (normally closed dan normally open)

 

yang dihubung bergantian.  4) Relay DPDT (Double Pole Double Through)  

Sama seperti SPDT tetapi mempunyai dua buah saklar terpisah yang bekerja serentak dan dua saluran kontak (normally closed dan normally

 

open) untuk tiap saklar. 2.6

Pemrograman C Bahasa C dikatakan sebagai bahasa pemrograman terstruktur,

karena

strukturnya menggunakan fungsi-fungsi sebagai program-program bagian (sub rutin). Fungsi utama yang pertama kali diproses adalah fungsi yang bernama “main()”, selain itu adalah merupakan fungsi-fungsi bagian yang dapat ditulis setelah fungsi “main()” atau diletakan di file pustaka (library). Adapun struktur bahasa C sebagai berikut: #include < file-file header> /* directive #include digunakan jika mengambil fungsifungsi libarary*/ main() /* fungsi utama sbg awal dimulainya pemrosesan program */

{

}

/*blok awal*/

/*blok akhir*/

Fungsi-fungsi lain()

{statemen-statemen }

POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara  

11

  DRY BOX CABINET

2012

 

2.7

Termoelektrik (TEC)  

 

Teknologi termoelektrik bekerja dengan mengonversi energi panas menjadi

listrik secara langsung (generator termoelektrik), atau sebaliknya, dari listrik   menghasilkan dingin (pendingin termoelektrik). Untuk menghasilkan listrik,   material termoelektrik cukup diletakkan sedemikian rupa dalam rangkaian yang

   

menghubungkan sumber panas dan dingin. Dari rangkaian itu akan dihasilkan sejumlah listrik sesuai dengan jenis bahan yang dipakai. Pendingin termoelektrik merupakan solid state technology yang bisa  

menjadi alternatif pendingin selain sistem kompresi uap. Dibandingkan   dengan teknologi kompresi uap yang masih menggunakan refrigeran sebagai  

media penyerap panas, teknologi pendingin termoelektrik relatif lebih ramah lingkungan, tahan lama, dan bisa digunakan dalam skala besar. Pendingin termoelektrik ini mempunyai kemampuan mendinginkan dan memanaskan sekaligus dimana perubahan polaritas tegangan akan membalikkan fungsi dari panas ke dingin dan sebaliknya. Jika sebuah elemen termoelektrik dialiri arus listrik DC maka kedua sisi elemen ini akan menjadi panas dan dingin. Sisi dingin inilah yang dimanfaatkan sebagai pendingin udara ruangan dry box dengan bantuan heatsink dan fan. Dengan demikian tidak diperlukan kompresor seperti halnya

di

mesin-mesin

pendingin

konvensional,

sehingga

tidak

menimbulkan suara bising. 2.7.1

Sejarah Perkembangan Termoelektrik (TEC) Fenomena termoelektrik pertamakali ditemukan oleh Thomas Johann

Seebeck pada tahun 1821 seorang ilmuwan yang berkebangsaan Jerman. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian, dimana salah satu sisi logam tersebut dipanaskan dan sisi logam yang lainnya didinginkan. Ternyata perbedaan temperatur

yang terjadi menyebabkan adanya aliran

listrik. Fenomena tersebut kemudian dikenal dengan efek Seebeck, yang kemudian digunakan sebagai prinsip pengukuran temperatur dengan termokopel. Kemudian pada tahun 1834, seorang pembuat jam dan fisikawan paruh waktu bernama Jean Charles Athanase Peltier, ketika meneliti efek Seebeck menemukan bahwa ada fenomena kebalikan. POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara  

12

  DRY BOX CABINET

   

2012

Jika arus listrik searah dialirkan pada suatu rangkaian tertutup yang

terdiri dari sambungan dua material logam yang berbeda, maka terjadi  

penyerapan panas pada sambungan logam tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini saling berbalik   begitu arah arus dibalik. Ini kemudian dikenal dengan efek Peltier. Pada  

   

tahun 1854, William Thomson atau lebih dikenal Lord Kelvin, memberikan penjelasan yang lebih lengkap dari Efek Seebeck dan Efek Peltier, serta menggambarkan hubungan timbal balik keduanya.  

2.7.2    

Prinsip Kerja Termoelektrik (TEC) Sebuah modul termoelektrik tersusun dari pasangan-pasangan balok

semikonduktor (thermocouple) berbahan Bismuth Telluride yang telah diberi impurities (doped). Semikonduktor Tipe-N telah diberi impurities oleh bahanbahan yang memberikan elektron tambahan, sehingga jumlah elektronnya menjadi berlebih. Sebaliknya pada semikonduktor Tipe-P yang telah diberi impurities bahan-bahan yang mengurangi jumlah elektron, sehingga terdapat lubang-lubang (holes) yang nantinya akan menerima elektron dari Tipe-N. Ketika terjadi beda potensial, elektron-elektron yang mengalir dari semikonduktor tipe-P ke tipe-N akan menyerap energi kalor dari sisi dingin. Ketika elektron-elektron mengalir dari semikonduktor tipe-N ke tipe-P akan dilepaskan energi kalor ke sisi panas. Sehingga daerah di sekitar sambungan dingin akan menjadi dingin dan daerah di sekitar sambungan panas harus diberikan alat penukar kalor agar modul tidak rusak akibat overheating. Prinsip kerja pendingin termoelektrik berdasarkan efek Peltier, yaitu ketika arus DC dialirkan ke elemen Peltier, maka salah satu sisi elemen Peltier menjadi dingin (panas diserap) dan sisi lainnya menjadi panas (panas dilepaskan), seperti pada Gambar 2.6

POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara  

13

  DRY BOX CABINET

2012

              Gambar 2.6 Susunan Elemen Peltier

 

Hal yang menyebabkan sisi dingin elemen Peltier menjadi dingin adalah

  adanya aliran elekton dari tingkat energi yang lebih rendah pada semikonduktor  

tipe-P, ke tingkat energi yang lebih tinggi yaitu semikonduktor tipe-N. Supaya elektron tipe P yang mempunyai tingkat energi yang lebih rendah dapat mengalir maka elektron menyerap energi yang mengakibatkan sisi tersebut menjadi dingin.

Gambar 2.7 Termoelektrik Sisi Dingin

Sebaliknya pada sambungan sisi panas, elektron mengalir dari tingkat energi yang lebih tinggi (semikonduktor tipe-N) ke tingkat energi yang lebih rendah (semikonduktor tipe-P). Agar elektron dapat mengalir ke semikonduktor tipe-P, kelebihan energi pada tipe-N dibuang ke lingkungan, sehingga sisi tersebut menjadi panas.

Gambar 2.8 Termoelektrik Sisi Panas

POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara  

14

  DRY BOX CABINET

   

2012

Berdasarkan Gambar 2.7, elektron mengalir dari semikonduktor pada tipe

P yang kekurangan energi, menyerap panas pada bagian yang didinginkan  

kemudian mengalir ke semikonduktor tipe N. Semikonduktor tipe N yang kelebihan energi membuang energi tersebut ke lingkungan dan mengalir ke   semikonduktor tipe P dan seterusnya.  

 

2.7.3

Sistem Pendingin Termoelektrik Bagian penting dari sebuah sistem pendingin termoelektrik adalah

 

alat penukar panas (heat exchanger), seperti heatsink, heatpipe, dan sebagainya.  

Bagian ini mutlak  

dipertahankan  

diperlukan,

konstan,

sebab

jika

sisi

panas

peltier

dapat

maka sisi dingin dari elemen peltier akan mampu

menyerap panas secara konstan pula. Sistem

pendingin

termoelektrik

memerlukan heatsink yang berfungsi untuk menyerap panas pada sisi dingin elemen peltier dan membuang panas pada sisi panas peltier. Susunan dasar sistem pendingin termoelektrik setidaknya terdiri dari elemen peltier dan heatsink baik pada sisi dingin elemen peltier maupun pada sisi panas peltier, seperti pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9 Susunan Dasar Sistem Termoelektrik

Bagian yang akan didinginkan dapat langsung dihubungkan dengan sisi dingin elemen peltier. Dapat juga dihubungkan terlebih dahulu dengan alat penukar panas sebelum dihubungkan dengan sisi dingin elemen peltier. Alat penukar panas tersebut dapat berupa fluida atau dengan konveksi udara. Sedangkan panas yang dihasilkan pada sisi panas elemen peltier juga dapat

POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara  

15

  DRY BOX CABINET

2012

 

disalurkan ke lingkungan melalui udara baik secara alami maupun konveksi paksa  

atau dengan media pendingin air maupun fluida lainnya  

Alat penukar panas ini dapat divariasikan penggunaannya seperti yang terlihat pada Gambar 2.10. Penyusunan sistem pendingin termoelektrik ini   bergantung pada media penukar panas yang digunakan. Media penukar  

 

panas dapat berupa zat gas/udara, cair, dan padat.

       

Gambar 2.10 Jenis Susunan Sistem Termoelektrik

Jenis susunan sistem pendingin termoelektrik yang penulis gunakan pada aplikasi dry box yaitu aplikasi untuk media zat gas/udara, sehingga di kedua sisi termoelektrik yaitu untuk sisi dingin dan sisi panas menggunakan heat sink untuk transfer kalor yang dilakukan oleh termoelektrik dengan bantuan oleh fan.

POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara  

16