6
BAB II TEORI PENUNJANG
Pada bab ini akan dijelaskan tentang teori dasar dari setiap rangkaian yang digunakan dalam Pengatur Kecepatan Motor Dc Berdasarkan Suhu Berbasis Arduino Uno ini. Penjelasan mengenai teori dasar ditekankan pada komponen penting yang digunakan pada alat ini. 2.1. IC LM2575HVT LM2575 adalah IC regulator tegangan monolitik yang meemberikan semua fungsi aktif untuk sebuah step-down switching regulator. National Semiconductor mengklaim bahwa IC ini mampu meggerakan beban hingga 3A dengan batasan yang sangat baik. Sedangkan tipe tegangan keluaran dari regulator ada dua jenis, yaitu fixed dan adjustable. Tipe fixed beberapa diantaranya adalah 3.3V, 5V, 12V, dan 15V. IC ini memerlukan komponen external, untuk tipe fixed komponen yang dibutuhkan adalah 2 capaditor polar, satu induktor, dan satu diode schottky. sedangkan untuk tipe adjustable selain komponen diatas juga diperlukan 2 buah resistor sebagai pembagi tegangan. IC ini memiliki kompensasi frekuensi internal dan sebuah osilator frekuensi tetap. Dibawah ini adalah gambar rangkaiannya
7
Gambar 2.1 Rangkain LM2575HVT -0.5
2.2. SENSOR SUHU LM35 Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. Sensor Suhu LM35 yang dipakai dalam penelitian ini berupa komponen elektronika elektronika yang diproduksi oleh National Semiconductor. LM35 memiliki keakuratan tinggi dan kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yang lain, LM35 juga mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang tinggi sehingga dapat dengan mudah dihubungkan dengan rangkaian kendali khusus serta tidak memerlukan penyetelan lanjutan. Output dapat langsung dihubungkan port mikrokontroler yang memiliki ADC atau dengan Arduino. Meskipun tegangan sensor ini dapat mencapai 30 volt akan tetapi yang diberikan kesensor adalah sebesar 5 volt, sehingga dapat digunakan dengan catu daya tunggal dengan ketentuan bahwa LM35 hanya membutuhkan arus sebesar 60 μA hal ini berarti LM35 mempunyai kemampuan menghasilkan panas (self-heating) dari sensor
8
yang dapat menyebabkan kesalahan pembacaan yang rendah yaitu kurang dari 0,5 ºC pada suhu 25 ºC Karakteristik :
Memiliki sensitivitas suhu, dengan faktor skala linier antara tegangan dan suhu 10 mVolt/ºC, sehingga dapat dikalibrasi langsung dalam celcius.
Memiliki ketepatan atau akurasi kalibrasi yaitu 0,5ºC pada suhu 25 ºC
Memiliki jangkauan maksimal operasi suhu antara -55 ºC sampai +150 ºC.
Bekerja pada tegangan 4 sampai 30 volt.
Memiliki arus rendah yaitu kurang dari 60 μA.
Memiliki pemanasan sendiri yang rendah (low-heating) yaitu kurang dari 0,1 ºC pada udara diam.
Memiliki impedansi keluaran yang rendah yaitu 0,1 W untuk beban 1 mA.
Memiliki ketidaklinieran hanya sekitar ± ¼ ºC.
Gambar 2.2. Sensor LM35
9
2.3.LM 358( Operational Amplifier sebagai Penguat Non-Inverting) Penguat operasional (op-amp) merupakan kumpulan puluhan transistor dan resistor dalam bentuk satu chip IC. Op-Amp merupakan komponen aktif linier yang merupakan penguat gandeng langsung (direct coupling), dengan penguatan terbuka (open gain) yang sangat besar dan dapat dipakai untuk menjumlahkan, mengalikan, membagi, mendifferensialkan, serta mengintegralkan tegangan listrik IC Op-Amp sering dipakai untuk perhitungan – perhitungan analog, instrumentasi, maupun berbagai macam aplikasi kontrol. IC LM358 di desain secara sempurna dalam hal penggunaan dua buah Op-Amp secara bersamaan dalam satu chip. IC inilah yang dipakai dalam perancangan sistem alat.
Gambar 2.3. IC LM358
10
Tabel 2.1. Fungsional IC LM358
IC Op-Amp LM358 memiliki keunggulan dalam pemakaian daya yang lebih rendah, kemampuan penggunaan saluran input yang berkorelasi dengan saluran pentanahan, dapat dicatu menggunakan mode catu daya tunggal maupun catu daya ganda. IC Op-Amp LM358 memiliki keunggulan dalam pemakaian daya yang lebih rendah, kemampuan penggunaan saluran input yang berkorelasi dengan saluran pentanahan, dapat dicatu menggunakan mode catu daya tunggal maupun catu daya ganda. 2.4. Operational Amplifier sebagai Komparator Rangkaian komparator merupakan sebuah rangkaian pembanding 2 buah tegangan yang terhubung dengan kaki inverting dan kaki non-inverting. Keluaran dari rangkaian komparator adalah tegangan saturasi positif atau tegangan saturasi negatif, sesuai dengan hasil perbandingan. Berikut adalah gambar rangkaian komparator yang ditunjukan oleh gambar 2.4:
11
Gambar 2.4 Rangkaian Komparator
Apabila tegangan input pada non-inverting lebih besar dari kaki inverting maka tegangan output sama dengan tegangan saturasi positif. Apabila tegangan input pada kaki inverting lebih besar dari kaki non-inverting maka tegangan output adalah tegangan saturasi negatif. Berikut adalah gambar karakteristik input-output dari Opamp sebagai komparator yang ditunjukan oleh gambar 2.5 :
12
Gambar 2.5 Output rangkaian komparator
2.5. Liquid Crystal Display ( LCD ) 16X2 Sebuah LCD (Liquid Crystal Display) merupakan sebuah modulator optoelektrikal yang berbentuk tipis dan rata, dan dibuat dari beberapa warna atau piksel monokromatik yang diatur di depan sumber cahaya atau reflector. Alat ini biasanya menggunakan sumber dari baterai karena hanya memerlukan sumber tenaga yang kecil.
Gambar 2.6 LCD Alphanumerik 2 baris 16 karakter
Setiap kolom pada LCD memiliki rangkaian tunggal sendiri. Piksel-piksel pada LCD dialamatkan sekali menurut alamat baris dan kolom. Tipe ini disebut pengalamatan matriks pasif karena piksel harus bertahan pada keadaan stabilnya meskipun sebenarnya harus melakukan refresh tanpa kelebihan dari pengisian listrik yang stabil. Semakin banyak piksel, maka tampilan yang dihasilkan oleh LCD matriks akan semakin halus. Kekurangan dari LCD ini adalah tanggapannya yang
13
agak memerlukan waktu yang lebih lama dan memiliki kemampuan mengeluarkan cahaya yang rendah. Pin-pin pada LCD dapat diunjukkan oleh tabel berikut ini:
Tabel 2.2 Pin-Pin pada LCD
Pin
Simbol
Level
Fungsi
1
VSS
-
GND
2
VCC
-
Supply +5 Volt
3
VEE
-
Kontras H : Data Masuk
4
RS
H/L L : Data Keluar
5
R/W
H/L
H : READ L : Write
6
E
H/L
Sinyal aktif LCD
7 s/d 14
DB0-DB7
H/L
Jalur data
15
V+BL
-
Supply background light
16
V-BL
-
Supply background light
14
2.6. Arduino Uno Arduino uno adalah kit elektronik atau papan rangkaian elektronik open source yang di dalamnya terdapat komponen utama yaitu sebuah chip mikrokontroler dengan jenis AVR dari perusahaan Atmel. Arduino adalah sebuah board mikrokontroller yang berbasis ATmega328. Arduino memiliki 14 pin input/output yang mana 6 pin dapat digunakan sebagai output PWM, 6 analog input, crystal osilator 16 MHz, koneksi USB, jack power, kepala ICSP, dan tombol reset. Arduino mampu men-support mikrokontroller; dapat dikoneksikan dengan komputer menggunakan kabel USB. Berikut gambar 2.6 adalah pin-pin pada kit arduino uno yang digunakan pada rancangan alat ini :
Gambar 2.7 Arduino Uno
Gambar 2.7 Arduino Uno
2.6.1Diagram Blok dan Fungsi PIN Arduino Berikut gambar 2.8 adalah bentuk diagram blok dari arduino :
15
Gambar 2.8. Diagram Blok Arduino
Fungsi PIN pada kit Arduino pada gambar 2.2 adalah sebagai berikut : PIN Power Arduino dapat diberikan power melalui koneksi USB atau power supply. Powernya diselek secara otomatis. PIN power terdapat pada kaki 1 sampai kaki 6. Power supply dapat menggunakan adaptor DC atau baterai. Adaptor dapat dikoneksikan dengan memasang jack adaptor pada koneksi port input supply. Board arduino dapat dioperasikan menggunakan supply dari luar sebesar 6 - 20 volt. Jika
16
supply kurang dari 7V, kadangkala pin 5V akan menyuplai kurang dari 5 volt dan board bisa menjadi tidak stabil. Jika menggunakan lebih dari 12 V, tegangan di regulator bisa menjadi sangat panas dan menyebabkan kerusakan pada board. Rekomendasi tegangan ada pada 7 sampai 12 volt. Penjelasan pada pin power adalah sebagai berikut : Vin Tegangan input ke board arduino ketika menggunakan tegangan dari luar (seperti yang disebutkan 5 volt dari koneksi USB atau tegangan yang diregulasikan). Pengguna dapat memberikan tegangan melalui pin ini, atau jika tegangan suplai menggunakan power jack, aksesnya menggunakan pin ini. 5V Regulasi power supply digunakan untuk power mikrokontroller dan komponen lainnya pada board. 5V dapat melalui Vin menggunakan regulator pada board, atau supply oleh USB atau supply regulasi 5V lainnya. 3V3 Suplai 3.3 volt didapat oleh FTDI chip yang ada di board. Arus maximumnya adalah 50mA. Pin Ground berfungsi sebagai jalur ground pada arduino. Memori ATmega328 memiliki 32 KB flash memori untuk menyimpan kode, juga 2 KB yang digunakan untuk bootloader. ATmega328 memiliki 2 KB untuk SRAM dan 1 KB untuk EEPROM. Input dan Output Setiap 14 pin digital pada arduino dapat digunakan sebagai input atau output, menggunakan fungsi pinMode(), digitalWrite(),
17
dan digitalRead(). Input/output dioperasikan pada 5 volt. Setiap pin dapat menghasilkan atau menerima maximum 40 mA dan memiliki internal pull-up resistor (disconnected oleh default) 20- 50 KOhms. Beberapa pin memiliki fungsi sebagai berikut : Serial : 0 (RX) dan 1 (TX). Digunakan untuk menerima (RX) dan mengirim (TX) TTL data serial. Pin ini terhubung pada pin yang koresponding dari USB FTDI ke TTL chip serial. Interupt eksternal : 2 dan 3. Pin ini dapat dikonfigurasikan untuk trigger sebuah interap pada low value, rising atau falling edge, atau perubahan nilai. PWM : 3, 5, 6, 9, 10, dan 11. Mendukung 8-bit output PWM dengan fungsi analogWrite(). LED : 13. Ini adalah dibuat untuk koneksi LED ke digital pin 13. Ketika pin bernilai HIGH, LED hidup, ketika pin LOW, LED mati. Konektor USB Konektor USB adalah soket untuk kabel USB yang disambungkan ke komputer atau laptop. Berfungsi untuk mengirimkan program ke Arduino dan juga sebagai port komunikasi serial. Input / Output Digital Input/Output Digital atau digital pin adalah pin-pin untuk menghubungkan Arduino dengan komponen atau rangkaian digital. Input/Output digital pada KIT arduino terdapat pada kaki 1 samapai kaki 13. Misalnya kalau ingin membuat LED berkedip, LED tersebut bisa dipasang pada salah satu pin I/O
18
digital dan ground. Komponen lain yang menghasilkan output digital atau menerima input digital bisa disambungkan ke pin-pin ini. Input Analog Input Analog atau analog pin adalah pin-pin yang berfungsi untuk menerima sinyal dari komponen atau rangkaian analog. Misalnya dari potensiometer, sensor suhu, sensor cahaya, dsb. Baterai / Adaptor Soket baterai atau adaptor digunakan untuk menyuplai Arduino dengan tegangan dari baterai/adaptor 9V pada saat Arduino sedang tidak disambungkan ke komputer. Kalau Arduino sedang disambungkan ke komputer melalui USB, Arduino mendapatkan suplai tegangan dari USB, jadi tidak perlu memasang baterai/adaptor saat memprogram Arduino. 2.7.Pemrograman Dasar Arduino Uno Struktur dasar arduino hanya terjadi dalam dua bagian: Void setup() { // Statement; di eksekusi satu kali} Void loop() { // Statement; di eksekusi terus menerus }
Setup
19
Fungsi setup() hanya dipanggil satu kali ketika program pertama kali di jalankan. Ini digunakan untuk mendifinisikan mode pin atau memulai komunikasi serial. Fungsi setup() harus di ikut sertakan dalam program ,walaupun tidak ada statement yang di jalankan. Contoh pemrograman yang menggunakan fungsi setup sebagai berikut: Void setup () { pinMode(3,OUTPUT) ; // men-set “pin” 3 sebagai Output pinMode(6, INPUT); // men-set pin 6 sebagai Input Serial.begin(9600); } Keterangan: pinMode() = berfungsi untuk mengatur fungsi sebuah pin sebagai INPUT atau OUTPUT. Serial.begin(9600)
=
digunakan
untuk
mengaktifkan
fitur
UART
dan
menginisialisasinya.
Loop
Setelah melakukan fungsi setup() maka secara langsung akan melakukan fungsi loop() secara berurutan dan melakukan instruksi-instruksi ayang ada dalam fungsi loop(). void loop() {
20
If (digitalRead(6)==HIGH) // membaca input digital pin 6 { xstart = millis(); //aktifkan timer digitalWrite(3, HIGH); // nyalakan pin 3 delay(1000); // pause 1detik digitalWrite(3, LOW); // matikan pin 3 } } Keterangan:
digitalWrite : Untuk memberikan nilai LOW dan HIGH pada sebuah pin output.
Delay : Untuk memberikan waktu tunda dalam satuan millisekon.
digitalRead : Untuk membaca logika LOW dan HIGH.
2.7.1.Struktur Pengaturan Program Program sangat tergantung pada pengaturan apa yang akan dijalankan berikutnya, berikut ini adalah elemen dasar pengaturan program: if..else, dengan format seperti berikut ini: if (kondisi) { } else if (kondisi) { } else { } Dengan struktur seperti diatas program akan menjalankan kode yang ada di dalam kurung kurawal jika kondisinya TRUE, dan jika tidak (FALSE) maka akan diperiksa
21
apakah kondisi pada else if dan jika kondisinya FALSE maka kode pada else yang akan dijalankan. for, dengan format seperti berikut ini: for (int i = 0; i < #pengulangan; i++) { } Digunakan bila anda ingin melakukan pengulangan kode di dalam kurung kurawal beberapa kali, ganti #pengulangan dengan jumlah pengulangan yang diinginkan. Melakukan penghitungan ke atas dengan i++ atau ke bawah dengan i–. Input/Output Digital a. pinMode(pin, mode) Digunakan untuk menetapkan mode dari suatu pin, pin adalah nomor pin yang akan digunakan dari 0-19 (pin analog 0-5 adalah 14-19). Mode yang bisa digunakan adalah INPUT atau OUTPUT. b. digitalWrite(pin, value) Ketika sebuah pin ditetapkan sebagai OUTPUT, pin tersebut dapat dijadikan HIGH (ditarik menjadi 5 volts) atau LOW (diturunkan menjadi ground). c. digitalRead(pin) Ketika sebuah pin ditetapkan sebagai INPUT maka anda dapat menggunakan kode ini untuk mendapatkan nilai pin tersebut apakah HIGH (ditarik menjadi 5 volts) atau LOW (diturunkan menjadi ground). Input/Output Analog Arduino adalah mesin digital tetapi mempunyai kemampuan untuk beroperasi di dalam alam analog (menggunakan trik). Berikut ini cara untuk menghadapi hal yang bukan digital.
22
a. analogWrite(pin, value) Beberapa pin pada Arduino mendukung PWM (pulse width modulation) yaitu pin 3, 5, 6, 9, 10, 11. Ini dapat merubah pin hidup (on) atau mati (off) dengan sangat cepat sehingga membuatnya dapat berfungsi layaknya keluaran analog. Value (nilai) pada format kode tersebut adalah angka antara 0 ( 0% duty cycle ~ 0V) dan 255 (100% duty cycle ~ 5V). b.
analogRead(pin)
Ketika pin analog ditetapkan sebagai INPUT anda dapat membaca keluaran voltasenya. Keluarannya berupa angka antara 0 (untuk 0 volts) dan 1024 (untuk 5 volts).
2.8. Motor DC Motor DC berfungsi mengubah energi listrik menjadi energi mekanik, dimana energi mekanik yang terjadi adalah putaran dari motor. Prinsip dasar dari motor arus searah adalah jika sebuah kawat berarus diletakkan antara kutub magnet (U-S), maka sebuah kawat itu akan mendapatkan torsi yang menggerakan kawat tersebut. Arah gerakkan kawat dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri, yang berbunyi sebagai berikut: “Apabila tangan kiri terbuka diletakkan diantara kutub U dan S, garis-garis gaya yang keluar dari kutub utara menembus telapak tangan kiri dan arus didalam kawat mengalir searah dengan arah keempat jari, maka kawat itu akan mendapat gaya yang arahnya sesuai dengan arah ibu jari”. Yang diperlihatkan dengan gambar 2.9 dibawah ini :
23
Gambar 2.9 Prinsip Kerja Motor DC
Suatu motor listrik disebut sebagai motor DC jika memerlukan catu daya tegangan searah pada kumparan jangkar dan kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Pada motor DC, kumparan medan yang dialiri arus listrik akan menghasilkan medan magnet yang melingkupi kumparan jangkar dengan arah tertentu. Dengan mengingat hukum kekekalan energi, proses konversi energi mekanik dapat dinyatakan sebagai berikut: “ Energi listrik sebagai input : Energi mekanik sebagai output + Energi yang diubah sebagai panas + Energi yang tersimpan dalam medan magnet.” Motor DC mempunyai dua bagian dasar yaitu: a.
Bagian diam/tetap (Stasioner) yang disebut stator. Stator ini mengha-
silkan medan magnet, baik yang dibangkitkan dari sebuah koil (elektromagnetik) atau magnet permanen. Bagian stator terdiri dari bodi motor yang memiliki magnet yang melekat padanya. Untuk motor kecil, magnet tersebut adalah
24
magnet permanen sedangkan untuk motor besar menggunakan elektromagnetik. Kumparan yang dililitkan pada lempeng lempeng magnet disebut kumparan medan. b.
Bagian berputar (rotor). Rotor ini berupa sebuah koil dimana arus li-
strik mengalir. Suatu kumparan motor akan berfungsi apabila mempunyai: 1. Kumparan medan, berfungsi sebagai penghasil medan magnet. 2. Kumparan jangkar, berfungsi sebagai pengimbas GGL pada konduktor yang terletak pada alur-alur jangkar. 3. Celah udara yang memungkinkan berputarnya jangkar dalam medan magnet. Kontruksi dasar dari sebuah motor DC ditunjukkan seperti pada gambar 2.9
Rotor
Badan
Inti Kutub
Gambar 2.10. Bagian-Bagian Motor DC
25
2.9 Kecepatan Motor DC Kecepatan pada Motor DC berhubungan langsung dengan catu dayanya, jadi ketika menurunkan tegangan dari 48 VDC menjadi 24 VDC, maka motor akan berputar setengah dari kecepatan normalnya. Pengaturan kecepatan motor DC dapat dilakukan dengan mengubah-ubah tegangan rata-rata catu daya motor, dengan cara sederhana yaitu menswitch catu daya motor ON dan OFF secara bergantian dengan sangat cepat. Sehingga motor akan mendapat tegangan rata-rata dari catu daya tersebut. Jika lama waktu tegangan catu daya (On) lebih panjang dibandingkan dengan jumlah waktu tegangan catu daya (Off) maka kecepatan motor akan meningkat, begitu juga ketika lama waktu tegangan catu daya (Off) lebih besar dibandingkan dengan jumlah waktu tegangan catu daya (On) maka kecepatan motor akan menurun.
