BAB III METODE PENELITIAN A. METODE PENELITIAN Metode penelitian yang digunakan adalah metode eksperimen. Eksperimen didalamnya termasuk adalah pengambilan data dan membangun sistem kontrol temperatur. Pembangunan sistem kontrol meliputi elemen pengukur, elemen logika dan aktuator (elemen kontrol). Mode kontrol yang digunakan adalah kontrol on-off yang juga dimodifikasi sehingga daya dapat divariasikan. Sementara studi akan mengamati respon sistem yang telah kita bangun serta membandingkannya dengan model matematika yang diberikan oleh sistem. untuk kestabilan sistem akan diambil data melalui tampilan penampil LCD yang akan ditentukan rentang fluktuasinya. Untuk eksperimen tambahan diberikan data pengujian untuk masing-masing blok sistem antara lain pengujian sensor dan ADC. B. LOKASI PENELITIAN Kegiatan penelitian ini akan dilaksanakan dibeberapa tempat diantaranya: 1. Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi (LEI) Jurusan Pendidikan Fisika FPMIPA UPI, jln Dr Setiabudhi no 229 Bandung 40154 2. Kediaman Peneliti, jln Cilimus 16a, kel Isola, Kec Sukasari, Bandung 40154
22
C. ALAT DAN BAHAN Adapun alat dan bahan yang dibutuhkan dalam penelitian ini yaitu: 1. Mikrokontroler ATmega 8535
Gambar 3.1 Pin Atmega 8535 Arsitektur ATMega8535 a. Saluran IO sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C dan Port D b. ADC 10 bit sebanyak 8 Channel c. Tiga buah timer / counter d. 32 register e. Watchdog Timer dengan oscilator internal 23
f. SRAM sebanyak 512 byte g. Memori Flash sebesar 8 kb h. Sumber Interrupt internal dan eksternal i. Port SPI (Serial Pheriperal Interface) j. EEPROM on board sebanyak 512 byte k. Komparator analog l. Port USART (Universal Shynchronous Ashynchronous Receiver Transmitter) Mikrokontroller AVR memiliki arsitektur RISC 8 Bit, sehingga semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit (16-bits word) dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam satu siklus instruksi clock. Ini sangat membedakan sekali dengan instruksi MCS-51 (Berarsitektur CISC) yang membutuhkan siklus 12 clock. RISC adalah Reduced Instruction Set Computing sedangkan CISC adalah Complex Instruction Set Computing. ADC dari mikrokontroler AVR yang mencapai 10 bit akan membantu kita untuk memaksimalkan kerja dari sensor suhu. Dengan ADC 10 bit berarti kita memiliki lebar konversi sebesar 1025, hal ini memungkinkan kita untuk memaksimalkan range yang diberikan oleh sensor untuk disesuaikan dengan kebutuhan pemakaian pada sistem kolam ini. Pemaksimalan range pengukuran akan mengakibatkan resolusi pengukuran akan lebih baik. Apabila dibandingkan dengan MCS-51 yang masih belum dilengkapi dengan sistem ADC jelas ini sangat menguntungkan.
24
2. BASCOM AVR BASCOM adalah singkatan dari Basic Compiler yang merupakan sejenis software (perangkat lunak) yang bekerja sesuai dengan syntax bahasa basic. Alasan penggunaan bahasa basic adalah kemudahan dalam pemahaman pemrograman. Compiler memiliki makna bahwa sistem ini juga nantinya akan mengubah program assembly yang kita buat kedalam kode heksa atau biner yang kemudian nantinya akan di
downloadkan
sebagai
program
ke
mikrokontroler.
Alur
pemrograman
menggunakan mikrokontroler dapat diamati pada gambar 3.2.
Menulis Program sumber
Proses Assembly
Hasil berupa(*.hex) atau (*.bin)
Program Downloa der
Downlo ader (mikro)
Gambar 3.2 Alur Pemrograman mikrokontroler 3. Sensor Suhu LM 35 DZ Sensor temperatur LM 35 DZ merupakan sensor temperatur yang sudah terintegrasi dalam sebuah IC dimana keluarannya sudah proporsional dengan temperatur celcius. Keluarannya linear 10 mV/ oC. Range pengukuran -55oC Sampai 150oC dan beroperasi pada tegangan 4-30 Volt.
25
Gambar 3.3 Sensor temperatur LM 35 4. Relay Relay merupakan jenis saklar yang dikendalikan oleh arus. Relay memiliki sebuah kumparan tegangan rendah yang dililitkan pada sebuah inti. Terdapat sebuah armatur besi yang akan tertarik meniju inti apabila arus mengalir menuju kumparan.
Gambar 3.4 Skematik relay (http://www.afiata.com/popular-relay-drivercontroller-circuit)
26
5. LCD character LCD (liquid cristal display) Modul LCD Character dapat dengan mudah dihubungkan dengan mikrokontroller. LCD yang akan kita pergunakan
ini
mempunyai lebar display 2 baris 16 kolom atau biasa disebut sebagai LCD Character 2x16, dengan 16 pin konektor.
Gambar 3.5 LCD character (sumber: anonym) 6. Pompa akuarium Pompa aquarium digunakan untuk memompa air agar terjadi sirkulasi air didalam sistem. tipe pompa yang digunakan Aquila P1800 Pompa air
dengan
kemampuan mengalirkan air sebanyak 1500 liter/jam, dengan konsumsi listrik 28 watt, tinggi pancuran maksimum 1.5 meter.
Gambar 3.6 Pompa air akuarium (sumber : aquarium99.com) 27
7. Heater (Elemen Pemanas) Elemen pemanas merupakan piranti yang mengubah energi listrik menjadi energi panas melalui proses Joule Heating. Prinsip kerja elemen panas adalah arus listrik yang mengalir pada elemen menjumpai resistansinya, sehingga menghasilkan panas pada elemen. Elemen pemanas yang dipakai dalam eksperimen ini adalah pemanas aluminium dengan daya maksimal 150 watt. Perhitungan daya elemen pemanas menggunakan prinsip hukum ohm yaitu: P = V . I dengan, P = Daya (VA), V = Tegangan (Volt), I = Arus (ampere). 8. Alat dan komponen Lainnya a. Resistor b. Capasitor c. PCB / protoboard d. Kabel e. Alat solder f. Pembangkit tegangan tinggi AC maupun tegangan rendah DC g. Komputer h. Alat tulis
28
D. PROSEDUR PENELITIAN Karena dalam penelitian ini menggunakan metode eksperimen maka adapun prosedur kerja yang menyangkut tata kerja perancangan alat, teknik pengamatan, hingga pengolahan data akan dibagi dalam tiga tahap yaitu: 1. Tahap Persiapan dan perancangan sistem Dalam tahap ini melakukan tinjauan pustaka mengenai permasalahan yang diangkat menjadi hal yang dominan. Dalam tinjauan pustaka diperoleh suatu model yang berkaitan dengan perancangan sistem kontrol yang akan dibangun. Bentuk rancangan sistem kontrol dapat diilustrasikan oleh blok diagram berikut ini:
Sistem
Aktuator
Akuarium/bak ikan
Heater dan Pompa Pengontrol Mikrokontroler
sensor Temperatur
Penampil
LM 35
LCD
Gambar 3.7 Blok diagram perancangan sistem pengontrol temperatur dan kelembaban
29
Dengan ilustrasi gambar 3.7 dapat kita tentukan bahwa rancangan ini merupakan sistem kontrol loop tertutup. Pada tahap ini pula kemudian kita mengumpulkan alat-alat yang dibituhkan untuk membangun sistem kontrol ini. Selain ilustrasi blok diagram, berikut diberikan rancangan sistem temperatur air kolam (lihat gambar 3.7). Sistem terdiri dari Bak plastik dengan dimensi panjang, lebar, dan tingginya masing-masing 66,48 dan 38 cm. bak tersebut dapat menampung air dengan volume maksimal 130 liter. Dengan dimensi tersebut bak ini dapat mewakili suatu kolam pemijahan.
3
5
2 4 1 6
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Keterangan Sensor temperatur Sistem kontrol mikrokontroler Kotak Pemanas Pipa penyedot Pipa saluran air masuk ke kolam Air kolam Gambar 3.8 Rancangan sistem kolam
30
Untuk memperlihatkan alur berfikir dari sistem kontrol ini, berikut diberikan diagram alir sesuai gambar 3.8. Disini setelah dilakukan pengukuran temperatur, sistem akan menentukan apakah temperatur berada dibawah SP (set point) atau tidak. Apabila ternyata temperatur masih lebih besar dari SP maka sistem tidak akan melakukan aksi apa-apa. Sedangkan apabila sistem mendapat PV (point value) lebih kecil dari SP maka akan dilakukan mode kontrol dengan mengaktifkan pemanas.
Mulai
Ukur temperatur
Nyalakan Pompa
T < 26
ya
Nyalakan Pemanas
Gambar 3.9 Diagram alir sistem temperatur kolam
Dapat dilihat dari gambar 3.9 pompa tidak mengalami pengontrolan, artinya bekerja atau tidaknya pompa tersebut tidak bergantung pada temperatur kolam akan tetapi terus bekerja apabila sistem sedang menyala. Pompa difungsikan sebagai alat
31
untuk mensirkulasi air dari kolam ke kotak pemanas dan kemudian kembali lagi kekolam. Proses sirkulasi yang terjadi merupakan proses sirkulasi tertutup dan berlangsung kontinu. Sirkulasi air seperti ini diharapkan mampu mempercepat pencampuran panas dalam kolam selain itu panas yang masuk kedalam sistem terdistribusi secara merata. Sistem pemanas akan dibangun dengan menggunakan empat buah pemanas yang masing-masing pemanas bekerja berdasarkan mode kontrol on-off. Walaupun hanya dengan mode kontrol on-off
beberapa modifikasi memungkinkan sistem
pemanas ini bekerja dengan daya yang bervariasi. Kedua pemanas yang digunakan akan dikendalikan dalam tiga tingkatan set point, jadi untuk masing-masing pemanas memiliki set point yang berbeda-beda. Nilai set point dari pemanas tentu berada dibawah set point utama. Sehingga dapat dikatakan semakin besar error yang terjadi maka akan semakin banyak pemanas yang menyala sehingga sistem kontrol ini dikatakan dapat menvariasikan daya keluarannya sebanyak tiga tingkatan daya. Akan tetapi karena keterbatasan jumlah pemanas maka sistem kontrol ini hanya akan terbatas pada 3 nilai set point yang berarti di antara nilai set point tertinggi dan terendah bekerja berdasarkan mode kontrol on-off saja. Dalam tahap perancangan ini juga dirancang sistem kendali elektronikanya. Sistem kendali elektronik inilah yang mejadi otak dari bekerjanya sistem ini secara keseluruhan. Berdasarkan blok diagram yang ditunjukkan pada gambar 3.6 dapat dilihat bahwa sitem elektronika yang terlibat antara lain blok sensor, blok
32
mikrokontroler dan blok aktuator. Berikut akan diuraikan prinsip keraja rangkaian dari masing-masing blok. a. Blok Sensor Dalam rangkaian blok ini difungsikan sebagai elemen pengukuran yang memberikan informasi mengenai keadaan variabel temperatur dari sistem yang sedang kita kontrol. Skematik rangkaiannya ditunjukkan pada gambar 3.10. keluaran LM35 dilengkapi rangkaian peredam berupa resistor dan kapasitor, selain itu rangkaian ini dilengkapi dengan rangkaian filter resistor kapasitor masing 1k5 dan 1n. LM358 berfungsi sebagai rangkaian penguat dengan faktor penguatan sepuluh kali dengan keluaran yang tidak membalik. Keluaran rangkaian ini kemudian diumpankan ke blok mikrokontroler yang akan membandingkan nilai yang terukur dan nilai yang dikehendaki sehingga muncul nilai error. Vcc LM 35
Vcc +3 10k
8 ADC 1
LM358
1k5
1 2 3
-2
4
1n
Gnd
150k 150k 1uF/16v
18 k 2k
Gambar 3.10 Blok rangkaian sensor LM35 yang telah diperkuat OpAmp 33
Dengan demikian telah dirancang suatu sensor temperatur dengan menggunakan IC LM35 yang memiliki karakteristik jangkauan. 0-40 oC. jangkauan sensor disesuaikan
dengan
kemungkinan nilai temperatur kolam. Dengan
memperkecil jangkauan kita telah menaikkan resolusi alat hingga 0.05 oC dengan penguatan 10 kali. b. Blok Mikrokontroller Blok
mikrokontroler
berfungsi
sebagai
elemen
pembanding
yaitu
membandingkan nilai yang dihasilkan oleh elemen pengukur (sensor) dengan nilai set point yang kita inginkan. Selain pembanding pada blok inilah terdapat implementasi kontrol atau menentukan tindakan apa yang akan diberikan apabila diterima sinyal error. Kontrol yang dihasilkan berupa sinyal 1 pada port keluaran (port D 4-7) apabila nilainya dibawah nilai tegangan yang diinginkan. Sinyal dikrit ini kemudian akan diumpankan ke blok aktuator berupa driver relay ULN 2003 A. Pada mikrokontroler perangkat lunak (software) yang akan digunakan untuk merealisasikan logika kontrol yang kita inginkan. Logika kontrol tersebut adalah penyalaan pemanas apabila temperatur kolam berada dibawah set point (mode kontrol saklar). Jumlah pemanas yang dinyalakan sesuai dengan besarnya perbedaan temperatur kolam dengan set point utama. Selain sebagai pembanding mikrokontroler juga digunakan untuk konversi data temperatur (pengkondisi sinyal) sehingga hasilnya dapat ditampilkan dalam
34
penampil LCD karakter. Tampilan LCD karakter juga dilengkapi dengan informasi proses kontrol yang sedang dilakukan sistem dalam hal ini terkait dengan informasi daya pemanas yang dipergunakan.
Mikrokontroler ATmega 8535 32
ADC
Port C 22-29
Vref
Port D 14-21
LCD
Blok aktuator
Vcc 10,32,30
Vcc
Gnd 11,21
Gambar 3.11 Blok rangkaian Mikrokontroler
c. Blok Aktuator Blok Aktuator hanya terdiri dari sistem relay lengkap dengan drivernya yang akan mengendalikan pensaklaran pemanas. Rangkaian penguat diperlukan karena arus keluaran yang dihasilkan port mikrokontroler sangat kecil, sementara relay merupakan saklar yang dikendalikan oleh arus sehingga dalam bekerja membutuhkan suplay arus minimum yang harus diperhatikan.
35
Dalam sistem kontrol elemen aktuator sering pula disebut elemen koreksi yang bertujuan untuk merubah kondisi sistem yang dikontrol. Istilah aktuator digunakan untuk menyatakan elemen dari sebuah unit koreksi yang membangkitkan daya untuk aksi kontrol. Blok rangkaian aktuator ditunjukkan oleh gambar 3.12. Sinyal masuk dari mikrokontroler (berupa sinyal 1 atau 0) akan diteruskan dan memicu pensaklaran didaerah kerja tegangan tinggi yaitu suplay tegangan untuk pemanas. Pemanas yang digunakan terdiri dari dua buah pemanas dengan daya 50 w dan 100 w sehingga daya maksimal diperoleh 150 w.
Sumber tegangan tinggi AC 220 V PD.7&6
ULN 2003A 1
16
2
15
3
14
4
13
relay
Heater 50 w
gnd
relay 8
9 Heater 100 w Sumber tegangan
Sumber tegangan tinggi AC 220 V
Gambar 3.12 Blok rangkaian Aktuator
36
2. Tahap Pengujian instrumen Tahap kedua yang merupakan tahap pengujian sistem kontrol. Diantaranya adalah uji dan perangkaian perangkat keras maupun lunak sistem kontrol. Uji perangkat keras dalam hal ini yaitu pengujian terhadap keluaran sensor LM35 dan relay. Sedangkan pengujian perangkat lunak meliputi pengujian konversi ADC dan logika kontrol pada mikrokontroler. 3. Tahap Eksperimen dan analisis data Pada tahap terakhir ini akan dilakukan pengambilan data melihat keadaan kolam yaitu mencatat nilai temperatur kolam setiap waktunya.
Analisis intrumen
akan dilakukan terkait dengan respon dan kestabilan sistem kontrol. Nilai temperatur yang bergerak naik ketika pemanasan menuju nilai set point akan dianalisis sebagai respon dari sistem kontrol. Sedangkan perilaku sistem setelah mencapai nilai set point akan dianalisis sebagai kestabilan sistem kontrol.
37
