BAB III PERANCANGAN ALAT
Pada bab ini akan dijelaskan mengenai perancangan dan realisasi dari perangkat keras, serta perangkat lunak dari alat peraga sistem pengendalian ketinggian air. 3.1.
Gambaran Alat Alat yang akan direalisasikan dalam skripsi ini adalah sebuah alat peraga sistem
pengendalian ketinggian air. Air dimasukkan pada sebuah wadah yang kemudian akan dipompa untuk dimasukkan pada tempat penampungan air yang berukuran 12 cm x 10 cm x 30 cm yang pada bagian bawahnya terdapat keran yang terus mengalirkan air kembali ke wadah, di tempat penampungan air ini akan dilaksanakan proses pengendalian ketinggian air. Ketinggian air yang dapat diatur adalah dari ketinggian 5 cm sampai dengan 25 cm dengan kenaikan tiap 1 cm. Untuk mengendalikan ketinggian air tersebut akan digunakan sistem kendali on – off, PID, dan Fuzzy. Selain itu, alat tersebut akan dilengkapi dengan sebuah program user interface yang digunakan untuk mengatur ketinggian air yang dikehendaki, menggambarkan posisi aktual ketinggian air, menampilkan parameter nilai error, nilai aktual, setpoint, pilihan metode kendali yang ingin digunakan, mengatur konstanta Kp, Kd, dan Ki untuk metode kendali PID, dan tombol update untuk mengirim nilai yang telah diatur ke microcontroller. Program user interface tersebut akan terhubung dengan microcontroller melalui komunikasi serial.
11
Gambar 3.1. Blok Diagram Keseluruhan Alat
Gambar 3.1 menunjukkan blok diagram keseluruhan alat yang dirancang. Secara umum sistem yang dirancang terdiri dari tiga bagian utama yaitu modul mekanik, modul controller, dan modul user interface.
3.2.
Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan hingga perealisasian
perangkat keras. Perancangan perangkat keras yang akan dijelaskan meliputi modul mekanik dan modul elektronik yang meliputi modul elektronik pada mekanik dan controller . 3.2.1. Perangkat Keras Modul Mekanik Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan perangkat keras modul mekanik beserta bagian-bagiannya. Gambar 3.2 menunjukkan rancangan desain mekanik tampak depan yang digunakan dan disertai dengan keterangan masing-masing bagian.
12
Gambar 3.2. Tampilan Alat Berikut ini adalah penjelasan fungsi masing – masing bagian: 1. Sensor ultrasonik digunakan untuk mengetahui ketinggian air, yang kemudian nilainya akan digunakan untuk perhitungan pada tiap metode. 2. Pompa air digunakan untuk mengangkat air dari wadah yang berada di bawah ke wadah yang ada di atas dimana air akan diatur ketinggiannya. 3. Keran 1 digunakan untuk mengeluarkan air secara konstan. 4. Keran 2 digunakan sebagai simulasi gangguan.
3.2.2. Perangkat Keras Modul Elektronik Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan perangkat keras modul elektronik yang digunakan dalam skripsi ini.
13
3.2.2.1. Pengendali Utama Pengendali utama bertugas untuk mendapatkan data sensor, mengkonversi data sensor ke jarak, melakukan proses pengendalian(on – off, PID, dan Fuzzy), mengatur pwm pompa air, serta melakukan komunikasi melalui serial dengan program user interface pada PC/laptop baik mengirim data yang akan di-plot oleh program user interface, ataupun menerima perintah dari program user interface dan melakukan update setpoint, metode kendali yang digunakan, dan parameter Kp, Ki, Kd untuk metode kendali PID . Bagian ini dirancang berbasis mikrokontroler sebagai pusat pengolahan data dan sebagai pengontrol bagian-bagian lainnya, mikrokontroler yang digunakan dalam perancangan ini adalah mikrokontroler Arduino Uno. Arduino Uno dipilih karena fasilitas-fasilitas pendukung mikrokontroler ini cukup lengkap untuk melakukan fungsifungsi yang digunakan untuk pembuatan alat ini. Gambar 3.3 di bawah adalah skema perancangan yang digunakan.
Gambar 3.3. Skema perancangan alat.
14
Tabel 3.1 di bawah ini menunjukkan pin Arduino yang dipakai : Tabel 3.1. Konfigurasi penggunaan pin Arduino
Nama pin
Keterangan
Pin vcc 5v
Digunakan sebagai sumber tegangan dari sensor ultrasonik
Pin ground
Digunakan sebagai ground sensor ultrasonik
Pin no. 9
Terhubung dengan driver pompa air
Pin no. 12
Terhubung dengan pin trigger pada sensor ultrasonic
Pin no. 11
Terhubung dengan pin echo pada sensor ultrasonic
3.2.2.2. Sensor Ultrasonik HC-SR04 Untuk mendeteksi ketinggian air digunakan sensor ultrasonic HC-SR04. HCSR04 adalah sensor yang mendeteksi jarak obyek melalui pantulan suara dan output keluarannya waktu pantulan suara tersebut. HC-SR04 mempunyai tegangan kerja 4.5 V sampai 5.5 V dan mempunyai arus kerja 2 mA. Sensor ini mampu mendeteksi jarak obyek dari 2 cm hingga 500 cm, dengan sudut efektif saat mengukur jarak adalah sebesar < 15 derajat dengan resolusi 0.3 cm. Dalam realisasi perancangan alat sensor HC-SR04 diberi catu tegangan 5V untuk mendeteksi ketinggian air pada wadah air yang dipasang di atas wadah. Untuk mendapatkan data ketinggian air dilakukan proses konversi ke satuan cm.
3.2.2.3.Aktuator Aktuator yang digunakan pada alat ini adalah sebuah pompa air yang dicatu dengan tegangan sebesar 12 V. Pompa air ini memiliki arus kerja 2.1 A dan dapat mengangkat air sebanyak 3.1 liter per menit.
3.3. Perancangan dan Realisasi Perangkat Lunak Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan perangkat lunak. Perancangan perangkat lunak yang akan dijelaskan dibagi menjadi dua bagian yaitu perancangan perangkat lunak microntroller dan perangkat lunak program user interface.
15
3.3.1. Perangkat Lunak Microcontroller Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan perangkat lunak microcontroller yang meliputi bagian controller, bagian pengiriman data ke user interface, dan bagian penerimaan data (updater)dari user interface. Gambar 3.4 menunjukkan diagram alir progam yang diimplementasikan pada microcontroller. Start
Inisialisasi Sistem
Ambil data dari HC-SR04
Tidak
Cek apakah ada metode kendali yg digunakan dari user interface?
YA
Prosess Kontroll dengan on-off / PID / Fuzzy
Kirim data Actual ke userinterface dengan serial
Gambar 3.4. Diagram alir Sistem pada Microcontroller
Program controller melakukan pengambilan data sensor HC-SR04, konversi data ke jarak dalam satuan cm, melakukan proses kontrol dengan metode on-off / PID / Fuzzy. Berikut adalah penjelasan diagram alir tersebut:
16
Inisialisasi sistem yang meliputi parameter PID yang digunakan Kp, Ki, Kd, dan setpoint yang diambil dari EEPROM, serta inisialisasi Timer yang digunakan untuk pewaktuan time sampling PID dilakukan.
Diambil data dari sensor HC-SR04 yang berupa waktu dalam mikrodetik yang kemudian akan di konversi ke satuan cm
Sistem akan melakukan cek metode kendali yang digunakan, sistem akan menerima data dari user interface dan kemudian akan melakukan perhitungan bedasarkan metode tersebut.Pada bagian penerimaan data ini terdapat 5 data yang dikirimkan dari user interface yaitu setpoint, Kp, Ki, Kd, dan mode kendali yang digunakan.
Jika metode on – off yang dipilih maka hanya akan terjadi 2 kondisi yaitu on saat nilai aktual < setpoint dan off saat nilai aktual > setpoint
Jika metode PID yang dipilih maka akan dilakukan kalkulasi PID dan dilakukan penghitungan error, yaitu error = set point - aktual. Kemudian error yang didapatkan digunakan untuk menghitung u(t),
sehingga
didapatkan u(t) = Kp error + Ki sum of error + Kd (error – last error).
Jika metode Fuzzy yang dipilih maka akan dibuat himpunan – himpunan fuzzy seperti pada Gambar 3.11 di bawah. Himpunan input adalah himpunan error yang dibagi menjadi 4 himpunan yaitu untuk error kecil sekali, error kecil, error besar, dan error besar sekali. Proses perhitungan fuzzy dilakukan berdasarkan metode fuzzy yang diterapkan oleh Sugeno. Dipilih metode Sugeno karena metode ini karena perhitungan lebih efisien(output sistem berupa himpunan tegas bukan himpunan fuzzy). µ(error) Kecil Sekali
-0. 3
Kecil
1
Besar
2
3
Input Variabel error
17
Besar Sekali
4
5
Kemudian akan dilakukan perhitungan derajat keanggotaan masing – masing himpunan tersebut.Perhitungan dilakukan seperti di bawah: 1. Himpunan error kecil sekali � error = {
− error / .
2. Himpunan error kecil
� �� � =
�� � + . / .
{
− �� � /
3. Himpunan error besar
� �� � =
{
jika �� � − . jika − . �� � jika �� � jika �� � jika �� � jika �� � jika �� � jika �� �
jika �� �� � − / jika jika − �� � / jika jika ��
4. Himpunan error besar sekali � error = { error −
/
� �� � error � �� �
jika �� � jika �� � jika �� �
Dari Himpunan – himpunan tersebut ditetapkan nilai yang akan mengatur kecepatan pompa air, nilai tersebut adalah nilai PWM sebagai berikut: Kecil sekali = nilai PWM 70 Kecil = nilai PWM 180 Besar = nilai PWM 200 Besar Sekali = nilai PWM 255 Kemudian dilakukan proses defuzzyfikasi dengan menggunakan rumus
=
rata-rata berbobot yaitu dimana: n=jumlah data Xi=data ke i Wi=derjat keanggotaan data ke i
18
∑
�. � ∑ � �=
�=
Berdasarkan perancangan fuzzy diatas maka jika seandainya error adalah 0.9 maka ia akan berada diantara 2 himpunan yaitu kecil sekali dan kecil maka akan dilakukan perhitungan derajat keanggotaan untuk himpunan kecil sekali dan kecil . Untuk himpunan kecil sekali maka nilai derajat keanggotaannya adalah (10.9)/1.3 dan di dapat nilai 0.076. Untuk himpunan kecil maka nilai derajat keanggotaannya adalah (0.9+0.3)/1.3 dan di dapat nilai 0.924. Maka akan dilakukan proses defuzzifikasi untuk menentukan nilai PWM seperti dibawah:
�
=
.
=
×
.
+
.
× + .
.
+ × + +
+
×
Maka nilai PWM saat error 0.9 adalah 171.64
Terdapat 7 data yang dikirimkan ke user interface yaitu nilai setpoint, sensor, output pwm, Kp, Kd ,Ki, dan error, data tersebut dikirim dalam bentuk string yang diakhiri dengan pergantian baris untuk memudahkan dibaca di program user interface
3.3.2. Perangkat Lunak User interface Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan aplikasi desktop yang digunakan sebagai program user interface yang meliputi cara kerja program user inteface dan penjelasan tampilan program user inteface. 3.3.2.1. Cara kerja program user interface Bagian ini akan menjelaskan cara kerja dari program user interface yang telah dirancang. Gambar 3.5 menunjukkan diagram alir dari program user interface yang telah dirancang.
19
Gambar 3.5. Diagram alir User Interface
Berikut adalah penjelasan diagram alir user interface:
Pertama program dijalankan
Dilakukan inisialisasi dari sistem yang terdiri dari form, property, serta variabel-variabel yang digunakan.
Dilakukan pengecekan port serial yang tersedia dan pengecekan apakah dapat digunakan untuk komunikasi serial atau tidak. Jika port serial tidak ditemukan maka akan dilakukan pengecekan lagi. Jika port serial telah ditemukan kemudian dilakukan pengambilan data dari serial
Dilakukan pengecekan apakah ada penekanan tombol update pada user interface jika ya maka program akan mengirimkan nilai - nilai variable yang diubah juga metode kendali yang digunakan melalui serial.Jika tidak terdapat 20
update nilai ataupun metode kendali program akan melakukan plot nilai setpoint dan ketinggian air
3.3.2.2. Penjelasan Tampilan Program User Interface Program user interface digunakan untuk mengatur metode kendali yang digunakan dalam sistem , mengatur setpoint sesuai yang diinginkan, menampilkan plot ketinggian air dan setpoint yang dikehendaki user, serta mengubah nilai Kp, Ki, Kd untuk metode kendali PID. Perancangan aplikasi tersebut dilakukan menggunakan software Processing.
Gambar 3.6. Tampilan User Interface Pada gambar tampilan user interface di atas terdiri dari bagian – bagian seperti di bawah:
Bagian pilihan metode kendali, bagian ini digunakan untuk mengubah metode kendali yang digunakan, pada bagian ini terdapat 4 pilihan yaitu on – off untuk metode kendali on – off , PID untuk metode kendali PID, Fuzzy untuk metode kendali fuzzy, dan off untuk mematikan pompa.
Bagian yang dikotak merah adalah tampilan nilai variable yang diupdate setiap waktu bagian ini memberikan informasi nilai-nilai variable secara terus menerus.
21
Text box digunakan untuk memasukkan atau mengubah data dari user interface. Cara mengubah nilai adalah dengan memasukkan nilai yang diinginkan dan menekan tombol update
Tombol update digunakan untuk mengirimkan data baik yang ada di text box ataupun metode kendali yang digunakan, dengan menekan tombol update maka nilai – nilai akan dikirimkan ke microcontroller melalui serial.
22
