PENDAHULUAN Latar Belakang Pengukuran temperatur dapat dilakukan dengan menggunakan thermometer. Namun bagaimana jika nilai temperatur yang ingin dicari lebih dari satu titik pengukuran. Apakah berarti harus menggunakan banyak sensor dan memasangnya di tiap titik pengukuran? Tentu saja hal ini menjadi tidak efisien. Solusi dari permasalahan tersebut adalah mengurangi penggunaan sensor dan menempatkan sensor pada titik-titik tertentu kemudian dengan menggunakan metode numerik akan dilakukan penghitungan terhadap titik-titik tertentu yang ingin diketahui dengan referensi nilai temperatur sensor. Metode numerik yang dipakai pada penelitian ini adalah metode elemen hingga (Finite Element Method). Metode ini dapat mengefisienkan penggunaan sensor karena hanya dipasang pada wilayah boundary saja. Hasil keluarannya adalah distribusi penyebaran temperatur pada titik-titik di dalam boundary system. Penelitian ini melakukan pengukuran konduktivitas termal dalam keadaan steady state pada pelat alumunium dengan arah bidang rambat konduksi dua dimensi. Tujuan Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui suhu di beberapa titik permukaan pelat dengan menggunakan metode elemen hingga. Hipotesis Penyebaran distribusi temperatur dalam keadaan steady state di tiap titik pada difusi konduksi termal akan berbeda tapi dengan nilai heat transfer (q) yang konstan.
data keluaran, dan VDD untuk daya device. Salah satu keunggulan lain yaitu device ini tidak memerlukan daya dari luar, daya dapat diambil langsung oleh device ini dari kaki DQ atau kaki untuk data, istilah lainnya yaitu parasite power. Bentuk contoh rangkaiannya dapat dilihat pada Gambar 2. Jika DS18b20 yang digunakan sedikit maka dapat menggunakan pendayaan dari luar, melalui kaki VDD, rangkaiannya dapat dilihat pada Gambar 3. Namun jika device yang dipasangkan berjumlah banyak baiknya menggunakan parasite power. Daya yang dibutuhkan sensor ini berkisar antara 3,0 V sampai 5,5 V.
Gambar 1. Sensor suhu DS18B20
Gambar 2. Blok diagram daya internal pada DS18B20
Gambar 3. Blok diagram daya external pada DS18B20
TINJAUAN PUSTAKA Sensor Temperatur DS18b20 Sensor DS18b20 merupakan jenis sensor onewire yang dikeluarkan oleh Dallas Semiconductor. DS18b20 merupakan sensor suhu yang telah memiliki keluaran digital sehingga tidak diperlukan rangkaian ADC (Analog Digital Converter) dan proporsional dengan suhu pada orde derajat Celcius. Bentuk fisik dari DS18b20 dapat terlihat pada Gambar 1, device ini mempunyai tiga kaki yang terdiri dari GND untuk ground, DQ untuk data masukan atau
Gambar 4. Blok diagram DS18B20 Gambar 4 memperlihatkan struktur DS18b20. Sebanyak 64-bit ROM pada device menyimpan kode serial unik yang digunakan sebagai pembeda device satu dengan yang lain sehingga mikrokontroler dapat mengenalinya. Kode unik itu disebut
13
dengan MAC Address. Memori scratchpad mengandung register 2-bit yang digunakan untuk menyimpan keluaran digital dari sensor temperatur. Sebagai tambahan, scratchpad menyediakan akses ke 1-byte Upper dan Lower alarm register trigger (TH dan TL). Register TH dan TL adalah nonvolatile (EEPROM), sehingga alat ini dapat mempertahankan data saat tidak dihubungkan dengan catu daya. DS18b20 menggunakan 1-wire bus protokol eksklusif yang menerapkan bus komunikasi menggunakan satu sinyal kendali. Garis kendali memerlukan strong pull-up resistor karena semua device dihubungkan melalui 3-state atau port open drain (pin DQ). Dalam sistem bus ini, mikrokontroler mengidentifikasi dan melakukan pengalamatan device pada bus menggunakan kode 64-bit yang unik. [1] Embedded Networked DSTINIm400 DSTINIm400 (Dallas Semiconductor Tiny Internet Interface module) merupakan sebuah modul yang dapat digunakan untuk keperluan embedded networked system. Modul ini sangat cocok digunakan dalam perancangan embedded server. Hal ini dikarenakan modul ini dapat bekerja seperti komputer atau disebut juga Single Board Computer. Modul ini bekerja dengan menggunakan sistem operasi seperti halnya sebuah komputer. Sistem operasinya dinamakan dengan TinyOS (Tiny Operating System). Dalam sistem operasi DSTINIm400 telah terdapat JRE (Java Runtime Evironment) sehingga pengembangan aplikasi dapat dilakukan dalam bahasa tingkat tinggi (High-Level Language) yaitu dengan menggunakan bahasa pemrograman Java. Pada dasarnya komponen inti dari modul DSTINIm400 adalah sebuah mikrokontroler jaringan (network microcontroller) tipe DS80C400, dimana mikrokontroller ini merupakan mikrokontroler yang telah menyertakan 10/100 Ethernet, TCP IPv4/6 network stack dan firmware yang telah di-burning ke dalam ROM-nya. Selain TCP IP, DS80C400 ini juga mendukung komunikasi via protokol UDP (User Datagram Protocol), DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), ICMP, dan IGMP. Oleh karena itu, modul DSTINIm400 ini sangat reliable untuk komunikasi jaringan lokal maupun internet. Selain mikrokontroler DS80C400 sebagai komponen utama, DSTINIm400
juga memiliki memori flash dan RAM sebesar 1MB, hal ini yang membuat DSTINIm400 dapat beroperasi dengan menggunakan sistem operasi. Untuk keterangan lebih lanjut mengenai modul DSTINIm400 ini, dapat mengacu pada datasheet yang terlampir. Bentuk fisik dari modul DSTINIm400 dapat dilihat pada Gambar 5. Diagram modul DSTINIm400 dapat dilihat pada Gambar 6. [2]
Gambar 5. Modul DSTINIm400
Gambar 6. Diagram Modul DSTINIm400 Bahasa Pemrograman Java Java merupakan bahasa pemograman berorientasi objek yang dikembangkan oleh perusahaan Sun Microsytems, yang terkenal dengan Workstation High-end-nya. Java merupakan pengembangan dari bahasa pemograman C++ yang dirancang memiliki ukuran yang lebih kecil, source dan binary level-nya sederhana, dapat digunakan untuk platform dan sistem operasi apapun. Dengan jargon ”write once, run everywhere” menunjukkan bahwa program java dapat dijalankan pada mesin apa saja dengan syarat mempunyai fasilitas JVM (Java Virtual Machine). [3] Untuk memudahkan kompilasi listing program, menjalankan program, membuat file aplikasi java, dan mengubah ekstensi .class menjadi .tini, dalam penelitian ini menggunakan IDE (Integrated Development Environment) Borland JBuilder 9 Enterprise. Keunggulan dari software ini yaitu : Terdapat error correction dan auto suggestion terhadap kesalahan listing program yang dibuat.
14
Tampilan GUI (Graphical User Interface) Mudah digunakan Dapat menentukan path dengan mudah Dengan menambah library TINIConverter dapat mengubah file .class menjadi .tini Dapat menempatkan secara langung file .tini ke dalam mikrokontroller TINI. [4] Bahasa Pemrograman XML dan XSL XML (Extensible Markup Language) adalah bahasa markup, markup digunakan untuk menyampaikan informasi tentang beberapa teks atau data lain. XML berbeda dari bahasa markup seperti HTML (Hypertext Markup Language) karena XML dapat memiliki jumlah elemen jenis nama yang sering disebut informal tag name, Sehingga memberikan kemampuan yang lebih fleksibel kepada para programmer web. XML dikembangan oleh grup kerja xml (awalnya SGML Editorial Review Board) dibawah badan W3C (World Wide Web Consortium) pada tahun 1996. XML adalah class dari object data yang disebut XML document. XML dokumen dapat digunakan untuk menyimpan data yang Anda simpan sebagai huruf, laporan, manual dan sebagainya atau data yang mungkin anda hubungkan dengan database. [5] XSL dirancang untuk digunakan dengan XML dokumen untuk mentransformasikan data dalam bentuk yang sesuai untuk presentasi dalam konteks tertentu atau menjadi alternatif struktur XML. XSL cocok untuk membuat dokumen HTML dari server-side XML dengan HTML yang dihasilkan diproses oleh pengguna Web browser dengan cara biasa. XSL memiliki output untuk mengaktifkan modus HTML output yang akan ditentukan. Selain itu, XSL dapat digunakan untuk memproduksi HTML browser untuk desktop, dan WML (Wireless Markup Language) untuk mobile browser yang sama dari XML penyimpan data. [6] Bahasa Pemrograman PHP dan AJAX PHP adalah bahasa server-side yang termasuk bahasa pemrograman kode sumber terbuka (opensource). Maksud server-side berarti kode sumber berada disisi server.
Sedangkan AJAX (Asynchronuous Javascript and XML) adalah teknik untuk me-request dan respond halaman web yang bekerja terus-menerus secara background. Pada penelitian ini menggunakan framework jQuery versi 1.3.2. Keunggulan PHP yaitu: - Kode sumber terbuka. - Mendukung penulisan dari bahasa prosedural hingga Object Oriented Programming (OOP). - Ringan digunakan. - Tidak membutuhkan compiler hanya butuh web server saja. - Tidak harus mendefinisikan variabel di awal program. Variabel dapat digunakan kembali. - Skalabilitas sehingga dipakai oleh perusahaan besar seperti facebook. Keunggulan AJAX yaitu: - Auto reload request suatu halaman sehingga menjadi halaman yang dinamis. - Bekerja secara background dengan menggunakan sumber daya client. - Cepat, karena setiap saat ada perubahan akan segera di-request. - Dapat membuat website semakin responsif dan dinamis. [7] Data dari XML ‘dijemput’ oleh script php yang secara asinkron dipanggil terusmenerus oleh AJAX tiap dua detik. Metode Elemen Hingga Metode Elemen Hingga (FEM) adalah sebuah teknik numerik yang digunakan untuk memperkirakan suatu problem fisis dari persamaan diferensial parsial pada persoalan yang menyangkut aliran fluida, analisa struktur, dan lainnya dengan mendiskritisasikan suatu objek menjadi bagian kecil (elemen hingga). Metode pendekatan yang sering digunakan saat merumuskan problem fisis ke dalam diskritisasi metode elemen hingga, yaitu metode Galerkin dan metode Variasi [8][9]. Pada penelitian ini menggunakan metode Galerkin yang didasarkan pada minimasi residu yang tertinggal setelah suatu solusi pendekatan disubtitusikan ke dalam persamaan diferensial dari suatu problem fisis. Ide utama dari metode elemen hingga adalah untuk memecahkan elemen yang sangat kompleks dengan batasan yang tidak ditentukan menjadi suatu elemen dengan batasan yang kecil. Masing-masing elemen
15
diperhitungkan sebagai bagian dalam permasalahan utama, dimana terdapat hubungan antarelemen yang saling berkaitan melalui informasi global tentang deformasi, yang biasanya berhubungan dengan karakteristik elemen. Keakuratan metode elemen hingga dapat ditingkatkan dengan cara menyempurnakan mesh pada model dengan menambahkan elemen dan nodes. Metode ini disebut dengan hp-FEM. Keunggulan dari metode elemen hingga adalah dapat menyelesaikan persoalan sistem yang kompleks dimana tidak dapat diselesaikan dengan perhitungan analitis, dapat menghitung dari persamaan linear hingga persamaan nonlinear, penghitungan secara komputasi ini menjadi sangat efisien, dan untuk beberapa permasalahan metode ini mungkin adalah satu-satunya cara. Komputer digunakan untuk melakukan jutaan penghitungan yang diperlukan untuk mensimulasikan elemen-elemen penyusun suatu model yang kompleks yang digunakan dalam pemodelan atau simulasi ini. Software yang digunakan adalah SolidWorks 2009 SP 2.1 versi standard. Konduksi Thermal Dua Dimensi Pada penelitian ini menggunakan distribusi konduksi thermal pada pelat logam dalam bidang dua dimensi arah rambatnya. Konduksi thermal dua dimensi dituliskan dengan: [10] 𝜕𝑇 (1) 𝒒𝑥 = −𝑘𝑥𝑥 𝒒𝑦 = −𝑘𝑦𝑦
𝜕𝑥 𝜕𝑇
(2)
𝜕𝑦
dimana : q : konduksi thermal [J] kxx = kyy : konduktivitas thermal [J/oCms] T : Temperatur [oC] Jika dituliskan dengan matrix menjadi: 𝑞𝑥 𝑘𝑥𝑥 𝑞= 𝑞 =− 0 𝑦
0 𝑘𝑦𝑦
𝜕𝑇 𝜕𝑥 𝜕𝑇 𝜕𝑦
= −𝑫∇𝑇 (3)
Kemudian sesuai dengan teorema divergensi gauss, maka didapat strong formulation konduksi panas dua dimensi: 𝜕 𝜕𝑇 𝑑𝑖𝑣 𝑡𝑫∇𝑇 + 𝑡𝑄 = 𝜕𝑥 𝑡𝑘𝑥𝑥 𝜕𝑥 𝜕 𝜕𝑇 + 𝑡𝑘𝑦𝑦 𝜕𝑥 𝜕𝑦 +𝑡𝑄 = 0 (4) Kalikan dengan fungsi bobot (weight function) lalu integralkan terhadap domain lalu menghasilkan:
(∇𝑣)𝑇 𝑡𝑫∇𝑇𝑑𝐴 = − 𝐴
𝑣𝑡𝑞 𝑑ℒ ℒ𝑞
− +
ℒ𝑇
𝑣𝒕𝑞𝑛 𝑑ℒ
𝐴
𝑣𝑡𝑄𝑑𝐴
(5)
dengan 𝑇 = 𝑇 pada ℒ 𝑇 𝑞𝑛 = 𝑞 pada ℒ𝑞 Kemudian diskritisasikan domain menjadi elemen berhingga. Dengan menggunakan metode Galerkin maka variabel utama (yaitu temperatur) dan fungsi bobot menggunakan interpolasi yang sama. 𝑇 𝑥, 𝑦 = 𝑁1 𝑥, 𝑦 𝑇1 + 𝑁2 𝑥, 𝑦 𝑇2 +𝑁3 𝑥, 𝑦 𝑇3 + 𝑁4 𝑥, 𝑦 𝑇4 𝑇1 𝑇2 = 𝑁1 𝑥, 𝑦 𝑁2 𝑥, 𝑦 𝑁3 𝑥, 𝑦 𝑁4 𝑥, 𝑦 𝑇3 𝑇4 = 𝑵 𝑥, 𝑦 𝒂 (6) Karena v dan a adalah konstan, dan setelah dilakukan subtitusi maka menghasilkan: 𝐴
𝑩𝑇 𝑡𝑫𝐁𝑑𝐴𝒂 = − − +
ℒ𝑞
𝑵𝑇 𝑡𝑞 𝑑ℒ
ℒ𝑇
𝑵𝑻 𝒕𝑞𝑛 𝑑ℒ
𝐴
𝑵𝑇 𝑡𝑄𝑑𝐴
Dimana: 𝑩 = ∇𝑵 Diketahui:
(7) (8)
𝑲 = 𝐴 𝑩𝑇 𝑡𝑫𝐁𝑑𝐴𝒂 (9) sebagai stiffness matrix (matriks kekakuan) 𝒇𝑏 = −
ℒ𝑞
𝑵𝑇 𝑡𝑞 𝑑ℒ −
ℒ𝑇
𝑵𝑻 𝒕𝑞𝑛 𝑑ℒ (10)
sebagai boundary load vector 𝒇ℓ = 𝐴 𝑵𝑇 𝑡𝑄𝑑𝐴 sebagai internal load vector 𝑲𝒂 = 𝒇𝑏 + 𝒇ℓ atau 𝑲𝒂 = 𝒇 dengan 𝒇 = 𝒇𝑏 + 𝒇ℓ
(11) (12) (13) (14)
Keterangan: K adalah matrix 4x4 𝑇1 𝑇2 𝒂= , 𝑵 = 𝑁1 𝑁2 𝑁3 𝑁4 𝑇3 𝑇4 𝑞1 𝜕 𝑁1 𝜕𝑁2 𝜕 𝑁3 𝜕 𝑁4 𝑞2 𝜕𝑥 𝜕𝑥 𝜕𝑥 𝜕𝑥 𝒇 = 𝑞 , 𝑩 = 𝜕 𝑁1 𝜕𝑁2 𝜕 𝑁3 𝜕 𝑁4 3 𝜕𝑦 𝜕𝑦 𝜕𝑦 𝜕𝑦 𝑞4 Contoh perhitungan menggunakan metode elemen hingga terlampir.(Lampiran 2)
16
ALAT DAN METODE Database MySQL MySQL adalah Relational Database Management System (RDBMS) yang didistribusikan secara gratis dibawah lisensi GPL (General Public License). Dimana setiap orang bebas untuk menggunakan MySQL, namun tidak boleh dijadikan produk turunan yang bersifat closed source atau komersial. MySQL sebenarnya merupakan turunan salah satu konsep utama dalam database sejak lama, yaitu SQL (Structured Query Language). SQL adalah sebuah konsep pengoperasian database, terutama untuk pemilihan atau seleksi dan pemasukan data, yang memungkinkan pengoperasian data dikerjakan dengan mudah secara otomatis. Keandalan suatu sistem database (DBMS) dapat diketahui dari cara kerja optimizer-nya dalam melakukan proses perintah-perintah SQL, yang dibuat oleh user maupun programprogram aplikasinya. Sebagai database server, MySQL dapat dikatakan lebih unggul dibandingkan database server lainnya dalam query data. Hal ini terbukti untuk query yang dilakukan oleh single user, kecepatan query MySQL bisa sepuluh kali lebih cepat dari PostgreSQL dan lima kali lebih cepat dibandingkan Interbase. Selain itu MySQL juga memiliki beberapa keistimewaan, antara lain : portability, open source, multiuser, performance tuning, column types, command dan functions, security, scalability dan limits, connectivity, localisation, interface, clients dan tools, dan struktur table. [12]
Waktu dan Tempat Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Mikrokontroler dan Bengkel Mekanik Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor mulai dari bulan Mei 2009 sampai bulan Oktober 2010. Alat dan Bahan Alat yang digunakan pada penelitian ini meliputi PC (Personal Computer), termometer digital EXTECH 421305, digital multimeter, adapter power supply, signal generator, microcontroller DSTINIm400, protoboard, solder, penyedot timah, stopwatch, tulang ikan, kabel tipe RJ11, kabel UTP (Unshielded Twisted-Pair) tipe crossover, dan konektor RJ45. Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini meliputi sensor temperatur onewire DS18B20, komponen elektronika, PCB (Printed Board Circuit) kosong, heater, heatsink high thermal conductivity, timah, dan logam aluminium.
Gambar 7. Heatsink Compounds
Pelat Logam
Sumber Kalor
Es Balok
Sensor Temperatur
SolidWorks 2009 SP 2.1 Pada penelitian ini menggunakan software SolidWorks versi 2009 Service Pack 2.1 dengan lisensi a.n. Institut Pertanian Bogor. Program ini mirip seperti program CAD, namun tidak hanya untuk menggambar saja tetapi juga dapat digunakan untuk analisis suatu problem fisis. Dalam memecahkan suatu problem SolidWorks menggunakan metode elemen hingga tipe hp-FEM, sehingga waktu penghitungannya lebih cepat dengan tingkat keakuratan yang cukup presisi. Namun sayang dalam melakukan komputasi, SolidWorks sangat menghabiskan sumber daya CPU komputer. [13]
Es Balok
Gambar 8. Setup Pengukuran Metode Penelitian 1. Persiapan Alat dan Bahan Mengkalibrasi nilai temperatur heater sebesar 100oC, dan kalibrasi antara sensor dengan thermometer EXTECH 421305. Kemudian ujung pelat logam dipotong dan dihaluskan sehingga dapat menempel dengan heater.
17
