Perancangan dan Pembuatan Modul Pengontrolan Suhu Menggunakan Mikrokontroler ATMEGA-16 Sebagai Penunjang Praktikum Dasar Konversi Energi Listrik Titik Nurhayati1)Harmini2) 1)JurusanTeknikElektro F a k u l t a s T e k n i k U S M ,Jl.Soekarno – Hatta Tlogosari Semarang 50196,email:
[email protected] 2)JurusanTeknikElektro F a k u l t a s T e k n i k U S M ,Jl.Soekarno – Hatta Tlogosari Semarang 50196,email:
[email protected]
Abstrak – Heater is often used in daily life. The principle of heater is to convert electrical energy into heat energy. Control of the temperature adjusted to the load that be used. Unstable temperature setting cause the performance of the heater system is not working optimally. In this project will be designed modules for controlling the temperature in laboratory scale. The purpose of this project to control the heater temperature is adjusted to the load and keep the temperature stable. The method of temperature control using the controlling RMS AC voltage. Temperature control module circuit consist of four main parts, they are DS1822 sensor circuit, DAC MAX518 circuit, TRIAC circuit and TCA 785 circuit. The test result demonstrated that the DS1822 has an accuracy of 99.62% compared to measurement using a thermometer, DAC MAX518 circuit has achieved 99.28% accuracy wit h the error measurement of 0.72% while the heater driver control circuit using RMS AC voltage control and delay angle have a 10.77% error. Keyword : Heater, RMS AC Controller, DS1822 Sensor, TCA 785 circuit 1.PENDAHULUAN Heater atau alat pemanas banyak digunakan pada perangkat elektronik yang sering dipakai untuk memenuhi kebutuhan sehari-hari. Peralatan tersebut antara lain setrika, pemanas air, pemanas pada akuarium agar suhu dalam air tetap terjaga, alat pemagang roti, inkubator dan lain sebagainya. Prinsip kerja dari alat pemanas adalah mengkonversikan energi listrik menjadi energi panas. Pada peralatan pemanas tertentu diperlukan pengaturan terhadap suhu panas yang dihasilkan oleh peralatan tersebut, sehingga perlu adanya pengontrolan terhadap suhu sesuai dengan kebutuhan. Pengaturan suhu dari peralatan tersebut masih bersifat manual sehingga suhu yang dihasilkan tidak stabil dan tidak sesuai dengan setting point dari nilai suhu yang diinginkan. Pengaturan suhu yang tidak stabil dapat menyebabkan kinerja dari sistem pemanas tidak bekerja dengan maksimal. Pada penelitian ini akan dirancang dan dibuat modul praktikum untuk pengontrolan suhu pada
pemanas. Modul pengontrolan suhu bertujuan untuk mengendalikan suhu yang diinginkan sesuai setting point serta menjaga suhu tetap stabil. Perancangan dan pembuatan modul pengontrolan suhu ini digunakan sebagai penunjang praktikum Dasar Konversi Energi Listrik dan Elektronika Daya. Perancangan dan pembuatan pengontrolan suhu dilakukan dengan menggunakan metode pengontrolan tegangan AC RMS dan mikrokontroller ATMEGA16 untuk mengatur tegangan kontrol pada heater. Masukan dari sistem kontrol suhu berasal dari pemanas yang dideteksi dengan sensor suhu sehingga menghasilkan sinyal keluaran dalam bentuk analog, kemudian sinyal tersebut dikonversikan dalam bentuk sinyal digital menggunakan konverter ADC (Analog Digital Converter) sebagai sinyal masukan kemikrokontroller. 2.TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Kontrol Tegangan AC ke AC (Alternating Current) Rangkaian kontrol tegangan AC (Alternating Current) gelombang penuh satu fasa dapat dibangun dengan menggunakan dua SCR atau satu buah TRIAC. Daya AC (Alternating Current) yang disalurkan ke beban dapat dikontrol pada kedua sisi setengah perioda positif maupun negatif, yaitu dengan memvariasi sudut picu ' ' .Harga-RMS dari tegangan beban dapat berubah tergantung dari variasi sudut picu ' ' . Kontrol teganganAC (Alternating Current) gelombang penuh satu fasa yang terhubung ke beban resistif masing-masing diperlihatkan pada Gambar1. Rangkaian ini dapat mengontrol daya AC (Alternating Current) yang akan disalurkan ke beban dari dua arah setiap setengah perioda yang berbeda, yaitu dengan melakukan pengontrol posisi dari sudut picu ' ' . DayaAC (Alternating Current) dapat dikontrol sesuai dengan kebutuhan beban. Oleh karena itu kontrol tegangan AC (Alternating current) gelombang penuh satu fasa sering disebut juga sebagai kontrol dua arah (bi-directional controller). Gambar 1 menunjukkan kontrol tegangan AC (Alternating Current) gelombang penuh satu fasa menggunakan TRIAC.
Gambar 1. Kontrol tegangan AC gelombang penuh satu fasa menggunakan TRIAC[12][13] 2.2. Karakteristik Kontrol Tegangan AC (Alternatinf Current) Beban Resistif Karakteristik kontrol tegangan AC (Alternating Current) ditunjukkan dengan hubungan antara tegangan RMS keluaran V0(RMS) terhadap sudut picu. Berdasarkan Gambar 1, harga RMS (Root Mean Square) dari tegangan keluaran bebab dapat dicari dengan Pers 1.
VO2 RMS V 2 L RMS
1 2
2
v d t 2
(1)
L
0
Untuk kontrol tegangan AC (Alternating Current) gelombang penuh dapat dicari dengan periode waktu pulsa keluaran adalah π rad karena bentuk gelombang tegangna keluaran terdiri dari setengah periode simetris positif dan negatif. Sehingga, tegangan keluaran RMS dapat ditentukan dengan pers. 2 sampai Pers.6.
V 2 L RMS
1 Vm 2 sin 2 t.d t 0
V 2 L RMS
1 2
2
v
2 L
(2)
.d t
(3)
0
Dimana:
vL vO Vm sin t ;untuk t to dan
t to 2 Sehingga: VL2 RMS
2 (4) 1 2 2 Vm sin t d t Vm sin t d t 2
VL RMS VS
dimana
VS
Vm 2
1 sin 2 2
Harga-RMS
(5) dari
sumber
tegangan masukan. Berdasarkan Pers.5 dapat di ketahui Karakteristik kontrol tegangan AC seperti ditunjukkan Gambar 2.
Gambar 2 Karakteristik Kontrol Tegangan-AC (Alternating Current) Gelombang Penuh Satu Fasa[12][13] b. Rangkaian TCA 785 Rangkaian penyulutan yang digunakan untuk memicu kerja dari triac adalah IC TCA785. Gambar 3 menunjukkan blok diagram dan prinsip kerja dari IC TCA 785. Siyal sinkron dari tegangan masukan dihubungkan dengan pin 5 (Usync) melalui resistor. Zero detector akan menentukan titik nol dan disimpan kedalam memori sinkron. Detektor ini kemudian akan mengendalikan sinyal gigi gergaji dengan frekuensi sesuai tegangan sinkronisasi. Kapasitor C10 dan C9 akan menentukan kemiringan dari gelombang gigi gergaji yang dihasilkan. Gelombang gigi gergaji akan dibandingkan dengan tegangan referensi (U11) dengan rangkaian comparator (pembanding). Sinyal keluaran comparator diteruskan kedalam rangkaian logic. Bila tegangan referensi pada U11 kecil atau bernilai nol maka sudut penyulutannya nol. Pulsa pentrigeran dapat digeser secara berkelanjutan dengan sudut fase antara 00 – 1800 dengan mengatur tegangan referensi. Pin 14 menghasilkan pulsa triger yang akan akan diteruskan ke triac melalui optoisolator triac yang akan memicu pulsa setengah gelpmbang positif. Pin 15 akan menghasilkan pulsa picu yang akan digunakan untuk memicu pulsa setengah gelombang negatif. Pada keluaran Q1 dan Q2 akan diperoleh pulsa positif dengan lebar pulsa sekitar 30 µs untuk setiap setengah cycle dari tegangan sumbernya. Lebar pulsa dapat diatur dengan mengubah nilai kapasitor C12. Pulsa keluaran negatif dihasilkan pada pin 2 dan pin 4 yaitu Q1 dan Q2.
dengan besarnya sudut picu tau sudut penyulutan. Gambar 5 menunjukkan rangkaian TCA 785.
Gambar 5. Rangkaian TCA 785 Gambar 3. Blok diagram dan prinsip kerja rangkaian TCA 785[8] 3.HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Blok diagram Pengontrolan Suhu Gambar 4 menunjukkan blok diagram perancangan hardware sistem pengontrolan suhu heater dengan sistem kontrol tegangan AC RMS.
RS232 Laptop
Mikro kontrol ler ATME GA 16
3.2.2.
Rangkaian TRIAC Triac dirancang menggunakan Q4004 karena triac digunakan untuk switching daya heater. Optotriac MOC 3010 dipasang sebelum daya masuk ke triac, yang berfungsi untuk memisahkan rangkaian tegangan rendah dan rangkaian tegangan tinggi. Gambar 6 menunjukkan rangkaian Triac
Driver Heater Heater
Gambar 6. Rangkaian Triac
Sensor Suhu
3.2.3.
Gambar 4. Blok diagram perancangan sistem pengontrolan suhu heater dengan sistem kontrol tegangan AC RMS. 3.2. Perancangan Driver Heater Rangkaian driver heater berfungsi untuk mengatur besar kecilnya daya yang menyuplai heater sesuai dengan keluaran dari logika kontroler. Pengaturan daya heater dilakukan dengan mengatur tegangan RMS yang masuk ke heater. Perancangan driver heater dalam sistem ini menggunakan kontrol tegangan RMS melalui triac. Sudut picu triac diatur menggunakan keluaran pulsa rangkaian TCA785, sedangkan untuk mengatur pulsa keluaran rangkaian TCA785 digunakan rangkaian DAC (Digital to Analog Converter) yang diatur oleh mikrokontroller berdasarkan keluaran logika dari kontroller. Perancangan driver heater secara keseluruhan terdiri dari rangkaian TCA785, rangkaian DAC dan rangkaian triac. 3.2.1. Rangkaian TCA 785 Rangkaian TCA 785 berfungsi sebagai pengatur tegangan AC sinus yang akan disupply ke beban AC resistif, dalam hal ini adalah heater. Prinsip kerja dari rangkaian TCA adalah menghasilkan pulsa yang akan digunakan untuk memicu TRIAC sehingga menghasilkan tegangan AC yang berubah-ubah sesuai
Rangkaian DAC MAX518 DAC dibangun menggunakan IC MAX518 dimana terdapat 2 channel DAC dengan tegangan keluaran DAC 0 s/d Vcc (+5V). Keluaran DAC channel 0 dari MAX518 digunakan untuk mengatur keluaran sinyal pulsa dari TCA785. Sudut picu keluaran IC TCA785 (pin 14 dan pin 15) dapat diatur mulai dari 0o s/d 180oC. Pengaturan sudut dilakukan pada pin 11 (control voltage). Tegangan yang masuk ke pin 11 adalah 0 s/d tegangan puncak segitiga pada pin 10 (sekitar 15 volt). Dengan kondisi ini maka keluaran DAC channel 0 yang semula 0 s/d 5 Volt harus dinaikkan menjadi 0 s/d 15 V dengan menggunakan rangkaian non inverting amplifier. Perencanaan DAC ini menggunakan noninverting amplifier dengan desain sebagai berikut: VAwal = 5 V VAkhir = 15V R4 = 10kΩ Besarnya R3 dicari dengan menggunakan Persamaan 6. = 1+
15 = 1 +
10
15 = 1+ 5 10 = 20
.
.5
(6)
Gambar 7. Rangkaian DAC MAX518 3.3.
Perancangan Sensor Suhu DS1822 Rangkaian DS1822 merupakan rangkaian sensor suhu, rangkaian sensor suhu dalam sistem ini ditunjukkan pada gambar 8.
Gambar 8. Rangkaian DS1822 3.4. Hasil Pengujian Rangkaian Sensor DS1822 Modul rangkaian suhu DS 1822 digunakan sebagai pembaca suhu (sensor suhu) dari lingkungan dan dikonversi menjadi data digital yang bisa dibaca oleh mikrokontroller secara digital. Modul ini berbasis IC DS1822 yang merupakan digital thermometer produk dari dallas semiconductor (Maxim). Sensor ini memiliki range o o pembacaan antara -40 C s/d +125 C. dengan o o resolusi 0.5 C dan akkurasi ±1 C pada suhu ruangan. Sensor ini membutuhkan tegangan supply +5V dan Komunikasi untuk membaca suhu dari sensor ini ke mikrokontroller meggunakan komunikasi data 1Wire. Gambar 20 menunjukkan sensor suhu DS 1822 yang terdiri dari probe sensor dan 1wire port. Proses pengujian dilakukan dengan menggunakan heater pemanas atau teko pemanas dan thermometer khusus media air dan udara. Gambar pengujian ditunjukkan pada Gambar 9.
Gambar 9. Pengujian Sensor Suhu DS1822
Hasil pengujian sensor DS1822 ditunjukkan pada Tabel 1a dan 1b dan Grafik 1, pengujian dilakukan sebanyak 4 kali percobaan untuk mengetahui akurasi dari sensor suhu DS1822 dibandingkan dengan thermometer. Table 1a. Data hasil pengujian sensor DS1822 Thermom Sensor Suhu DS 1822 (oC) eter RataS1 S2 S3 S4 o C rata 15,00
15,00
15,10
15,20
15,20
15,13
20,00
20,10
20,20
20,10
20,20
20,15
25,00
25,20
25,20
25,30
25,20
25,23
30,00
30,10
30,10
30,00
30,10
30,08
35,00
35,20
33,10
35,00
35,08
35,10
40,00
40,00
40,20
40,10
40,00
40,00
Table 1b. Data % Error antara sensor DS1822 dengan thermometer air Thermometer Sensor DS1822 oC
Terbaca oC
Error (oC)
% error
15,00
15,13
-0,13
0,87 %.
20,00
20,15
-0,15
0,75 %.
25,00
25,23
-0.23
0,92 %.
30,00
30,08
-0,8
0,27 %.
35,00
35,10
-0,1
0,23 %.
40,00
40,00
0
0,20 %.
Catatan : data selengkapnya dengan ketelitian 0,5 terlampir.
Grafik 1. Karakteristik Sensor DS1822 terhadap thermometer Dari Table 6 dan Grafik 1 terlihat bahwa sensor suhu DS1822 memiliki akurasi mencapai 99,8% bila dibandingkan dengan thermometer air dan udara.
3.5.
Hasil Pengujian Rangkaian Heater
Hasil pengujian rangkaian driver heater ditunjukkan pada Tabel 2 dengan masukan berupa tegangan DC keluaran dari DAC mulai dari 0 s/d 255 atau mulai sudut penyulutan mulai 0 s/d 180o. Tegangan supply DC adalah 4,95V dan VAC = 224 VAC. Tabel 2 Data pengujian driver heater Sudut picu (o) Data DAC
Tegangan DAC Ch0 (Tp0) Hasil Hitung % ukur (V) Error (V)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
0,00 0,25 0,55 0,82 1,09 1,36 1,65 1,92 2,19 2,46 2,73 3,00 3,29 3,56 3,83 4,10 4,37 4,64 4,93
0 14 28 42 56 70 85 99 113 127 141 155 170 184 198 212 226 240 255
0,00 0,27 0,54 0,82 1,08 1,35 1,64 1,91 2,18 2,46 2,73 3,00 3,29 3,56 3,83 4,10 4,37 4,64 4,93
0,00 7,41 1,85 1,23 0,93 0,74 0,61 0,52 0,46 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
V Heater (TP7) Hasi l uku r (V)
Hitu ng (V)
% Error
224 224 221 213 204 189 172 151 129 105 80 55 37 22 10 4 1 0 0
224 224 222 218 209 197 180 160 137 112 87 64 44 27 15 6 2 0 0
0 0 0,45 2,29 2,39 4,06 4,44 5,63 5,84 6,25 8,05 14,06 14,06 15,91 18,52 33,33 50,00 0 0
Hasil pengukuran tegangan dan sinyal rangkaian driver heater dengan menggunakan oscilloscope, ditunjukkan pada Gambar 10 sampai Gambar 13, sedangkan untuk gambar dengan variasi sudut pemicuan sesuai dengan data terlampir. a) Sinyal pada kaki sinkronisasi (TP3) Vsink = 1,64 div x 50mV/div = 82 mV dan T= 4 div x 5 ms/div = 20 ms (f=50Hz)
Gambar 11. Sinyal segitga dan tegangan control Vsegitiga = 2,95 div x 5V/div = 9,75V dan T = 2div x 5ms/div = 10ms (f= 100Hz). c) Sinyal Pulsa (TP5)
Gambar 12. Sinyal pulsa Vpulse = 2,5 div x 5V/div =12,5V dan T=1 div x 10ms/div = 10ms (f=100Hz) d) Sinyal output/tegangan heater (TP6)
Gambar 13. Sinyal tegangan heater pada sudut pemicuan 90oC Berdsarkan pada tabel 7 karakteristik DAC MAX518 dapat ditunjukkan pada Grafik 2 sedangkan untuk driver heater dengan berbagai variasi sudut pemicuan dapat ditunjukkan pada Grafik 3.
Gambar 10. Sinyal Sinkronisasi b) Sinyal pada sinyal segitiga (TP4) dan tegangan kontrol (TP2) Grafik 2. Karakteristik DAC MAX 518 Akurasi rangkaian DAC MAX518 mencapai 0,72% (nilai rata % error) sedangkan rangkaian heater
mencapai 10,77 %. Hal ini disebabkan karena komponen elektronik yang digunakan mempunyai rugi-rugi yang besar atau mempunyai ESR (Equivalen Series Resistor) yang besar.
5.DAFTAR PUSTAKA [1]
[2]
[3] [4]
[5] Grafik 3. Karakteristik driver heater Karakteristik driver heater dengan menggunaka TCA 785 mendekati karateristik pengontrolan tegangan AC ke AC, sehingga pada sudut penyulutan 0o akan didapatkan tegangan maksimum sesuai dengan tegangan makasimum sebaliknya jika diberi sudut penyulutan 180o maka tegangan yang dihasilkan semakin mendekati harga nol.
[6] [7]
[8] [9]
4.KESIMPULAN DAN SARAN 4.1. KESIMPULAN Berdasarkan hasil pengujian modul pengontrolan suhu dengan menggunakan ATMEGA-16 dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Rangkaian elektrik modul pengontrolan suhu terdiri dari 4 bagian utama yaitu rangkaian sensor DS1822, rangkaian DAC MAX 518, rangkaian TRIAC dan rangkaian TCA 785. 2. Rangkaian sensor DS1822 memiliki akurasi mencapai 99,62 % dibandingkan dengan pengukuran menggunakan thermometer. 3. Rangkaian DAC MAX518 memiliki akurasi mencapai 99,28 % dengan error pengukuran rata-rata 0,72%. 4. Rangkaian kontrol driver heater menggunakan tegangan kontrol AC RMS dan kontrol sudut picu memiliki error 10,77%.
4.2. SARAN 1. Pengontrolan dikembangkan dengan menggunakan sistem kontrol seperti PID (Proporsional, Integrator, Differential) atau sistem kontrol yang lain. 2. Menghitung konsumsi daya yang diperlukan untuk setiap pengontrolan suhu sehingga diketahui effisiensi dayanya
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
Ali Muhamad.2004. Pembelajaran Perancangan Sistem Kontrol PID dengan software Matlab. Jogjakarta : Univeristas Negeri Jogjakarta Astrom Karl Johan. 2002. Control System Design – Chapter. PID control. USA : Instrument Society of America. Data Sheet 1994 Phase Control IC TCA785. Jerman : Siemens Faishol Fathu Riza . Perancangan sistem pengendali suhu dan monitoring kelembaban berbasis ATMEGA 8535 pada plant inkubator. Pongki Hartanto. Kontrol suhu untuk menjaga adonan permen dan valve untuk mengeluarkan permen sebesar 2,5 Gram. Datasheet BC546, BC547,BC548. USA :Motorola Datasheet DS1822 Econo 1-Wire Digital Thermometer. USA : Maxim Integrated product, Dallas Semiconductor. Datasheet Phase Control IC TCA 785 Jerman : Siemens Datasheet 2-Wire Serial 8-bit DAC with Rail to Rail Outputs. USA : Maxim Integrated Product, Dallas Semiconductor. Aljabbar 2008, kalor. Dunia Fisika diakses pada 31 maret 2012 http://alljabbar.wordpress.com/2008/03/23/ka lor. Operational Amplifier, diakses pada 31 maret 2012, http://en.wikipedia.org/wiki/Operational amplifier Hart, Daniel W, Power Electronics, Valparaiso University, Valparaise, Indiana 2010. Rashid, Muhammad H, Power Electronics Handbook, University of Florida/ University of West Florida Joint Program and Computer Engineering, Pensacola, Florida 2001. .................., 1996, MATLAB Automatic Control Toolbox : Version 4: User’s Guide, The Math Work Inc
