RANCANG BANGUN PENGATUR CATU DAYA TEGANGAN TINGGI DC BERBASIS LABVIEW

SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012 ISSN 1978-0176

RANCANG BANGUN PENGATUR CATU DAYA TEGANGAN TINGGI DC BERBASIS LABVIEW Nugroho Tri Sanyoto,1Akbar Duta Perdana1, Adi Abimanyu2 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Badan Tenaga Nuklir Nasional Jl. Babarsari PO BOX 6101/YKBB Yogyakarta 55281 Telp : (0274)48085; Fax : (0274)489715 Email untuk korespondensi :[email protected]

ABSTRAK RANCANG BANGUN PENGATUR TEGANGAN TINGGI DC BERBASIS LABVIEW. Telah dirancang dan dibangun sistem otomasi pengatur tegangan catu daya tegangan tinggi DC. Sistem ini dibuat dengan merancang pembangkit sinyal fast Pulse Width Modulation(PWM) 10 bit pada mikrokontroler ATMega8 yang nantinya akan dikomunikasikan dengan komputer sebagai pengatur tegangan keluaran. Prinsip kerja dari sistem ini adalah personal computer akan mengatur kenaikan tegangan tinggi DC dengan jeda atau selang waktu yang telah ditentukan pada personal computer. Setiap selang waktu tertentu personal computer akan menginterupsi secara serial mikrokontroler untuk menaikkan duty cycle sinyal PWM yang dibangkitkan oleh mikrokontroler. Sinyal PWM inilah yang digunakan untuk mengatur tegangan tinggi DC. Alat ini mempunyai stabilitas tegangan sebesar 97% dan mampu mengatur tegangan dengan rentang 35 volt sampai 1000 volt serta memiliki resolusi 1,7 milivolt per bit. Tegangan keluaran yang dihasilkan dengan mikrokontroler ATMega8 memiliki nilai linearitas tegangan R2 = 0,8893. Kata kunci : tegangan tinggi DC, otomasi, mikrokontroler, PWM

ABSTRACT DESIGN AUTOMATION SYSTEM OF HIGH VOLTAGE DC-BASED LABVIEW. Have been done designed and built automation systems to control the output voltage of high voltage DC. The system is made with the design fast PWM signal generator on a 10 bit microcontroller ATmega8 that will be communicated to the computer as a voltage regulator output and the LCD as a viewer. The working principle of this system is a personal computer will adjust the rise in high-voltage DC interval of time specified. Any lapse of time personal computer would interrupt a serial microcontroller to increase the duty cycle PWM signal generated by the microcontroller. PWM signal is used to adjust the high voltage DC. This device has a value voltage stability 97% and able to adjust the voltage with a range from 35 volt to 1000 vol and has resolution of 1.7 milivolt per bytes. The output voltage generated by the microcontroller ATmega8 has a value of voltage linearity R2 = 0.8893. Keywords : high voltage DC, automation, microcontroller,PWM

PENDAHULUAN Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi telah membawa banyak manfaat dan kemudahan bagi kehidupan manusia. Salah satu manfaat yang sangat menonjol adalah dalam bidang elektronika, khususnya penggunaan mikrokontroler sebagai pengendali otomatis dan pengolah proses. Dengan mikrokontroler maka penggunaan peralatan yang dulu hanya bisa dikendalikan secara manual

STTN-BATAN & PTAPB BATAN

sekarang bisa dikendalikan dengan menggunakan satu IC yang berukuran kecil [1]. Catu daya tegangan tinggi DC berfungsi untuk mencatu tegangan ke detektor. Secara umum perangkat catu daya tegangan tinggi DC masih bersifat manual dimana pengaturan tegangan keluaran dilakukan dengan menekan tombol up

untuk menaikkan tegangan dan menekan tombol down untuk menurunkan tegangan. Untuk itu diperlukan sistem otomasi pengatur tegangan keluaran perangkat catu daya tegangan tinggi DC. 242

Nugroho Tri Sanyoto, dkk

SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012 ISSN 1978-0176 Sistem otomasi dibuat dengan merancang pembangkit sinyal phase correct PWM 10 bit pada mikrokontroler ATMega8 yang nantinya akan dikomunikasikan dengan komputer sebagai pengatur tegangan keluaran dan LCD sebagai penampil.

DASAR TEORI Catu Daya Tegangan Tinggi DC Penyedia tegangan tinggi diwujudkan dengan metoda DC to DC converter. Rangkaian DC to DC converter terdiri dari osilator gelombang kotak, trafo step up dan dioda penyearah [2]. Blok diagram rangkaian catu daya tegangan tinggi DC 1000 V ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Blok Diagram Tegangan Tinggi DC

PC-Link USBers

PWM (Pulse Width Modulation)

USBers merupakan sebuah modul development tools untuk USB device tipe FT232BM. Modul ini biasanya digunakan untuk aplikasi seperti USB UART TTL, USB UART RS-232, USB  UART RS-422, USB UART RS-485, antarmuka mikrokontroler dengan USB dan antarmuka modem UART dengan USB (3). Spesifikasi dari PC-Link USBer adalah sebagai berikut: 1. Tegangan kerja 4,4 – 5,25 Volt DC. 2. Tersedia 2 LED indicator Tx dan Rx data pada komunikasi serial. 3. Sinyal antarmuka yang mendukung komunikasi dengan modem UART. 4. Mendukung format UART dengan 7/8 bit data, 1/2 stop bit dan Odd/ Even/ Mark/ Space/ No parity. 5. Memiliki baudrate 3Mbps (TTL), 1 Mbps (RS-232), 3 Mbps (RS-422/ RS-485). 6. Memiliki output dengan level TTL 5 Volt. 7. Virtual COM port driver (VCP) dan D2XX (USB direct drivers + DLL S/W Interface) untuk Windows 98, 98SE, ME, 2000 dan XP

PWM (Pulse Width Modulation) adalah teknik mendapatkan efek sinyal analog dari sebuah sinyal digital yang terputus-putus. PWM dapat dibangkitkan hanya dengan menggunakan digital I/O yang dapat difungsikan sebagai output[4]. Contoh bentuk gelombang PWM dengan duty cycle 50% dapat dilihat pada Gambar 4.

Bentuk fisik PC-Link USBer ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Bentuk Fisik PC-Link USBer[3]

Nugroho Tri Sanyoto, dkk

Gambar 3. Bentuk Gelombang PWM Dengan Duty Cycle 50%

Gelombang diatas dikatakan memiliki duty cycle 50%. Duty cycle adalah perbandingan antara lebar sinyal high dengan lebar keseluruhan siklus (cycle). Pada ATMEGA8 ada 2 cara membangkitkan PWM, yang pertama PWM dapat dibangkitkan dari port input/outputnya yang difungsikan sebagai output. Kedua adalah dengan memanfaatkan fasilitas PWM dari fungsi timer/counter yang telah disediakan. Perangkat Lunak LabView LabView adalah sebuah software pemograman yang diproduksi oleh National Instruments dengan konsep yang berbeda. LabView menggunakan bahasa pemrograman berbasis grafis atau blok diagram. LabView terdiri dari tiga komponen utama, yaitu: 1. Front Panel Front Panel adalah bagian window yang berlatar belakang abu-abu serta mengandung

243

STTN-BATAN & PTAPB-BATAN

SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012 ISSN 1978-0176 control dan indikator. Tampilan dari front panel dapat dilihat pada Gambar 4

Functions Pallete di gunakan untuk membangun sebuah blok diagram, functions pallete hanya tersedia pada blok diagram.contoh dari functions pallete ditunjukkan pada Gambar 7.

Gambar 7. Tampilan Function Pallate LabView

Gambar 4. Tampilan Front Panel LabView

2. Block Diagram dari Vi Block Diagram adalah bagian window yang berlatar belakang putih berisi source code yang dibuat dan berfungsi sebagai instruksi untuk front panel. Tampilan dari blok diagram dapat lihat pada Gambar 5.

METODE PENELITIAN Blok diagram pengaturan tegangan tinggi DC berbasis personal computer disajikan pada Gambar 8.

Gambar 5. Tampilan Block Diagram LabView

3. Control dan Functions Pallete Control dan Functions Pallete digunakan untuk membangun sebuah Vi. Control Pallete merupakan tempat beberapa control dan indikator pada front panel, control pallete hanya tersedia di front panel. Contoh control pallete ditunjukkan pada Gambar 6.

Gambar 8. Blok Diagram Pengaturan Tegangan Tinggi DC

Prinsip kerja dari sistem ini adalah personal computer akan mengatur kenaikan tegangan tinggi DC dengan jeda atau selang waktu yang telah ditentukan di personal computer. Setiap selang waktu tertentu akan menginterupsi secara serial mikrokontroler untuk menaikkan duty cycle sinyal PWM yang dibangkitkan oleh mikrokontroler. Sinyal PWM inilah yang digunakan untuk mengatur tegangan tinggi DC.

PEMBUATAN PERANGKAT KERAS Rangkaian Tegangan Tinggi DC Rangkaian catu daya disajikan pada Gambar 9.

tegangan

tinggi

Gambar 6. Tampilan Control Pallate LabView

STTN-BATAN & PTAPB BATAN

244

Nugroho Tri Sanyoto, dkk

SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012 ISSN 1978-0176

Gambar 9. Rangkaian Tegangan Tinggi DC

Prinsip kerja rangkaian tegangan tinggi, masukan tegangan referensi 1,7 volt yang telah melewati saklar S1 akan mengaktifkan saklar tersebut sehingga tegangan akan mengalir melewati LED. LED berfungsi sebagai indikator apabila ada tegangan yang melewatinya. Tegangan keluaran dari resistor 220 Ohm melewati transformator jenis step up sehingga tegangannya naik. Rangkaian pelipat tegangan ini berfungsi melipatkan tegangan yang melewatinya sehingga tegangan keluaran menjadi 900 Volt. Pemasangan rangkaian dioda zener 56 volt sebanyak 20 buah yang disusun seri bertujuan sebagai buffer dari tegangan keluaran agar ketika dipasang beban detektor tegangan keluaran dari catu daya tegangan tinggi DC tidak mengalami penurunan tegangan.

Rangkaian Sistem Minimum ATMega8 Rangkaian sistem minimum ATMega8 dibuat dengan memasang kristal 11,0592 MHz dan kapasitor 33 pF yang dihubungkan dengan pin XTAL1 dan XTAL2 dari mikrokontroler agar diperoleh sumber clock external. Adapun rangkaian sistem minimum ATMega8 ditunjukkan pada Gambar 11.

Rangkaian Adjustable Voltage Regulator LM 317 Rangkaian adjustable voltage regulator disajikan pada Gambar 10.

Gambar 11. Rangkaian Sistem Minimum ATMega8

HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian Stabilitas Dengan Beban

Gambar 10. Rangkaian Adjustable Regulator LM 317

Rangkaian driver LM317 ini output-nya dapat disesuaikan sesuai yang dibutuhkan. Pengaturan tenganan output cukup dengan memutar trimpot atau pontensiometer yang ada. Output diatur pada tegangan 1,7 volt DC. Tegangan 1,7 volt DC inilah yang selanjutnya digunakan untuk tegangan referensi catu daya tegangan tinggi dc. Pemasangan Transistor 2N222 digunakan untuk switching tegangan yang masuk ke catu daya tegangan tinggi DC.

Nugroho Tri Sanyoto, dkk

Tegangan

Tinggi

DC

Tujuan dari pengujian kestabilan tegangan dengan beban adalah untuk mengetahui tingkat kestabilan tegangan keluaran dari penyedia tegangan tinggi dengan memasang beban detektor. Pengujian dilakukan selama dua jam tanpa berhenti yaitu dari pukul 14.00 – 16.00 WIB. Pengujian ini dilakukan dengan menggunakan multimeter analog merk SANWA CX506a, data diambil setiap interval waktu 10 menit. Hasil pengujian kestabilan tegangan tinggi dengan beban ditunjukkan pada Gambar 12.

245

STTN-BATAN & PTAPB-BATAN

SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012 ISSN 1978-0176 Gambar 12. Grafik Stabilitas Tegangan Tinggi Dengan Beban

Tegangan terendah diperoleh pada saat awal dioperasikan senilai 840 Volt (Vmin) serta tegangan tertinggi yang diperoleh senilai 840 Volt (Vmak) sehingga diperoleh selisih tegangan ΔV= VmakVmin = 840 Volt - 840 Volt = 0 Volt, selisih angka tersebut merupakan angka yang stabil. Pengujian Linearitas Tegangan Tinggi DC Pengujian ini dilakukan untuk menentukan linearitas tegangan keluaran catu daya tegangan tinggi DC terhadap duty cycle PWM. Grafik linearitas catu daya tegangan tinggi DC dapat dilihat pada Gambar 13 dan Gambar 14.

Lowerline Lcd " SYSTEM READY " Cursor Off Do NOP Loop Langkah pertama program utama adalah proses inisialisasi nilai compare1b sebesar 1024 dan nilai compare1a = 0. Compare1b digunakan untuk mengatur batas maksimal duty cycle. Compare1a digunakan untuk mengatur duty cycle sebesar 0% sampai dengan 100%. Dari program di atas dapat dilihat bahwa program tidak akan beroperasi dan hanya akan menampilkan data di LCD sesuai data tersebut di atas. Proses akan berkelanjutan sebelum ada proses interupsi. Hasil pengujian program utama dapat dilihat pada Gambar 15.

Gambar 15. Tampilan Program Utama Gambar 13. Grafik Linearitas Tegangan Tinggi DC

Gambar 14. Grafik Linearitas Tegangan Tinggi DC

Dari kedua grafik terlihat hubungan yang sangat jelas yaitu kenaikan nilai register OCR 1A akan menaikkan tegangan referensi HV sehingga tegangan HV akan berubah. Kenaikan 1 data pada register OCR1A akan menaikkan tegangan referensi HV sebesar 1,7 mV sehingga resolusi dari tegangan referensi melalui pengaturan duty cycle PWM 10 bit adalah 1,7 mV. Dari grafik, nilai linieritas (R2 = 0,8893) Program utama 'Main Program '-----------------Compare1b = 1024 Compare1a = 0 Cls Lcd "HV DC CONTROLLER" STTN-BATAN & PTAPB BATAN

Pelayanan Interupsi Compare Match1B 'Interrupts Service Routine OC1B '----------------------------------------Turun: If Compare1a = 0 Then Portd.7 = 0 Else Portd.7 = 1 End If Tcnt1 = 0 Return Program ISR OCR1B (Interrupts Service Routine OCR1B) merupakan sub rutin pelayan interupsi compare match 1B, yang akan bekerja ketika nilai register TCNT1 sama dengan nilai register OCR1B. Service routine yang dijalankan adalah membandingkan nilai register OCR1A apakah sama dengan 0, jika ya maka nilai PortD.7 akan bernilai low (0) tetapi jika tidak akan bernilai high (1). Hal ini dilakukan agar ketika pertama kali alat dihidupkan posisi output tegangan tinggi HV tidak bernilai maksimal. Setelah nilai TCNT1 sama dengan nilai register OCR1B maka nilai TCNT1 diisi 0. Hal ini untuk membatasi nilai PWM yang dihasilkan sebesar 10 bit. Pelayanan Interupsi Compare Match1A 'Interrupts Service Routine OC1A '-----------------------------------------

246

Nugroho Tri Sanyoto, dkk

SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012 ISSN 1978-0176 Naik: Portd.7 = 0 Return Program pelayan service routine compare match 1A akan bekerja ketika nilai TCNT1 bernilai sama dengan nilai register OCR1A. Service routine yang dilakukan adalah mengatur nilai PortD.7 bernilai low (0).

Tabel 1 .Hasil Pengujian Pelayanan Interupsi No 1 2

Karakter Data Dikirim A B

3

N

4

O

5

R

Pelayanan interupsi serial Interrupts Service Routine Urxc '------------------------------Terima_data: C = Waitkey() Msg = Msg + Chr(c) If Msg = "A" Then Gosub Tambah Print Hv Msg = "" End If If Msg = "R" Then Compare1a = 0 End If Msg = "" Return 'Sub-Rutin '--------Tambah: If Compare1a > 1024 Then Compare1a = 0 Dataku = Compare1a Hv = Lookup(dataku , Tegangan) Cls Lcd "HV= " ; Hv Lowerline Lcd "OCR= " ; Compare1a Cursor Off Jika mikrokontroler menerima karakter data A secara serial dari personal computer maka mikrokontroler akan menaikkan nilai OCR1A yang akan menaikkan nilai tegangan keluaran catu daya tegangan tinggi DC. Jika mikrokontroler menerima karakter R maka mikrokontroler akan membuat nilai dari compare1a menjadi nol yang selanjutnya akan membuat catu daya tegangan tinggi DC tidak aktif. Apabila dimasukkan karakter selain karakter A dan karakter R maka program tidak akan merespon. Hasil pengujian program pelayanan interupsi serial disajikan pada Tabel 1.

Nugroho Tri Sanyoto, dkk

Tampilan LCD 16x2 HV = 35 volt, OCR = 1 Seperti kondisi sebelumnya Seperti kondisi sebelumnya Seperti kondisi sebelumnya HV = 0 volt, OCR = 0

Pengujian Penampil Pada PC Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui cara kerja dari perangkat lunak yang dikembangkan. Pengujian dilakukan secara closed loop komunikasi serial. Blok diagram pengujian ditunjukkan pada Gambar 16.

Gambar 16. Blok Diagram Pengujian Closed Loop Komunikasi Serial

Dari hasil pengujian didapatkan data yang disajikan pada Tabel 2 Tabel 2. Hasil Pengujian Closed Loop Komunikasi Serial No

1

Karakter Data Dikirim A

Karakter Data Diterima A

2

R

R

Aksi

Ket

Naikkan OCR Reset nilai OCR

Aktif Reset

Pengujian Keseluruhan Sistem Pengujian yang dilakukan adalah dengan menggabungkan seluruh sistem rangkaian elektronik yang terdiri dari rangkaian catu daya tegangan tinggi DC, rangkaian PWM to analog converter, rangkaian sistem minimum ATMega8, rangkaian PC Link USBers dan LCD 16 x 2 dengan software pengatur catu daya tegangan tinggi DC di komputer. Adapun blok diagram pengujian keseluruhan sistem ditunjukkan pada Gambar 179.

247

STTN-BATAN & PTAPB-BATAN

SEMINAR NASIONAL VIII SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 31OKTOBER 2012 ISSN 1978-0176

Gambar 17. Blok Diagram Pengujian Keseluruhan Sistem

Pengujian ini dilakukan dengan cara membandingkan tegangan keluaran catu daya tegangan tinggi DC yang tertampil pada software pengatur catu daya tegangan tinggi DC di komputer terhadap nilai yang tertampil pada LCD. Hasil pengujian ditunjukkan pada Gambar 18 dan Gambar 19

tinggi DC yang tertampil pada software pengatur catu daya tegangan tinggi DC di komputer dan nilai tegangan keluaran yang tertampil pada LCD sudah sesuai. Pada tampilan LCD, ketika nilai OCR 130 maka tegangan keluaran adalah 201 volt. Begitu juga yang tertampil pada software pengatur catu daya tegangan tinggi DC di komputer.

KESIMPULAN 1. Telah berhasil dirancang dan dibangun sistem otomasi catu daya tegangan tinggi DC berbasis LabView menggunakan mikrokontroler ATMega8 dengan pengembangan komunikasi serial melalui kanal USB . 2. Sistem otomasi catu daya tegangan tinggi DC ini mempunyai stabilitas tegangan sebesar 97 % dan resolusi 1,7 milivolt per bit serta mampu mengatur tegangan dengan rentang 35 volt sampai 1000 volt.

Gambar 18. Tampilan Tegangan Keluaran Pada LCD

DAFTAR PUSTAKA

Gambar 19. Tampilan Tegangan Keluaran Pada Komputer

1. Cahyani, A. N. 2011. Rancang Bangun Pencacah Thyroid Uptake Berbasis Mikrokontroler AT89S8253 Menggunakan Antar Muka USB. STTN - BATAN. 2. Rachmawati, I. D. 2011. Rancang Bangun Penampil Digital Penyedia Daya Tegangan Tinggi DC 1000 V Menggunakan Mikrokontroler.STTN – BATAN 3. Electronics, Innovative. 2009. Manual PC Link USBers. In: ELECTRONICS, I. (ed.). Indonesia. 4. Atmel. 2011. ATMega8 Datasheet. In: ATMEL (ed.). Amerika. 5. Arifianto. 2009. Modul Training Microcontroller For Beginner. Maxtron.

Dari gambar hasil pengujian di atas, tampilan tegangan keluaran catu daya tegangan STTN-BATAN & PTAPB BATAN

248

Nugroho Tri Sanyoto, dkk