SISTEM KONTROL KECEPATAN PUTAR SPIN COATING BERBASIS MIKROKONTROLER ATmega8535
Oleh: ERUS RUSTAMI G74101018
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2008
ii
ABSTRAK
ERUS RUSTAMI. Sistem Kontrol Kecepatan Putar Spin Coating Berbasis Mikrokontroler ATmega8535. Dibimbing oleh Ir. Hanedi Darmasetiawan, MS. dan Ahmad Aminudin, M.Si
Metode pelapisan spin coating memiliki keunggulan dari sisi kemudahan, biaya, dan kesederhanaan alat yang digunakan. Kecepatan putar merupakan salah satu parameter penting dalam metode spin coating. Sistem kontrol loop tertutup (close loop control system) digunakan untuk meningkatkan kestabilan kecepatan putar. Prinsip dasar sistem kontrol loop tertutup adalah membandingkan nilai perintah (set point) dengan nilai kenyataan (preset value) melalui teknik umpan balik. Selisih nilai diantara keduanya disebut sebagai kesalahan (error). Sistem akan mengurangi error yang terjadi secara otomatis sampai pada batas ketepatan tertentu. Pengontrolan kecepatan dilakukan oleh mikrokontroler ATmega8535 menggunakan bahasa pemrograman Basic Compiler. Kecepatan putar yang dihasilkan ditampilkan pada layar Personal Computer (PC) melalui komunikasi serial. Pengujian kalibrasi untuk nilai uji 800 rpm menghasilkan ketelitian 98,01% dan ketepatan 99,50%, nilai uji 1600 rpm ketelitian 99,69% dan ketepatan 98,60% dan nilai uji 2400 ketelitian 99,75% dan ketepatan 98,80%. Pengujian perbandingan set point dan preset value menghasilkan ketelitian 98,97 % dan ketepatan 99,63 %. Pengujian karakterisitk alat menyatakan bahwa sinyal perintah mengalami overshoot, settling time bernilai 6 detik, dan steady state error bernilai 1,75% untuk nilai uji 800 rpm, 1,75% untuk nilai ui 1200 rpm, dan 1,15% untuk nilai uji 2000 rpm. Alat deposisi spin coating yang menggunakan sistem kontrol kecepatan mampu mengeluarkan kecepatan pada nilai yang diperintahkan. Kata kunci: spin coating, close loop control system, mikrokontroler ATmega8535, steady state error
iii
SISTEM KONTROL KECEPATAN PUTAR SPIN COATING BERBASIS MIKROKONTROLER ATmega8535
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
ERUS RUSTAMI G74101018
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2008
iv
Judul Nama NRP
: Sistem Kontrol Kecepatan Spin Coating Berbasis Mikrokontroler ATmega 8535 : Erus Rustami : G74101018
Menyetujui:
Pembimbing I,
Pembimbing II,
Ir. Hanedi Darmasetiawan, M.S NIP : 130 367 084
Ahmad Aminudin, M.Si
Mengetahui: Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Dr. Drh. Hasim, DEA NIP : 131 578 806
Tanggal Lulus:
v
RIWAYAT HDUP Penulis dilahirkan di Sukabumi pada tanggal 26 Februari 1983 sebagai anak ketiga dari tiga bersaudara dari pasangan Sutawijaya dan Lilis Fatimah. Penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SD Negeri Cimanggu II pada tahun 1995, kemudian melanjutkan ke pendidikan menengah tingkat pertama di Madrasah Tsanawiyah Negeri Cikembar tahun 1998, dan selanjutnya menyelesaikan pendidikan menengah atas di SMU Negeri 1 Cibadak. Pada tahun 2001, penulis diterima di Institut Pertanian Bogor melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) sebagai mahasiswa di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Selama kuliah penulis aktif di berbagai kegiatan kemahasiswaan antara lain Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI) di Departemen Pengembangan Sumberdaya Manusia pada tahun 2001-2002, Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI) di Departemen Kerohanian pada tahun 20022003, Badan Kerohanian Islam Mahasiswa (BKIM) sebagai ketua Departemen Pembinaan pada tahun 2002-2003. Badan Kerohanian Islam Mahasiswa (BKIM) sebagai ketua Harian II Wilayah Baranang Siang pada tahun 2003-2004. Penulis juga pernah menjadi Asisten Fisika Dasar I dan II, Elektronika I dan II, serta Elektronika Digital.
vi
PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, taufiq dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul ”Sistem Kontrol Kecepatan Putar Spin Coating Berbasis Mikrokontroler ATmega8535”. Penulisan karya ilmiah ini dilakukan untuk memenuhi tugas akhir guna mendapatkan gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Shalawat dan salam semoga senantiasa tercurah kepada tauladan seluruh manusia Rasulullah Muhammad SAW para sahabatnya, keluarganya, dan ummatnya hingga akhir zaman. Sebuah kebahagiaan yang sangat besar karya ini dapat diselesaikan. Tentu saja keberhasilan ini diwujudkan melalui perjuangan dan kesabaran serta dukungan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini patutlah kiranya penulis sampaikan rasa terima kasih kepada: Bapak Hanedi Darmasetiawan dan Bapak Ahmad Aminudin selaku pembimbing dalam penelitian ini yang telah membimbing dan mengarahkan dengan penuh kesabaran, petunjuk, dan motivasi dari awal hingga akhir. Bapak Irzaman selaku pembimbing pertama atas tawaran ide penelitiannya. Pak Firman atas bantuan administrasinya juga pak Mus, Pak Yani pak Faisal atas bantuannya untuk menggunakan fasilitas laboratorium dan bengkel. Pak Tony atas bantuannya dalam penggunaan fasilitas laboratorium elektronika. Ibu, Bapak, kakakku tercinta Tita Novianti, dan Arie Maulana yang senantiasa memotivasi dan memberikan yang terbaik untuk penulis. Ihsan dan Rizal yang telah menjadi teman seperjuangan dan diskusi panulis. Subhi, Taofik, Fahmi, Azzam, Agung, Ario, Roni, Dian atas semangat kebersamaan yang telah dijalani selama melakukan penelitian di laboratorium mikrokontroler. Kang Dadang, mas Wahyu, kang Rokim, Zahrul, Nazmi, Kunta, Agus, Bayin, Fadli, atas dukungan dan kebersamaanya yang mampu membangkitkan semangat. Seluruh teman yang telah memberikan dukungan dan motivasi. Sehebat apapun pekerjaan yang dilakukan manusia pasti ada celah kelemahan di dalamnya, tak ada gading yang tak retak. Begitu juga dengan karya ini, pasti ada kekurangan dan bagian yang perlu ditambahkan. Untuk itu penulis membutuhkan saran dan kritik dari siapapun untuk perbaikan di masa yang akan datang. Semoga apa yang dilakukan dan disampaikan penulis bisa memberikan manfaat bagi kita semua.
Bogor, Mei 2008
Erus Rustami
viiii
DAFTAR ISI Halaman PRAKATA ............................................................................................................................ i DAFTAR ISI ......................................................................................................................... ii DAFTAR TABEL .................................................................................................................. iii DAFTAR GAMBAR .............................................................................................................. iii DAFTAR LAMPIRAN........................................................................................................... iv PENDAHULUAN Latar Belakang ......................................................................................................... 1 Tujuan Penelitian .................................................................................................... 1 TINJAUAN PUSTAKA Metode Spin Coating................................................................................................. 1 Teori Sistem Kontrol ................................................................................................ 2 Digital to Analog Converter ...................................................................................... 2 Pulse Width Modulations .......................................................................................... 3 Actuator ................................................................................................................... 4 Sensor ...................................................................................................................... 4 Frequency to Voltage Converter ................................................................................ 4 Mikrokontroler ATmega 8535 ................................................................................... 5 Komunikasi Serial .................................................................................................... 5 METODOLOGI PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian .................................................................................... 5 Alat dan Bahan ......................................................................................................... 6 Metode Penelitian ..................................................................................................... 6 Merancang Diagram Blok Fungsional ........................................................................ 6 Merancang Rangkaian Masing-masing Blok Fungsional ............................................ 6 Pembuatan dan Pengujian Rangkaian Secara Terpisah ............................................... 6 Pembuatan Software .................................................................................................. 7 Kalibrasi Alat ............................................................................................................ 7 Pengambilan Data ..................................................................................................... 7 HASIL DAN PEMBAHASAN Digital to Analog Converter ...................................................................................... 7 Rangkaian Pembalik.................................................................................................. 8 Motor Controller....................................................................................................... 9 Motor........................................................................................................................ 11 Magnetic Encoder ..................................................................................................... 12 Rangkaian Pengkondisi ............................................................................................. 12 Frequency to Voltage Converter ................................................................................ 12 Analog to Digital Converter ..................................................................................... 13 Sistem Kontrol .......................................................................................................... 14 Data Pengujian Alat .................................................................................................. 16 SIMPULAN DAN SARAN Simpulan .................................................................................................................. 18 Saran ........................................................................................................................ 18 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................. 18 LAMPIRAN
iii viii
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1. Tabel keluaran DAC 0808 ......................................................................................... 7 Tabel 2. Tabel keluaran rangkaian pembalik ............................................................................ 8 Tabel 3. Tabel keluaran tegangan rata-rata PWM .................................................................... 10 Tabel 4. Tabel frekuensi keluaran motor .................................................................................. 11 Tabel 5. Tabel pengujian karakteristik F/V .............................................................................. 13 Tabel 6. Tabel pengujian ADC ................................................................................................ 13
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1. Hubungan antara kecepatan putar dan ketebalan lapisan ....................................... 2 Gambar 2. Sistem kontrol loop tertutup ................................................................................. 2 Gambar 3. Skema sederhana DAC weighted resistor ............................................................. 2 Gambar 4. Proses pembentukan sinyal PWM ........................................................................ 3 Gambar 5. Nilai tegangan rata-rata PWM ............................................................................. 3 Gambar 6. Rangkaian pengontrol tegangan motor ................................................................. 3 Gambar 7. Rangkaian internal IC LM2917 8-pin .................................................................. 5 Gambar 8. Pengiriman data serial ......................................................................................... 5 Gambar 9. Diagram alir penelitian ........................................................................................ 6 Gambar 10. Diagram blok fungsional rancangan alat deposisi spin coating ............................. 6 Gambar 11. Diagram blok fungsional alat deposisi spin coating.............................................. 7 Gambar 12. Rangkaian DAC menggunakan DAC 0808 .......................................................... 7 Gambar 13. Hubungan antara keluaran DAC dan bilangan biner ............................................. 8 Gambar 14. Rangkaian pembalik tegangan .............................................................................. 8 Gambar 15. Hubungan antara tegangan pembalik dan keluaran DAC ....................................... 8 Gambar 16. Rangkaian pengkondisi tegangan.......................................................................... 9 Gambar 17.a Sinyal PWM ketika Vref = 0 V .......................................................................... 9 Gambar 17.b Sinyal PWM ketika Vref = 2,5 V ........................................................................ 10 Gambar 17.c Sinyal PWM ketika Vref = 5 V ........................................................................... 10 Gambar 18. Hubungan antara Vrata-rata dan bilangan biner ......................................................... 10 Gambar 19. Motor tipe UGFMED B1 20E buatan Yaskawa .................................................... 11 Gambar 20. Hubungan antara frekuensi dan Vsupply .................................................................. 11 Gambar 21. Bentuk pulsa keluaran encoder ............................................................................ 12 Gambar 22. Rangkaian pengkondisi sinyal ............................................................................. 12 Gambar 23. Rangkaian F/V lengkap ....................................................................................... 12 Gambar 24. Hubungan antara frekuensi dan tegangan pada rangkaian F/V ............................... 13 Gambar 25. Hubungan antara tegangan dan bilangan biner ...................................................... 14 Gambar 26. Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran yang menampilkan nilai aktual dan terbaca ........................................................................................ 16 Gambar 27. Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran yang menampilkan nilai aktual dan terbaca ......................................................................................... 16 Gambar 28. Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran yang menampilkan nilai aktual dan terbaca ........................................................................................ 16 Gambar 29. Perbandingan kecepatan antara set point dan preset value ..................................... 17 Gambar 30. Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran pada nilai uji 800 rpm .......................................................................................... 17 Gambar 31. Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran pada nilai uji 1200 rpm ........................................................................................ 17 Gambar 32. Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran pada nilai uji 2000 rpm ........................................................................................ 17
iv ix
DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Data Pengujian Kalibrasi Putaran ....................................................................... 21 Lampiran 2. Data Perbandingan Set point dan Preset value .................................................... 22 Lampiran 3. Data Pengujian Settling Time dan Steady State Error ......................................... 23 Lampiran 3. Gambar Alat Deposisi Spin Coating................................................................... 24 Lampiran 4. Skema Rangkaian Pembangkit Sinyal PWM ..................................................... 25 Lampiran 5. Skema Rangkaian Catu Daya ............................................................................. 26 Lampiran 6. Skema DT-AVR Low Cost Micro System ........................................................... 27 Lampiran 7. Datasheet ATmega 8535 .................................................................................. 28 Lampiran 8. Datasheet DAC 0808 ........................................................................................ 30 Lampiran 9. Datasheet IC LM2917 Frequency to Voltage Converter .................................... 32 Lampiran 10. Datasheet Motor UGFMED B1 20E Produksi Yaskawa .................................... 34 Lampiran 11. Datasheet Magnetic Encoder UTMSI-01BNA .................................................. 35
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang Perkembangan teknologi material merupakan salah satu bagian yang mendapat perhatian besar para peneliti di dunia. Banyak penelitian dilakukan untuk menghasilkan material dengan karakteristik yang baru sesuai dengan kebutuhan. Salah satu cara yang digunakan untuk menghasilkan material yang diinginkan adalah dengan teknik pelapisan material. Berbagai macam metode pelapisan material telah dikembangkan untuk mendukung perkembangan teknologi material. Secara garis besar ada dua macam metode pembuatan lapisan yaitu metode konvensional dan sol-gel. Spin coating, dip coating, electrophoresis, thermoporesis, dan settling (sedimentation) merupakan bagian dari metode sol-gel. Metode pelapisan spin coating merupakan metode sol-gel yang paling mudah, murah, dan sederhana (Asrorudin 2004). Alat deposisi spin coating yang telah dibuat masih memiliki beberapa keterbatasan, yaitu kecepatan putar hanya dihasilkan pada nilai tertentu dan proses pengontrolannya masih bersifat manual. Kecepatan putaran yang dinyatakan dalam satuan rotation per minute (rpm) merupakan parameter yang penting pada metode spin coating. Semakin banyak nilai kecepatan yang dapat dihasilkan akan membuat proses pelapisan material menjadi semakin beragam dan sangat mungkin mendapatkan hasil akhir yang lebih baik. Faktor penting lain dalam proses spin coating adalah kestabilan putaran yang dikeluarkan dan kemampuan untuk menghasilkan nilai kecepatan putaran yang sama dengan nilai yang diperintahkan. Pada bagian lain, di bidang teknik berkembang sebuah metode untuk mendapatkan nilai keluaran yang tepat, mengurangi error yang terjadi, dan tanggap terhadap perubahan, metode ini disebut sebagai sistem kontrol otomatis. Metode ini bekerja secara otomatis dalam proses pengontrolan alat atau mengeluarkan nilai yang diinginkan. Proses pengontrolannya dapat dilakukan secara analog yaitu dengan menggunakan komponen elektronika, atau secara digital melalui instruksi-instruksi dalam bahasa pemrograman tertentu. Penggunaan sistem kontrol kecepatan pada spin coating masih jarang ditemukan
pada alat-alat spin coating yang beredar di pasaran. Kalaupun ada harga yang harus dibayar masih terlalu mahal. Oleh karena itu penulis merancang alat deposisi spin coating yang menggunakan sistem kontrol kecepatan secara otomatis, memiliki kemampuan yang tinggi dengan biaya yang lebih murah. Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk merancang alat deposisi spin coating yang menitikberatkan pada sistem pengontrolan kecepatan putar motor. Alat yang dibuat adalah alat deposisi spin coating yang memiliki karakteristik tingkat akurasi keluaran yang tinggi lebih di atas 90%, variasi nilai kecepatan yang beragam, dan kecepatan putaran motor yang stabil.
TINJAUAN PUSTAKA
Metode spin coating Proses spin coating dibagi menjadi empat yaitu tahap deposisi, spin-up, spin-off, dan evaporasi. Tahap pertama dimulai dari diteteskan atau dialirkannya cairan pelapis berupa gel di atas substrat. Pada tahap deposisi substrat belum diputar. Kemudian pada tahap berikutnya substrat mulai diputar. Akibat gaya sentrifugal cairan menjadi tersebar secara radial keluar dari pusat putaran menuju tepi piringan. Pada tahap ini substrat mengalami percepatan. Sedangkan pada kedua tahap berikutnya laju putaran mulai konstan, artinya tidak ada percepatan sudut pada substrat. Pada tahap spin-off sebagian cairan yang berlebih akan menuju ke tepi substrat dan akhirnya terlepas dari substrat membentuk tetesan-tetesan. Semakin menipis lapisan yang terbentuk semakin berkurang tetesan-tetesan yang terbuang. Hal ini dipengaruhi oleh adanya penambahan hambatan alir dan viskositas pada saat lapisan semakin tipis. Tahap terakhir, evaporasi, merupakan mekanisme utama dari proses penipisan lapisan. Ketebalan lapisan yang terbentuk ditentukan oleh dua parameter utama yaitu viskositas dan laju putaran (angular speed) disamping parameter-parameter lainnya seperti waktu dan kerapatan cairan. (Asrorudin 2004).
2
Kecepatan putar merupakan salah satu faktor terpenting dalam proses spin coating. Kecepatan putar pada substrat berpengaruh terhadap sudut gaya sentrifugal yang mengenai cairan resin selain kecepatan dan turbullence udara diatasnya. Secara lebih spesifik tingkat kecepatan putar yang tinggi menetukan ketebalan lapisan yang terbentuk. Gambar 1 menunjukkan kurva hubungan antara kecepatan putar dan ketebalan lapisan (www.cise.columbia.edu).
(controller). Tahapan berikutnya adalah proses perbandingan antara preset value dengan nilai yang diperintahkan (set point) oleh controller. Perbedaan atau selisih nilai diantara keduanya disebut sebagai kesalahan (error). Dalam sistem kontrol loop tertutup controller akan memberikan perintah untuk memperkecil error tersebut kepada bagian aksi kendali (actuator) secara otomatis. Berdasarkan proses tersebut sistem kontrol loop tertutup sering disebut sistem kontrol otomatis (automatic control system). Gambar 2 menunjukkan proses yang terjadi pada sistem kontrol loop tertutup (Ogata 1985; Jacob 1989).
Gambar 1. Hubungan antara ketebalan lapisan dan kecepatan putar
Teori Sistem Kontrol Sistem kontrol merupakan sekumpulan alur logika yang dibuat dengan tujuan agar alat mampu bekerja dengan optimal. Aliran prosesnya secara sederhana dimulai dari adanya perintah yang dilanjutkan dengan manipulasi proses dan berakhir pada bagian tampilan keluaran. Berdasarkan ada atau tidaknya umpan balik (feedback), Ogata (1985) membagi sistem kontrol menjadi dua jenis yaitu sistem kontrol loop tertutup (close loop control system) dan sistem kontrol loop terbuka (open loop control system) . Sistem kontrol loop terbuka lebih sederhana dan mudah dibuat, tetapi memiliki kelemahan dalam hal merespon gangguan dari luar sistem. Apabila terjadi gangguan sistem kontrol loop terbuka tidak memiliki mekanisme pengurangan error secara otomatis. Sehingga nilai keluarannya berbeda dengan yang diperintahkan. Sistem kontrol loop tertutup adalah sistem kontrol yang sinyal keluarannya diumpankan kembali ke masukan sehingga aksi pengontrolan dipengaruhi oleh nilai keluaran tersebut. Istilah loop tertutup bermakna menggunakan aksi umpan balik untuk memperkecil kesalahan sistem. Nilai keluaran yang berasal dari sensor disebut sebagai nilai sebenarnya (preset value). Sebelum masuk ke dalam proses pengendalian nilai tersebut akan dikondisikan terlebih dahulu agar sesuai dengan karakteristik masukan pengendali
Gambar 2. Sistem kontrol loop tertutup
Digital to Analog Converter Digital to Analog Converter (DAC) adalah sebuah rangkaian yang berfungsi untuk mengubah nilai digital dalam bentuk bilangan biner menjadi besaran analog seperti tegangan dan arus. Rangkaian internal DAC secara sederhana digambarkan terdiri atas kombinasi resistor dan Op Amp, sebagaimana yang terlihat pada Gambar 3:
Gambar 3. Skema sederhana DAC weighted resistor
Tegangan keluaran DAC dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut: An x Vref A0 A1 (1) Vout ..... 2
4
2n
Keterangan : Vout : Tegangan keluaran analog (V) Vref : Tegangan referensi (V) n : Jumlah bit yang dicari
3
DAC yang mempunyai lebar data 8 bit akan memiliki 2 8 = 256 tingkat nilai analog. Nilai tegangan keluaran dapat digabungkan dengan rangkaian pengubah tegangan ke arus jika keluaran yang yang dibutuhkan adalah arus (Priyonoto 2004). Pulse Width Modulations Pulse Width Modulations (PWM) merupakan sebuah teknik pengontrolan tegangan menggunakan metode pengaturan lebar pulsa. Sebuah PWM biasanya merupakan gabungan antara rangkaian pembangkit sinyal segitiga dengan nilai tegangan referensi yang dapat diatur. Kedua kompenen tersebut kemudian dihubungkan dengan sebuah comparator. Pengaturan lebar pulsa dilakukan dengan mengatur nilai tegangan referensi. Jika level tegangan sinyal segitiga lebih besar dari tegangan referensi maka tegangan keluaran komparator bernilai positif (kondisi on), sedangkan jika level tegangan sinyal segitiga lebih kecil dari tegangan referensi maka keluaran komparator benilai nol (kondisi off). Semakin tinggi nilai referensi akan mengakibatkan kondisi on semakin kecil atau sempit, sebaliknya semakin kecil nilai tegangan referensi akan menyebabkan kondisi on akan semakin besar atau lebar. Asrorudin (2004) menunjukkan proses pembentukan sinyal PWM pada Gambar 4.
D
t on x100% T
(2)
Keterangan: D : Duty Cycle (%) ton : Lama waktu on (s) T : Perioda gelombang kotak (s) Siklus kerja gelombang kotak sebanding dengan nilai tegangan rata-rata dc (dc average voltage) yang dikeluarkan. Sebagai contoh gelombang kotak dengan tegangan maksimum 100 V dan siklus kerja 75% akan memiliki rata-rata tegangan dc sebesar 75 V, yaitu 75% dari 100 V. Nilai tegangan ratarata inilah yang nantinya akan diterima oleh bagian lain sebagai tegangan keluaran PWM. Gambar 5 menunjukkan nilai tegangan ratarata untuk siklus kerja yang berbeda.
Gambar 5. Nilai tegangan rata-rata PWM
Nilai tegangan rata-rata keluaran PWM digunakan untuk menggerakkan motor. Arus keluaran PWM tidak terlalu besar sehingga tidak dapat langsung dihubungkan dengan motor. Diperlukan rangkaian tambahan sebagai pengontrol tegangan motor. Gambar 6 merupakan salah satu contoh rangkaian pengontrol tegangan motor.
M
Vs
DC moto r
Gambar 4. Proses pembentukan sinyal PWM
Perbandingan lebar pulsa on dengan periode gelombang keluaran PWM disebut dengan istilah siklus kerja (duty cycle). Sebagai contoh apabila lama waktu on-nya setengah dari periode gelombang PWM yang dihasilkan, maka siklus kerja gelombang kotak tersebut adalah 50%. Siklus kerja atau duty cicle (D) sebuah gelombang kotak dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
PWM out put
MOS FET
Gambar 6. Rangkaian pengontrol tegangan motor
Rangkaian pengontrol motor di atas menggunakan teknik penyaklaran untuk menyalurkan tegangan rata-rata dari
4
gelombang kotak. Alat penyaklaran (switching device) yang biasa digunakan adalah transistor, SCR, dan sebagainya. Komponen jenis ini dipilih karena memiliki kemampuan penyaklaran yang tinggi dengan kapasitas arus yang besar. Rangkaian pada gambar di atas menggunakan transistor jenis MOSFET. Actuator Actuator merupakan perangkat keras yang menjadi objek sistem kendali. Bagian ini akan memproses masukan yang diterima untuk dikonversi menjadi aksi keluaran yang seusai. Pada rancangan alat deposisi spin coating yang berfungsi sebagai actuator adalah motor listrik arus searah (direct current) yang dihubungkan dengan substrate holder. Kecepatan angular motor dipengaruhi oleh torsi yang dihasilkan dari gaya lorentz FL sebagaimana dituliskan dalam persamaan berikut ini: = FL x r dan FL = IBl sin
(3) (4)
Keterangan : FL : gaya lorentz (N) r : lengan gaya (m) I : arus (A) B : medan magnet (T) L : panjang kawat berarus (m) : sudut antara vektor normal permukaan loop dan medan magnet. Nilai torsi digunakan untuk menggerakkan substrate holder berbentuk cakram melalui poros yang langsung dihubungkan. Pada cakram tidak ada torsi eksternal netto yang dikerjakan. Menurut hukum kekekalan momentum angular, jika torsi eksternal yang bekerja pada sebuah benda sama dengan nol, maka momentum angular total sistem adalah konstan
dL 0 atau dt L = I = konstan
(5)
adalah kecepatan angular dan I adalah momen inersia cakram padat yang bernilai ½ MR2 (Sadiku 2001). Gaya yang dihasilkan dari putaran cakram dengan arah menuju luar cakram digunakan untuk membuat lapisan tipis.
Dari persamaan (4) dan (5) terlihat hubungan antara kecepatan angular cakram dan arus yang diberikan ke motor. Semakin besar arus yang diberikan maka semakin besar kecepatan angular yang dihasilkan. Motor yang digunakan dalam perencanaan ini adalah DC motor yang menggunakan magnet permanen pada bagian stator-nya. Magnet permanen motor mempunyai kurva hubungan antara kecepatan dan torsi yang linier dalam rentang yang lebar. Keunggulan penggunaan magnet permanen adalah motor tidak membutuhkan daya listrik untuk menghasilkan medan stator, sehingga daya dan pendinginan yang diperlukan lebih sedikit dibandingkan motor yang menggunakan prinsip kerja elektromagnet. Sensor Sensor merupakan komponen elektronika yang berfungsi untuk mengubah besaran fisik menjadi nilai lain seperti tegangan, arus, atau yang lainnya. Pada penghitungan nilai kecepatan putar sensor yang dapat digunakan diantaranya opotocoupler, photodioda, atau encoder (magnetic dan optical). Masing-masing komponen memiliki kelebihan dan kekurangan dilihat dari sisi ketepatan, ketelitian, ataupun dari aspek ekonomi. Magnetic encoder dipilih sebagai sensor pencacah putaran dengan pertimbangan bahwa sensor ini telah terintegrasi dalam motor yang digunakan, sehingga dirasakan lebih ekonomis dengan tanpa mengurangi sisi keakuratan pembacaaan data. Berdasarkan datasheet yang diberikan encoder mampu mencacah dengan ketelitian pencacahan sebesar 116 pulsa/putaran. Frequency to Voltage Converter Rangkaian frequency to voltage converter (F/V) berfungsi sebagai pencacah frekuensi keluaran dari encoder dan mengubahnya menjadi tegangan. Tegangan yang dihasilkan berbanding lurus dengan jumlah frekuensi cacahan. Nilai tegangan ini selanjutnya akan dijadikan sebagai preset value (Thiang et al. 1999). Komponen utama rangkaian F/V adalah IC LM2917 8-pin. Komponen ini dipilih karena memiliki beberapa keunggulan yaitu memiliki dioda zener internal sebagai penyedia tegangan yang stabil, nilai tegangan referensi sinyal 0 V, dan harga
5
yang terjangkau. Gambar 7 memperlihatkan rangkaian internal IC LM2917 8-pin.
(PortA, PortB, PortC dan PortD) yang kesemuanya mempunyai kemampuan sebagai I/O 8-bit bi-directional. Khusus untuk PortA selain fungsi di atas juga dapat digunakan sebagai sebagai ADC internal 10bit yang mampu mengubah nilai analog menjadi data digital dengan nilai maksimal 1023. Dalam penelitian ini mikrokontroler ATmega8535 yang dipakai sudah terintegrasi dalam modul DT-AVR low cost micro system buatan inovative electronics. Komunikasi Serial
Gambar 7. Rangkaian internal IC LM2917 8-pin
Agar LM2917 beroperasi dengan optimal maka harus diperhatikan pemasangan komponen tambahan pada kaki-kakinya, terutama pada empat kaki utama yaitu: Kaki 1 : sinyal masukan Kaki 2 : C1 ke ground Kaki 3 : C2 pararel R1 ke ground Kaki 8 : ground . Pada saat nilai masukan lebih besar atau kecil dari referensi maka charge pump akan aktif. Cara kerja charge pump mirip dengan kapasitor. Semakin tinggi frekuensi sinyal yang masuk, maka proses pengisian muatan menjadi semakin cepat sehingga nilai tegangan dc yang dikeluarkan pun semakin besar, begitu juga sebaliknya ketika frekuensi semakin kecil maka nilai tegangan dc yang dihasilkan akan semakin kecil pula. Berdasarkan datasheet LM2917 besarnya tegangan yang dihasilkan dapat dihitung menggunakan persamaan berikut: Vout = Vsup x R1 x C1 x fin
(6)
Keterangan: Vout : tegangan keluaran (V) Vsup : tegangan supply (V) R1 : nilai resistor pada kaki 3 () C1 : nilai kapasitor pada kaki 2 (F) fin : frekuensi masukan (Hz) Mikrokontroler ATmega8535 Mikrokontroler ATmega8535 adalah jenis mikrokontroler low-power CMOS 8-bit yang berdasarkan arsitektur AVR (Alf and Vergard’s Risc processor) RISC. Pelaksanaan instruksinya menggunakan siklus clock tunggal dengan throughputs mendekati 1 MIPS (Mega Instructions per Second) tiap MHz. Terdapat 4 buah port
Komunikasi serial adalah mekanisme pengiriman data secara berurutan dapat secara sinkron (Synchronous) atau secara asinkron (Asynchronous). Pada komunikasi data serial sinkron, clock dikirimkan bersama-sama dengan data, sedangkan pada komunikasi data serial asinkron clock tidak dikirimkan bersama data serial, tetapi dibangkitkan secara sendiri-sendiri baik pada sisi pengirim (transmitter) maupun pada sisi penerima (receiver). Mikrokontroler berkomunikasi dengan perangkat luar menggunakan sistem USART (Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter). Kecepatan pengiriman data (baud rate) dan fase clock pada transmitter dan pada receiver harus sinkron. Untuk itu diperlukan sinkronisasi antara pengirim dan penerima. Hal ini dilakukan oleh bit ’Start’ dan bit ’Stop’. Ketika saluran transmisi dalam keadaan idle, keluaran adalah dalam keadaan logika ’high’. Ketika transmitter akan mengirimkan data, keluaran akan diset lebih dulu ke logika ’low’ untuk nilai satu bit. Sinyal ini pada receiver akan dikenali sebagai sinyal ’Start’ yang digunakan untuk mensinkronkan fase clock sehingga sinkron dengan fase clock pengirim. Selanjutnya, data akan dikirim secara serial dari bit paling rendah (bit 0) sampai bit tertinggi dan akan dikirim sinyal ’Stop’ sebagai akhir dari pengiriman data serial (Prasetia et al. 2004)
Gambar 8. Pengiriman data serial
Nilai baud rate dapat dipilih bebas dalam rentang tertentu, biasanya nilai yang sering dipakai adalah 9600. Alat-alat yang akan berkomunikasi harus diatur pada nilai baud rate yang sama.
6
METODOLOGI PENELITIAN
bentuk blok fungsional, sebagaimana yang terlihat pada Gambar 10.
Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian ini dilakukan di laboratorium elektronika, dan laboratorium hardware dan kontrol Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pegetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor mulai Juli 2005 sampai dengan April 2008. Alat dan Bahan Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini meliputi komponen elektronika, PCB (Printed Board Circuit) matriks, timah solder, kotak logam (chasis), dan logam alumunium. Alat yang digunakan pada penelitian meliputi, signal generator, microcontroler tranier, osiloskop, frequency counter, multimeter, variable power supply, solder, penyedot timah, bor tangan, dan alat-alat perbengkelan.. Metode Penelitian Diagram alir metode ditunjukkan pada Gambar 9.
penelitian
Gambar 10. Diagram blok fungsional rancangan alat deposisi spin coating
Fungsi masing-masing blok adalah sebagai berikut: a. ATmega8535 Menerima perintah dari PC dan mengirimkan nilai biner yang sesuai ke DAC. b. DAC Mengubah nilai biner perintah dari PC menjadi nilai analog dalam bentuk tegangan. c. Analog PID Controller Mengurangi error yang terjadi antara set point dengan preset value secara otomatis. d. Driver Motor Rangkaian penggerak objek yang dikontrol yaitu motor dc. e. Motor Objek yang akan dikontrol nilai keluarannya. f. Sensor Menghitung jumlah putaran yang dihasilkan oleh motor. g. Frequency to Voltage Converter Mengubah nilai frekuensi yeng terukur menjadi tegangan yang sesuai. h. PC (Personal Computer) Menerima perintah dalam bentuk set point dan waktu kemudian menampilkan kecepatan aktual sebagai preset value. 2. Merancang Rangkaian Masing-masing Blok Fungsional Tahapan perancangan blok fungsional dimulai dari penelusuran literatur, perhitungan nilai-nilai komponen yang akan digunakan, sampai pada simulasi rangkaian menggunakan Multisim 7.1.
Gambar 9. Diagram alir penelitian
1. Merancang Diagram Blok Fungsional
3. Pembuatan dan Pengujian Rangkaian Secara Terpisah
Langkah pertama yang dilakukan adalah menggambarkan rancangan alat dalam
Skema yang telah dirancang diuji menggunakan protoboard kemudian dibuat
7
dalam bentuk rangkaian jadi. Pengujian rangkaian secara terintegrasi dilakukan setelah semua blok rangkaian dapat bekerja dengan baik. 4. Pembuatan Software Pembuatan program pada mikrokontroler dilakukan menggunakn Bascom AVR 1.11.8.7. 5. Kalibrasi Alat Kalibarasi dilakukan terhadap ketepatan sensor dalam mencacah jumlah putaran yang dihasilkan. Tingkat ketelitian dan ketepatan yang dihasilkan berpengaruh terhadap kelayakan penggunaan alat tersebut. 6. Pengambilan Data
Aliran perubahan data dari set point menjadi tegangan, kecepatan putar, frekuensi, sampai akhirnya menjadi preset value ditunjukkan oleh panah warna hitam. Panah berwarna putih merupakan daya yang disediakan oleh power supply untuk semua blok fungsional. Digital to Analog Converter Digital to Analog Converter yang digunakan adalah DAC 8-bit buatan National Semiconductor tipe DAC0808 dengan nilai tegangan referensi 5 V dan resolusi 0.02 V. Keluaran DAC0808 yang masih dalam bentuk arus dikonversi menjadi tegangan menggunakan rangkaian pengubah arus ke tegangan. Rangkaian ini dibangun dari sebuah Op Amp LM741. Gambar 12 menunjukkan rangkaian lengkap DAC.
Data yang akan didapatkan adalah jumlah putaran aktual dalam satuan rpm yang ditampilkan oleh PC bersamaan dengan nilai putaran yang diperintahkan.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah melalui serangkaian uji coba didapatkan rancangan akhir blok fungsional alat deposisi spin coating seperti yang terlihat pada Gambar 11.
Gambar 12. Rangkaian DAC Menggunakan DAC0808
Pengujian DAC dilakukan dengan memberikan nilai biner berbeda melalui PC dan mengukur tegangan keluarannya. Data hasil pengujian rangkaian DAC dapat dilihat pada Tabel 1:
Gambar 11. Diagram blok fungsional alat deposisi spin coating
Diagram blok fungsional pada Gambar 11 merupakan pengembangan dari rancangan sebelumnya. Blok fungsional PID Controller dihilangkan karena tidak dapat beroperasi secara optimal. Pengontrolan dilakukan melalui algoritma pada pemrograman mikrokontroler ATmega8535.
Tabel 1. Tabel keluaran DAC0808 No Bilangan Keluaran DAC biner (V) 1 0 0 2 25 0.50 3 50 1.01 4 75 1.52 5 100 2.02 6 125 2.50 7 150 3.00 8 175 3.47 9 200 3.98 10 225 4.48 11 255 5.00
Berdasarkan data dari Tabel 1 dapat dikatakan bahwa DAC telah bekerja dengan
8
sangat baik. Kenaikan nilai biner berbanding lurus dengan kenaikan nilai tegangan keluaran DAC. Dalam bentuk grafik data tersebut membentuk garis yang linier seperti terlihat pada Gambar 13. Kurva hubungan antara keluaran DAC dan bilangan biner
Keluaran DAC (V)
6 5 4 3 2 1 0 0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
255
Bilangan biner
Gambar 13. Hubungan antara keluaran DAC dan bilangan biner
Rangkaian Pembalik Rangkaian pembalik merupakan rangkaian pengkondisi sinyal yang dipasang antara DAC dengan masukan PWM. Tegangan yang dikeluarkan oleh PWM berbanding terbalik dengan nilai tegangan referensi yang diberikan oleh DAC. Karaktersitik PWM seperti ini mengganggu proses perbandingan antara preset value yang menyatakan kecepatan motor aktual dengan set point yang berasal dari DAC. Cara kerja rangkaian pembalik ini adalah dengan mengubah kemiringan data DAC. Nilai maksimal yang dihasilkan DAC akan dikonversi menjadi nilai minimal, dan sebaliknya nilai minimal DAC akan dikonversi menjadi nilai maksimal. Proses pengubahan nilai dilakukan dengan menggunakan rangkaian pengurang differensial dan penguatan inverting yang dilakukan oleh Op Amp LF347 buatan National Semiconductor. Gambar 14 menunjukkan rangkaian pembalik secara lengkap.
dengan rangkaian inverting amplifier yang nilai penguatannya satu kali. Fungsi dari rangkaian ini adalah mengubah nilai negatif hasil proses sebelumnya menjadi positif. Sebagai contoh tegangan referensi 5 V akan dikurangi 5 V menjadi 0 V kemudian dikalikan dengan faktor penguatan -1 sehingga nilai akhirnya menjadi 0 V. Proses yang sama terjadi untuk nilai tegangan keluaran lainnya. Pengujian rangkaian dilakukan dengan membandingkan nilai tegangan keluaran DAC dan tegangan keluaran rangkaian pembalik menggunakan multimeter. Data hasil pengukuran rangkaian pembalik ditunjukkan pada Tabel 2: Tabel 2. Tabel keluaran rangkaian pembalik No Keluaran Tegangan DAC (V) Pembalik (V) 1 0 5,11 2 0,41 4,69 3 0,82 4,28 4 1,22 3,88 5 1,64 3,45 6 2,04 3,05 7 2,44 2,66 8 2,84 2,26 9 3,25 1,84 10 3,64 1,46 11 4,04 1,06 12 4,41 0,68 13 4,83 0,26 14 5,08 0,01
Gambar 15 menunjukkan kurva hubungan antara tegangan pembalik dan keluaran DAC. Hubungan antara tegangan pembalik dan keluaran DAC Tegangan pembalik (V)
6 5 4 3 2 1 0 0
0,41 0,82 1,22 1,64 2,04 2,44 2,84 3,25 3,64 4,04 4,41 4,83 5,08
Keluaran DAC (V)
Gambar 14. Rangkaian pembalik tegangan
Gambar 15. Hubungan antara tegangan pembalik dan keluaran DAC
Berdasarkan prinsip kerja rangkaian pengurang diferensial tegangan referensi dikurangi dengan tegangan sebesar 5 V. Hasil pengurangan kemudian dihubungkan
Dari data di atas terlihat bahwa rangkaian pembalik bekerja dengan sangat baik. Rangkaian mampu menghasilkan tegangan yang berkebalikan dengan tegangan DAC.
9
Motor Controller Blok diagram motor controller terdiri dari dua bagian utama, yaitu pembangkit sinyal PWM dan pengontrol tegangan motor. Blok pembangkit sinyal PWM terdiri atas pembangkit sinyal segitiga dan komprator. Rangkaian pembangkit sinyal PWM dibangun dari sebuah IC LM324 yang bekerja pada catu daya single 12 V dan tegangan offset 6 V. Berdasarkan hasil percobaan didapatkan informasi bahwa sinyal segitiga yang dihasilkan adalah sebesar 5 V peak to peak dengan nilai referensi 6 V. Sinyal tersebut berayun dari nilai tegangan puncak bawah 3,5 V sampai 8,5 V sebagai nilai puncak atasnya. Sementara itu nilai DAC yang dijadikan sebagai tegangan referensi pada bagian comparator memiliki rentang nilai dari 0 sampai 5 V. Agar dihasilkan sinyal PWM yang bagus dibutuhkan rangkaian tambahan berupa rangkaian pengkondisi yang berfungsi untuk menyesuaikan tegangan DAC dengan karakterisitik sinyal segitiga. Gambar 16 menunjukkan rangkaian pengkondisi tegangan secara lengkap.
Gambar 16. Rangkaian pengkondisi tegangan
Rangkaian pengkondisi tegangan terdiri atas inverting summing amplifier dan inverting amplifier. Rangkaian pertama berfungsi untuk menaikkan tegangan DAC dengan cara melakukan operasi penjumlahan tegangan. Op-amp yang digunakan adalah adalah op-amp yang terdapat pada IC KF347 buatan Fairchild dengan catu daya simetris. Nilai tegangan hasil penjumlahan dicari menggunakan persamaan berikut: V1 V Vout R3 2 R1 R2
penguatan sebesar satu kali berfungsi untuk membalik nilai tegangan keluaran yang tadinya negatif menjadi positif. Rangkaian pengkondisi tegangan telah dapat bekerja dengan baik, hal ini dibuktikan dengan terbentuknya sinyal PWM yang siklus kerjanya berubah dari 0% sampai 100% ketika tegangan keluaran DAC dikonversi secara bertahap dari 0 – 5 V. Siklus kerja maksimum terjadi ketika tegangan DAC 5 V dan siklus kerja minimum ketika 0 V. Sinyal PWM yang telah dihasilkan dihubungkan dengan rangkaian pengontrol tegangan motor. Proses pengaturan tegangan dengan prinsip penyaklaran listrik dilakukan oleh transistor MOSFET IRFZ34 bertipe Nchannel. Transistor ini dipilih karena kemampuan penyaklarannya yang sangat tinggi, yaitu sampai angka 1 MHz. Sementara itu PWM yang dibuat bekerja pada nilai frekuensi 500 Hz. Selain itu, transistor ini juga mampu menangani arus sampai 30 A. Nilai arus yang besar dibutuhkan untuk memutar motor DC. Pengujian kinerja rangkaian PWM dilakukan terhadap siklus kerja. Pengujian siklus kerja dilakukan menggunakan osiloskop Caltek CA8020 20MHz pada channel A dengan setting tegangan 5 V/div dan waktu 0,5 ms/div. Dipilih tiga kondisi pengujian yaitu tegangan referensi 0 V, 2,5 V, dan 5 V. Nilai tegangan ini bersumber dari keluaran DAC yang diprintahkan melalui bilangan biner. Nilai tegangan supply pada rangkaian pengontrol tegangan bernilai 11,95 V. Pada pengujian siklus kerja selain mengamati siklus kerja yang terbentuk juga dilakukan perhitungan tegangan rata-rata PWM secara teoritis. Nilai tegangan ratarata hasil perhitungan akan dibandingkan dengan hasil pengukuran aktual pada tahapan pengujian berikutnya. Hasil pengujian siklus kerja untuk nilai tegangan referensi 0 V ditunjukkan pada Gambar 17.a di bawah:
(7)
Nilai R1=R2=R3=100K, sehingga besar nilai tegangan keluaran hanya dipengaruhi nilai V1 dan V2. Potensiometer 10K pada tegangan V2 berfungsi untuk mengatur tegangan pengurang sampai mendekati nilai 3,5 V. Rangkaian inverting amplifier dengan
Gambar 17.a Sinyal PWM ketika Vref = 0 V
Gambar di atas memperlihatkan bahwa tegangan referensi 0 V tidak menghasilkan sinyal kotak, tetapi berupa sebuah garis lurus
10
Gambar 17.b Sinyal PWM ketika Vref = 2,5 V
Pada pengujian ini terbentuk sinyal kotak dengan siklus kerja 50%. Puncak bawah sinyal bernilai 0 V dan puncak atasnya bernilai 11,95 V. Secara teoritis tegangan rata-rata yang dikeluarkan oleh PWM adalah 50% dari 11,95 V yaitu sekitar 5,975 V. Pada kondisi ini motor berputar dengan kecepatan setengah dari kecepatan putar maksimal yang mampu dihasilkan. Pengambilan data siklus kerja terakhir dilakukan dengan memberikan nilai tegangan referensi sebesar 5 V. Gambar 17.c menunjukkan siklus kerja ketika tegangan referensi bernilai 5 V.
menggunakan multimeter. Data hasil pengukuran dapat dilihat pada Tabel 3: Tabel 3. Tabel keluaran tegangan rata-rata PWM No Bilangan Vrata-rata biner 1 0 0 2 20 0,70 3 40 2,75 4 60 5,38 5 80 7,32 6 100 8,50 7 120 9,39 8 140 9,99 9 160 10,43 10 180 10,83 11 200 11,09 12 220 11,17 13 240 11,92 14 255 11,95
Gambar 18 memperlihatkan kurva hubungan antara tegangan rata-rata (Vrata-rata) dan bilangan biner Hubungan antara Vrata-rata dan bilangan biner 14
Vrata-rata PWM (V)
pada nilai 0 V. Siklus kerja sinyal PWM ini adalah 0%. Nilai tegangan rata-rata yang dihasilkan berdasarkan perhitungan yaitu sebesar 0% dari 11,95 V yaitu 0 V. Pada kondisi ini motor belum dapat berputar. Pengujian berikutnya dilakukan terhadap nilai tegangan referensi 2,5 V. Hasil pengujian ditunjukkan oleh Gambar 17.b:
12 10 8 6 4 2 0 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 255 Bilangan biner
Gambar 17.c Sinyal PWM ketika Vref = 5 V
Gambar 18. Hubungan antara Vrata-rata dan bilangan biner
Nilai tegangan referensi maksimal yaitu 5 V menghasilkan sinyal PWM yang berbentuk garis lurus pada nilai 11,95 V. Siklus kerja pad hasil pengujian ini adalah 100%. Nilai tegangan yang terukur cocok dengan hasil perhitungan untuk siklus kerja sinyal 100% yang menghasilkan tegangan rata-rata maksimal sebesar 11.95 V. Pada kondisi ini motor berputar dengan kecepatan putar maksimal. Untuk mendapatkan gambaran karakteristik PWM yang lebih lengkap dan akurat, maka dilakukan pengukuran tegangan keluaran rata-rata PWM secara langsung Pemberian tegangan referensi berbeda dilakukan menggunakan DAC melalui perintah dalam bentuk bilangan biner. Pengukuran tegangan keluaran dilakukan
Data hasil pengujian menunjukkan bahwa tegangan rata-rata yang dihasilkan PWM tidak linier. Pada bilangan biner yang kecil sampai pada nilai 120 tegangan rata-rata naik secara cepat, tetapi untuk bilangan biner berikutnya perubahan kenaikan tegangan menjadi lebih kecil bahkan hampir tidak ada. Nilai aktual yang didapatkan berbeda dengan hasil perhitungan menggunakan rumus siklus kerja. Sebagai contoh untuk nilai referensi 2,5 V yang sebanding dengan bilangan biner 126. Berdasarkan perhitungan dari Gambar 17.b didapatkan nilai tegangan rata-rata sebesar 5,975 V. Pada kenyataannya nilai tegangan rata-rata yang terukur berada pada rentang 9,39 – 9,99 V. Pada bagian lain, hasil pengukuran ketika tegangan referensi minimal dan maksimal menunjukkan nilai
11
yang sama dengan hasil perhitungan yaitu 0 V dan 11,95 V. Berdasarkan analisis rangkaian, kemungkinan terbesar yang menyebabkan tegangan tidak linier adalah proses penyaklaran yang dilakukan oleh MOSFET IRFZ34. Hal ini dikarenakan blok pembangkit sinyal yang menjadi masukan rangkaian pengontrol tegangan telah berfungsi dengan baik. Sinyal PWM mampu menghasilkan siklus kerja yang bersesuaian dengan nilai referensi yang perintahkan. Selain itu, frekuensi PWM yang bernilai 500 Hz juga sangat memungkinkan menjadi penyebab ketidaklinieran tegangan keluaran PWM. Literatur menunjukkan bahwa frekuensi PWM yang sering digunakan dalam penelitian-penelitian berada pada rentang satuan kHz.
dalam penentuan kecepatan putar dalam proses berikutnya. Pengukuran jumlah pulsa dilakukan menggunakan multimeter pada fasilitas pengukur frekuensi dalam satuan kHz yang kemudian dikonversi menjadi Hz. Tegangan yang diberikan berasal dari DC variable power supply dengan nilai maksimum 12 V, sesuai dengan karaktersitik motor. Data hasil pengukuran frekuensi motor dapat dilihat pada Tabel 4: Tabel 4. Tabel frekuensi keluaran motor No Tegangan Frekuensi (V) (Hz) 1 0 0 2 1 0 3 2 484 4 3 949 5 4 1344 6 5 1768 7 6 2170 8 7 2600 9 8 3000 10 9 3420 11 10 3850 12 11 4250 13 12 4700
Motor Motor yang digunakan sebagai actuator adalah motor DC tipe UGFMED B1 20E buatan Yaskawa dengan catu daya maksimal 12 V. Beberapa keunggulan yang dimiliki yaitu bentuknya yang kompak, ringan, dan ekonomis juga memiliki sensor putaran yang terintegrasi berupa magnetic encoder ditambah fasilitas reduction of torque ripple. Gambar 19 memperlihatkan bentuk fisik motor yang digunakan.
Gambar 20 memperlihatkan kurva hubungan antara frekuensi dan tegangan yang diberikan (Vsupply). Hubungan antara frekuensi dan Vsuplly 5000
Gambar 19. Motor tipe UGFMED B1 20E buatan Yaskawa
Frekuensi (Hz)
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
Pengujian karakteristik motor meliputi uji linieritas dan kecepatan putar maksimum. Pengujian linieritas ditujukan untuk mengetahui karakteristik hubungan antara tegangan yang diberikan dengan kecepatan putar yang dihasilkan. Uji linieritas dilakukan dengan mengukur frekuensi yang dihasilkan untuk tiap tegangan yang diberikan. Nilai frekuensi didapatkan dari pulsa yang dikeluarkan oleh magnetic encoder dengan ketelitian cacahan 116 pulsa/putaran. Kecepatan putar tiap menit (rpm) dicari dengan membagi frekuensi cacahan dengan 116 agar didapat rotation per second (rps) kemudian dikalikan dengan 60. Perhitungan ini akan digunakan
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Vsupply (V)
Gambar 20. Hubungan antara frekuensi dan Vsupply
Hasil uji linieritas motor menunjukkan bahwa daerah operasi motor adalah dari tegangan 1 V sampai 12 V. Motor tepat akan berputar ketika nilai tegangan sama dengan 1,2 V. Pada rentang nilai tegangan ini putaran motor berbanding lurus dengan tegangan yang diberikan. Kecepatan putar maksimal adalah 2431 rpm, nilai ini merupakan hasil konversi dari nilai frekuensi maksimal 4700 Hz.
12
Pengukuran frekuensi juga memberikan informasi tambahan berupa kestabilan putaran motor. Putaran motor mulai stabil pada nilai 1344 rpm, yaitu ketika diberi tegangan 4 V. Pada kecepatan kurang dari 1344 rpm data yang terbaca berubah-ubah, walaupun perubahannya hanya dalam orde satuan. Berdasarkan karakteristik putaran motor maka dapat dikatakan bahwa alat deposisi spin coating yang dibuat dapat menangani proses pelapisan material pada rentang kecepatan 0 – 2431 rpm. Magnetic Encoder Berdasarkan datasheet-nya diketahui bahwa magnetic encoder yang digunakan adalah tipe UTMSI-01BNA. Sebuah encoder single channel yang hanya mengeluarkan pulsa pada satu jalur keluaran dengan ketelitian pencacahan sebesar 116 pulsa/putaran. Pulsa yang dihasilkan bernilai 5 V pada kondisi off dan 0 V ketika kondisi on. Agar pulsa dapat dibaca oleh peralatan lain perlu ditambahkan full-up resistor pada bagian keluaran sensornya. Resistor yang digunakan pada penelitian ini adalah resistor 5,1 k dengan tegangan supply sebesar 5 V. Gambar 21 menunjukkan bentuk pulsa keluaran encoder.
memperlihatkan rangkaian sinyal secara lengkap.
pengkondisi
Gambar 22. Rangkaian pengkondisi sinyal
Rangkaian pengurang diferensial dibangun dari Op Amp LF347 buatan National Semiconductor. Masukan inverting diberi tegangan tetap sebesar 2,5 V sedangkan masukan non inverting menerima sinyal masukan yang berasal dari encoder. Nilai keluaran rangkaian merupakan hasil proses pengurangan bagian non inverting dengan inverting. Rangkaian pengkondisi telah berfungsi dengan baik, hal ini ditandai dengan terbentuknya sinyal baru dengan frekuensi tetap yang memiliki puncak atas 2,5 V dan puncak bawah -2,5 V. Setelah melalui rangkaian pengkondisi ini pulsa dari encoder dapat dicacah oleh rangkaian F/V. Frequency to Voltage Converter Rangkaian akhir F/V lengkap dengan komponen yang dipasang pada masingmasing kakinya diperlihatkan pada Gambar 23 di bawah ini:
Gambar 21. Bentuk pulsa keluaran encoder
Rangkaian Pengkondisi Rangkaian pengkondisi sinyal berfungsi untuk menyesuaikan sinyal keluaran encoder dengan masukan F/V. Rangkaian F/V hanya dapat mencacah sinyal yang berayun melewati nilai referensi 0 V, puncak atasnya postitf dan puncak bawahnya negatif. Sementara itu, karakteristik pulsa keluaran magnetic encoder adalah puncak bawahnya 0 V dan puncak atasnya 5 V. Cara untuk mengatasi perbedaan nilai tersebut adalah dengan menurunkan sinyal keluaran magnetic encoder sebesar 2,5 V. Proses penurunan sinyal dilakukan oleh rangkaian pengurang diferensial. Gambar 22
Gambar 23. Rangkaian F/V lengkap
Sinyal masukan dihubungkan dengan kaki 1 untuk selanjutnya dibandingkan dengan nilai referensi pada kaki 8 yaitu 0 V. Berdasarkan persamaan (6) terlihat bahwa nilai tegangan berbanding lurus dengan frekuensi yang dicacah. Pemilihan komponen dilakukan dengan tujuan agar ketika nilai frekuensi maksimal maka F/V mengeluarkan nilai tegangan 5 V. Setelah
13
Tabel 5. Tabel pengujian karakteristik F/V No Frekuensi Tegangan (Hz) (V) 1 0 0 2 482 0,52 3 947 1,01 4 1355 1,45 5 1768 1,89 6 2140 2,30 7 2600 2,79 8 2990 3,18 9 3400 3,61 10 3840 4,08 11 4130 4,53 12 4700 5,01
Nilai frekuensi merupakan hasil cacahan magnetic encoder yang menjadi masukan rangkian F/V. Nilai tegangan keluaran F/V diukur menggunakan multimeter. Pada pengujian awal tegangannya bernilai 0 V, karena ketika itu motor belum berputar. Nilai–nilai frekuensi selanjutnya menghasilkan tegangan yang naik secara bertahap sampai nilai maksimal 5,01 V
ketika frekuensinya maksimal.. Gambar 24 menunjukkan kurva karakterisik rangkaian F/V yang menampilkan hubungan antara frekuensi dan tegangan keluaran F/V Hubungan antara tegangan dan frekuensi pada rangkaian F/V 6 5
Tegangan (V)
mengetahui nilai frekuensi maksimal yaitu 4700 Hz, bagian berikutnya adalah menentukan nilai R1, C1, dan C2. Selain itu, terdapat syarat lainnya yaitu nilai C1 harus lebih besar dari 500 pF agar tidak terjadi error pada arus yang mengalir ke R1. Sebaliknya, R1 tidak boleh terlalu besar agar tidak ada gangguan pada impedansi keluaran. Setelah melalui perhitungan dan pengujian maka didapatkan nilai komponen yang dipasang adalah R1 = 36 k dan C1 = 3,9 nF dengan Vsup = 7,5 V. Untuk mendapatkan hasil yang baik R1 merupakan gabungan secara seri resistor 33 k dan potensiometer 20 k, sehingga nilai R1 dapat dikonversi sedikit demi sedikit sampai didapatkan nilai tegangan keluaran yang tepat. Nilai kapasitor C2 = 0,47 F dipilih agar ripple tegangan tidak terlalu besar. Kaki 4 dan kaki 7 dihubungkan dengan tujuan agar Op Amp bekerja sebagai voltage follower, yaitu rangkaian buffer yang akan membuat nilai tegangan keluaran lebih stabil. Pengujian karakteristik F/V dilakukan dengan memberikan frekuensi yang berbeda kemudian mengukur tegangan keluarannya. Data hasil pengujian karakteristik F/V ditunjukkan pada Tabel 5:
4 3 2 1 0 0
482
947
1355 1768 2140 2600 2990 3400 3840 4130 4700
Frekuensi (Hz)
Gambar 24. Hubungan antara tegangan dan frekuensi pada rangkaian F/V
Hasil pengujian yang ditampilkan pada Gambar 23 menunjukkan bahwa rangkaian telah berfungsi dengan sangat baik, terlihat dari data yang naik secara bertahap dan linier. Analog to Digital Converter Analog to Digital Converter (ADC) merupakan rangkaian elektronik yang berfungsi untuk mengubah besaran analog berupa arus atau tegangan menjadi digital. Pada alat spin coating besaran yang akan dikonversi adalah tega ngan yang dihasilkan oleh F/V. Nilai biner hasil konversi diproses di dalam mikrokontroler. Konversi tegangan ke biner dilakukan menggunakan ADC internal 10-bit yang terdapat pada port A mikrokontroler ATmega8535. Bilangan biner terbesar yang dapat dihasilkan adalah 1023 dengan tegangan referensi 5 V. Data hasil pengujian ADC untuk beberapa nilai tegangan ditunjukkan pada Tabel 6: Tabel 6. Tabel pengujian ADC No Tegangan Bilangan (V) biner 1 0 0 2 0,5 103 3 1,0 205 4 1,5 307 5 2,0 408 6 2,5 511 7 3,0 614 8 3,5 716 9 4,0 819 10 4,5 922 11 5,0 1023
14
Gambar 25 menunjukkan karakteristik DAC dalam bentuk hubungan antara tegangan dan bilangan biner. Hubungan antara bilangan biner dan tegangan 1200
bilangan biner
1000 800 600 400 200 0 0
0,5
1
1,5
2 2,5 3 tegangan (V)
3,5
4
4,51
5
Gambar 25. Hubungan antara tegangan dan bilangan biner
Data hasil pengujian ADC menunjukkan bahwa ADC internal telah berfungsi dengan baik. Hal ini ditandai dengan kemampuannya untuk mengubah tegangan yang diberikan menjadi bilangan biner dalam rentang 0 sampai 1023 secara linier. Sistem Kontrol Sistem kontrol yang dipakai tidak jadi menggunakan Analog PID controller. Rangkaian PID analog yang telah dibuat tidak dapat bekerja dengan baik. Sebagai gantinya sistem pengontrolan dilakukan oleh mikrokontroler ATmega8535 menggunakan bahasa pemrograman Bascom AVR 1.11.8. Alur pemrograman yang lakukan dimulai dari adanya perintah set point dari user, mengirimkannya ke DAC, membaca tegangan keluaran F/V melalui ADC internal mikrokontroler sebagai preset value, membandingkannya dengan set point, kemudian melakukan aksi pengendalian agar error yang dihasilkan menjadi lebih kecil. Mekanisme kontrol menggunakan umpan balik sangat penting untuk mengurangi kesalahan yang diakibatkan oleh karakteristik PWM yang tidak linier. Berikut adalah source code pemrograman pengendalian pada mikrokontroler ATmega8535 menggunakan program Bascom AVR: $regfile = "m8535.dat" $crystal = 4000000 $baud = 9600 Config PortB = output Config Adc = Single, Prescaler = Auto Start Adc Const x = 225/2400 Const y = 1023/225 Const z = 2400/1023
do Mulai: Print " " Input "Masukkan nilai SetPoint (0 ~ 2400 RPM) : " , Rpm If Rpm > 2400 Then Print “ maaf nilai yang anda masukkan salah “ Goto mulai End if Input "Lama waktu spin coating: " , waktu Print ">> Tekan escape untuk mengakhiri <<" Print "################# #” Chr(10) Conv_sp = rpm * x SP = round (Conv_sp) SP_bin = SP SP_out = SP_bin Ulang = 0 Do ‘nilai batas kecepatan If Rpm >= 2400 Then SP_bin = 255 Gosub baca_adc Goto kirim End if 'perbandingan SP dengan aktual Gosub baca_adc Error = Sp_bin - V_bin If Error <> 0 Then Gosub Banding ‘mengirim data ke DAC Kirim: Ulang = ulang + 1 PortB = SP_out Print “ kecepatan perintah “;rpm ; “ kecepatan aktual “;rpm_aktual Waitms 1000 Loop until ulang = waktu Loop until inkey () = 27 Print ">> Pengambilan data Selesai <<" ; Chr(10) End Baca ADC: Adc_in = Getadc(7) Conv_value = Adc_in * y V_aktual = round (Conv_value) V_bin = V_aktual Conv_rpm= ADC_in * z Rpm_aktual = round (conv_rpm) return Banding: If
V_bin < SP_bin Then SP_out = SP_out + 1 End If If V_bin > SP_bin Then SP_out = SP_out - 1 End If return
Komunikasi mikrokontroler dengan pengguna dilakukan melalui PC menggunakan fasilitas hyperterminal. Komunikasi dilakukan pada nilai baudrate 9600 dan mikrokontroler menggunakan crystal dengan nilai 4 Mhz.
15
Pemilihan PortB sebagai keluaran dilakukan dengan perintah Config PortB = output. ADC internal mikrokontroler diaktifkan melalui perintah Config Adc = Single, Prescaler = Auto . ADC yang digunakan adalah ADC 10-bit yang memiliki nilai keluaran maksimal 1023. Pengontrolan kecepatan putar melibatkan banyak besaran dengan rentang nilai yang berbeda. Sebagai contoh kecepatan putar maksimal adalah 2400 sementara DAC yang menerima perintah mikrokontroler memiliki nilai maksimal 225. Agar proses pengontrolan dapat berjalan dengan tepat maka dibutuhkan beberapa nilai sebagai faktor konversi. Nilai tersebut dituliskan dalam bentuk konstanta Const x = 225/2400 Const y = 1023/225 Const z = 2400/1023
Konstanta x digunakan untuk mengubah nilai kecepatan menjadi biner, konstanta y mengubah nilai ADC menjadi biner, dan konstanta z mengubah nilai ADC menjadi kecepatan aktual. Sistem akan menanyakan nilai kecepatan yang dinginkan dalam satuan rpm kemudian mengubahnya menjadi bilangan biner. Perintah round digunakan untuk membulatkan hasil pembagian. Kecepatan putar yang boleh dimasukkan dibatasi sampai 2400 rpm. Apabila nilai kecepatannya lebih besar dari 2400 maka sistem akan meminta user untuk memasukkan nilai kecepatan yang sesuai. Input "Masukkan nilai SetPoint (0 ~ 2400 RPM) : " , Rpm Conv_sp = rpm * x SP_in= round (conv_sp) ‘nilai batas kecepatan If Rpm > 2400 Then Print “ maaf nilai yang anda masukkan salah “ Goto mulai End if
Untuk menghindari overflow sebagai hasil proses perbandingan, maka nilai kecepatan putar 2400 langsung mengirimkan nilai 255 ke DAC melalui PortB. Nilai ADC dibaca sebagai sumber data untuk menampilkan kecepatan aktualnya. If Rpm >= 2400 Then SP_in = 255 Gosub Baca_adc Goto Kirim End If
Langkah selanjutnya adalah membuat program untuk membaca preset value. Proses pembacaan dilakukan oleh ADC pada subroutine baca_adc . Nilai kecepatan motor dihitung dalam rentang 0-1023. Agar proses perbandingan antara set point dengan preset value dapat dilakukan dengan tepat, maka nilai hasil pembacaan ADC harus dikonversi menjadi rentang 0-255. Pengubahan dilakukan menggunakan faktor konversi y. Adc_in = Getadc(2) Conv_PV = Adc_in * y V_bin = round (Conv_PV) Conv_rpm= ADC_in * z Rpm_aktual = round (conv_rpm)
Nilai ADC juga dijadikan sebagai sumber untuk menentukan kecepatan putar aktual. Pengubahan nilai ADC menjadi kecepatan aktual dilakukan menggunakan faktor konversi z. Nilai kecepatan putar disimpan dalam variabel Rpm_aktual. Nilai hasil konversi kemudian dikirim ke komputer seabgai nilai kecepatan putar aktual. Proses spin coating berlangsung selama waktu yang telah yang ditentukan. Bagian terpenting dalam pemrograman ini adalah proses pengendalian kecepatan putar. Tujuannnya adalah agar preset value yang dihasilkan tidak berbeda jauh dengan set point yang diperintahkan. Set point dituliskan dalam variabel Sp_bin sedangkan preset velue dituliskan dalam variabel V_bin.Proses perbandingan dilakukan dalam subroutine banding If V_bin < SP_bin Then SP_Out = SP_out + 1 End If If V_bin > SP_bin Then SP_out = SP_out - 1 End If
Algoritma pengendaliannya sangat sederhana, yaitu membandingkan antara SP_bin dan V_bin. Apabila nilai V_bin lebih besar dari SP_bin maka mikrokontroler akan melakukan penambahan nilai satu bit ke DAC. Begitu juga sebaliknya, apabila nilai V_bin lebih kecil dari SP_bin maka mikrokontroler akan melakukan pengurangan nilai satu bit ke DAC. Proses ini terus berulang sampai perbedaan nilai diantara keduanya tidak terlalu besar. Data akhir berupa perbandingan nilai kecepatan yang diperintahkan dan keceptan aktual ditampilkan pada komputer melalui komunikasi serial
16
Pengambilan data dilakukan setelah semua sistem digabungkan dengan tujuan untuk mengetahui karakteristik alat secara keseluruhan. Pengujian dilakukan dengan memberikan set point pada layar hyperterminal kemudian mencatat nilai kecepatan putar yang ditampilkan. Dilakukan dua tahapan pengujian yaitu kalibrasi kecepatan putar dan uji ketepatan kecepatan putar. Kalibrasi alat diperlukan untuk mengetahui kemampuan dan spesifikasi alat yang telah dibuat. Cara kalibrasi alat dilakukan dengan membandingkan antara nilai kecepatan yang ditampilkan dengan alat lain yang berfungsi sebagai kalibrator. Pada pengujian alat spin coating ini kalibrator yang digunakan adalah multimeter pada bagian penghitung frekuensi dalam satuan kHz yang kemudian dikonversi menjadi Hz. Motor diperintahkan untuk mengeluarkan nilai kecepatan tertentu melalui layar komputer, kemudian nilai tersebut dibandingkan dengan hasil cacahan multimeter. Nilai frekuensi hasil cacahan multimeter dikonversi menjadi kecepatan putar dengan cara membaginya dengan 116 agar didapatkan putaran per detik kemudian mengalikan dengan 60 sehingga didapatkan nilai akhir berupa putaran tiap menit. Pengujian hanya dilakukan terhadap tiga nilai kecepatan yaitu 800 rpm, 1600 rpm, dan 2400 rpm. Nilai kecepatan tersebut dipilih dengan pertimbangan bahwa data yang dihasilkan dari ketiga nilai uji tersebut telah mewakili karakteristik sistem secara
Kecepatan putar (rpm)
Data Pengujian Alat
Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran 1000 800 600
terbaca aktual
400 200 0 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
Ulangan pengukuran
Gambar 26. Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran yang menampilkan nilai aktual dan terbaca Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran 1800
Kecepatan putar (rpm)
Untuk mengkahiri proses maka pengguna harus menekan tombol <Escape> terlebih dahulu. Semua sourcecode dituliskan dalam bahasa Basic yang kemudian dikonversi menjadi bahasa mesin menggunakan perintah compile. Bahasa mesin yang dimengerti oleh mikrokontroler kemudian dituliskan ke dalam memori mikrokontroler melalui fasilitas In System Programming (ISP) yang sudah termasuk dalam modul DT-AVR low cost micro system. Penggunaan alat spin coating dapat melalui fasilitas hyperterminal pada menu program secara langsung atau dapat juga melalui program Bascom AVR.
keseluruhan. Pengambilan data dilakukan setiap 100 ms. Nilai kecepatan putar yang ditampilkan alat spin coating ditulis dalam variabel kecepatan terbaca, sedangkan kecepatan putar hasil pencacahan frekuensi ditulis dalam variabel kecepatan aktual. Kurva perbandingan nilai kecepatan putar terbaca dan aktual untuk nilai uji 800 rpm ditunjukkan oleh Gambar 26, nilai uji 1600 rpm pada Gambar 27, dan nilai uji 2400 rpm pada Gambar 28. Data yang ditampilkan pada gambar menunjukkan titik-titik yang saling berhimpitan antara nilai kecepatan aktual dan terbaca.
1500 1200 terbaca
900
aktual
600 300 0 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
Ulangan pengukuran
Gambar 27. Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran yang menampilkan nilai aktual dan terbaca Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran 2800
Kecepatan putar (rpm)
Print“ kecepatan perintah “; rpm; “kecepatan aktual“; rpm_aktual
2400 2000 1600
terbaca
1200
aktual
800 400 0 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
Ulangan pengukuran
Gambar 28. Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran yang menampilkan nilai aktual dan terbaca
Nilai ketelitian dan ketepatan untuk nilai uji 800 rpm adalah 98.01% dan 99.50%. Sedangkan nilai ketelitian dan ketepatan untuk nilai uji 1600 rpm adalah 99.69% dan
17
Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Ulangan pengukuran
Gambar 30. Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran pada nilai uji 800 rpm Kurva hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran
3000 2500 2000 SP
1500
PV
Kecepatan putar (rpm)
1800
Kurva perbandingan antara Set Point dan Preset Value rata-rata Kecepatan putar (rpm)
tertutup berupa settling time dan nilai steady state error. Pengujian dilakukan terhadap beberapa nilai set point yaitu 800 rpm, 1200 rpm, dan 2000 rpm. Data hasil pengujian pada nilai uji 800 rpm ditampilkan pada Gambar 30, nilai uji 1200 pada Gambar 31, dan nilai uji 2000 rpm pada Gambar 32.
Kecepatan putar (rpm)
98.60%. Untuk nilai uji 2400 ketelitian dan ketepatannya adalah 99.75% dan 98.80%. Berdasarkan nilai ketelitian dan ketepatan yang didapatkan dapat dikatakan bahwa nilai kecepatan yang ditampilkan oleh alat spin coating sudah mendekati kecepatan yang sebenarnya. Data lengkap hasil pengujian dapat dilihat pada Lampiran 1. Pengujian berikutnya adalah pengujian hasil proses pengontrolan kecepatan menggunakan algoritma pemrograman. Dilakukan perbandingan antara nilai set point yaitu kecepatan yang diperintahkan dengan preset value yaitu kecepatan yang dihasilkan alat spin coating. Pengujian dilakukan untuk beberapa nilai set point dengan waktu pencuplikan tiap 100 ms sebanyak 20 data. Nilai preset value yang dibandingkan dalam grafik adalah nilai ratarata. Gambar 29 menunjukkan kurva perbandingan antara nilai set point dan preset value rata-rata
1500 1200 900 600 300
1000 0
500
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
Ulangan pengukuran
0 2
3
4
5
6
7
Nilai pengukuran
Gambar 29. Perbandingan kecepatan antara set point dan preset value
Data hasil pengukuran menunjukkan bahwa kecepatan putar yang dihasilkan mendekati nilai yang diperintahkan. Hal ini menunjukkan bahwa proses pengontrolan menggunakan algoritma telah berhasil mengurangi kesalahan yang diakibatkan oleh karakteristik PWM yang tidak linier. Ketelitian rata-rata hasil pengujian 98,97 % dan ketepatan rata-rata 99,63 %. Salah satu karakteristik pengontrolan dengan mekanisme pengurangan dan penambahan biner adalah sistem tidak dapat mengeluarkan nilai yang stabil sesuai dengan yang diperintahkan. Nilai keluaran akan berosilasi di sekitar nilai yang seharusnya secara terus menerus, kesalahan seperti ini disebut sebagai steady state error. Data lengkap hasil pengujian perbandingan set point dan preset value dapat dilihat pada Lampiran 2. Pengujian berikutnya adalah untuk menentukan karakteristik sistem kontrol loop
Gambar 31. Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran pada nilai uji 1200 rpm Kurva hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran 2400
Kecepatan putar (rpm)
1
2000 1600 1200 800 400 0 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
Ulangan pengukuran
Gambar 32. Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran pada nilai uji 2000 rpm
Data hasil pengujian menunjukkan karakateristik alat ketika menerima perintah. Terlihat bahwa alat tidak dapat langsung mencapai nilai yang diperintahkan, tetapi mengalami overshoot sampai beberapa nilai di atas set point. Semakin tinggi nilai set point yang diperintahkan ternyata nilai overshoot semakin rendah, hal ini disebabkan oleh karakteristik motor yang kurang stabil pada putaran rendah.
18
Waktu yang dibutuhkan alat untuk sampai pada nilai yang diperintahkan (settling time) rata-rata sama bernilai sekitar 6 detik. Artinya setelah 6 detik kecepatan putar yang dihasilkan cenderung mendekati nilai yang seharusnya. Nilai steady state error yang dihasilkan pada nilai uji 800 rpm yaitu sebesar 1,75 %, pada nilai uji 1200 rpm 1,75 %, dan pada nilai uji 2000 rpm sebesar 1,15 %. Semua nilai steady state error berada dalam rentang yang diperbolehkan dalam teori sistem kontrol, yaitu harus lebih kecil dari 2 %. Dapat dikatakan bahwa sistem kontrol kecepatan putar yang dibangun telah dapat berfungsi dengan baik. Data lengkap pengujian karakteristik sistem kontrol dapat dilihat pada Lampiran 3.
Saran
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan
Blok-blok fungsional yang telah dibuat dapat bekerja dengan sangat baik sesuai dengan fungsi masing-masing. Kecuali pada bagian PWM yang keluarannya tidak linier. Alat deposisi spin coating beroperasi pada rentang kecepatan 0 – 2400 rpm. Proses pengontrolan menggunakan mekanisme umpan balik terlah berhasil mengurangi kesalahan yang diakibatkan oleh bagian PWM. Nilai kecepatan yang dihasilkan mendekati nilai yang sebenarnya. Hal ini dibuktikan pada pengujian kalibrasi. Ketelitian untuk nilai uji 800 rpm adalah 98.01% dan ketepatannya 99.50%. Untuk nilai uji 1600 rpm nilai ketelitian 99.69% dan ketepatan 98.60% dan untuk nilai uji 2400 rpm ketelitian adalah 99.75% dan ketepatan 98.8% Alat deposisi spin coating mampu menghasilkan preset value yang mendekati set point. Ketelitian rata-rata hasil pengujian untuk beberapa nilai set point adalah 98,97 % dan ketepatan 99,63 %. Nilai steady state error untuk nilai uji 800 rpm adalah 1, 75 %, untuk nilai uji 1200 rpm 1,75 %, dan untuk nilai uji 2000 rpm 1,15 %. Waktu untuk sampai pada nilai yang diperntahkan (setling time) rata-rata bernilai 6 detik.
Secara keseluruhan alat deposisi spin coating yang telah dibuat bekerja sangat baik, sehingga dapat dipakai untuk melakukan proses pelapisan material.
Rangkaian PWM diperbaiki dengan menggunakan pemrograman pada mikrokontroler. Motor yang digunakan sebaiknya memiliki kecepatan putar yang lebih tinggi dengan tingkat kestabilan putaran yang juga tinggi. Agar alat deposisi spin coating mampu menangani teknik pelapisan pada putaran tinggi. Pengontrolan kecepatan melalui pemrograman dapat ditingkatkan dengan menggunakan teori-teori sistem kontrol yang sering dipakai seperti digital PID controller, fuzzy logic, dan sebagainya. Interfacing dengan komputer menggunakan bahasa pemrograman tingkat tinggi seperti Visual Basic. Untuk memudahkan penggunaan, komunikasi dengan komputer dilakukan menggunakan port USB.
DAFTAR PUSTAKA
Asrorudin U. 2004. Perancangnan Alat Deposisi Spin Coating [Skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Data Sheet ATmega8535. http://www.atmel.com Data Sheet LM2917. http://www.NationalSemiconductor.com Jacob JM. 1989. Industrial Control Electronics, Applications and Design. Prentice-Hall Inc. (4-5). Ogata K. 1985. Teknik Kontrol Automatik (Sistem Pengaturan) jilid 1. Edi Laksono, penerjemah; Jakarta: Penerbit Erlangga. Terjemahan dari: Modern Control Enginering. (4-6). Prasetia, Retna, Widodo CE. 2004. Interfacing Port Paralel dan Port Serial Komputer dengan Visual Basic 6.0, Teori dan Praktek. Jakarta : Penerbit Andi.
19
Pratomo A. 2005. Panduan Praktis Pemrograman AVR Mikrokontroler AT90S2313. Yogyakarta: Penerbit Andi.Yogyakarta. Priyonoto A. 2004. Pembuatan Diskriminator Berbasis Mikrokontroler AT89C52 yang dikendalikan PC untuk diterapkan pada Sistem Pencacah Radiasi [Skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Sadiku M.N.O. 2001. Elements of Electromagnetics. Third Edition. Oxford University Press. New York. (316-317). Spin Coat Theory http://www.cise.columbia.edu/clean/pro cess/spintheory.pdf Thiang, Hanawati, Widagdo, Resmana.1999. Implementasi Fuzzy Logic Pada Microcontroller Untuk Kendali Putaran Motor DC. Di dalam: Prosiding Industrial Electronic Seminar 1999 (IES’99); Surabaya, 27-28 Oktober 1999.
20
LAMPIRAN
21
Lampiran 1. Data Hasil Pengujian Kalibrasi Putaran
Ulangan ke
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Rata-rata Standar deviasi Ketelitian (%) Ketepatan (%)
800 rpm Terbaca Aktual (rpm) (rpm) 781 801 791 816 807 813 826 818 823 806 814 811 800 812 786 801 777 809 779 815 791 806 812 802 819 800 826 811 819 803 807 809 798 794 807 801 807 803 791 806 803,05 15,77 98,01 99,50
806,73
Nilai Uji 1600 rpm Terbaca Aktual (rpm) (rpm) 1591 1614 1595 1614 1593 1624 1595 1624 1600 1629 1602 1619 1602 1624 1602 1614 1607 1624 1602 1634 1598 1614 1605 1624 1600 1619 1598 1619 1593 1629 1591 1629 1602 1624 1605 1624 1607 1629 1602 1619
2400 rpm Terbaca Aktual (rpm) (rpm) 2384 2405 2388 2426 2400 2431 2400 2436 2400 2431 2400 2431 2388 2421 2400 2410 2400 2431 2400 2431 2400 2421 2384 2431 2388 2436 2400 2431 2400 2431 2400 2421 2388 2410 2400 2431 2400 2431 2400 2421
1599,50 5,05 99,69 98,60
2396,00 6,36 99,75 98,80
Keterangan: Pembanding : Multimeter (fasilitas penghitung frekuensi) Selang waktu pengambilan data: 100 milidetik
1622,59
2425,86
22
Lampiran 2. Data Perbandingan Set point dan Preset value
Ulangan ke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Rata-rata Standar deviasi Ketelitian (%) Ketepatan (%)
0 rpm 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,00
400 rpm 392 401 390 406 408 415 411 415 406 389 396 387 399 408 425 427 415 394 399 413 404,80 11,62 97.00 98,70
800 rpm 781 791 807 826 823 814 800 786 777 779 791 812 819 826 819 807 798 807 807 791 803,05 15,77 98.00 99,62
Keterangan: Selang waktu pengambilan data: 100 milidetik
Set Point 1200 1600 rpm rpm 1211 1591 1204 1595 1192 1593 1192 1595 1192 1600 1194 1602 1204 1602 1206 1602 1208 1607 1208 1602 1199 1598 1204 1605 1201 1600 1204 1598 1206 1593 1206 1591 1213 1602 1196 1605 1199 1607 1201 1602 1202,00 1599,50 6,32 5,05 99,50 99,70 99,83 99,97
2000 rpm 2001 2004 2001 2001 2004 2004 2006 2008 2013 2001 2002 2001 2004 2006 2001 2004 2001 1999 2001 2004 2003,30 3,21 99,85 99,85
2400 rpm 2384 2388 2400 2400 2400 2400 2388 2400 2400 2400 2400 2384 2388 2400 2400 2400 2388 2400 2400 2400 2396,00 6,36 99,75 99,83
23
Lampiran 3. Data Pengujian Settling Time dan Steady State Error
Ulangan ke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
800 rpm 0 1117 1164 1025 833 793 784 823 781 793 791 807 805 788 793 802 795 809 795 795
Keterangan: Selang waktu pengambilan data: 1 detik
Nilai Uji 1200 rpm 0 1600 1670 1499 1372 1236 1213 1199 1192 1201 1196 1194 1204 1196 1201 1196 1194 1206 1215 1206
2000 rpm 0 2062 2083 2086 2065 1999 2013 2011 2008 2008 2004 2015 2006 2006 2006 2001 2006 2001 1992 2008
24
Lampiran 4. Gambar Alat Deposisi Spin Coating
25
Lampiran 5. Skema Rangkaian Pembangkit Sinyal PWM
26
Lampiran 6. Skema Rangkaian Catu Daya
27
Lampiran 7. Skema DT-AVR Low Cost Micro System
28
Lampiran 8. Datasheet ATmega8535
29
Lampiran 8. (lanjutan)
30
Lampiran 9. Datasheet DAC 0808
31
Lampiran 9. (lanjutan)
32
Lampiran 10. Datasheet IC LM2917 Frequency to Voltage Converter
33
Lampiran 10. (lanjutan)
34
Lampiran 11. Datasheet Motor UGFMED B1 20E Produksi Yaskawa
35
Lampiran 12. Datasheet Magnetic Encoder UTMSI-01BNA
