FINAL PROJECT MEDICINE BOX TEMPERATURE CONTROL BASED ON DIGITAL PID Presented as Partial Fulfillment of the Requirements to Obtain the SARJANA TEKNIK Degree in Electrical Engineering

(1)

BERBASIS PID DIGITAL

Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat

memperoleh gelar Sarjana Teknik pada

Program Studi Teknik Elektro

Fakultas Sains dan Teknilogi Universitas Sanata Dharma

Disusun oleh :

RICKY HENRY RAWUNG

NIM : 045114010

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

(2)

BASED ON DIGITAL PID

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

to Obtain the SARJANA TEKNIK Degree

in Electrical Engineering

By :

RICKY HENRY RAWUNG

Student Number : 045114010

ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTEMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2008

(3)

(4)

(5)

tidak memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan

dalam daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah.

Yogyakarta, 12 Juli 2008

Ricky Henry Rawung

(6)

dapat melanjutkan studi di tanah perantauan “ Kota Pelajar “ Yogyakarta. - Kedua kakak penulis, keluarganya dan ketiga keponakan, Liebert, Emelie,

Azel.

- Mereka yang mau berusaha.

Semua berawal dari

Kemauan

yang berubah menjadi

Kemampuan

dan menghasilkan

Kesempatan

(7)

Nama : Ricky Henry Rawung

Nomor Mahasiswa : 0451140 10

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :

PENGENDALI SUHU KOTAK OBAT BERBASIS PID DIGITAL

beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demilian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalty kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di Yogyakarta

Pada tanggal : 12 juni 2008

Yang menyatakan

Ricky Henry Rawung

(8)

kepada seseorang, akan menimbulkan kekebalan spesifik secara aktif terhadap penyakit tertentu. Sebagai produk biologis, vaksin memiliki karakteristik tertentu dan memerlukan penanganan yang khusus sejak diproduksi di pabrik hingga dipakai di unit pelayanan. Suhu yang baik untuk semua jenis vaksin adalah + 2 ºC sampai dengan + 8 ºC[1].

Untuk mempertahankan suhu tempat penyimpanan vaksin pada suhu + 2 ºC sampai dengan + 8 ºC biasanya menggunakan kulkas atau es. Penggunaan es sebagai sumber dingin kurang efektif karena sifat es mudah mencair. Sehingga pada penelitian ini akan meneliti sumber pendingin alternatif yang lebih stabil dari es yaitu termoelektrik.

Komponen termoelektrik akan dikendalikan oleh mikrokontroler dengan penerapan metode kendali PID berdasar pada metode Ziegler-Nichols. Semakin rendah Suhu yang akan dicapai maka semakin lama waktu yang diperlukan, suhu terendah yang dapat dikendalikan adalah + 3 ºC.

Kata kunci : Kendali PID digital, suhu, vaksin, pendingin.

(9)

arise. Vaccine, as a biological product, has definite characteristics and needs special treatment starting from the manufacture production to the service unit's consumption. Thus, the temperature to maintain the vaccine condition is set + 2 to + 8 degree Celcius for best.

Furthermore, refrigerator or ice cube is used to maintain the temperature of vaccine storage at + 2 to + 8 degree Celcius. The use of ice cube as the source is in fact not effective since it can be diffused to liquid. Therefore, this research will investigate the alternative freezing source which is more stabile than ice cube, that is thermoelectric.

The components of thermoelectric will be controlled by microcontroller. Then, the application of PID controlling method is based on the Ziegler- Nichols method. The lower the temperature, the longer the time is needed to reach the target temperature. Moreover, the under control's lowest temperature is + 3 degree Celcius.

Key words: digital PID control, temperature, vaccine, refregent.

(10)

berharap agar karya tulis ini dapat berguna bagi perkembangan ilmu pengetahuan pada bidang kendali elektronika di Universitas Sanata Dharma pada khususnya dan di Indonesia pada umumnya.

Tugas akhir ini ditulis untuk memenuhi salah satu syarat dalam memperoleh gelar sarjana teknik pada program studi Teknik Elektro Universitas Sanata Dharma. Penulisan ini didasarkan pada hasil-hasil yang penulis peroleh pada saat perancangan alat, pembuatan alat, sampai pada hasil pengujian alat.

Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada beberapa pihak yang telah memberikan banyak bimbingan, bantuan, dan arahan sehingga tulisan ini dapat terselesaikan, diantaranya :

1. Tuhan Yang Maha Esa, untuk semua perlindungan dan hikmat pengetahuanNya.

2. Kedua Orang Tua Penulis, yang tak henti-hentinya memberi didikan tentang kehidupan yang tidak didapat di bangku kulia.

3. Kedua Dosen Pembimbing, Bapak Ir. Tjendro untuk Ide dan kepercayaannnya dan Ibu B. Wuri Harini, S.T, M.T yang tak bosan-bosan membimbing penulis hingga dapat berhasil, bahkan dalam mengikuti Lomba Cipta Elektroteknik Nasional 2008 yang di selenggarakan di Institut Teknologi Sepuluh November Surabaya dan meraih Juara I pada bidang Otomasi Industri.

4. Bapak dan Ibu dosen pengajar di Prodi Teknik Elektro Universitas Sanata Dharma untuk bimbingan dan pengajarannya selama penulis menuntut ilmu dan segenap Staf Sekretariat Jurusan Sains dan Teknologi yang membantu dalam bidang administrasi dan akademis. 5. Segenap SATPAM atas dukungannya pada keberhasilan tugas akhir

ini, dan juga para laboran yang senantiasa menyediakan alat-alat yang diperlukan untuk percobaan.

(11)

teman Ekonomi Manajemen 2004, semoga kompak selalu.

8. Semua pihak yang terlibat yang tidak dapat penulis sebutkan satu demi satu, terima kasih atas dukungannya

9. Chaterina Intan Mulyono, Untuk waktu, perhatian, pengertian, dan kesabaran. Makase nge.

Penulis menyadari bahwa tulisan ini masi banyak terdapat kekurangan. Sehingga keritik dan saran dari berbagai pihak penulis terima untuk perkembagan selanjutnya. Semoga tulisan ini dapat bermanfaat bagi pembaca.

Yogyakarta, 12 Juli 2008

Penulis

(12)

Halaman Pengesahan oleh Pembimbing iii

Halaman Pengesahan oleh Penguji iv

Halaman Pernyataan Keaslian Karya Tulis v

Halaman Persembahan dan Motto hidup vi

Halaman Pernyataan Persetujuan Publikasi Karya ilmiah vii

Intisari viii

Abstract ix

Kata Pengantar x

Daftar Isi xii

Dafrat Gambar xv

Daftar Tabel xviii

Bab I Pendahuluan 1

1.1 Latar Belakang Masalah 1

1.2 Rumusan Masalah 2

1.3 Batasan Masalah 2

1.4 Tujuan Penulisan 2

1.5 Manfaat Penulisan 2

1.6 Metide Penelitian 3

Bab II Dasar Teori 4

2.1 Komponen Termoelektrik (Element Pendingin) 4

2.2 Mikrokontroler AVR AtMega8535 5

2.2.1 Port Input/Output 7

(13)

2.2.5 ADC (Analog to Digital Converter) 13

2.3 Kendali PID Digital 16

2.4 Tunning Kontroler dengan Metode Ziegler-Nichols 18

2.5 Penguat Non-Inverting 20

2.6 Rangkaian Penjumlah 21

2.7 Piranti Masukan dan Keluaran 21

2.7.1 Tombol Keypad Matriks 4x3 21

2.7.2 Modul LCD seri M1632 22

2.8 Sensor Suhu 24

2.9 Dioda Zener 25

2.10 Respon Transien – Orde Dua 25

Bab III Perancangan 28

3.1 Perancangan set-point 29

3.2 Perancangan LCD 31

3.3 Perancangan sensor 32

3.3.1 Perancangan Tegangan Referensi pada ADC 33

3.4 Perancangan PWM dan Pengkondisi Sinyal 35

3.4.1 Perancangan Penguat Non-Inverting 1.4x 36

3.5 Perancangan Antarmuka Sistem Mikrokontroler 37

3.6 Perhitungan Koefisien PID dan Algoritma pada Sistem Kendali 43

3.7 Perancangan Model Kotak Pendingin 45

(14)

4.2.1 Analisa Perangkat Keras 51

4.2.2 Analisa Perangkat Lunak 53

4.3 Data Percobaan 60

4.3.1 Set-Point = 8°C 61

4.3.2 Set-Point = 5°C 64

4.3.3 Set-Point = 2°C 69

4.3.4 Set-Point = 3°C 70

Bab V Kesimpulan dan Saran 75

A. Kesimpulan 75

B. Saran 75

Daftar Pustaka 76

Lampiran 77

Dimensi Tabung 77

Dimensi Kotak Pendingain 79

Gambar Rangkaian Lengkap 80

Kode Program 81

Data Sheet 95

(15)

Gambar 2.3 Komponen register MCUCR 9

Gambar 2.4 Komponen register MCUCSR 10

Gambar 2.5 Komponen register GICR 10

Gambar 2.6 Komponen register TCCRn 11

Gambar 2.7 Diagram pewaktuan Fast PWM 13

Gambar 2.8 Komponen register ADMUX 14

Gambar 2.9 Komponen register SFIOR 15

Gambar 2.10 Komponen register ADCSRA 15

Gambar 2.11 Blok diagram kendali digital 17

Gambar 2.12 Blok diagram kendali PID implementasi mixed 17

Gambar 2.13 Kurva respons tangga satuan yang memperlihatkan 25 %

lonjakan maksimum 19

Gambar 2.14 Respon tangga satuan sistem 19

Gambar 2.15 Kurva Respons berbentuk S. 20

Gambar 2.16 Rangkain penguat Non Inverting 21

Gambar 2.17 Rangkain penjumlah inverting 21

Gambar 2.18 Keyped Matriks 22

Gambar 2.19 Modul LCD 23

Gambar 2.20 Konfigurasi pin LM35 24

Gambar 2.21 LM 35 dengan Dumper R-C 24

Gambar 2.22 Karakteristik zener 25

Gambar 2.23 Kurva respon transien 27

(16)

Gambar 3.4 Diagram alir pengecekan set-poin 30

Gambar 3.5a Tampilan LCD saat set poin 31

Gambar 3.5b Tampilan LCD saat proses berjalan 31

Gambar 3.6 Rangkaian pembagi tegangan dengan dioda zener 35

Gambar 3.7 Penguat Non-Inverting 1.4x 36

Gambar 3.8 Rangkaian penjumlah dan pembalik OpAmp 37

Gambar 3.9 Rangkaian osilator kristal 38

Gambar 3.10 Rangkaian reset 39

Gambar 3.11 Rangkaian sistem kendali 39

Gambar 3.12 Diagram alir Program sistem kendali 40

Gambar 3.13 Diagram alir penentuan nilai masukan 41

Gambar 3.14 grafik data open loop (data awal) 43

Gambar 3.15 Diagram alir Kendali PID digital 45

Gambar 4.1 Model tabung pendingin 46

Gambar 4.2 Layout PCB sistem mikrokontroler 47

Gambar 4.3 PCB antarmuka 47

Gambar 4.4 Sumber tegangan 48

Gambar 4.5 Driver arus 49

Gambar 4.6 Tanggapan suhu sensor Lm35 52

Gambar 4.7 Grafik perbandingan data siang dan malam set-point 8ºC 63

Gambar 4.8 Grafik perbandingan data siang dan malam set-point 5ºC 68

Gambar 4.9 Grafik set-point 2ºC pertama 69

(17)

(18)

xviii

Tabel 2.2 Macam sumber Interupsi pada AVR ATMega8535 9

Tabel 2.3 Pengaturan kondisi terjadinya interupsi 9

Tabel 2.4 Konfigurasi Bit WGMn 11

Tabel 2.5 Penalaan paramater PID dengan metode kurva reaksi 20

Tabel 2.6 Perintah M1632 23

Tabel 3.1 Perbandingan perubahan suhu dengan tegangan 33

Tabel 4.1 Data pengukuran tegangan 51

Tabel 4.2 Perbandingan tanggapan suhu Lm35 dalam percobaan sensor 53

Tabel 4.3 Data pengukuran set-point 8ºC 61

Tabel 4.4 Perhitungan PID dan tanggapan PWM 65

Tabel 4.5 Nilai PID ketika nilai pengukuran kurang dari set-point 66

Tabel 4.6 Nilai PID ketika suhu telah stabil pada set-point 67

Tabel 4.9 Data Perbandingan Waktu Stabil 73

Tabel 4.10 Data perbandingan Mp pada set-point 8ºC, 5ºC, dan 3ºC setelah

(19)

Banyak orang belum mengetahui tentang penyimpanan obat dengan benar,

terutama terkait dengan suhu penyimpanan. Tabel 1.1 memperlihatkan standart

suhu penyimpanan obat yang terdiri dari beberapa kategori berdasarkan ikatan

farmasi Inggris, Eropa dan Amerika[1]. Dari tabel tersebut diketahui bahwa obat

juga memerlukan perlakuan yang khusus, sehingga dalam penyimpanannya harus

berada pada suhu tertentu. Biasanya untuk mendinginkan sesuatu orang cenderung

menggunakan es, padahal es mudah mencair sehingga suhu dapat berubah.

Penelitian ini akan meneliti pengendali suhu obat dengan sumber pendingin

selain es sehingga suhu dapat konstan. Objek penelitian dikhususkan pada satu

jenis produk kesehatan yaitu vaksin. Vaksin yang telah dibuka harus tersimpan

pada suhu dingin sekitar 2oC sampai 8oC.

Tabel1.1 Standart suhu penyimpanan obat

Keadaan Suhu

Dibawa titik beku -25°C to -10°C

Tempat pendingin 2°C - 8°C

Dingin 8°C - 15°C

Suhu normal Suhu standart pada daerah kerja.27°C

Didalam ruang terkontrol Pada umumnya 25°C

Hangat 30°C dan 40° C

Panas ≥ 40° C

(20)

1.2 Rumusan Masalah

Masalahnya adalah mendapatkan suhu dingin yang konstan dan tidak

tergantung dengan es.

1.3 Batasan Masalah

Pada penelitian ini akan menggunakan rangkaian elektronika sebagai sumber

suhu untuk menggantikan kebutuhan es sebagai pendingin.

Tingkat ketelitian suhu yang dapat diatur adalah 0.1° C. Sedangkan untuk

mengendalikan suhu digunakan rangkaian sistem mikrokontroler sebagai pusat

operasi.

Alat yang dihasilkan berupa model kotak pendingin dengan suhu dari model

pendingin dapat berkisar antara 1oC sampai 25oC. Beban yang diujikan dalam

percobaan ini adalah zat cair (air), karena model kotak obat dirancang untuk

penyimpanan vaksin.

Kendali suhu berdasar atas kendali PID digital dengan tunning PID

menggunakan tunning Z-N (Ziegler-Nichols), menggunakan konfigurasi MIX

PID.

1.4 Tujuan Penulisan

Untuk mengurangi ketergantungan penggunaan es pada pendingin karena es

mudah mencair.

Dengan penerapan kendali PID maka suhu yang dihasilkan akan sama dengan

suhu yang diinginkan.

1.5 Manfaat Penulisan

(21)

1. Karena suhu yang stabil maka akan memperpanjang umur vaksin.

2. Kendali PID dapat diaplikasikan pada sistem kendali yang lain seperti

kendali kecepatan motor dan kendali-kendali yang lain yang memerlukan

tingkat ketepatan yang tinggi.

3. Dengan berbasis digital maka akan mempersingkat rangkaian kendali,

karena untuk proses pengolahan datanya dapat berupa pengolahan data

digital.

1.6 Metodologi Penelitian

Penelitian ini akan terbagi dua yaitu perancangan perangkat keras dan

perancangan perangkat lunak. Dengan pembahasan mengacu pada blok diagram

(22)

kuman, atau racun kuman yang telah dilemahkan atau dimatikan yang berguna

untuk merangsang timbulnya kekebalan tubuh seseorang. Bila vaksin diberikan

kepada seseorang, akan menimbulkan kekebalan spesifik secara aktif terhadap

penyakit tertentu.

Sebagai produk biologis, vaksin memiliki karakteristik tertentu dan

memerlukan penanganan yang khusus sejak diproduksi di pabrik hingga dipakai

di unit pelayanan. Suhu yang baik untuk semua jenis vaksin adalah + 2 ºC s/d + 8

ºC.[2]

Sebagai dasar dari penetian ini, maka pada bab ini akan membahas :

1. Komponen termoelektrik.

2. Mikrokontroler.

3. Kendali Digital.

4. Tuning PID.

5. Penguat Non-inverting dengan OpAmp.

6. Piranti keluaran dan masukan.

7. Sensor suhu.

8. Dioda zener

2.1 Komponen Termoelektrik (Element Pendingin) [3].

Komponen ini berbentuk kotak yang terbuat dari keramik, berisi

semikonduktor sambungan PN yang dirangkaikan secara seri. Seperti pada

gambar 2.1

(23)

Fenomena termoelektrik merupakan sebuah fenomena perubahan sifat-sifat

termodinamika menjadi sifat-sifat elektrik dan sebaliknya. Dua buah batang dari

bahan logam yang berbeda disambungkan kedua ujungnya, sehingga membentuk

sebuah rangkaian tertutup. Ketika salah satu ujung dipanaskan, maka pada

rangkaian tertutup tersebut akan mengalir arus. Fenomena ini dinamakan efek

Seebeck, karena ditemukan Thomas Seebeck pada tahun 1821.

Gambar 2.1 Rangkaian sambungan PN pada termoelektrik

Begitu pula bila dilakukan hal yang sebaliknya yaitu pada rangkaian tertutup

dari dua batang logam berbeda bahan yang disambungkan tersebut dialirkan arus

listrik. Pada salah satu ujung sambungan akan menyerap kalor, sehingga menjadi

hangat dan pada ujung sambungan lainnya akan melepaskan kalor. Fenomena ini

ditemukan Jean Charles Athanase Peltier pada tahun 1834, kemudian dinamakan

efek PeltierI.

2.2 Mikrokontroler AVR ATMega8535[4]

Mikrokontroler adalah suatu komponen semikonduktor yang di dalamnya

sudah terdapat suatu sistem mikroprosesor seperti : ALU, ROM, RAM, dan Port

I/O. Avr ATMega8535 memiliki arsitektur RISC (Reduced Instruction Set

Computing) 8 bit. Semua instruksi dikemas dalam kode 16 bit dan sebagian besar

instruksi di eksekusi dalam satu siklus clock. Avr ATMega8535 memiliki 32

(24)

dengan susunan 32 register menempati alamat 0x0000 – 0x001F, kemudian

dilanjutkan dengan 64 I/O register hingga alamat 0x005F dan sisanya ditempati

SRAM sebesar 512 byte hingga alamat 0x025F. I/O register berisikan alamat –

alamat untuk pengaturan fungsi dan fitur dari ATMega8535. sedangkan pada 32

register serbaguna terdapat tiga pasang alamat berukuran 16 bit yang dinamakan

X (R26-R27), Y(R28-R29) dan Z (R30-R31), register ini biasanya digunakan

sebagai pointer (penunjuk) alamat.

Fitur yang tersedia pada mikrokontroler ini sebagai berukut:

- Saluran I/O (input/output)sebanyak 32 buah saluran, yaitu PortA, PortB,

PortC, PortD.

- ADC (Analog Digital Converter) 10 bit sebanyak delapan saluaran.

- Tiga buah Timer/Counter dengan kemampuan pembandingan

- Empat saluran PWM.

- CPU (Central Processing Unit) yang terdiri atas 32 buah register.

- SRAM sebesar 512 byte.

- Unit interupsi internal dan eksternal.

- EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)

sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat operasi, antarmuka

komparator analog.

- Port USART (Universal Syncronous and Asyncronous serial Receiver and

Transmiter) untuk komunikasi serial.

(25)

2.2.1 Port Input/Output

Port I/O pada mikrokontroler ATMega8535 dapat berfungsi sebagai masukan

dan keluaran. Untuk mengatur fungsi port I/O sebagai masukan atau keluaran

dilakukan pengaturan pada register DDRn (Data Direction Register), n

merupakan port yang dipilih misalnya : port A maka DDRA ,seperti pada tabel

2.1.

Tabel 2.1 konfigurasi pengaturan untuk Port I/O

DDR bit =1 DDR bit = 0

Port bit =1 Keluaran aktif tinggi Masukan aktif rendah Port bit =0 Keluaran aktif rendah Masukan aktif tinggi

Gambar 2.2 konfigurasi pin pada ATMega8535

2.2.2 Interupsi

Interupsi adalah kondisi yang membuat CPU berhenti dari rutinitas yang

sedang dikerjakan (program utama) untuk mengerjakan program lain (program

interupsi). Mikrokontroler ini memiliki 21 sumber interupsi yang ditunjukkan

(26)

Untuk inisialisasi awal interupsi, perlu dituliskan terlebih dahulu vektor

interupsi dari interupsi yang terdapat pada sistem. Vektor interupsi adalah nilai

yang disimpan ke program counter pada saat terjadi interupsi sehingga program

akan menuju ke alamat yang ditunjuk oleh program counter. Alamat dari tiap

interupsi dapat dilihat pada tabel 2.2. Masing-masing alamat vektor memiliki

alamat yang berdekatan, sehingga akan timbul masalah jika sebuah layanan

interupsi yang panjang. Untuk menghindari hal ini maka ketika suatu interupsi

aktif dan menunjuk pada vektor tertentu maka dari alamat vektor tersebut

digunakan perintah agar memanggil fungsi yang terletak pada alamat yang lain.

Setelah interupsi telah diinisialisasi, selanjutnya mengaktifkan bit I pada STATUS

register (SREG) yang berarti mengaktifkan Global Interupsi.

Mikrokontroler ini memiliki tiga buah interupsi eksternal (INT0, INT1, INT2).

Pengaturan keadaan untuk INT0 dan INT1 yang menyebabkan terjadinya interupsi

terdapat pada register MCUCR (MCU Control Register). Sedangkan untuk INT2

terdapat pada MCUCSR (MCU Control and Status Register).

Fungsi tiap bit register MCUCR terdapat pada gambar 2.3 yaitu, ISC01 dan

ISC00 merupakan bit untuk mengatur kondisi terjadi interupsi pada INT0,

sedangkan ISC10 dan ISC11 untuk mengatur interupsi INT1. Tabel 2.3

(27)

Tabel 2.2 Macam sumber Interupsi pada AVR ATMega8535

Gambar 2.3 Komponen register MCUCR

(28)

Gambar 2.4 memperlihatkan konfigurasi bit register MCUCSR, jika ISC2

berlogika 0, maka transisi dari 1 ke 0 (falling edge) pada INT2 menyebabkan

interupsi. Sebaliknya jika berlogika 1, maka transisi yang terjadi dari 0 ke 1

(rising edge).

Selanjutnya interupsi diaktifkan dengan memberi logika 1 pada register GICR

(Global Interrupt Control Register) untuk interupsi yang diinginkan, dengan

susunan register seperti pada gambar 2.5

Gambar 2.4 Komponen register MCUCSR

Gambar 2.5 Komponen register GICR

2.2.3 Timer/Counter

Mikrokontroler ini menyediakan fasilitas pewaktuan yang diberi nama

Timer/Counter sebanyak tiga buah, yaitu Timer/Counter 0 dan 2 yang terdiri dari

8 bit dan Timer/Counter 1 yang terdiri dari 16 bit.

Register yang digunakan oleh Timer/Counter adalah TCNTn sebagai register

penyimpan nilai dari Timer/Counter. Regiater OCRn (Output Compare Register)

merupakan register pembanding, jika nilai OCRn sama dengan TCNTn maka

terjadi Compare Match. Peristiwa ini dapat menyebabkan keluaran pulsa yang

berulang-ulang pada pin OCn (Output Compare). Pengaturan Timer/Counter 0,

(29)

(Timer/Counter Control Register). Konfigurasi dari register TCCRn dapat dilihat

pada gambar 2.6

Gambar 2.6 Komponen register TCCRn

FOCn (Force Output Compare) hanya aktif pada mode non-PWM, jika 1

maka akan memaksakan operasi compare match. FOCn tidak akan memicu

terjadinya interupsi atau menolkan timer pada mode CTC. WGMn(1:0)

(Waveform Generation Mode) berfungsi untuk mengendalikan kenaikan dari

pencacah pada register TCNTn, menentukan sumber dari nilai maksimal (top) dari

pencacah dan tipe timer yang akan digunakan. Konfigurasi dari bit WGMn(1:0)

dapat di lihat pada tabel 2.4

COMn (1:0) (Compare Match Output Mode) berfungsi mengendalikan pin

OCn. Jika kedua bit tersebut bernilai 0, maka OCn berfungsi sebagai pin biasa,

apabila salah satu bit bernilai 1, maka fungsi dari OCn bergantung pada

pengaturan bit WGMn.

Tabel 2.4 Konfigurasi Bit WGMn

Mode WGMn1 WGMn0 Mode operasi TOP OCRn TOV0 Flage set on

0 0 0 Normal 0xFF Immediate MAX

1 0 1 Phase Correct PWM 0xFF TOP BOTTOM

2 1 0 CTC OCR0 Immediate MAX

3 1 1 Fast PWM 0xFF TOP MAX

Pada mode CTC (WGMn1=1 WGMn0= 0) cacahan selalu meningkat, ketika

mencapai nilai maksimum akan kembali ke nol lagi. Dalam operasai normal flag

(30)

mencacah naik, maka dapat digunakan sebagai pewaktu presisi. Cara kerja dari

mode ini yaitu akan membandingkan antara OCRn sama dengan TCNTn, jika

sama maka pencacahan timer dimulai dari awal lagi, persamaan perhitungan

waktu tunda:

escaler Pr

f tunda _

waktu = OSC _(2.1)

Keterangan : fOSC = Kristal yang digunakan (Hz).

Prescaler = pembagi waktu presisi (liat datasheet).

Nilai dari register TCNTn diisni dengan nilai waktu_tunda. Ketika

timer/counter diaktifkan TCNTn akan mencacah naik sebanyak waktu_tunda

untuk mencapai nilai maksimal (0xFF) sesuai dengan waktu tundaan yang

diinginkan.

2.2.4 PWM (Pulse Width Modulator)

Pulsa PWM adalah sederetan pulsa yang lebar pulsanya dapat diatur, karena

lebar pulsa yang dihasilkan dapat diubah-ubah maka dapat difungsikan sebagai

DAC (Digital Analog Conversion) dengan cara melewatkan keluaran tersebut

pada sebuah rangkaian Shift and Hold. Fasilitas Timer/Counter dapat digunakan

sebagai penghasil pulsa PWM.

Pengaturan Timer/Counter 8 bit sebagai penghasil pulsa PWM dengan mode

Fast PWM dengan mengubah bit WGMn (1:0) pada mode 3. Diagram pewaktuan

dari mode ini dapat dilihat pada gambar 2.7. Mode ini mengacu pada satu

kemiringan yang terjadi pada pewaktuan, pencacah akan mencacah dari nilai nol

(31)

Gambar 2.7 Diagram pewaktuan Fast PWM

Pada mode Non-Inverting keluaran pembanding Pin OCn akan menjadi 0 jika

nilai TCNTn sama dengan OCRn dan pin OCn akan menjadi 1 lagi setelah

register TCNTn terjadi overflow.

Flag timer/counter overflow (TOVn) akan aktif saat cacahan mencapai nilai

maksimal, jika interupsi overflow diaktifkan, maka rutin penanganan interupsi

dapat digunakan untuk mengubah nilai pembanding.

Keluaran frekuensi PWM pada mode Fast PWM dihitung menggunakan

persamaan :

256 N f f_OCnPCPWM clk_I/O

⋅

= ; N = Faktor prescale (1, 8, 64, 256, or 1024) (2.2)

2.2.5 ADC (Analog to Digital Converter)

Pada mikrokontroler ini telah disediakan ADC internal dengan fitur :

1. Resolusi 10-bit.

2. 0.5 LSB Integral Tidak Linier.

3. Ketepatan mutlak ±2 LSB.

(32)

5. Delapan kanal masukan.

6. Selang tegangan masukan dari 0 sampai VCC.

7. Memiliki tegangan refrensi internal sebesar 2.56V.

8. Dapat bekerja secara free running atau saat diperlukan saja.

9. Mulai mengkonversi dengan trigger otomatis pada sumber interupsi.

10.Interupsi dapat dibangkitkan ketika konfersi selesai.

Proses inisialisasi ADC meliputi proses penentuan clock ADC, pemilihan

saluran tegangan referensi, format keluaran data dan mode pembacaan. Register

yang menangani ADC internal ini adalah register ADMUX (ADC Multiplexer

Selection Register) berfungsi menentukan tegangan referensi ADC, format data

keluaran, dan pemilihan jalur masukan, komponen register ini dapat dilihat pada

gambar 2.8. Register SFIOR (Special Function IO Register) berfungsi untuk

mengatur sumber picu konversi ADC, komponen register ini dapat dilihat pada

gambar 2.9. Register ADCSRA (ADC Control and Status Register A) berfungsi

melakukan manajemen sinyal control dan status dari ADC, komponen bit terdapat

pada gambar 2.10.

Gambar 2.8 Komponen register ADMUX

REFS(1:0) (Reference Selection Bits) digunakan sebagai pemilih sumber

tegangan refrensi dari ADC, ADLAR (ADC Left Adjust Result) digunakan untuk

menentukan konfigurasi isi dari register ADCH dan ADCL sebagai tempat

(33)

ADTS(2:0) (ADC Auto Trigger Source) untuk menentukan mode dari ADC

yang digunakan. ADEN (ADC Enable) berfungsi untuk mengaktifkan ADC jika

bernilai satu. ADSC (ADC Start Conversion) akan bernilai nol jika selesai

mengkonversi dan diberinilai satu jika ingin memuli konversi. ADATE (ADC

Auto Trigger Enable), berhubungan dengan bit (ADTS) pada register SFIOR. Jika

bernilai satu menyebabkan trigger otomatis akan aktif. ADIF (ADC Interrupt

Flag) bit ini akan aktif, jika konversi telah selesai dan dapat memicu interupsi,

selama fasilitas interupsi diaktifkan.

Pemilihan konfigurasi ADLR :

Gambar 2.9 Komponen register SFIOR

Gambar 2.10 Komponen register ADCSRA

Jika ADIE (ADC Interrupt Enable) bernilai 1 dan bit I pada SREG 1 dan

(34)

ADPS(2:0) (ADC Prescaler Select Bits) mendefinisikan faktor pembagi dari

sumber clock ADC.

Resolusi untuk 10-bit ADC dapat di hitung dengan persamaan :

n 2 Vref )

V ( solusi

Re = ; n = resolusi ADC (2.3)

2.3. Kendali PID Digital [5]

Kontroler adalah komponen yang berfungsi mengurangi sinyal kesalahan.

Tipe kontroler yang paling popular adalah kontroler PID. Elemen-elemen

kontroler P, I dan D masing-masing secara keseluruhan bertujuan untuk

mempercepat reaksi sebuah system, menghilangkan offset dan menghasilkan

perubahan awal yang besar.

Fungsi utama dari kontroler digital sama dengan kontroler analog. Perbedaan

yang utama yaitu kontroler digital tidak dapat menerima sinyal analog. Dengan

keterbatasan tersebut maka kontroler digital memerlukan pengubah sinyal analog

ke digital (ADC) untuk mengubah sinyal analog menjadi digital dalam bentuk

bilangan biner dan sebaliknya (DAC) untuk mengubah data digital menjadi sinyal

analog. Gambar 2.11 memperlihatkan blok diagram sebuah kendali digital.

Pada kendali PID digital, untuk memproses algoritma PID dengan cara yang

efisien maka proses dari integral dan diferensial diubah kedalam bentuk aljabar

yang ringkas [6]. Bentuk aljabar yang digunakan adalah perkalian, pembagian,

(35)

Gambar 2.11 Blok diagram kendali digital

Gambar 2.12 Blok diagram kendali PID implementasi mixed

Algoritma kendali PID analog :

Transfer function dari sistem berdasarkan Gambar 2.12 :

⎟⎟

diubah ke dalam domain waktu :

⎟⎟

Kontroler digital bukan menggunakan sistem kontinu melainkan sistem

diskrit. Pada kontroler digital ukuran error hanya terukur setiap waktu interval

pada pengambilan sample. Setiap perubahan yang diperoleh akan langsung

(36)

Karena data E(n+1) adalah data yang berikutnya belum tersedia, maka

perhitungan data yang akan datang digunakan data yang saat ini E(n). jika n

adalah t untuk setiap sample waktu maka persamaan diskrit dapat ditulis :

untuk menyederhanakan nilai sikma :

n

2.4. Tuning Kontroler dengan Metode Ziegler-Nichols[7]

Aspek yang sangant penting dalam merancang kontroler PID adalah

penentuan parameter kontroler supaya sistem close loop memenuhi kriteria

performasni yang diinginkan.

Ziegler-Nichols pertama kali memperkenalkan metodenya pada tahun 1942.

Metode ini memiliki dua cara, metode osilasi dan kurva reaksi. Kedua metode

ditujukan untuk menghasilkan respon sistem dengan lonjakan maksimum sebesar

(37)

Metode Kurva Reaksi

Metode ini didasarkan terhadap reaksi sistem untaian terbuka. Plant sebagai

untaian terbuka dikenai sinyal fungsi tangga satuan (gambar 2.14). Kalau plant

minimal tidak mengandung unsur integrator ataupun pole-pole kompleks, reaksi

sistem akan berbentuk S. Gambar 2.15 menunjukkan kurva berbentuk S tersebut.

Gambar 2.13 Kurva respons tangga satuan yang memperlihatkan 25 % lonjakan maksimum

Kelemahan metode ini terletak pada ketidakmampuannya untuk plant

integrator maupun plant yang memiliki pole kompleks. Kurva berbentuk-s

mempunyai dua konstanta, waktu mati (dead time) L dan waktu tunda T. Dari

gambar 2.15 terlihat bahwa kurva reaksi berubah naik, setelah selang waktu L.

Gambar 2.14 Respon tangga satuan sistem

Sedangkan waktu tunda menggambarkan perubahan kurva setelah mencapai

66% dari keadaan mantapnya. Pada kurva dibuat suatu garis yang bersinggungan

(38)

garis maksimum. Perpotongan garis singgung dengan sumbu absis merupakan

ukuran waktu mati, dan perpotongan dengan garis maksimum merupakan waktu

tunda yang diukur dari titik waktu L.

Gambar 2.15 Kurva Respons berbentuk S.

Penalaan parameter PID didasarkan perolehan kedua konstanta itu. Zeigler

dan Nichols melakukan eksperimen dan menyarankan parameter penyetelan nilai

Kp, Ti, dan Td dengan didasarkan pada kedua parameter tersebut. Tabel 4.1

merupakan rumusan penalaan parameter PID berdasarkan cara kurva reaksi.

Tabel 2.5

Penalaan paramater PID dengan metode kurva reaksi

Tipe Kontroler Kp Ti Td

P T/L ~ 0

PI 0,9 T/L L/0.3 0

PID 1,2 T/L 2L 0,5L

2.5.Penguat Non-Inverting [8]

Penguat non inverting berupa rangkain OpAmp dengan gambar skematik pada

(39)

Gambar 2.16 Rangkain penguat non inverting

dengan persamaan penguatan (Av) sebagai berikut :

Ri

2.6. Rangkaian Penjumlah [8]

Berupa rangkaian OpAmp penjumlah inverting, dengan gambar skematik pada

gambar 2.17

Vo

Gambar 2.17 Rangkain penjumlah inverting

Dengan persamaan keluaran sebagai berikut :

Vn

2.7 Piranti Masukan dan Keluaran

2.7.1 Tombol Keypad Matriks 4x3[9]

Keypad matrik berupa rangkaian tombol-tombol yang tersusun secara matriks.

Tombol-tombol disini berfungsi sebagai saklar. Untuk keypad matriks 4x3,

memiliki delapan pin masukan dan keluaran, empat pin mewakili banyak baris

(40)

Untuk membedakan 12 variasi keadaan maka empat pin baris atau empat pin

kolom berfungsi sebagai masukan dan empat pin yang lain sebagai keluaran pada

suatu sistem.

Gambar 2.18 Keyped Matriks

Variasi keadaan diperoleh dengan cara memeriksa kondisi pin masukan untuk

setiap pin keluaran. Gambar 2.18 memperlihatkan cara kerja dari keypad matriks

saat mendeteksi penekanan tombol 3, pin yang beroperasi pada proses ini adalah

pin baris 1 dan pin kolom 3.

2.7.2 Modul LCD seri M1632[10]

M1632 merupakan modul LCD Matriks dengan konfigurasi 16 karakter dan

dua baris dengan setiap karakternya dibentuk oleh delapan baris pixel (satu baris

pixel terakhit adalah kursor). Pada Modul LCD ini telah dilengkapi dengan

mikrokontroler pengendali, HD44780 buatan Hitachi adalah salah satu

mikrokontroler yang tertanam pada M1632. Mikrokontroler mempunyai

kemampuan untuk mengatur proses scanning pada layar LCD, sehingga perangkat

(41)

Gambar 2.19 Modul LCD

Keterangan pin pada Modul LCD : 1.GND 2.VCC 3.VEE/VLCD 4.RS (register select). 5.R/W (read/write) 6.E (Enable) 7.D0 8.D1 9.D2 10.D3 11.D4 12.D5

13.D6 14.D7 15.Anoda,LEDbacklight 16.Katoda, LEDbacklight

Modul LCD ini memiliki dua jenis anatarmuka yaitu antarmuka empat bit dan

antarmuka delapan bit, bit DL adalah bit yang menangani pemilihan jenis

antarmuka yang akan digunakan. Dengan teknik antarmuka empat bit maka dapat

mengurangi pemakain port masukan dan keluaran pada perangkat elektronika.

Proses yang terjadi pada antarmuka empat bit yaitu dengan cara pengiriman

4-bit atas terlebih dahulu dan dilanjutkan dengan 4-4-bit bawah dimana untuk setiap

prosesnya selalu diiringi dengan sebuah pulsa di pin E.

Tabel 2.6 Perintah M1632

Perintah D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

Hapus layar 0 0 0 0 0 0 0 1

Posisi awal 0 0 0 0 0 0 1 X

Set mode 0 0 0 0 0 1 I/D S

Display ON/OFF X100 0 0 0 1 D C B

Geser kursor 0 0 0 1 S/C R/L X X

Set fungsi 0 0 1 DL N F X X

Set alamat CDRAM 0 1 ACG ACG ACG ACG ACG ACG

Set alamat DDRAM 1 ADD ADD ADD ADD ADD ADD ADD

Keterangan tabel :

(42)

Pin RS berfungsi untuk memilih register yang akan di program. Bit RS

bernilai satu maka register yang dipilih adalah register data, dan jika bernilai nol

maka register yang dipilih adalah register control, sehingga M1632 siap

diinisialisasi.

2.8. Sensor Suhu (LM35) [11]

LM35 (gambar 2.20) adalah sensor suhu yang presisi dengan fitur sebagai

berikut:

1. Beroperasi pada ° Celsius

2. Skala kenaikan Linear +10.0 mV/°C

3. ketepatan 0.5°C (pada 25°C)

4. Bekerja pada −55° sampai +150°C

5. Bekerja mulai tegangan 4 sampai 30 volts

6. Penggunaan arus yang kurang dari 60 μA

7. Pemanasan diri yang rendah pada udara bebas yaitu 0.08°C

8. Keluaran impedansi yang rendah 0.1 W untuk beban 1 mA

Seperti dengan banyak rangkain daya rendah yang lain, LM35 tidak dapat

mengolah pada kapasitor beban yang besar, untuk menanggulangi hal ini maka

pada kaki keluaran dari LM35 dipasang rangkaian yang disebut Dumper R-C,

seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.21.

(43)

2.9. Dioda zener [12]

Dioda zener adalah dioda silicon yang dirancang untuk bekerja optimal pada

daerah breakdown. Disebut dioda pengatur tegangan karena dapat

mempertahankan tegangan output tetap konstan meskipun arus yang melaluinya

berubah. Karakteristik zener dapat dilihat pada gambar 2.22.

Gambar 2.22 Karakteristik zener

2.10. Respon Transien – Orde Dua [13]

Respon transien adalah respon sistem yang berlangsung dari keadaan awal

sampai keadaan akhir. Dalam beberapa kasus praktis, karakteristik sistem kontrol

yang diinginkan dinyatakan dalam bentuk besaran waktu. Sistem yang

mempunyai elemen penyimpan energi tidak dapat merespon secara seketika dan

akan menunjukkan respon transien jika dikenai masukan masukan atau gangguan.

Respon transien sistem kontrol praktis sering menunjukkan osilasi teredam

sebelum mencapai keadaan tunak. Parameter respon transien sebagai berikut :

1. Waktu tunda (delay time), td : Waktu yang diperlukan respon untuk

mencapai setengah harga akhir yang pertama kali.

2. Waktu naik (rise time), tr : waktu yang diperlukan respon untuk naik dari

10% samapi 90%, 5% sampai 95%, atau 0% sampai 100% dari harga

(44)

100%. Untuk sistem redaman lebih, biasanya digunakan waktu naik 10% -

90%.

3. Waktu puncak (peak time), tp : waktu yang diperlukan respon untuk

pencapai puncak lewatan yang pertama kali.

4. Lewatan maksimum (maximum overshoot), Mp : harga puncak maksimum

dari kurva respon yang diukur dari satu. Jika harga keadaan tunak respon

tidak sama dengan satu, maka biasa digunakan persen lewatan maksimum.

Parameter ini didefinisikan sebagai :

( ) ( )

( )

100%

c c tp c maksimum tan_

lewa _

Persen ×

∞ ∞ −

= (2.9)

Besarnya (persen) lewatan maksimum secara langsung menunjukkan

kestabilan relativ sistem.

5. Waktu penetapan (settling time), ts : waktu yang diperlukan kurva respon

untuk mencapai dan menetap dalam daerah di sekitar harga akhir yang

diukur ditentukan dengan persentasi mutlak dari harga akhir ( biasanya 5%

atau 2%). Waktu penetapan ini dikaitkan dengan konstanta waktu terbesar

dari sistem kontrol. Kriteria persentasi kesalahan yang akan digunakan

ditentukan dari sasaran disain sistem yang dinyatakan.

(45)

(46)

memiliki dua bagian dasar yaitu : bagian perangkat keras (Hardware) dan

perangkat lunak (Software). Sistem sensor digunakan untuk mengetahui suhu

kotak agar dapat dikendalikan. Pada penelitian ini menggunakan LM35 sebagai

sensor suhu.

Piranti pengolah yang digunakan sebagai sistem kendali adalah sistem

mikrokontroler berbasis AVR ATMega8535, sistem ini dapat diprogram langsung

dengan menggunakan bahasa C dengan Compiler WinAvr.

Piranti penunjang yang digunakan seperti : TEC (Thermoelectric Cooler)

sebagai sumber penghasil suhu, rangkaian pengkondisi sinyal, rangkaian penguat

arus yang terkendali oleh tegangan, untuk rangkaian ini menggunakan rangkaian

yang sudah ada sehingga tidak dibahas lagi pada perancangan, sedangkan sebagai

piranti keluaran dan masukan menggunakan keypad matriks 4x3 sebagai pengatur

set-point dan LCD sebagai penampil suhu. Blok diagram dapat dilihat pada

gambar 3.1.

Pembahasan dari perancangan akan ditinjau per blok diagram, perancangan ini

akan berisi perancangan perangkat keras dan perancangan perangkat lunak.

Gambar 3.1 Blok diagram sistem model kotak pendingin

(47)

3.1 Perancangan Set-Point

Pengaturan suhu yang diinginkan dengan cara digital yaitu dengan menekan

tombol (keypad matriks) yang tersedia berdasarkan jangkauan suhu pada

perancangan.

Untuk masukan set-point menggunakan push button yang tersusun secara

matriks 4x3. Tombol yang dibutuhkan sebanyak 13 tombol diantaranya 12 tombol

yang terangkai matriks dan satu tombol yang berfungsi untuk pengaturan kembali

jika terjadi kesalahan dalam memasukan nilai set-point atau untuk masuk ke rutin

set-point saat program sedang berjalan. Konfigurasi tombol dapat dilihat pada

gambar 3.2.

Gambar 3.2 Rangkaian Push-Button

Untuk mengetahui nilai dari tombol yang ditekan maka menggunakan metode

scaning yaitu metode yang bekerja mengecek terus menerus apakah ada

penekanan tombol atau tidak dengan menggunakan pin baris sebagai input dan pin

kolom sebagai output. Diagram alir cara pembacaan data untuk kolom satu

(48)

Inisialisasi PORT Ambil data

Tidak

Gambar 3.3 Diagram alir pembacaan data melalui keypad matriks 4x3

Gambar 3.4 memperlihatkan diagram alir cara pembacaan tombol set-point.

Inisialisasi PORT

(49)

3.2 Perancangan LCD

Penampil LCD menggunakan HD44780 yang sudah berupa modul buatan

Hitachi, keterangan pin LCD yang digunakan dapat dilihat pada dasar teori.

Dalam perancangan ini tampilan LCD akan dibuat seperti gambar 3.5a saat

memasukan set-point dan gambar 3.5b saat prosese kendali sementara berjalan.

Gambar 3.5a Tampilan LCD saat set poin

Gambar 3.5b Tampilan LCD saat proses berjalan

Untuk mengaktifkan LCD perlu konfigurasi awal, yang ditampilkan dalam

bentuk algoritma sebagai berikut :

1. Memberi logika 0 pada pin RS.

2. Mengatur mode 4-bit data, data = 0x20.

3. Mengatur pergeseran tampilan, data = 0x28.

4. Mengatur tampilan kursor, data = 0x0C.

5. Mengatur mode tampilan karakter, data = 0x06.

6. LCD siap untuk tampilan karakter.

(50)

1. Memberi logika 1 pada pin RS.

2. Kirimkan data nibel atas dari konfigurasi 8-bit data.

3. Kirim data nibel bawa dari konfigurasi 8-bit data.

4. LCD siap untuk karakter berikutnya.

Di setiap pengaturan maupun penulisan karakter diberikan sinyal handshaking

pada pin EN

3.3 Perancangan Sensor.

Sensor suhu LM35 memiliki karakteristik kenaikan suhu yang linear dengan

10mV tiap kenaikan 1oC. Jika ketelitian satu angka dibelakang koma, maka untuk

kenaikan 0.1oC berbanding lurus dengan kenaikan tegangan sebesar 1mV.

Pemilihan tegangan referensi untuk ADC diperlukan untuk proses konversi

tegangan, agar hasil konversi data digital dari tegangan analog dapat diubah

dengan tepat maka tegangan referensi harus mewakili besar tegangan yang

diinginkan tiap perubahan 1-bit.

Tegangan dari sensor tidak boleh melebihi tegangan referensi ADC agar dapat

diolah dengan tepat pada mikrokontroler (mengurangi error pembulatan pada

ADC). Resolusi ADC yang digunakan sebesar 10 bit dengan nilai kenaikan tiap

bit ditetapkan sebesar 4mV dan resolusi suhu yang digunakan pada penelitian ini

adalah 1 angka di belakang koma (0.1). Penyesuaian pada tegangan referensi

ADC diperlukan agar kenaikan tiap bit data digital sesuai dengan besar tegangan

yang ditetapkan.

Tabel 3.1 memperlihatkan tanggapan tegangan LM35 untuk suhu tertentu.

(51)

Tabel 3.1 Perbandingan perubahan suhu dengan tegangan

Suhu Tegangan

0.0 oC

Suhu maksimal pada penelitian ini adalah 25.5oC. Sinyal analog yang

dikonversi oleh ADC sebesar 1020mV dengan nilai tegangan referensi berdasar

rumus (2.3) sebesar :

3.3.1 Perancangan Tegangan Referensi pada ADC

Untuk memperoleh tegangan referensi ADC yang dikehendaki maka

digunakan rangkaian pembagi tegangan, karena sumber tidak bernilai tetap (5V),

maka dengan rangkaian pembagi tegangan saja tidak cukup. Untuk memperoleh

tegangan yang tetap dapat menggunakan dioda zener sebelum rangkaian pembagi

tegangan.

Perhitungan nilai resistor yang digunakan berdasarkan gambar 3.6.

Diketahui Vin = 5V ; Vout = 4.096

Iz = 5mA ( dari data sheet )

Vdz = 4.3V

Menghitung nilai Vrs :

Vdz Vrs

(52)

Vdz

Menghitung nilai Irs :

Irt Iz Irs= +

Tegangan referensi ADC bersifat tegangan murni ( tidak terpengaruh dengan arus

yang mengalir) maka ditentukan Irt yang kecil, yaitu 1mA.

mA

sehingga nilai dari Rs dapat di hitung dengan :

Ω

Nilai resistor yang ada dipasaran, di pilih Rs = 120Ω

Ω

Menghitung nilai R1 : Nilai R2 ditentukan sebesar 3.9kΩ

(53)

120Ω

194.23Ω

4.3V 5V

3.9K 4.096V

Gambar 3.6 Rangkaian pembagi tegangan dengan dioda zener

3.4 Perancangan PWM dan Pengkondisi Sinyal.

Fasilitas PWM telah disediakan oleh mikrokontroler sehingga tidak perlu

penambahan komponen lagi. Keluaran PWM adalah gelombang kotak dengan

amplitude 5V dan frekuensinya dapat dihitung sebagai berikut :

Berdasarkan persamaan (2.2) :

256 32 4194304 f_OCnPCPWM

×

= ; N = 32, f_clk_{_}_I_/_O= 4194304Hz

f_OCnPCPWM =488.28Hz

Agar dapat memperoleh amplitude PWM yang lebih besar maka keluaran PWM

dilewatkan pada penguat Non-inverting.

Cara menginisialisasikan PWM pada mikrokontroler dengan algoritma sebagai

berikut.

1. Menentukan fasilitas PWM yang digunakan.

2. Mengaktifkan interupsi.

3. Mengatur waktu pembanding.

(54)

5. Jika waktu pembanding sama dengan cacah waktu maka intrupsi, jika

tidak tetap pada langkah 5.

3.4.1 Perancangan penguat Non-Inverting 1.4x

Agar mencapai amplitudo sebesar 7V maka keluar PWM karus dikuatkan

sebesar 1.4x dengan perhitungan :

Berdasarkan persamaan (2.20)

Ri

Gambar rangkaian sebagai berikut.

1k

Gambar 3.7 Penguat Non-Inverting 1.4x

Driver arus memerlukan tegangan buka sebesar 1.4V, tegangan buka tersebut

berarti driver akan bekerja setelah masukan tegangan lebih dari 1.4V dan

sebanding dengan 2x besar tegangan buka transistor, karena rangkaian driver yang

digunakan merupakan rangkaian transistor dua tingkat. Agar tegangan PWM

tidak digunakan untuk mengaktifkan driver maka saat keluaran PWM sama

dengan nol masukan driver harus sebesar 1.4V. Untuk menaggulangi hal ini maka

sebelum tegangan PWM masuk ke driver dilewatkan pada rangkaian penjumlah

(55)

rangkaian penjumlah bersifat membalik polaritas tegangan maka setelah

dijumlahkan polaritasnya harus dibalik kembali menggunakan rangkaian OpAmp

penguat pembalik dengan besar penguatan sama dengan satu. Gambar 3.8

memperlihatkan rangkaian penjumlah dan rangkaian pembalik dengan OpAmp.

1.4V

10k

+

-10k 10k

Driv er

10k

PWM

10k

+

-Gambar 3.8 Rangkaian penjumlah dan pembalik OpAmp.

3.5 Perancangan Antarmuka Sistem Mikrokontroler.

Berdasarkan piranti-piranti yang digunakan maka pembagian Port pada

mikrokontroler dirancang sebagai berikut :

1. Piranti masukan set poin (keypad matriks), memerlukan tujuh saluran I/O,

ditetapkan pada PORT B dengan konfigurasi :

Port B.0 : sebagai input baris 1.

Port B.4 : sebagai output kolom 3.

2. Piranti keluaran (LCD). Memerlukan delapan saluran I/O, ditetapkan pada

(56)

Port C.0 : sebagai input D4

Port C.1 : sebagai input D5.

Port C.4 : sebagai input RS.

Port C.6 : sebagai input RW.

Port C.7 : sebagai input EN.

3. Piranti keluaran PWM. Untuk keluaran PWM telah disediakan olah

mikrokontroler, terletak pada pin (OC2) atau port D.7

4. Piranti masukan ADC. Terletak pada pin ADC0 atau Port A.0.

5. Untuk tombol pengubahan atau koreksi set-point ditetapkan pada Port D.2.

Mikrokontroler memerlukan osilator sebagai sumber detak baik secara internal

muapun eksternal. Pada sistem ini menggunakan kristal sebesar 4.194304MHz

dengan kapasitor bernilai 22pF, untuk keterangan pemakaian kapasitor lebih

lanjut dapat dilihat pada data sheet. Rangkaian osilator kristal dapat dilihat pada

gambar 3.9.

22pF

22pF _4.194304MHz

(57)

Selain itu sistem mikrokontroler juga diberi fasilitas reset yang bertujuan

untuk memaksa agar proses diulang dari awal. Rangkaian reset dapat dilihat pada

gambar 3.10

R1

Gambar rangkaian lengkap :

Vrev

Key pad Matriks dan set point

U2

Gambar 3.11 Rangkaian sistem kendali

Proses kendali digambarkan dengan diagram alir pada gambar 3.12, diagram

alir dimulai dengan inisialisasi yang isinya sebagai berikut:

1. Penentuan port yang digunakan beserta fungsinya.

2. Penentuan vector intrupsi untuk PWM.

(58)

4. Penentuan procedur pengendali LCD.

Start

Baca sensor

Tulis suhu ke LCD

Perhitungan PID

waktu sampling tercapai? Tegangan

keluaran inisialisasi

Set poin

Stop tidak

ya A

A

Gambar 3.12 Diagram alir Program sistem kendali

5. Penentuan proses perhitungan berbasis dua angka di belakang koma.

Misalnya jika masukan 25.5 oC, maka nilai masukan dalam proses akan

dikenali sebesar 2550 desimal. jika masukan 10 oC, maka nilai masukan dalam

proses akan dikenali sebesar 1000 desimal.

Setelah itu untuk menentukan suhu yang diinginkan dapat dimasukkan lewat

keypad matriks 4x3. Dengan batasan sebagai berikut :

1. Nilai maksimal 25.5 oC dan nilai minimal 0oC.

2. Format nilai masukan dalam bilangan real, dua angka di belakang koma.

(59)

Koma ? ya Simpan nilai pertama

nilai pertama = nilai pertama x 100

Simpan nilai kedua

nilai pertama = nilai pertama x 1000

nilai kedua = nilai kedua x 10

OK Simpan nilai

kedua

nilai kedua = nilai kedua x 100

Simpan nilai ketiga

Nilai ketiga = nilai ketiga x 10

SP = nilai pertama + nilai kedua + nilai

ketiga

SP = nilai pertama + nilai kedua tidak

stop Start

Gambar 3.13 Diagram alir penentuan nilai masukan

Pembacaan sensor dengan cara mengkonversikan sinyal analog menjadi data

digital dengan menggunakan fasilitas ADC internal pada mikrokontroler yang

digunakan. Hasil pembacaan ini berupa data biner sehingga perlu diolah untuk

memperoleh nilai tegangan masukan ADC yang sebenarnya, nilai itu kemudian

(60)

Perhitungan nilai MP sebagai berikut :

Keterangan :

nilai_adc = Nilai konversi 10bit

40960 = Tegangan referensi x 10000, bertujuan agar proses tidak

dalam bilangan riil karena mikrokontroler tidak bisa

memproses bilangan riil.

1024 = Resolusi ADC.

Perhitungan PID akan dibahas pada subbab 3.6. Setelah dihitung maka akan

memperoleh besar nilai tegangan yang berupa nilai dutycycle pada sinyal PWM.

Nilai dari PWM ini akan tetap sampai proses sampling berikutnya.

Waktu sampling pada penelitian ini disesuaikan dengan data yang diukur yaitu

suhu. Pengukuran suhu membutuhkan waktu yang lambat sehingga ditetapkan

waktu sampling setiap 10 detik[14] dan kristal yang digunakan sebesar

4.194304MHz, sehingga berdasarkan persamaan 2.1 untuk tundaan selama 10

detik mikrokontroler memerlukan pulsa clock sebanyak :

Dengan : fOSC = 4194304 (Hz).

Prescaler = 1024 (datasheet).

Jumlah pulsa clock selama satu detik adalah :

1024 4194304 ik

det

1 =

pulsa clock 4096

ik det

1 =

(61)

40960

3.6 Perhitungan Koefisien PID dan Algoritma pada Sistem Kendali

Berdasarkan data open loop dari penelitian Ricky Nelson[15] diperoleh grafik

sebagai berikut :

Detik (s) Suhu (o

C)

4.66 cm

Gambar 3.14 grafik data open loop (data awal)

Pengambilan data dilakukan dengan cara pencatatan nilai tiap 16 detik. Dalam

waktu 154 menit diperoleh data seperti pada gambar 3.14 (telah ternormalisasi

dengan suhu atas 27 oC dan suhu bawa 0.4 oC), untuk kenaikan satu pada grafik

sama dengan kenaikan 16 detik.

Beradasarkan grafik pada gambar 3.14 dapat dihitung nilai L, T, Kp, Ti, Ki,

Td, Kd berdasarkan tabel 2.5

(62)

07

c. Menghitung nilai Kp :

32

Nilai koefiseien PID yang diperoleh tidak dapat langsung dimasukan kedalam

perhitungan pada persamaan 2.6, tetapi memerlukan penyesuaian bilangan

terlebih dahulu agar dapat diproses secara digital. Diagram alir pada gambar 3.5

(63)

Inisialisasi

Gambar 3.15 Diagram alir Kendali PID digital

3.7 Perancangan Model Kotak Pendingin

Model kotak pendingin terbuat dari akrilik yang dipotong dan disusun

berbentuk kotak (Lampiran), sebagai sumber dingin digunakan komponen

termoelektrik sebanyak tiga buah yang terhubung secara paralel. Dua buah

termoelektrik terpasang pada bagian bawah kotak pendingin yang langsung

menempel pada alumunium pejal dan satu buah termoelektrik terpasang pada

(64)

Berdasarkan perancangan, pusat kendali dikemas dalam 2 PCB yang tersusun

secara paralel. Untuk PCB mikrokontroler seperti pada gambar 4.2. PCB yang

kedua adalah PCB yang berisi antarmuka masukan dan keluaran ( keypad dan

LCD ) pada gambar 4.3. Tegangan yang digunakan pada sistem kendali sebesar

+5V untuk mikrokontroler dan tegangan simetris 15V untuk OpAmp.

Gambar 4.1 Model kotak pendingin

(65)

Gambar 4.2 Layout PCB sistem mikrokontroler

Gambar 4.3 PCB antarmuka

Model kotak obat bekerja dengan tegangan DC yang rendah sehingga untuk

memperoleh tegangan tersebut digunakan trafo step-down. Tegangan DC

digunakan pada rangkaian driver, rangkaian kendali, dan kipas untuk

(66)

sebesar 15V, tegangan ini diperoleh dari hasil tegangan sinus yang diluruskan

dengan menggunakan IC 7815 untuk tegangan positif dan IC 7915 untuk tegangan

negatif. Tegangan simetris ini digunakan untuk mengoperasikan OpAmp.

Keluaran dari tegangan +15V diturunkan lagi dengan IC 7805 menjadi tegangan

DC 5V yang kemudian digunakan untuk sistem mikrokontroler. Untuk kipas,

sumber tegangan langsung diambil pada keluaran trafo dengan besar tegangan

adalah 12V, kemudian disearahkan dengan rangkaian dioda dan rangkaian

kapasitor. Sumber tegangan driver tidak dibahas pada pernelitian ini, karena

driver menggunakan rangkaian yang sudah ada. Gambar driver dan sumber

tegangan dapat dilihat pada gambar 4.4 dan gambar 4.5

(67)

Gambar 4.5 Driver arus

4.2 Prinsip dan Cara Kerja

Model kotak obat menggunakan sumber pendingin termoelektrik. Set-point

pada alat harus diatur terlebih dahulu sebelum proses pendinginan berlangsung.

Saat proses pendinginan berlangsung suhu kotak terus dipantau dengan sensor

LM35, sehingga sistem kendali dapat memproses besarnya tegangan untuk

mengendalikan arus yang masuk ke termoelektrik. Penentuan besar tegangan yang

diberikan sistem kendali diolah dengan metode PID secara digital dengan

mengubah besar tegangan analog dari sensor dengan cara dilewatkan pada ADC.

Perhitungan error sebagai nilai awal perhitungan PID diperoleh dengan cara

mengurangi nilai pengukuran dengan set-point.

Nilai error kemudian diproses dengan algoritma PID, nilai koefisien ini

diperoleh dari hasil perhitungan perdasarkan data open loop dengan menggunakan

(68)

Berdasarkan nilai koefisien hasil perhitungan pada waktu perancangan, tanggapan

sistem kendali dapat mencapai suhu yang diinginkan.

Nilai hasil perhitungan PID kemudian digunakan untuk menentukan lebar

pulsa dari PWM sebagai tanggapan tegangan keluaran. Lebar pulsa maksimal

adalah 8-bit yang mewakili tegangan sebesar 5V, sehingga ada keterbatasan dalam

penelitian ini yaitu jika hasil perhitungan PID lebih dari 8-bit maka tanggapan

tegangan keluaran dari sistem kendali akan bernilai maksimal yaitu 5V, sistem

kendali akan memberikan tanggapan yang sesuai dengan perhitungan jika hasil

perhitungan kurang dari atau sama dengan lebar pulsa makisimal.

Perhitungan PID dilakukan setiap 10 detik, agar memperoleh waktu yang teliti

maka perhitungan tundaan ini harus sesuai dengan prescalar yang tersedia pada

mikrokontroler dan nilai kristal yang cocok untuk prescalar yang digunakan.

Berdasarkan perancangan dengan menggunakan prescalar sebesar 1024 dan

kristal 4.194304 MHz tundaan selama 10 detik dapat tercapai.

Proses perhitungan PID dilakukan terus menerus walaupun suhu yang

diinginkan sudah tercapai, hal ini bertujuan untuk mengantisipasi

gangguan-gangguan dari luar. Saat alat aktif kerena berkaitan dengan arus besar maka

terdapat tiga titik panas yaitu pertama panas pada tranformator karena asupan arus

yang besar, kedua panas pada transistor karena melewatkan arus yang besar dan

ketiga panas pada sisi yang lain dari termoelektrik karena efek seebeck. Karena

adanya titik panas ini maka transistor ditempelkan pada heatsink kemudian diberi

kipas di bagian atas dan bagian bawah, begitu juga pada termoelektrik

(69)

Tegangan untuk menggerakkan kipas diambil langsung dari keluaran 12V

tranformator yang disearahkan terlebih dahulu.

4.2.1 Analisa Perangkat Keras

Berdasarkan perancangan model kotak pendingin terdiri beberapa blok sistem,

gambar 3.1 memperlihatkan blok sistem tersebut. Tabel 4.1 memperlihatkan

perbedaan antara nilai pengukuran dan nilai perancangan, dalam hal ini yang

ditampilkan hanyalah nilai yang dapat langsung diukur dengan multimeter.

Tabel 4.1 Data pengukuran tegangan

No Keterangan Perancangan Pengukuran

1 Tegangan PWM maksimal dari uC (V) 5 5

2 Tegangan PWM hasil penguatan (V) 7 7

3 Tegangan penjumlah PWM (V) 1.4 1

4 Tegangan buka Transistor (Driver) (V) 1.4 1

5 Tegangan Masukan plant maksimal (V) 8 8

Nilai lain yang tidak dapat diukur dengan menggunakan multimeter adalah

besar hambatan pada rangkaian penguat tegangan PWM, besar hambatan pada

pembagi tegangan untuk rangkaian penjumlah, dan besar tegangan dari sensor ke

mikrokontroler. Keluaran sensor tidak dapat diukur dengan menggunakan

multimeter karena dapat mempengaruhi pembacaan ADC pada mikrokontroler.

Setiap sensor Lm35 memiliki tanggapan yang berbeda – beda, untuk

memperolah tenggapan suhu yang terendah dari sensor yang akan digunakan

maka terlebih dahulu dilakukan percobaan tanggapan suhu dari beberapa sensor,

pada penelitian ini sensor yang dibandingkan sebanyak tiga buah. Tanggapan suhu

dari setiap sensor dapat dilihat pada gambar 4.6 dan tabel perbandingannya pada

(70)

(a) Tanggapan suhu sensor 1

(b) Tanggapan suhu sensor 2

Suhu (

ºC)

Suhu (

ºC)

Waktu (1/10) detik

4ºC

2.4ºC

1.6ºC

Suhu (

ºC)

(71)

Tabel 4.2 Perbandingan tanggapan suhu Lm35 dalam percobaan sensor

No Nama Sensor Tanggapan suhu terendah

1 Sensor 1 1.6ºC

2 Sensor 2 2.4ºC

3 Sensor 3 4ºC

Berdasarkan data perbandingan bercobaan sensor pada tabel 4.2 maka sensor

Lm35 yang digunakan adalah Sensor 1.

Nilai PWM mewakili tegangan 5V untuk memperoleh arus yang sesuai

berdasarkan penelitian Ricky Nelson[15], maka tegangan PWM dikuatkan

menjadi 7V dengan menggunakan rangkaian penguat OpAmp. Sebelum masuk ke

driver tegangan dijumlahkan dengan tegangan buka transistor ini dengan tujuan

agar hasil perhitungan nilai PWM tidak terkurang dengan tegangan buka

transistor. Driver berupa rangkaian transistor dua tingkat sehingga tegangan buka

adalah 1.4V. Namun kenyataannya saat tegangan 1V driver telah bekerja,

sehingga besar tegangan yang dijumlahkan dengan tegangan PWM sebesar 1V.

Total tegangan pada saat nilai PWM maksimal adalah 8V.

4.2.2 Analisa Perangkat Lunak

Berdasarkan diagram alir pada gambar 3.12 maka uraian program sebagai

berikut:

a. Inisialisasi

Blok ini berisi tentang pendefinisian fungsi, variabel, dan nilai

awal yang diperlukan dalam proses, dengan uraian program sebagai

(72)

#include <avr/io.h> // library standart input output

#include <avr/pgmspace.h> // library program space untuk memesan ruang penulisan karakter

#include <util/lcd_xtl_4194.h> // library yang menyimpan fungsi fungsi dari LCD yang lain

//--- definisi ---

#define LCD_PORT PORTC #define LCD_DDR DDRC

#define vref 40960 // besar tegangan referensi ADC setelah dilaki 10000

#define duty OCR2 // register OCR2 sebagai penentu duty cycle pada timer2

// definisi tulisan yang digunakan pada LCD

prog_char Tulisan[] = "0123456789ABCDEF"; prog_char Tulisan1[] = "Input set-point"; prog_char Tulisan2[] = "SET-POINT"; prog_char Tulisan3[] = "PENGUKURAN"; . . .

. . . . . .

//---inisialisasi port ---

LCD_DDR = 0xff; // set untuk keluaran

DDRB = 0xf0; // set untuk setengah keluaran dan setengah masukan DDRD = 0xff; // set untuk keluaran

PORTD = 0xff; // set keluaran awal adalah 1

//---inisialisasi fitur ---

adc_init(); pwm_init(); lcd_init(); timer1_init(); USART_init();

//---inisialisasi variabel----

int i,c;

//--- inisialisasi var pid

long int kp,ki,kd;

//--- inisialisasi var error

long int e0,e1,e2;

//--- inisialisasi var out

long int v0,v1;

long int temp1,temp2;

//--- inisialisasi nilai set point

long int sp, mp;

long int nbin;

//--- koefisien pid

kp= 1732;

ki= 57; //Ts = 10s

kd= 13081;//Ts = 10s

(73)

b. Set-point

Blok ini berisi tentang bagaimana program dapat mengetahui nilai

set-point yang diinginkan dan bagaimana cara program dapat memproses

nilainya sehingga dapat digunakan pada perhitungan. Uraian program

sebagai berikut :

penanda = 1; penanda_koma = 0; for (;;)

{

//kolom 3

PORTB =0b10111111;

if (bit_is_clear(PINB, 3)) {

(74)

penanda +=1;

return (input_sp); // kembalikan nilai input_sp }

Fungsi dari variabel penanda yaitu akan menandakan tombol sudah berapa

kali ditekan sehingga nilai masukan set-point tidak keliru. Sedangkan

variabel penanda_koma berfungsi untuk menandakan apakah tombol koma

pernah ditekan atau tidak.

c. Baca Sensor

Blok ini berisi tentang prosedur pembacaan sensor, dengan uraian program

(75)

start_conversion(); // memulai proses konversi

while (conversion_not_over()); // mengecek apakah konversi sudah selesai atau belum clear_adif(); // set 0n untuk register adif yang menandakan konversi siap di panggil kembali nbin = read_adc(); // menyalin nilai pembacaan ADC ke variabel nbin

. . . . . . . . .

void start_conversion(void) // memeulai konversi nilai ADC {

ADCSRA |= (1<<ADSC); }

int conversion_not_over(void) // fungsi untuk memerikasa apakah konversi ADC sudah selesai {

return !(ADCSRA & (1<<ADIF)); }

void clear_adif(void) //fungsi ini untuk menandakan ADC siap mengambil data kembali

{

ADCSRA |= (1<<ADIF); }

long int read_adc(void) // fungsi mengambilan nilai ADC yang telah dibaca {

Bit ADSC bernilai 1 berarti pembacaan ADC dilaksanakan, bit ADIF

bernilai 1 berarti konversi pada saluran ADC yang digunakan telah selesai.

Fungsi conversion_not_over berfungsi untuk menahan proses mikrontroler