PERANCANGAN DAN PEMBUATAN PERANGKAT FILTER ANTI-GEMPA BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA32

(1)

PERANCANGAN DAN PEMBUATAN PERANGKAT

FILTER ANTI-GEMPA BERBASIS MIKROKONTROLER

ATMEGA32

TUGAS SARJANA

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik dari Institut Teknologi Bandung

Oleh:

Teguh Iman Hendriyanto

13103056

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

(2)

LEMBAR PENGESAHAN

Tugas Sarjana

PERANCANGAN DAN PEMBUATAN PERANGKAT

FILTER ANTI-GEMPA BERBASIS MIKROKONTROLER

ATMEGA32

Oleh

Teguh Iman Hendriyanto

13103056

Program Studi Teknik Mesin

Institut Teknologi Bandung

Disetujui pada tanggal 12 Februari 2008

Pembimbing,

Dr. Ir. Zainal Abidin

NIP. 131 473 960

(3)

Tugas Sarjana

Judul Perancangan dan Pembuatan Perangkat Filter Anti-Gempa Berbasis

Mikrokontroler ATmega32

Teguh Iman Hendriyanto

Program Studi Teknik Mesin 13103056

Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung

Abstrak

Gempa bumi sering menjadi kendala pada pabrik-pabrik yang beroperasi pada daerah rawan gempa. Fenomena alam ini dapat menyebabkan kesalahan pembacaan nilai getaran pada sistem pemantau getaran pabrik dimana sinyal gempa yang besar akan terbaca sebagai sinyal getaran mesin sehingga mesin mengalami trip dan secara otomatis berhenti beroperasi. Kendala yang sama dialami oleh PLTP Gunung Salak milik PT. Indonesia Power. Untuk mengatasi permasalahan ini dapat digunakan filter analog jenis lalu-tinggi (HPF). Akan tetapi, filter ini memerlukan waktu tunggu untuk mencapai kondisi tunak, yaitu disaat sinyal telah terfilter secara penuh. Selang waktu tunggu ini cukup lama bagi sistem pemantau getaran pabrik untuk dapat membaca siyal gempa dan berakibat pada ter-trip-nya mesin.

Dalam penelitian ini dilakukan perancangan dan pembuatan perangkat filter yang berbeda dengan filter analog yang diberi nama filter anti-gempa. Filter ini dirancang memiliki 12 kanal masukan dan keluaran dengan berbasis mikrokontroler ATmega32. Perangkat keras filter anti-gempa akan dilengkapi dengan rangkaian pengkondisi sinyal yang berfungsi untuk membatasi sinyal masukan pada nilai trip mesin, yaitu 380 mV. Perangkat lunak berupa program perhitungan deret Fourier dirancang agar dapat menghilangkan sinyal gempa dengan frekuensi 4 Hz. Selain itu, perangkat lunak juga dibuat agar apabila amplitudo sinyal getaran mesin besar, maka sinyal tersebut akan langsung di-bypass menuju keluaran.

Dari hasil pengujian perangkat keras, dapat disimpulkan bahwa rangkaian pengkondisi sinyal telah dapat memotong sinyal masukan pada tegangan 374,465 mV. Pengujian perangkat lunak dilakukan dengan membandingkan hasil antara perhitungan program mikrokontroler dengan simulasi MATLAB. Dari kedua hasil perhitungan tersebut didapat nilai yang mirip dengan selisih maksimum sebesar 8,578 mV. Program mikrokontroler juga telah mampu menghilangkan sinyal gempa.

(4)

Final Project Title Design and Manufacture of

Anti-Earthquake Filter Based on ATmega32 Mikrocontroller

Teguh Iman Hendriyanto

Major Mechanical Engineering 13103056

Faculty of Mechanical and Aerospace Engineering Institute of Technology Bandung

Abstract

Earthquake usually becomes a problem to some industries that operate on an earthquake sensitive area. This natural phenomenon disturb the industry’s vibration monitoring system, where vibration signal due to eathquake are read as machinary vibration. This will caused the machine operation to be automatically stopped or tripped. PLTP Gunung Salak, owned by PT. Indonesia Power as facing the same problem involving earthquake. To overcome this problem, analog High Pass Filter (HPF) can be used, but this kind of filter needs some amount of settling time to become steady, in which signal become fully filtered. The amount of settling time is long enough for the vibration monitoring system to read the earthquake signal and causing the machine to be tripped.

This research involves of designing and manufacturing a microcontroller based filter named anti-earthquake filter. This filter is designed to have 12 analog input and output channels. The hardware is mainly constructed of a signal conditioning circuit, which functioned to cut the input signal at the trip value of the machine (380 mV). The software consists of a program which calculate Fourier series so it can eliminate an earthquake signal with frequency value of 4 Hz. Beside that, the program is also built in such a way so that if the machine’s vibration is big, then the filter will automatically bypass the input signal into the output channel.

The hardware testing results show that the signal conditioning circuit has succesfully cut the input signal at 374.465 mV. The mikrocontroller program testing is done by comparing the calculation results of microcontroller calculation and MATLAB simulation. Based on these two results, it can be concluded that these two processes produce a similar result with maximum difference of 8.578 mV. The program has also been able to eliminate an 4 Hz earthquake signal.

(5)

i

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT karena berkat rahmat-Nya penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. Selama penyelesaian tugas sarjana ini penulis memperoleh banyak ilmu dan pengalaman yang mudah-mudahan dapat dijadikan bekal untuk masa depan penulis. Berbagai kesulitan yang dialami penulis selama menyelesaikan tugas sarjana ini dapat diatasi berkat dukungan dan bimbingan dari semua pihak.

Penulis menyadari bahwa laporan ini tidak akan terwujud tanpa bantuan dan dukungan dari berbagai pihak, baik dalam bentuk bimbingan, nasehat, doa, informasi, maupun dukungan moral. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :

1. Kedua orang tua dan kakak-kakak yang telah memberi banyak doa, nasehat, dan masukan kepada penulis.

2. Dr. Ir. Zainal Abidin selaku pembimbing yang telah banyak memberikan dorongan, bimbingan, dan arahan selama proses pengerjaan tugas sarjana ini.

3. Dosen-dosen pengajar di Program Studi Teknik Mesin ITB yang telah memberikan pelajaran berharga kepada penulis sebagai bekal setelah lulus nanti.

4. Staf Laboratorium Dinamika yaitu Teh Yani, Pak Udin, Kang Lutfi, dan Mas Sugeng yang telah banyak membantu dalam penyelesaian tugas sarjana ini.

5. Staf Tata Usaha Program Studi Teknik Mesin yaitu Pak Suryana, Pak Yadi, dan Bu Ria yang telah membantu penulis selama menjalani perkuliahan sampai pelaksanaan sidang sarjana.

6. Teman-teman di Laboratorium Dinamika: Dhimas, Bayu, Fikri, Dony, William, Rayner, Lucky, Chandra, Wayan, Wawan, Yudi, Ikun, Hebert, Pande, Khairul yang bersama-sama berjuang di lab dinamika.

7. Teman-teman senior di Laboratorium Dinamika yaitu Pak Bintoro, Pak Frans, Pak Noval, Mas Adi, Mas Arief, Bang Jhony, Bang Mian, Dhira, Mas Feblil, Mas Dedi, Yudha, Budi, Diva, Yeady, Aung, dan Thein atas diskusi dan saran yang telah diberikan.

(6)

ii

8. Teman-teman Mesin 2003 ITB: Rizwan, Boyat, Rendro, Eurek, Devid, Arnold, Marvin, Riza, Eri, Bimo, dan semua M’03 lainnya atas persahabatan dan pertemanannya selama ini.

9. Teman-teman kos Sangkuriang no.46: Om Iqbal, Adit, Ari, Pomogh, Vidi, Tuwe, Raka, Haru, Sinto, dan Geri atas dukungan yang telah diberikan kepada penulis. 10. Teman-teman alumni SMU 61 di ITB: Adit, Ridwan, Ogi, Nico, Riti, Ayu, Uti,

Dwike, Au, dan Sandy atas kekompakan dan persahabatan selama ini. 11. Teman-teman HMM “yell boys”.

12. Semua pihak yang telah membantu dalam proses penyusunan laporan tugas sarjana ini.

Penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun demi kesempurnaan tugas sarjana ini. Akhir kata, penulis berharap semoga tugas sarjana ini dapat bermanfaat bagi dunia perawatan pada khususnya dan bagi dunia pendidikan pada umumnya.

Bandung, Januari 2008

Penulis

(7)

iii

DAFTAR ISI

Halaman ABSTRAK

KATA PENGANTAR ... i

DAFTAR ISI ... iii

DAFTAR GAMBAR ... v

DAFTAR TABEL ... vii

Bab I Pendahuluan ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Tujuan ... 2 1.3 Batasan Masalah ... 2 1.4 Metode Penelitian ... 2 1.5 Sistematika Penulisan ... 3

Bab II Teori Dasar ... 5

2.1 Pendahuluan ... 5

2.2 Karakteristik Gempa Bumi ... 5

2.3 Teknik Filtering Sinyal ... 5

2.3.1 Filter Analog ... 5

2.3.2 Deret Fourier ... 9

2.4 Teknik Akusisi Data ... 11

2.4.1 Sinyal Masukan ... 11

2.4.2 Pengkondisian Sinyal ... 12

2.4.2.1 Differential Input ... 12

2.4.2.2 Voltage Follower (Buffer) ... 13

2.4.3 Konversi Sinyal Analog Menjadi Digital ... 14

2.5 Mikrokontroler ATmega32 ... 18

2.5.1 Arsitektur ATmega32 ... 18

2.5.2 Timer/Counter ... 21

2.5.3 Media Penyimpanan: Memori dan Register ... 22

Bab III Pembuatan Perangkat Keras dan Perangkat Lunak ... 23

(8)

iv

3.2.1 Rangkaian Pengkondisi Sinyal ... 26

3.2.1.1 Rangkaian Proteksi Tegangan Opamp ... 26

3.2.1.2 Rangkaian Differetial Input dan Penguat ... 27

3.2.1.3 Rangkaian Pembatas Tegangan ... 29

3.2.1.4 Rangkaian Pembagi Tegangan ... 30

3.2.2 Rangkaian Relay ... 31

3.2.3 Rangkaian Mikrokontroler ... 33

3.2.3.1 Rangkaian Proteksi Tegangan ADC ... 34

3.2.3.2 Rangkaian Clock ... 34

3.2.3.3 Rangkaian Reset ... 36

3.2.4 Rangkaian Catu Daya ... 37

3.3 Perangkat Lunak ... 38

Bab IV Pengujian ... 43

4.2 Pengujian Perangkat Keras ... 43

4.2.1 Rangkaian Differential Input ... 44

4.2.2 Rangkaian Penguat ... 46

4.2.3 Rangkaian Pembagi Tegangan ... 48

4.2.4 Rangkaian Pembatas Tegangan ... 50

4.3 Pengujian Perangkat Lunak ... 52

Bab V Kesimpulan dan Saran ... 54

5.1 Kesimpulan ... 54

5.2 Saran ... 55

DAFTAR PUSTAKA ... 56 LAMPIRAN A Program Perhitungan Deret Fourier

(9)

v

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1.1 Diagram alir metodologi penelitian ... 4

Gambar 2.1 Karakteristik gempa bumi daerah sekitar PT. Indonesia Power ... 6

Gambar 2.2 Filter lalu-rendah orde dua tipe pasif (kiri) dan aktif (kanan) ... 6

Gambar 2.3 Respon frekuensi amplitudo filter lalu-tinggi Butterworth ... 7

Gambar 2.4 Keterlambatan fasa filter lalu-tinggi Butterworth ... 8

Gambar 2.5 Respon sinyal yang melalui filter analog ... 8

Gambar 2.6 Karakteristik Fourier pada domain frekuensi ... 10

Gambar 2.7 Skema sensor kecepatan PR 9268 ... 11

Gambar 2.8 Karakteristik sensor kecepatan PR 9268 ... 12

Gambar 2.9 Skema differential input ... 13

Gambar 2.10 Sinyal common mode ... 14

Gambar 2.11 Tahapan proses konversi sinyal analog menjadi data digital ... 15

Gambar 2.12 Proses pencuplikan sinyal ... 16

Gambar 2.13 Fenomena Aliasing ... 16

Gambar 2.14 Pengaruh jangkauan tegangan ADC terhadap keakurasian Pembacaan sinyal masukan ... 17

Gambar 2.15 Susunan pin ATmega32 ... 19

Gambar 3.1 Skema sistem pemantau di PLTP Gunung Salak ... 24

Gambar 3.2 Diagram alir perangkat keras ... 25

Gambar 3.3 Perangkat keras filter anti-gempa ... 25

Gambar 3.4 Foto perangkat keras filter anti-gempa ... 26

Gambar 3.5 Rangkaian proteksi tegangan opamp ... 27

Gambar 3.6 Rangkaian differential input ... 28

Gambar 3.7 Rangkaian pembatas tegangan unipolar ... 29

Gambar 3.8 Rangkaian permbatas tegangan bipolar ... 30

Gambar 3.9 Rangkaian pembagi tegangan ... 31

Gambar 3.10 Rangkaian relay ... 33

Gambar 3.11 Rangkaian mikrokontroler ATmega32 ... 34

Gambar 3.12 Rangkaian proteksi tegangan ADC ... 35

(10)

vi

Gambar 3.14 Rangkaian reset ... 36

Gambar 3.15 Rangkaian catu daya ... 37

Gambar 3.16 Foto rangkain catu daya ... 39

Gambar 3.17 Tampilan CodeWizardAVR ... 39

Gambar 3.18 Karakteristik |Xp| ... 41

Gambar 4.1 Skema pengujian perangkat keras ... 43

Gambar 4.2 Hasil pengujian rangkaian differential input kanal 1... 44

Gambar 4.6 Hasil pengujian rangkaian penguat pada kanal 1 ... 46

Gambar 4.10 Hasil pengujian rangkaian pembagi tegangan kanal 1 ... 48

Gambar 4.14 Hasil pengujian rangkaian pembatas tegangan kanal 1 ... 50

Gambar 4.18 Skema pengujian perangkat lunak ... 52

(11)

vii

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2.1 Data teknis sensor kecepatan PR 9268 ... 12

Tabel 4.1 Rangkuman hasil pengujian rangkaian differential input ... 46

Tabel 4.2 Rangkuman hasil pengujian rangkaian penguat ... 48

Tabel 4.3 Rangkuman hasil pengujian rangkaian pembagi tegangan ... 50

Tabel 4.4 Rangkuman hasil pengujian rangkaian pembatas tegangan ... 52

Tabel 4.5 Hasil pengujian perangkat lunak ... 53

Tabel 4.6 Hasil pengujian perangkat lunak pada kondisi gempa ... 53