Oleh:
ERUS RUSTAMI
G74101018
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
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
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
Judul : Sistem Kontrol Kecepatan Spin Coating Berbasis Mikrokontroler ATmega 8535 Nama : Erus Rustami
NRP : G74101018
Menyetujui:
Pembimbing I, Pembimbing II,
Ir. Hanedi Darmasetiawan, M.S Ahmad Aminudin, M.Si NIP : 130 367 084
Mengetahui:
Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Dr. Drh. Hasim, DEA NIP : 131 578 806
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 2002-2003, 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.
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
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
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 ... 2Gambar 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
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
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).
