BAB 3. Implementasi Modul Kontrol Temperatur

Transkripsi

1 BAB 3 Implementasi Modul Kontrol Temperatur 3.. Perangkat Keras Kontroler PID Digital dan plant Gambar 3. menunjukkan kontroler PID digital beserta plant dan aktuatornya. Modul kontrol temperatur terdiri dari satu buah resistor variabel (Tuning) yang berfungsi sebagai pengatur setting point (SP) dan parameterparameter kontroler PID (K P, K I, K D ). Nilai parameter yang telah ditentukan dengan menggunakan resistor variabel tersebut kemudian dimasukan dengan penekanan tombol. parameter yang pertama dimasukkan adalah SP, kemudian K P, K I, dan diakhiri dengan pemasukan K D. Dengan penekanan tombol sekali lagi sistem kontrol temperatur akan berjalan. Modul kontrol temperatur yang dirancang menggunakan dua buah mikrokontroler PIC8F450. Mikrokontroler yang pertama berfungsi sebagai kontroler yang akan mengolah data yang masuk yaitu error dan parameterparameter kontrol PID (K P, K I, dan K D ) untuk menghasilkan sinyal kontrol. Sinyal kontrol yang dihasilkan dari mikrokontroler kemudian dikonversi ke dalam bentuk analog dengan bentuk sinyal PWM (pulse-width modulation), sinyal kontrol ini kemudian dikuatkan lalu dikirimkan ke aktuator untuk mengontrol temperatur plant. Aktuator yang digunakan dalam modul kontrol ini berupa lampu sebagai pemanas (Pemanas ) dan kipas (Pendingin ) yang berfungsi sebagai pendingin. Respon temperatur dari plant kemudian dikembalikan ke mikrokontroler melalui 0

2 sensor temperatur untuk dievaluasi error-nya. Sensor temperatur yang digunakan adalah LM35 dengan karakteristik 0 mv/ 0 C. Gangguan SP + ADC Kontroler DAC Aktuator Plant _ Y(t) ADC Gambar 3. Kontroler PID digital beserta aktuator dan plant-nya Mikrokontroler yang kedua berfungsi sebagai penghasil sinyal gangguan yang dibentuk dari pemanas dan pendingin. Penekanan tombol akan

3 menyalakan pemanas, penekanan tombol 3 akan menyalakan pendingin, serta penekanan tombol 4 akan mematikan pemanas dan pendingin Rangkaian sensor temperatur R3 K VCC LM35 3 VCC R 3K Input 3 4 A U4A TL084ACN RA -VCC Gambar 3. Sensor Temperatur Sensor temperatur yang ditunjukkan dalam Gambar 3. menggunakan LM35 dengan karakteristik 0 mv/ 0 C 6). Pada suhu 00 0 C, keluaran LM35 akan bernilai V sehingga agar mendapatkan nilai ADC maksimum pada 00 0 C, maka output dari LM35 dikalikan 5 kali sehingga akan bernilai 5 V pada saat suhu 00 0 C. 3 A R = + R (3.) A = + = 5 3 (3.)

4 3 Sinyal dari penguat ini kemudian masuk ke pin RA (AN) mikrokontroler PIC8F450. ADC yang digunakan berupa ADC internal dengan resolusi 0 bit Mikrokontroler PIC8F450 (a)

5 4 (b) Gambar 3.3 Device mikrokontroler PIC8F450 (a) dan diagram blok mikrokontroler PIC8F450 (b) Mikrokontroler yang digunakan sebagai pengontrol adalah PIC8F450 dari keluarga microchip. Mikrokontroler ini memiliki fitur: kali baca/tulis flash memori. Single-supply 5V in circuit

6 5 3. Pemrograman menggunakan ICSP (In Circuit Serial Programming) melalui dua kabel 4. 3 Kbyte flash memori 5. sumber PWM 6. 3 sumber interupsi eksternal 7. 3 timer 8. Komunikasi serial (USART) 9. 3 channel ADC internal 0 bit pin I/O yang terbagi ke dalam 5 port File hexa yang telah dibuat dengan menggunakan software aplikasi MPLAB dimasukkan ke dalam mikrokontroler dengan menggunakan rangkaian ICSP seperti terlihat pada Gambar T BC307 T BC37 D N448 R5 K 3 R 4K7 R 4K7 R3 0K D8 N448 U7 LM78LACZ 3 OUT IN C4 GND 00nF D9 N448 C6 00nF C5 00nF +5 R4 680 DS LED JP Header 5 RB7 RB6 D3 D4 BAT4 BAT4 C7 uf R R K 0K D7 5.V J D5 BAT4 D6 BAT4 D Connector 9 Gambar 3.4 Rangkaian downloader ICSP

7 6 Sedangkan software programmer yang digunakan untuk mendownloadkan program (file hex) ke dalam mikrokontroler digunakan WinPIC seperti ditunjukkan pada Gambar 3.5. Gambar 3.5 Programmer WINPIC 3... Port I/O mikrokontroler Mikrokontroler PIC8F450 memiliki 36 buah pin I/O yang terbagi ke dalam 5 buah port yaitu 8 pin pada PORTA, 8 pin pada PORTB, 8 pin pada PORTC, 8 pin pada PORTD, dan 4 pin pada PORTE. Dari 3 pin I/O yang dimiliki oleh mikrokontroler PIC8F450 terdapat pin yang biasa digunakan untuk osilator eksternal, pin yang digunakan untuk mereset mikrokontroler, dan 3 pin bisa digunakan sebagai input ADC seperti terlihat pada gambar 3.3(b).

8 7 Fungsi port sebagai input atau output dikontrol melalui register yang bernama register TRIS. Register TRIS harus diberi nilai nol untuk membuat port I/O berfungsi sebagai output, dan diberi nilai untuk membuat port berfungsi sebagai input ADC internal Mikrokontroler bekerja secara digital sehingga jika ada sinyal analog yang akan masuk pada mikrokontroler, sinyal ini harus dikonversi terlebih dahulu ke dalam bentuk digital. Mikrokontroler PIC8F450 telah dilengkapi dengan ADC (Analog to Digital Converter) internal sebanyak 3 channel dengan resolusi sebesar 0 bit.

9 8 Gambar 3.6 Diagram blok ADC internal Gambar 3.6 menunjukkan diagram blok ADC internal yang terdapat pada mikrokontroler PIC8F450. Mikrokontroler ini dilengkapi juga dengan multiplexer yang berguna untuk memilih channel input analog yang akan digunakan. Secara umum, kerja dari modul ADC ini dikontrol oleh 3 register yaitu ADCON0, ADCON, dan ADCON. ADCON0 berfungsi untuk mengontrol operasi modul ADC yang digunakan, ADCON berfungsi sebagai pengontrol konfigurasi pin-pin pada port yang digunakan (pin yang digunakan untuk input

10 9 ADC harus dikonfigurasi pada mode analog), sedangkan ADCON berfungsi sebagai pengatur sumber clock dari modul ADC yang digunakan. Hasil dari konversi ADC ini kemudian disimpan ke dalam register yaitu ADRESH : ADRESL, byte tinggi disimpan di ADREH sedangkan byte rendah disimpan di ADRESL. Pada aplikasi yang dibuat, channel AN0 digunakan sebagai input dari sensor yang berfungsi sebagai feed back bagi sistem kontrol yang dibuat PWM (Pulse Width Modulator) Mikrokontroler PIC8F450 terdapat dua buah pin yang bisa mengeluarkan sinyal PWM yaitu CCP dan CCP. Dalam mode ini pin CCPx akan menghasilkan output PWM dengan resolusi 0 bit. Sebuah output PWM (Gambar 3.7) mempunyai waktu dasar (perioda) dan waktu pada saat sinyal output berada pada logika High (duty cycle). Frekuensi dari PWM merupakan kebalikan dari periodanya (/perioda). Gambar 3.7 Output PWM

11 0 Perioda PWM dapat diatur dengan memberi nilai pada register PR. perioda PWM dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 3.. ( ) 4 ( ) Perioda PWM = PR + T nilai PrescaleTMR OSC (3.) Dalam penelitian ini digunakan PR sebesar 0xff atau 56 dalam bilangan desimal, dan nilai prescaler timer yang digunakan sebesar 6. pada rangkaian aplikasi ini digunakan kristal (oscillator) sebesar 0 MHz sehingga T osc sebesar /0MHz = 0, detik. Dengan memasukan data-data di atas ke dalam persamaan 3. diperoleh perioda PWM. [ ] Perioda PWM = , PeriodaPWM = 0, detik =,6384ms PWM duty cycle diperoleh dengan memberi nilai pada CCPRxL dan CCPxCON<5:4>. PWM duty cycle ini memiliki resolusi 0 bit. Byte tinggi disimpan ke CCPRxL dan dua bit rendah disimpan ke CCPxCON<5:4>. Nilai duty cycle bisa dihitung dengan Persamaan 3. PWM Duty Cycle = ( CCPRxL : CCPxCON < 5:4 > ) TOSC ( TMR PrescalerValue) (3.) Sebagai contoh untuk menghitung PWM 00%, maka nilai CCPRxL:CCPxCON harus diberi 03 PWM Duty Cycle = 03 0, = 0,006368s=, 6368ms Persentase PWM diperoleh dengan membandingkan antara waktu duty cycle dengan perioda dikali 00%

12 , 6368ms PWM = 00%,6384ms PWM = 99, % 00% Dari hasil perhitungan, persentase PWM maksimum PWM diperoleh sebesar 99,9% mendekati 00% Komunikasi serial mode asinkron (EUSART Asynchronous ) Modul EUSART (Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) merupakan salah satu komunikasi serial yang memungkinkan untuk berkomunikasi dengan PC atau aplikasi lainnya. Data yang dikirim maupun diterima oleh mikrokontroler akan disimpan terlebih dahulu dalam buffer. Buffer untuk mengirimkan data adalah TXREG sedangkan buffer yng digunakan pada saat menerima data adalah RCREG. Terdapat dua jenis dari EUSART yaitu mode synchronous dan mode asynchronous. EUSART mode synchronous melakukan komunikasi antar dua prosesor dengan menggunakan satu buah oscillator atau dua buah osilator yang tepat sama baik itu frekuensinya maupun waktu pulsa pada osilator pada keadaan high dan low. Hal ini tentu sangat sulit diperoleh jika menggunakan dua buah osilator. Sedangkan EUSART mode Asynchronous melakukan komunikasi data antar dua prosesor dengan menggunakan dua sumber osilator yang berbeda. Komunikasi EUSART mode asybchronous melibatkan tiga register kontrol yaitu TXSTA, RCSTA dan BAUDCON. TXSTA berfungsi sebagai pengontrol pengiriman data dari mikrokontroler ke PC, RCSTA berfungsi sebagai pengontrol penerimaan data dari PC ke mikrokontroler, sedangkan BAUDCON

13 berfungsi sebagai pengatur baudrate yang digunakan. Baudrate berpengaruh pada kecepatan transfer data yang dilakukan, biasanya menggunakan satuan bps (bit per second). Baud rate ini dihasilkan oler baud rate generator (BRG). BRG menyediakan 8 bit atau 6 bit generator yang mendukung pada komunikasi serial baik itu mode synchronous maupun asynchronous. Pada dasarnya BRG beroperasi pada mode 8 bit. Agar beroperasi pada mode 6 bit, BRG6 (BAUDCON<3>) harus diset menjadi berlogika. SPBRGH:SPBRG merupakan sepasang register yang mengontrol perioda timer yang berjalan bebas. Dalam mode asynchronous bit BRGH(TXSTA<>) dan BRG6(BAUDCON<3>) juga ikut mengontrol baud rate. Pada baudrate synchronous bit BRG tidak berpengaruh pada baud rate. Tabel 3. menunjukkan persamaan untuk pehitungan baud rate. Tabel 3. Persamaan Baudrate SYNC Konfigurasi bit BRG6 BRGH BRG/EUSART MODE Persamaan Baud Rate bit/Asynchronous F OSC /[64(n+)] bit/Asynchronous bit/Asynchronous F OSC /[6(n+)] 0 6-bit/Asynchronous F OSC /[4(n+)]

14 3 0 x 8-bit/Asynchronous x 6-bit/Asynchronous Lebih lengkapnya dapat dilihat pada table baud rate untuk mode asynchronous pada Lampiran. Pada penelitian ini digunakan EUSART mode asynchronous, mode 8 bit dan baud rate Rangkaian aktuator RC 5 RC 7 0 RC5 6 8 U0 IN IN IN3 IN4 EN A EN B GND VSS VS OUT OUT OUT3 OUT4 ISEN A ISEN B VCC 9 4 OUT 3 OUT C0 00nF Pemanas (Lampu) Pendingin (Kipas) L98N Gambar 3.8 Rangkaian driver PWM Output PWM dari mikrokontroler keluar melalui pin RC dan RC seperti diberikan pada Gambar 3.8. PWM ini mempunyai daya yang lemah sehingga perlu dikuatkan lagi dayanya untuk mengaktifkan kipas dan lampu. Dalam penelitian ini digunakan IC driver L98N sebagai penguat daya.

15 Tampilan peraga LCD VCC 3 VCC R7 47K Q BC307 RP 0K 3 RE0 RE RE RD0 RD RD RD3 RD4 RD5 RD6 RD Cn Rs Rw E D0 D D D3 D4 D5 D6 D7 5 6 A LCDX6 K Gambar 3.9 Rangkaian Peraga LCD LCD pada aplikasi ini berfungsi sebagai display dari suhu yang terukur, setting point (SP), K P, K I, dan K D. LCD yang digunakan pada aplikasi ini adalah LCD dot matrks 6x yang dapat menampilkan 3 karakter dalam dua baris. Tampilan peraga LCD menggunakan dua port mikrokontroler yaitu Port D sebagai komunikasi data dan Port E sebagai pengontrol LCD. Resistor variabel RP dipakai sebagai pembagi tegangan yang berfungsi untuk mengatur kontras LCD.

16 Rangkaian Komunikasi serial RS3 C4 C3 3 0uF 4 5 0uF RC6 0 RC7 9 5 U8 C+ C- C+ C- TIN TIN VDD VCC TOUT TOUT ROUT RIN ROUT RIN GND VEE MAX3ACPE C5 VCC 6 0uF C6 0uF JP3 0 D Connector 9 Gambar 3.0 Rangkaian komunkasi serial RS3 Modul kontrol yang dibuat dilengkapi pula dengan komunikasi serial RS3 untuk berkomunikasi dengan PC. Tegangan yang keluar dari PC (RS3) sebesar +3V sampai +5V untuk logika 0, dan -3V sampai -5V untuk logika. Sinyal ini perlu dikonversi dulu ke bentuk TTL sebelum masuk ke aplikasi (mikrokontroler), dan juga sebaliknya sinyal dari mikrokontroler perlu dikonversi dulu ke level RS3 sebelum masuk ke port serial PC. Konverter yang paling mudah digunakan adalam MAX-3. Di dalam IC ini terdapat Charge Pump yang yang akan membangkitkan tegangan +0V dan -0V dari sumber tegangan +5V tungal. Dalam aplikasi ini nilai temperatur yang terukur akan dikirimkan ke PC sekitar setiap detik.

17 6 3.. Perangkat Lunak 3... Program Utama Program Utama START Inisialisasi Baca Parameter SP, KP, KI, KD dt =0, detik? tidak Ya ya Baca Temperatur Plant Hitung Error Temperatur PID Kontroler Update PWM Kirim Data Temperatur Ke LCD t = detik? Tidak Ya Kirim Data Temperatur ke PC Gambar 3. Diagram alir kontroler PID Digital

18 7 Perangkat lunak yang diaplikasikan dalam mikrokontroler diawali dengan inisialisasi (Gambar 3.). Inisialisasi berfungsi untuk menginisialisasi port yang akan digunakan sebagai input atau output, penginisialisasian komunikasi serial, penginisialisasian ADC, penginisialisasian penulisan ke LCD, penginisialisasian PWM, serta penginisialisasian interupsi eksternal dan timer. Tahap selanjutnya program dilakukan dengan membaca parameterparameter yang dibutuhkan (SP, K P, K I, K D ). Pembacaan ini memanfaatkan resistor variable yang difungsikan sebagai pembagi tegangan yang mana nilai tegangannya bisa diatur, data tegangan dari resistor variabel kemudian dikonversikan ke bentuk digital oleh ADC internal. Setiap terjadi interupsi eksternal, hasil pembacaan ADC disimpan di memori dalam mikrokontroler. Terdapat empat kali interupsi eksternal, pertama untuk menentukan SP, kedua untuk menentukan K P, ketiga untuk menentukan K I, keempat untuk menentukan K D. Jadi, keempat parameter tersebut akan tersimpan semuanya di mikrokontroler, interupsi yang kelima berfungsi untuk memerintahkan mikrokontroler mengeksekusi tahap selanjutnya. Setelah parameter-parameter disimpan, nilai ini akan dikontrol dengan menggunakan algoritma PID, de() t mt () = KPet () + KI etdt () + KD (3.) dt dengan K I K K = K T. P =, dan D P* D TI Secara sederhana algoritma PID bisa diungkapkan sebagai PID = P + I + D (3.3)

19 8 P = K * error (3.4) P I = K * jumlah error yang sudah terjadi * dt (3.5) I ( error saat ini error yang lalu) D= KD (3.6) dt Dengan dt adalah perubahan waktu antara error yang terjadi saat ini dengan error sebelumnya, dt bisa dsebut juga lamanya satu siklus kontroler terjadi. Nilai dt pada kontroler ini sebesar 0, detik dengan memanfaatkan fasilitas timer dari timer3 pada mikrokontroler PIC8F450, tetapi nilai temperatur (dalam bentuk digital) yang dikirimkan ke PC dilakukan selama detik sekali. Hasil dari PID kontroler ini kemudian akan memperbaharui duty cycle dari PWM yang dihasilkan. Kemudian temperatur plant akan diukur oleh sensor dan kemudian akan diperoleh error baru. Peristiwa ini akan terus menerus dilakukan sampai sistem dimatikan. Proses pembaharuan duty cycle terjadi jika ada error yang terjadi, pembaharuan duty cycle tidak akan dilakukan jika tidaka ada error yang terjadi. Kontroler PID digital bekerja berdasarkan error yang terjadi Program Pendukung 3... Subrutin program ADC ADC yang digunakan dalam aplikasi kontrol temperatur ini adalah channel 0 (AN0) dan channel (AN). AN0 berfungsi untuk menentukan setting awal seperti setting point (SP), K P, K I, K D. sedangkan AN berfungsi untuk mengkonversi nilai tegangan yang diterima dari sensor suhu ke dalam bentuk digital. Diagram alir untuk proses konversi ADC terlihat pada Gambar 3..

20 9 START Set analog input Pilih Channel ADC Set Waktu Konversi ADC Aktifkan modul ADC (Konversi ADC mulai) Konversi Selesai? Tidak Ya Baca Buffer ADC END Gambar 3. Diagram alir konversi ADC internal 3... Subrutin program PWM PWM digunakan untuk mengontrol daya yang digunakan untuk pemanas atau pendingin. Persentase daya untuk pemanas atau pendingin sebanding pada persentasi duty cycle pada PWM yang digunakan. Diagram alir pengontrolan PWM terlihat pada Gambar 3.3.

21 30 START Set Perioda PWM Set Duty Cycle END Gambar 3.3 Diagram alir generator PWM Subrutin peraga LCD Peraga LCD menggunakan dua port yaitu PORTD dan PORTE. PORTD berfungsi sebagai jalur komunikasi data dan PORTE berfungsi sebagai jalur kontrol. Diagram alir penulisan LCD ditunjukkan pada Gambar 3.4. START PORTD:PORTE Digital Output Set Posisi Penulisan LCD Tulis Data END Gambar 3.4 Diagram alir penulisan LCD

22 Subrutin komunikasi serial RS3 Komunikasi serial RS3 digunakan untukmengirimkan nila K P, K I, K D, dan SP pada proses kontrol dimulai. Nilai temperatur sebenarnya yang terukur dikirimkan setiap satu detik sekali. Diagram alir pengiriman data secara serial ke PC terlihat pada Gambar 3.5. START Set mode 8 bit Asynchronous Set baud rate 9600 Kirim ke PC END Gambar 3.5 Diagram alir komunikasi serial RS3