BAB II DASAR TEORI. Variabel/objek Sensor/ Transducer. Gambar 2.1 Diagram blok sistem pengukuran. Kontroler Aktuator Plant.

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 Pengertian Sistem Pengukuran dan Kontrol Pengukuran adalah suatu proses kegiatan yang bertujuan untuk menentukan nilai suatu besaran dalam bentuk angka. Pada umumnya sistem pengukuran dapat dibagi menjadi tiga elemen utama yaitu sensor/transducer, pengkondisi sinyal, dan display Variabel/objek Sensor/ Transducer Pengkondisi sinyal Display Gambar 2.1 Diagram blok sistem pengukuran Dalam alur proses pengukuran pertama adalah sensor atau transducer, sensor atau transducer berfungsi sebagai alat ukur. Kemudian dari sensor masuk ke pengkondisi sinyal, pengkondisi sinyal berfungsi untuk mengolah sinyal yang dihasilkan oleh sensor atau transducer agar sinyal tersebut bisa digunakan untuk mengaktifkan display, display berfungsi menampilkan hasil dari proses pengkondisi sinyal. Sistem kontrol adalah sistem yang terdiri dari beberapa elemen sistem yang dapat mengendalikan atau mengatur suatu besaran tertentu. Komponenkomponen yang terdapat dalam sistem kontrol dapat lebih mudah digambarkan dengan diagram blok. Set Point Kontroler Aktuator Plant Output Feedback Gambar 2.2 Diagram blok sistem kontrol Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 4

2 Dari diagram blok sistem kontrol alur perjalanannya adalah, Set Point: Nilai dari controlled variable yang diinginkan Error detector: Pembanding set point dengan sinyal feedback, dan menghasilkan sinyal output yang sesuai dengan perbedaan tersebut Kontroler: Otak dari sistem. Ia menerima error sebagai input dan menghasilkan sinyal kontrol yang menyebabkan controlled variable menjadi sama dengan set point Aktuator: alat yang secara fisik melakukan keinginan kontroler dengan suntikan energi tertentu Plant: Proses tertentu yang dikontrol oleh sistem Output: Variabel aktual yang diawasi dan dijaga pada nilai tertentu yang diinginkan di dalam proses. Feedback: Output dari measurement device. 2.2 Mikrokontroler Arduino Arduino adalah platform prototipe elekronik open-source, yang berdasarkan perangkat keras dan lunak yang fleksibel dan mudah digunakan. Arduino diperuntukan bagi seniman, desainer, hobiis dan siapa pun yang tertarik untuk membuat alat yang interaktif. Arduino secara fisik adalah mikrokontroler. Arduino adalah perangkat keras berbentuk rangkaian elektronik dengan ukuran yang kecil dan berfungsi sebagai kontroler. Dihubungkan dengan sensor yang akan memberikan informasi keadaan obyek atau lingkungan di sekitarnya, kemudian mengolah informasi tersebut lalu menghasilkan suatu aksi. Proses ini akan dilakukan berulang- ulang. Dalam tugas akhir ini penulis menggunakan board mikrokontroler Arduino Mega 2560 R Arduino Mega 2560 Arduino mega 2560 adalah piranti mikrokontroler menggunakan ATmega2560. Modul ini memiliki 54 digital input atau output. Dimana 14 pin Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 5

3 digunakan untuk PWM output dan 16 pin digunakan sebagai analog input, 4 pin untuk UART, 16 MHz osilator kristal, koneksi USB, power jack ICSP header, dan tombol reset. Modul ini memiliki segala yang dibutuhkan untuk memprogram mikrokontroler seperti kabel USB dan catu daya melalui adaptor atau batterai. Semua ini diberikan untuk mendukung pemakain mikrokontroler Arduino, hanya terhubung ke komputer dengan kabel USB atau listrik dengan adaptor dari AC ke DC atau batterai untuk memulai pemakaian. Arduino Mega kompatibel dengan shiled yang dirancang untuk Arduino Duemilanove, Decimila maupun UNO. Gambar 2.3 Arduino Mega 2560 (sumber: arduino.cc) Spesifikasi : Mikrokontroler : ATmega 2560 Operating Voltage : 5V Input Voltage (recommended): 7 12 V Input Voltage (limits) : 6 20 V Digital I/O Pins : 54 (15 PWM output) Analog Input Pins : 16 DC current for I/O pin : 40 ma DC current for 3.3 V pin : 50 ma Flash Memory :256 KB (8 KB digunakan untuk bootloader) SRAM : 8 KB EEPROM : 4 KB Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 6

4 Clock Speed : 16 MHz Shield Arduino Shield adalah istilah untuk modul tambahan pada mikrokontroler Arduino. Karena cara menggunakan modul tambahan pada Arduino adalah dengan cara menumpuk dibagian atas board mikrokontroler Arduino, maka diberi istlah shield LCD Shield LCD shield Arduino merupakan LCD yang dapat dipasang langsung diatas board Arduino, tanpa menyolder dan tanpa kabel. LCD shield ini menggunakan Chip HDD44780 dan merupakan LCD karakter 16 x 2 berwarna putih dengan lampu backlight berwarna biru. Gambar 2.4 LCD Shield Arduino (sumber: SD Module SD module shield dari DFR robot merupakan break out board untuk standar SD card. Modul ini berfungsi untuk penyimpanan data. Spesifikasi Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 7

5 Gambar 2.5 SD module (sumber: Dapat digunakan untuk SD card dan Micro SD (TF) card Terdapat slot untuk SD card Kompatibel dengan mikrokontroler Arduino Bisa digunakan dengan berbagai jenis mikrokontroler Bahasa Program Arduino Arduino menggunakan bahasa program dengan bahasa C. Bahasa ini sudah dipermudah dengan menggunakan fungsi- fungsi yang sederhana sehingga pemula pun bisa mempelajarinnya dengan cukup mudah. Berikut adalah penjelasan singkat mengenai karakter bahasa C dan software Arduino. 1. Struktur Setiap pemrograman Arduino (sketch) mempunyai dua buah fungsi yang harus terdapat dalam setiap bahasa pemrograman pada Arduino. void setup ( ) { } Semua kode didalam kurung kurawal akan dijalankan hanya satu kali ketika program Arduino dijalankan untuk pertama kalinya. void loop ( ) { } Fungsi ini akan dijalankan setelah setup (fungsi void setup) selesai. Setelah dijalankan satu kali fungsi ini akan dijalankan lagi, dan secara terus menerus sampai catu daya dilepaskan. 2. Syntax Berikut ini adalah elemen bahasa C yang dibutuhkan untuk format penulisan // (komentar satu baris) Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 8

6 Kadang diperlukan untuk memberi catatan pada diri sendiri apa arti kodekode yang dituliskan pada beberapa baris sebagai komentar. Semua hal yang terletak di antara dua simbol tersebut akan diabaikan oleh program. /* */ (komentar banyak baris) Digunakan untuk membuat banyak catatan yang dapat dituliskan pada beberapa baris sebagai komentar. Semua hal yang terletak di antara dua simbol tersebut akan diabaikan oleh program. { } (kurung kurawal) Digunakan untuk mendefinisikan kapan blok program mulai berakhir (digunakan juga pada fungsi dan pengulangan). ; (titik koma) Setiap baris kode harus diakhiri dengan tanda titik koma (jika ada titik koma yang hilang maka program tidak akan bisa dijalankan). 3. Variabel Sebuah program secara garis besar dapat didefinisikan sebagai instruksi untuk memindahkan angka dengan cara yang cerdas. Variabel inilah yang digunakan untuk memindahkannya. int(integer) Digunakan untuk menyimpan angka dalam 2 byte (16 bit). Tidak mempunyai angka desimal dan menyimpan nilai dari dan long(long) Digunakan ketika integer tidak mencukupi lagi. Memakai 4 byte (32 bit) dari memori (RAM) dan mempunyai rentang dari dan boolean(boolean) Variabel sederhana yang digunakan untuk menyimpan nilai TRUE (benar) atau ELSE (salah). Sangat berguna karena hanya menggunakan 1 bit dari RAM. float(float) Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 9

7 Digunakan untuk angka desimal (floating point). Memakai 4 byte (32 bit) dari memori (RAM) dan mempunyai rentang dari -3, E+38 dan 3, E+38. char(character) Menyimpan 1 karakter menggunakan kode ASCII (misalnya A = 65) Hanya memakai 1 byte (8 bit) dari RAM. 4. Operator Matematika Operator matematika digunakan untuk manipulasi angka (bekerja seperti matematika yang sederhana). = Membuat sesuatu menjadi sama dengan nilai yang lain (misalnya: x=10*2, x sekarang sama dengan 20). % Menghasilkan sisa dari hasil pembagian suatu angka dengan angka yang lain (misalnya: 12% 10, ini akan menghasilkan angka 2). + Penjumlahan - Pengurangan * Perkalian / Pembagian 5. Operator pembanding Digunakan untuk membandingkan nilai logika. == Sama dengan (misalnya: 12 == 10 adalah FALSE (salah) atau 12 == 12 adalah TRUE (benar)).!= Sama dengan (misalnya: 12! = 10 adalah TRUE (benar) atau 12!= 12 adalah FALSE (salah). Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 10

8 < Lebih kecil dari (misalnya: 12 < 10 adalah FALSE (salah) atau 12 < 12 adalah FALSE (salah) atau 12 < 14 adalah TRUE (benar)). > Lebih besar dari (misalnya: 12 > 10 adalah TRUE (benar) atau 12 >12 adalah FALSE (salah) atau 12 > 14 adalah FALSE (salah)). 6. Struktur pengaturan Program sangat tergantung pada pengaturan apa yang akan dijalankan berikutnya, berikut ini adalah elemen dasar pengaturan. 1. if.. else, dengan format seperti berikut ini: 2. if (kondisi) {} 3. else if (kondisi) {} 4. else {} Dengan struktur seperti diatas program akan menjalankan kode yang ada didalam kurung kurawal jika kondisinya TRUE, dan jika tidak FALSE maka akan diperiksa apakah kondisi pada else if dan jika kondisinya FALSE maka kode pada else yang akan dijalankan. 1. for, dengan format seperti berikut ini: for(int i = o;i < #pengulangan; i++) {} Digunakan bila ingin melakukan pengulangan kode didalam kurung kurawal beberapa kali, ganti #pengulangan dengan jumlah pengulangan yang diinginkan. Melakukan perhitungan ke atas dengan i++ atau ke bawah dengan i Digital 1. pinmode(pin, mode) Digunakan untuk menetapkan mode dari suatu pin, pin adalah nomor pin yang akan digunakan dari 0 19 (pin analog 0 5 adalah 14-19). Mode yang bisa digunakan adalah input atau output. 2. digitalwrite(pin, value) Ketika sebuah pin ditetapkan sebagai output, pin tersebut dapat dijadikan HIGH (ditarik menjadi 5 volts) atau LOW (diturunkan menjadi ground). 3. digitalread(pin) Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 11

9 Ketika sebuah pin ditetapkan sebagai input maka anda dapat menggunakan kode ini untuk mendapatkan nilai pin tersebut apakah HIGH (ditarik 5 volts) atau LOW (diturunkan menjadi ground). 8. Analog 1. analogwrite(pin, value) Beberapa pin pada Arduino mendukung PWM (pulse width modulation) yaitu pin 3, 5, 6, 9, 10, 11. Pin ini dapat merubah pin hidup (on) atau mati (off) dengan sangat cepat sehingga membuatnya dapat berfungsi seperti keluaran analog. Nilai pada format kode tersebut adalah angka antara 0 (0% duty cycle ~ 0V) dan 255 (100% duty cycle ~ 5V). 2. analogread(pin) Ketika pin analog ditetapkan sebagai input maka pin tersebut dapat membaca keluaran voltasenya. Keluarannya berupa angka antara 0 (untuk 0 volts) dan (untuk 5 volts) Software Arduino Arduino diciptakan untuk pemula bahkan yang tidak memiliki basic bahasa pemrograman sama sekali, karena untuk pemrograman Arduino menggunakan bahasa C Arduino yang telah dipermudah melalui library (arduino.cc). Arduino menggunakan software processing yang digunakan untuk menulis program kedalam Arduino. Processing sendiri merupakan penggabungan antara bahasa C++ dan java software. Software Arduino ini dapat di-instal diberbagai operating system (OS) seperti: LINUX, Mac OS, dan Windows. Software (Integrated Development Environment) IDE Arduino terdiri dari tiga bagian yaitu : 1. Editor program, untuk menulis dan mengedit program dalam bahasa processing. Listing program pada Arduino disebut sketch. 2. Compiler, modul yang berfungsi mengubah bahasa processing (kode program) kedalam kode biner karena kode biner adalah satu- satunya bahsa program yang dipahami oleh microcontroller. Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 12

10 3. Uploader, modul yang berfungsi memasukan kode biner kedalam memori microcontroller. Gambar 2.6 Software Arduino Struktur perintah Arduino secara garis besar terdiri dari dua bagian yaitu void setup dan void loop. Void setup berisi perintah yang akan dieksekusi hanya satu kali sejak Arduino dihidupkan sedangkan void loop berisi perintah yang akan dieksekusi berulang- ulang selama Arduino dinyalakan. 2.3 Sensor Sensor adalah jenis tranduser yang dapat mengubah besaran mekanis, magnetis, panas, sinar, dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. D Sharon, dkk (1982), mengatakan sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejala-gejala atau sinyal-sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi seperti energi listrik, energi fisika, energi kimia, energi biologi, energi mekanik dan sebagainya. Sensor sering digunakan untuk pendeteksian pada saat melakukan pengukuran. Dalam tugas akhir ini penulis menggunakan sensor thermocouple tipe k, Sensor LM35 DZ Sensor Thermocouple Thermocouple adalah sensor temperatur yang banyak digunakan untuk mengubah perbedaan temperatur suatu benda menjadi perubahan tegangan listrik (voltase). Thermocouple terdiri atas dua logam yang berbeda (tingkat kepadatan Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 13

11 elektron berbeda) yang satu ujungnya digabung menjadi satu. Sambungan logam pada termokopel terdiri dari dua sambungan, yaitu : Reference Junction ( Cold Junction ) merupakan sambungan acuan yang suhunya dijaga konstan dan biasanya diberi suhu yang dingin. Measuring Junction ( Hot Junction ) merupakan sambungan yang dipakai untuk mengukur suhu atau disebut juga sambungan panas. Dalam tugas akhir ini penulis menggunakan sensor thermocouple tipe K dan penguatnya IC AD595. Gambar 2.7 Sistem Pengukuran Temperatur dengan Thermocouple AD595 cold junction thermocouple tipe K AD595 adalah amplifier-compensator linier yang terdapat pada suatu chip monolitas yang menghasilkan keluaran 10mV/C secara langsung dari thermocouple. Cold junction dapat digunakan untuk memperkuat tegangan kompensasinya secara langsung, dengan mengubah menjadi celcius transducer dengan suatu keluaran voltase impedansi rendah. Berikut ini adalah implementasi AD595 dengan thermocouple tipe K Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 14

12 Gambar 2.8 Rangkaian thermocouple dengan AD595 (sumber: data sheet AD595) Sensor LM 35 DZ Sensor LM35 DZ adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran temperatur menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. Gambar 2.9 Sensor temperatur LM 35 (sumber: data sheet LM35) Adapun prinsip kerja IC temperatur sensor LM 35 DZ adalah sebagai berikut : Temperatur lingkungan di deteksi menggunakan bagian IC yang peka terhadap temperatur. Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 15

13 temperatur lingkungan ini diubah menjadi tegangan listrik oleh rangkaian di dalam IC, dalam proses tersebut perubahan temperatur berbanding lurus dengan perubahan tegangan output. Pada seri LM35 DZ V out =10 mv/ o C Tiap perubahan 1 o C akan menghasilkan perubahan tegangan output sebesar 10mV Sedangkan kelemahan dan kelebihan LM 35 adalah sebagai berikut : Rentang temperatur antara -55 sampai +150 o C Low self-heating, sebesar 0.08 o C Vout=10 mv/ o C (Tiap kenaikan 1 o C akan menghasilkan kenaikan tegangan output sebesar 10mV) 2.4 Relay DI-Relay 2 adalah modul relay SPDT (Single Pole Double Throw) yang memiliki ketahanan yang baik terhadap arus dan tegangan yang besar, baik dalam bentuk AC maupun DC. Aplikasi driver relay ini adalah sebagai electronic-switch yang dapat digunakan untuk mengendalikan ON/OFF peralatan listrik berdaya besar. Gambar 2.10 DI-Relay 2 (sumber: depokinstruments.com) Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 16

14 2.5 Sistem Refrigerasi Miniatur Hujan Salju Buatan Sistem refrigerasi miniatur hujan salju menggunakan dua sistem refrigerasi kompresi uap, dan 1 sistem pompa air. Dalam pembuatan salju temperatur kabin didinginkan hingga temperatur -20 O C dan temperatur air didinginkan hingga temperatur 1 O C. setelah temperatur kabin dan temperatur air tercapai maka pompa air menyala dan menyemburkan butiran air ke dalam kabin. Butiran air yang tersembur ke dalam kabin akan berubah menjadi salju. Liquid receiver Sight glass Filter Dryer TXV Kondensor abin Ai Evaporator Nozzle Kabin Kondensor Kompressor Kompressor Strainer Evaporator Pompa Air Liquid receveir Kabin air gambar 2.11 Sistem refrigerasi miniatur hujan salju Dalam tugas akhir ini penulis akan membuatkan sistem kontrol pada alat miniatur hujan salju buatan. Sistem yang dikontrol adalah sistem refrigerasi untuk kabin dan sistem refrigerasi untuk kabin air. Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 17