PENGATURAN KESTABILAN SUHU PANAS TERMOELEKTRIK PADA RUANG PENDINGIN MENGGUNAKAN KENDALI PID

Transkripsi

1 PENGATURAN KESTABILAN SUHU PANAS TERMOELEKTRIK PADA RUANG PENDINGIN MENGGUNAKAN KENDALI PID TUGAS AKHIR Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Ahli Madya dari Politeknik Negeri Padang DODI OKTA PRIMA BP: PROGRAM STUDI TEKNIK LISTRIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI PADANG 2017

2 PENGATURAN KESTABILAN SUHU PANAS TERMOELEKTRIK PADA RUANG PENDINGIN MENGGUNAKAN KENDALI PID TUGAS AKHIR Oleh: DODI OKTA PRIMA BP: Telah Disetujui oleh: Pembinbing 1 Pembimbing 2 Wiwik Wiharti, ST.,MT NIP Yefrialdi, ST.,MT NIP

3 HALAMAN PENGESAHAN Tugas akhir yang Berjudul Pengaturan Kestabilan Suhu Panas Termoelektrik Pada Ruang Pendingin Menggunakan Kendali PID telah disidangkan atau dipertanggungjawabkan di depan tim penguji sebagai berikut pada hari Selasa 10 Oktober 2017 di Program Studi Teknik Listrik Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Padang. No Nama Jabatan Tanda Tangan 1. Efendi Muchtar,ST.,MT Nip Ketua Witrionanda,ST.,MT Nip Sekretaris Nasrul Harun, ST.,M.Kom Nip Anggota Wiwik Wiharti,ST.,MT Nip Anggota... Mengetahui: Ketua Jurusan Teknik Elektro Ketua Program Studi Teknik Listrik Dr.H. Afrizal Yuhanef, ST.,M.Kom NIP Herisajani, ST.,M.Kom NIP

4 Ya Tuhanku, berilah aku ilmu pengetahuan dan masukanlah aku kedalam orang-orang yang salih. Dan jadikanlah bagiku pujian yang benar dalam (generasi) yang kemudian. (QS : Asy-Syu araak 83:84) Sesungguhnya sesudah kesukaran itu ada kemudahan. Apabila kamu telah selesai dengan suatu pekerjaan, maka lakukanlah pekerjaan yang lain dengan sungguh-sungguh. (QS : Alam-Nasyrah 6:7) Ya Allah...Ya Rabb terimakasih atas segala kemudahan yang Engkau berikan kepada hamba, alhamdulillah Engkau masih memberikan kesempatan kepada hamba untuk bisa membahagiakan kedua orang tua hamba dan memberikan sedikit kado kecil untuk beliau. Semoga Engkau selalu membimbing hamba agar bisa menjadi sosok yang sabar dan gigih dalam berusaha, tidak mudah mengeluh dan bisa menghargai hidup yang Engkau berikan. Ayah dan Ibu Segalanya dalam hidup Ananda, seberapa banyak pun Ananda menulis untaian kalimat dalam persembahan ini, sampai kapan pun pengorbanan, nasehat dan kasih sayang dari Ayahanda dan Ibunda tak kan pernah tergantikan. Ibunda mengajarkan Ananda untuk bisa menjadi laki-laki yang kuat, tangguh dan pantang menyerah. Ibunda mengajarkan Ananda untuk bisa menjadi sosok laki-laki yang baik hatinya, sabar jiwanya dan santun tutur katanya. Banyak hal yang diajarkan kepada Ananda, tak kenal lelah untuk membimbing Ananda, selalu sabar menghadapi sikap Ananda yang masih seperti anak kecil, selalu merangkul erat saat Ananda mulai menangis, banyak yang ingin Ananda tuliskan Ayah, Ibu...Tapi...tak semuanya Ananda tuliskan dalam persembahan ini, semuanya akan Ananda ceritakan dalam do a Ananda dan akan selalu Ananda jaga di dalam hati Ananda, toga dan gelar A.Md ini Ananda hadiahkan untuk Ayahanda dan Ibunda, semoga kedepannya Ananda bisa memberikan kado indah lebih dari hari ini Ayah, Ibu...sehat selalu Ayah, Ibu...tersenyum selalu untuk kami 4 anak Ayahanda dan Ibunda...doakan Ananda mudah2an bisa menjadi anak yang barokah dunia dan akhirat Ayah, Ibu...Amiin Ya Rabb. Pembimbing Teruntuk Pembimbing Akademik Saya Ibu Fibriyanti, SST.,MT, terimakasih telah menjadi orang tua saya selama saya menjalani masa kuliah ini, dan terimakasih atas pengalaman, ilmu dan kepercayaan yang telah ibu berikan kepada saya. Teruntuk Dosen Pembimbing saya ibuk Wiwik Wiharti, ST.,MT dan bapak Yefrialdi, ST.,MT. Terimakasih yang sebesar-besarnya saya ucapkan atas kesabaran, waktu dan ilmu yang ibuk dan bapak berikan. Mohon maaf saya pernah mengganggu waktu istirahat ibuk dan bapak, pernah menghilang tanpa kabar. Perjuangan ibuk dan bapak dalam membantu saya dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini tidak akan pernah saya lupakan. Semua jasa ibuk dan bapak takkan terbalas, saya selalu mendoakan yang terbaik untuk ibuk dan bapak.

5 Teman-teman Teknik Listrik 3A 14 Terimakasih atas dukungan dan semangat yang kalian berikan, saat suka maupun duka dan yang telah memberikan kesan tersendiri dalam perjalanan kuliah ini.untuk semua temanteman yang tak bisa saya sebutkan satu persatu, suatu kebanggan bagi saya memiliki teman seperti kalian, saya akan mengingat setiap momen yang telah dilalui bersama kalian. Banyak momen sangat baharga yang tak bisa saya lupakan dan salah satunya yaitu masuk ke kolam sipil bersama-sama. Walaupun awalnya saya sangat tidak suka, tetapi setalah itu saya merasa senang dengan tertawa bersama-sama dan hal itu menjadi momen yang tidak bisa saya lupakan. Untuk mereka yang selalu bersahabat dalam tawa Dalam berkeluarga dalam suka Yang menghadirkan warna luar biasa dalam cerita meraih gelar Ahli Madya Kenang-kenangan mungkin tidak akan terulang Tapi setiap lembarnya akan selalu terungkap dalam waktu yang berulang Tak cukup dengan terimakasih Tetapi kasih akan hadir pada setiap hati, baik dekat maupun jauh Betapa mereka begitu melekat dijiwa Jazakallahu khairan Ketika hatimu terlelap berharap kepada seseorang maka Allah timpakan ke atas kamu pedihnya sebuah pengharapan, supaya kamu mengetahui bahwa Allah sangat mencemburui hati yang berharap selain Dia. Maka Allah menghalangimu dari perkara tersebut agar kamu kembali berharap kepada-nya Imam Syaf i Dodi Okta Prima, A.Md.

6 No. Alumni Universitas DODI OKTA PRIMA No. Alumni Fakultas BIODATA a). Tempat/Tanggal Lahir : Pematang Panjang / 10 Oktober 1995 b). Nama Orang Tua: Nurul Bahri dan Masita Yamarni. Fakultas : Politeknik d). Jurusan/Program Studi : Elektro/Teknik Listrik e).no.bp : f). Tgl. Lulus : 10 Oktober 2017 g). Predikat Lulus : Sangat memuaskan h). IPK : 3,57 i). Lama Studi : 3 Tahun 1 Bulan j). Alamat Orang Tua : Jorong Kambuik Koman, Nagari Pematang Panjang, Kecamatan Sijunjung, Kabupaten Sijunjung. PENGATURAN KESTABILAN SUHU PANAS TERMOELEKTRIK PADA RUANG PENDINGIN MENGGUNAKAN KENDALI PID Tugas Akhir DIII Oleh : DODI OKTA PRIMA Pembimbing 1. Wiwik Wiharti, ST., MT Pembimbing 2. Yefrialdi ST.,MT ABSTRAK Ruang pendingin merupakan suatu kebutuhan bagi manusia. Sebagai ruang pendingin, penggunaan kulkas (Refrigerator) mulai meningkat secara signifikan. Sistem ruang pendingin yang umum digunakan sekarang meggunakan sistem kompresor dan gas freon yang dapat merusak lapisan ozon di atmosfer bumi yang berdampak terhadap pemanasan global. Oleh karena itu dibuat alat ruang pendingin dengan menggunakan modul termoelektrik. Modul termoelektrik ini mempunyai 2 sisi elemen, yaitu sisi elemen panas dan sisi elemen dingin. Dalam tugas akhir ini akan dibuat alat ruang pendingin dengan memanfaatkan sisi dingin modul termoelektrik. Untuk memaksimalkan sisi dingin termoelektrik maka suhu panas pada sisi panas termoelektrik harus dijaga kestabilannya secara otomatis yaitu dengan menggunakan kendali PID. Untuk itu dipasang sebuah heatsink dan kipas (fan) sebagai alat bantu untuk mengurangi panas termoelektrik dimana kecepatan putaran kipas (fan) akan bertambah cepat apabila suhu termoelektrik bertambah panas dan kipas akan mati atau kecepatan putaran kipas (fan) akan kembali normal apabila suhu termoelektrik kembali normal. Kata Kunci : Termoelektrik, Suhu Panas, Fan, Sensor Suhu, Arduino Uno, Kendali PID Tugas Akhir ini telah dipertahankan di depan sidang penguji dan dinyatakan lulus pada tanggal 10 Oktober Abstrak telah disetujui oleh penguji. Penguji : Tanda Tangan Nama Terang Efendi Muchtar,ST.,MT Witrionanda,ST.,MT Nasrul Harun,ST.,M.Kom Wiwik Wiharti,ST.,MT Mengetahui : Ketua Jurusan Elektro : Dr. H. Afrizal Yuhanef ST., M.Kom NIP Tanda Tangan Alumnus telah mendaftar ke Fakultas/Universitas dan mendapat Nomor Alumnus : Petugas Fakultas/Universitas Nomor Alumni Fakultas : Nama Tanda Tangan Nomor Alumni Universitas : Nama Tanda Tangan

7 ABSTRAK Pengaturan Kestabilan Suhu Panas Termoelektrik Pada Ruang Pendingin Menggunakan Kendali PID Dodi Okta Prima Seiring dengan perkembangan teknologi pada bidang teknik pendingin membuat manusia berfikir bagaimana cara membuat suatu alat yang bisa memberikan kemudahan, keandalan, kenyaman, ekonomis, ramah lingkungan dan sebagainya. Tidak hanya terbatas pada fungsi namun juga portabilitas dan kemudahan manusia dalam mengoperasikannya. Namun di dalam pembuatan teknologi pendingin manusia menyadari terdapat hal yang merugikan, salah satunya adalah penggunaan bahan kimia yang disebut gas freon. Gas freon adalah bahan kimia yang digunakan dalam siklus kerja mesin pendingin yang dapat merusak lapisan ozon jika terurai di udara. Hal ini sangat memprihatinkan karena penyebab utama dalam pemanasan global. Untuk menjawab hal tersebut maka alternatif utama yang diambil adalah dengan menggunakan modul termoelektrik. Dengan kelebihan maupun kekurangannya, elemen ini dapat direkayasa dalam merancang suatu sistem pendingin yang nantinya dapat menggantikan sistem yang konvensional. Modul termoelektrik ini mempunyai tegangan kerja 12 volt DC dengan arus yang dapat mencapai 6 Ampere. Modul termoelektrik ini mempunyai 2 sisi elemen, yaitu sisi elemen panas dan sisi elemen dingin. Untuk memaksimalkan sisi dingin termoelektrik maka pada sisi panas termoelektrik dipasang sebuah heatsink dan kipas (fan) sebagai alat bantu untuk mengurangi panas dan menjaga kestabilan suhu panas termoelektrik. Kestabilan suhu panas termoelektrik diatur oleh kendali PID dimana suhu stabilnya dijaga atau diatur pada set point 50 C. Jika suhu panas termoelektrik melebihi nilai set point maka secara otomatis sistem akan menstabilkan suhu panas termoelektrik tersebut dengan cara mempercepat putaran kipas (fan). Kecepatanakan putaran kipas (fan) akan kembali normal apabila suhu termoelektrik kembali normal sesuai dengan nilai set point. Kata Kunci : Termoelektrik, Suhu Panas, Sensor Suhu, Arduino Uno, PID ii

8 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT karena dengan limpahan rahmat dan hidayah-nyalah penulis dapat menyelesaikan laporan Tugas Akhir ini dengan baik. Laporan ini disusun dengan tujuan untuk sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Ahli Madya dari Politeknik Negeri Padang. Laporan tugas akhir ini dapat diselesaikan dengan tepat waktu karena adanya bantuan, dorongan dan bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Kepada kedua orang tua dan seluruh keluarga tercinta yang selalu mendoakan dan mendukung setiap langkah yang penulis tempuh dalam pendidikan. 2. Bapak Aidil Zamri, ST.,MT selaku Direktur Politeknik Negeri Padang. 3. Bapak Dr.H.Afrizal Yuhanef, ST.,M.Kom selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Padang. 4. Bapak Herisajani, ST.,M.Kom selaku Kaprodi Teknik Listrik Politeknik Negeri Padang. 5. Ibuk Wiwik Wiharti, ST.,MT selaku Dosen Pembimbing 1 Tugas Akhir. 6. Bapak Yefrialdi, ST.,MT selaku dosen pembimbing 2 tugas akir. 7. Seluruh Dosen Program Studi Teknik Listrik Politeknik Negeri Padang. 8. Mulyawandri Ramadhan yang telah bekerjasama dalam proses penyelesaian alat. iii

9 Dan pihak-pihak lain yang banyak membantu penulis dalam menyelesaikan tugas akhir yang tidak mungkin disebutkan semuanya disini. Sekali lagi penulis mengucapkan banyak terima kasih yang tak terhingga. Semoga Allah SWT membalas atas semua kebaikan dan bantuan dari kalian semua dengan sesuatu yang lebih baik. Penulis menyadari bahwa dalam penulisan ini masih banyak terdapat kekurangan, oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan kritikan yang sifatnya membangun demi kesempurnaan laporan ini. Penulis berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi semua pembaca dan juga kepada penulis sendiri. Padang, Oktober 2017 Penulis Dodi Okta Prima, A.Md. iv

10 DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK... ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI...v DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR TABEL... xi BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Batasan Masalah Sistematika Penulisan Laporan...3 BAB II LANDASAN TEORI Termoelektrik Perkembangan Termoelektrik Efek Peltier Prinsip Kerja Thermo-Electric (TEC) Bahan Thermo-Electric (TEC) Kontruksi Termoelektrik Komponen Dasar Sistem Pendingin Termoelektrik Peltier Dayaguna Thermo-Electric Aplikasi Termoelektrik Secara Garis Besar...12 v

11 2.2 Heatsink Kipas Angin (Fan) Unit Kendali Pengontrol Proporsional Pengontrol Integral Pengontrol Derivative Pengontrol PID Penalaan Parameter Pengontrol PID Tuning PID Controller Mikrokontroler Jenis-Jenis Mikrokontroller Arduino Arduino Uno Bahasa Pemograman Arduino Struktur Arduino Development Environment Sensor Suhu LM Struktur Sensor LM Karakteristik Sensor LM Kelebihan Dan Kelemahan Sensor LM LCD (Liquid Crystal Display) Deskripsi Pin LCD...49 BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN Perancangan Sistem...51 vi

12 3.1.1 Prinsip Kerja Alat Diagram Blok Perancangan Rangkaian Rangkaian Keseluruhan Rangkaian Catu Daya Rangkaian Pengontrolan Fan Atau Kipas Rangkaian Sensor Suhu Rangkaian LCD Perancangan Software Algoritma Flowchart Perancangan Hardware Perancangan Komponen Perancangan Konstruksi...60 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Pengaplikasian Kendali PID Pada Kestabilan Suhu Panas Termoelektrik Pengujian Alat Pengujian Rangkaian Catu Daya Pengujian Sensor LM Pengujian LCD Pengaplikasian Metode Ziglear-Nichols...67 BAB V PENUTUP Kesimpulan...73 vii

13 5.2 Saran...74 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN viii

14 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Bentuk Termoelektrik...6 Gambar 2.2 Penampang Termoelektrik...9 Gambar 2.3 Proses Pemindahan Panas...9 Gambar 2.4 Susunan Dasar Pendingin Termoelektrik Peltier Cooler...11 Gambar 2.5 Heatsink...13 Gambar 2.6 Kipas Angin fan...15 Gambar 2.7 Diagram Blok Kontroler Proporsional...16 Gambar 2.8 Proportional Band Dari Pengontrol Proporsional Tergantung Pada Penguatan...17 Gambar 2.9 Kurva Sinyal Kesalahan e (t) Terhadap t Pada Pembangkit Kesalahan Nol...19 Gambar 2.10 Blok Diagram Hubungan Antara Besaran Kesalahan Dengan Pengontrol Integral...19 Gambar 2.11 Perubahan Keluaran Sebagai Akibat Penguatan Dan Kesalahan...19 Gambar 2.12 Blok Diagram Pengontrol Derivative...20 Gambar 2.13 Kurva Waktu Hubungan Input-Output Pengontrol Derivative...21 Gambar 2.14 Blok Diagram Kontroler PID Analog...22 Gambar 2.15 Hubungan Dalam Fungsi Waktu Antara Sinyal Keluaran Dengan Masukan Untuk Pengontrol PID...23 Gambar 2.16 Kurva Respons tangga Satuan Yang Memperlihatkan 25% Lonjakan Maksimum...24 Gambar 2.17 Respon Tangga Satuan Siatem...24 Gambar 2.18 Kurva Respons Berbentuk S...25 Gambar 2.19 Sistem Untaian Tertutup Dengan Alat Pengontrol Proporsional...26 Gambar 2.20 Kurva Respon Sustain Oscillation...26 Gambar 2.21 Kurva Respon Quarter Amplitude Decay...27 Gambar 2.22 Blok Diagram Arduino Board...33 Gambar 2.23 Arduino Board...35 Gambar 2.24 Peta Memori Program ATMega Gambar 2.25 Peta Memori Data ATMega ix

15 Gambar 2.26 Arduino Development Environment...41 Gambar 2.27 Sensor Suhu LM Gambar 2.28 Skematik Sensor Suhu LM35-DZ...44 Gambar 2.29 Grafik Akurasi LM35 Terhadap Suhu...45 Gambar 2.30 Rangkaian Sensor LM Gambar 2.31 LCD 16x2 Character...48 Gambar 2.32 Blok Pin LCD...50 Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem Pengaturan Kestabilan Suhu Dingin Dan Sistem Pengaturan Kestabilan Suhu Panas Termoelektrik...53 Gambar 3.2 Rangkaian Secara Keseluruhan...54 Gambar 3.3 Rangkaian Catu Daya...55 Gambar 3.4 Rangkaian Pengontrolan Fan Atau Kipas...56 Gambar 3.5 Rangkaian Sensor Suhu...57 Gambar 3.6 Rangkaian LCD...57 Gambar 3.7 Flowchart Pengaturan kestabilan suhu panas termoelektrik...59 Gambar 3.8 Keypad dan LCD...61 Gambar 3.8 Tata Letak Komponen dan Rangkaian Pengaturan Kestabilan Suhu panas termoelektrik...61 Gambar 4.1 Diagram Blok Sistem Kontrol kestabilan suhu panas termoelektrik.62 Gambar 4.2 Diagram Blok Dasar Sistem Kontrol kestabilan suhu panas termoelektrik...63 Gambar 4.3 Diagram Blok Persamaan Dasar Sistem Kontrol kestabilan suhu panas termoelektrik...63 Gambar 4.4 Pengujian LCD...67 Gambar 4.5 Grafik Respon Alat Tanpa Kontrol...69 Gambar 4.6 Tampilan Grafik Suhu dengan kendali PID...72 x

16 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Penalaan Parameter PID Dengan Motode Kurva Reaksi...25 Tabel 2.2 Penalaan Parameter PID Dengan Metode Osilasi...27 Tabel 2.3 The Ziegler Nichols Rules (Prequency Response Method)...29 Tabel 4.1 Komponen-komponen Yang Digunakan...60 Tabel 4.1 Pengujian Catu Daya...65 Tabel 4.2 Hasil Pengukuran Suhu Oleh Sensor LM Tabel 4.3 Respon Alat Tanpa Kontrol...68 Tabel 4.4 Parameter PID dengan Metode Ziglear-Nichols...69 Tabel 4.5 Respon Alat Setelah Dimasukkan Nilai Kp, Ki dan Kd...71 xi

17 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Ruang pendingin merupakan suatu kebutuhan bagi manusia. Sebagai ruang pendingin, penggunaan kulkas (Refrigerator) mulai meningkat secara signifikan. Sistem ruang pendingin yang umum digunakan sekarang meggunakan sistem kompresor dan gas freon yang mana penggunaan zat kimia dapat merusak lapisan ozon di atmosfer bumi yang berdampak terhadap pemanasan global. Semakin menipisnya lapisan ozon bumi menyebabkan semakin meningkatnya suhu di permukaan bumi. Oleh karena itu membuat penulis berfikir bagaimana cara membuat suatu ruang pendingin yang ramah lingkungan, memiliki ketahanan alat yang baik, tidak adanya bagian mekanikal yang bergerak sehingga tidak menimbulkan suara atau getaran dan perawatan yang mudah yaitu dengan menggunakan modul termoelektrik. Modul termoelektrik ini mempunyai tegangan kerja 12 volt DC dengan arus yang dapat mencapai 6 Ampere. Modul termoelektrik ini mempunyai 2 sisi elemen, yaitu sisi elemen panas dan sisi elemen dingin. Dalam tugas akhir ini akan dibuat alat ruang pendingin dengan memanfaatkan sisi dingin termoelektrik. Untuk memaksimalkan sisi dingin termoelektrik maka suhu panas pada sisi panas termoelektrik harus dijaga kestabilannya agar panasnya tidak berlebihan. Untuk itu dipasang sebuah heatsink dan kipas (fan) sebagai alat bantu untuk mengurangi panas termoelektrik. 1

18 2 Untuk mengurangi suhu panas termoelektrik tersebut maka kecepatan putaran kipas (fan) akan diatur secara otomatis dimana kecepatan putaran kipas (fan) akan bertambah cepat apabila suhu termoelektrik bertambah panas dan kecepatan putaran kipas (fan) akan kembali normal apa bila suhu termoelektrik kembali normal. Sesuai dengan uraian di atas, maka penulis mengangkat judul Tugas Akhir yaitu Pengaturan Kestabilan Suhu Panas Termoelektrik Pada Ruang Pendingin Menggunakan Kendali PID. 1.2 Perumusan masalah Rumusan masalah berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan, masalah yang akan dibahas pada Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Bagaimanakah cara kerja sistem ruang pendingin menggunakan termoelektrik? 2. Komponen apa saja yang dibutuhkan untuk mengatur kestabilan suhu panas termoelektrik? 3. Bagaimana cara menjaga kestabilan suhu panas termoelektrik menggunakan kendali PID? 4. Bagaimana mendapatkan nilai parameter-parameter kendali PID yang sesuai untuk menjaga kestabilan suhu panas termoelektrik? 1.3 Tujuan Adapun tujuan dari pengerjaan tugas akhir ini antara lain adalah sebagai berikut: 1. Membuat suatu alat pendingin yang ramah lingkungan, memiliki ketahanan alat yang baik, tidak menimbulkan suara atau getaran dan perawatan yang mudah.

19 3 2. Menjaga kestabilan suhu panas termoelektrik dengan menggunakan kendali PID agar kinerja termoelektrik maksimal dalam menghasilkan suhu dingin. 3. Menetapkan nilai-nilai parameter PID untuk mendapatkan kestabilan suhu panas termoelektrik yang sesuai dengan nilai set point. 1.4 Batasan Masalah Perlu diberikan beberapa batasan permasalahan agar pembahasan tidak meluas dan menyimpang dari tujuan pembuatan alat ini. Adapun batasan permasalahan dari sistem yang dirancang ini adalah : 1. Tugas akhir ini hanya membahas tentang pengaturan kestabilan suhu panas termoelektrik pada ruang pendingin menggunakan kendali PID. 2. Suhu panas termoelektrik dijaga kestabilannya pada suhu 46 C. 1.5 Sistematika Penulisan Laporan Untuk mempermudah penulisan laporan ini, maka penulis membuat suatu sistematika pembahasan yang merupakan urutan dari pembahasan laporan. BAB I PENDAHULUAN Bab ini menguraikan latar belakang masalah, perumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, dan sistematika penulisan. BAB II LANDASAN TEORI Bab ini berisikan tinjuan pustaka dan landasan teori. BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN Pada bab ini terdapat uraian rinci tentang langkah-langkah dan metodologi penyelesaian masalah, bahan atau materi TA, prinsip kerja alat, rancangan alat dan komponen yang dipergunakan.

20 4 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Bab ini berisikan tentang hasil dan pembahasan yang telah diperoleh. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini berisikan kesimpulan dari hasil yang telah dicapai untuk menjawab tujuan dari TA. Pada Bab ini juga berisi saran dibuat berdasarkan pengalaman penulis ditujukan kepada para mahasiswa/peneliti dalam bidang sejenis yang ingin melanjutkan atau mengembangkan penelitian yang sudah dilaksanakan.

21 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Termoelektrik Fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan tahun 1821 oleh ilmuwan Jerman, Thomas Johann Seebeck. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian. Di antara kedua logam tersebut lalu diletakkan jarum kompas. Ketika sisi logam tersebut dipanaskan, jarum kompas ternyata bergerak. Hal ini terjadi karena aliran listrik yang terjadi pada logam menimbulkan medan magnet. Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum kompas. Fenomena tersebut kemudian dikenal dengan hukum "efek Seebeck". Thermoelectric generator merupakan teknologi pembangkit listrik dengan menggunakan Energi Panas (kalor). Pada alat ini digunakan komponen yang bernama "peltier". Pada umumnya peltier adalah keramik yang bisa menghasilkan energi panas dan dingin jika diberi tegangan. Namun pada prinsip termoelektrik, peltier jika di panaskan salah satu sisinya dan sisi lain panasnya dibuang, maka akan menghasilkan tegangan. Teknologi termoelektrik bekerja dengan mengonversi energi panas menjadi listrik secara langsung (generator termoelektrik). Cara kerja generator ini adalah apabila ada perbedaan suhu lebih dari 30 C diantara kedua sisi peltier maka peltier akan menghasilkan listrik Perkembangan Termoelektrik Sejak awal tahun 1990, tuntutan dunia tentang teknologi yang ramah lingkungan sangat besar. Ini memberikan imbas kepada teknologi termoelektrik 5

22 6 sebagai sumber energi alternatif. Banyak aplikasi lain penggunaan energi termoelektrik selain pada RTG yang digunakan oleh Voyager 1. Salah satunya adalah penerapan teknologi termoelektrik pada pembangkitan listrik dari sumber panas. Sampai saat ini pembangkitan listrik dari sumber panas harus melalui beberapa tahap proses. Bahan bakar fosil akan menghasilkan putaran turbin apabila dibakar dengan tekanan yang sangat tinggi. Hasil putaran turbin tersebut akan dipakai untuk memproduksi tenaga listrik. Efisiensi energi pembangkit ini masih rendah akibat beberapa kali proses konversi. Panas yang dihasilkan banyak yang dilepas atau terbuang percuma. Dapat digunakan suatu metode yang dikenal sebagai cogeneration di mana panas yang dihasilkan selama proses dapat digunakan untuk tujuan alternatif. Dengan menggunakan termoelekrik, panas yang dihasilkan selama proses diubah menjadi listrik, sehingga panas yang dihasilkan tidak terbuang secara percuma dan energi yang dihasilkan oleh pembangkit menjadi lebih besar, serta efisiensi energi menjadi lebih tinggi. Contoh penerapan lainnya yang sedang dikembangkan saat ini adalah pemanfaatan perbedaan panas di dasar laut dan darat, sistem hybrid pada kendaraan bermotor yang memanfaatkan motor listrik dan mesin pembakaran, serta pemanfaatan pada pembangkit listrik tenaga surya. Gambar 2.1 Bentuk Termoelektrik

23 Efek Peltier Prinsip pendinginan termoelektrik ini ditemukan pertama kali pada tahun 1834 oleh Jean Peltier, sehingga hasil penemuannya ini sering disebut Pendingin Peltier Apabila ada aliran arus listrik, maka akan disertai dengan panas hasil dari arus tersebut (pemanasan Joule). Jean Peltier mengamati hal ini, bahwa ketika arus listrik melewati pertemuan dua buah konduktor yang berbeda (thermocouple), akan ada efek pemanasan yang tidak bisa dijelaskan oleh pemanasan Joule saja. Bahkan tergantung pada arah arus, efeknya bisa berupa pemanasan atau pendinginan. Jean Peltier sendiri tidak mau menghargai potensi penemuannya sendiri, karena hal ini dianggap tidak efisien sampai akhir abad ke Prinsip Kerja Termoelektrik Ketika dua konduktor dihubungkan kontak listrik, elektron akan mengalir dari satu konduktor yang mempunyai elektron kurang terikat ke konduktor yang mempunyai elektron yang lebih terikat. Alasan yang mudah untuk hal ini adalah tingkat perbedaan Fermi antara dua konduktor. Perbedaan Fermi adalah istilah yang digunakan untuk menggambarkan bagian atas kumpulan tingkat energi elektron pada suhu nol absolut. Konsep ini berasal dari statistik Fermi-Dirac. Konsep energi Fermi adalah konsep yang sangat penting untuk memahami sifat listrik dan termal pada benda padat. Kedua proses listrik dan termal biasanya melibatkan energi elektron. Ketika dua konduktor dengan tingkat Fermi yang berbeda digabungkan, elektron akan mengalir dari konduktor dengan tingkat yang lebih tinggi ke tingkat yang lebih rendah, hingga perubahan potensial elektrostatik membawa dua tingkat

24 8 Fermi menjadi nilai yang sama. Arus yang melewati Junction baik arah maju maupun mundur akan menghasilkan perbedaan suhu. Jika suhu Junction panas (heatsink) dapat dijaga tetap rendah dengan mengurangi atau menghilangkan panas yang dihasilkan, maka suhu bagian yang dingin dapat dipertahankan sesuai dengan yang diinginkan dan bisa beberapa puluh derajad dibawah titik nol Bahan Termoelektrik Semikonduktor adalah bahan pilihan untuk termoelektrik yang umum dipakai. Bahan semikonduktor termoelektrik yang paling sering digunakan saat ini adalah Bismuth Telluride (Bi2Te3) yang telah diolah untuk menghasilkan blok atau elemen yang memiliki karakteristik individu berbeda yaitu N dan P. Bahan termoelektrik lainnya termasuk Timbal Telluride (PbTe), Silicon Germanium (SiGe) dan Bismuth-Antimony (SbBi) adalah paduan bahan yang dapat digunakan dalam situasi tertentu. Namun, Bismuth Telluride adalah bahan terbaik dalam hal pendinginan. Bismuth Telluride memiliki dua karakteristik yang patut dicatat. Karena struktur kristal, Bismuth Telluride sangat anisotropic. Perilaku anisotropic perlawanan lebih besar daripada konduktivitas termalnya. Sehingga anisotropic ini dimanfaatkan untuk pendinginan yang optimal. Karakteristik lain yang menarik dari Bismuth Telluride adalah kristal Bismuth Telluride (Bi2Te3) terdiri dari lapisan heksagonal atom yang sama Konstruksi Termolektrik Termoelektrik dibangun oleh dua buah semikonduktor yang berbeda, satu tipe N dan yang lainnya tipe P. (mereka harus berbeda karena mereka harus memiliki kerapatan elektron yang berbeda dalam rangka untuk bekerja). Kedua

25 9 semikonduktor diposisikan paralel secara termal dan ujungnya digabungkan dengan lempeng pendingin biasanya lempeng tembaga atau aluminium. Gambar 2.2 Penampang Termoelektrik Ujung penghantar dari dua bahan yang berbeda dihubungkan ke sumber tegangan, dengan demikian arus listrik akan mengalir melalui dua buah semikonduktor yang terhubung secara seri (seperti gambar 2.2). Aliran arus DC yang melewati dua semikonduktor tersebut menciptakan perbedaan suhu. Sebagai akibat perbedaan suhu ini, Peltier pendingin menyebabkan panas yang diserap dari sekitar pelat pendingin akan pindah ke pelat lain (heat sink). Gambar 2.3 Proses pemindahan panas Dalam prakteknya banyak pasangan termoelektrik (pasangan) seperti dijelaskan diatas, yang terhubung paralel dan diapit dua buah pelat keramik dalam sebuah termoelektrik tunggal. Sedangkan besarnya perbedaan suhu panas dan

26 10 dingin adalah sebanding dengan arus dan jumlah pasangan semikonduktor di unit, seperti gambar 2.3. Pendingin ruangan memanfaatkan kompresor, kondensor dan refrigeran cair untuk mendapatkan suhu yang rendah, dengan sumber tegangan AC. Sementara termoelektrik menggunakan tegangan DC, heatsink dan semikonduktor. Perbedaan mendasar ini memberikan pendingin termoelektrik mempunyai keunggulan dibanding kompresor. Keunggulan itu antara lain : 1. Tidak ada bagian yang bergerak. Sehingga sangat sedikit atau bahkan tidak memerlukan perawatan. Hal ini sangat ideal untuk penggunaan yang mungkin sensitif terhadap getaran mekanis pendinginan. 2. Tidak ada zat pendingin semisal CFC yang berpotensi membahayakan. 3. Mengurangi kebisingan semisal kipas pendingin sementara memberikan pendinginan yang lebih besar. 4. Cocok untuk aplikasi-aplikasi yang berukuran kecil semisal mikroelektronik. 5. Umur panjang, lebih dari jam MTBF (Mean Time Between Failures). 6. Mudah dikontrol (dengan tegangan dan arus). 7. Respon dinamis cepat. 8. Dapat memberikan pendinginan di bawah suhu lingkungan. 9. Ukuran kecil dan ringan Komponen Dasar Sistem Pendingin Termoelektrik Peltier Pada pendingin termoelektrik peltier terdapat heatsink yang berfungsi untuk menyerap kalor pada sisi dingin elemen peltier maupun pada pembuangan kalor pada sisi panas peltier. Susunan dasar termoelektrik setidaknya terdiri dari

27 11 elemen-elemen peltier dan heatsink baik pada sisi dingin maupun sisi panas peltier, seperti yang terlihat pada gambar 2.4. Gambar 2.4 Susunan dasar pendingin termoelektrik peltier cooler Bagian yang didinginkan dapat langsung dihubungkan dengan sisi elemen peltier maupun dihubungkan terlebih dahulu dengan alat penukar kalor sebelum dihubungkan dengan sisi dingin elemen peltier. Alat penukar kalor tersebut dapat berupa fluida. Kalor yang dihasilkkan pada sisi panas elemen peltier akan disalurkan kelingkungan melalui udara baik secara konveksi maupun melaui pendingin ruangan Dayaguna Termoelektrik Sebuah termoelektrik biasanya akan menghasilkan perbedaan suhu maksimal 70 o C antara sisi panas dan dinginnya. Apabila termoelektrik semakin panas maka akan semakin kurang efisiensinya. Karena termoelektrik perlu untuk mengurangi atau menghilangkan panas yang ditimbulkan dari proses pendinginan maupun dari panas yang dihasilkan oleh daya listrik yang diumpankan. Jumlah panas yang ditimbulkan sebanding dengan arus dan waktu. Termoelektrik mempunyai efisiensi 4 kali lebih rendah jika dibandingkan dengan yang konvensional. Termoelektrik mempunyai efisiensi sekitar 10% -

28 12 15%, sementara efisiensi model konvensional antara 40% - 60%. Karena efisiensi yang rendah ini, pendingin termoelektrik umumnya hanya digunakan dalam aplikasi dimana diperlukan tidak ada bagian yang boleh bergetar, pemeliharaan rendah, ukuran kecil, dan orientasi ketidakpekaan Aplikasi Termoelektrik Secara Garis Besar Aplikasi termoelektrik sebagai alat pendingin terdiri dari aplikasi untuk mendinginkan peralatan elektronik, air conditioner maupun lemari pendingin. Penggunaan termoelektrik juga diaplikasikan pada tutup kepala sebagai pendingin kepala. Pada dunia otomotif juga telah dikembangkan termoelektrik intercooler. Aplikasi termoelektrik sebagai pembangkit daya dibagi menjadi 2 bagian sebagai pembangkit daya rendah dan pembangkit daya tinggi. Aplikasi pembangkit daya rendah meliputi pemanfaatan panas tubuh manusia untuk menjalankan jam tangan, sedangkan pembangkit daya tinggi pada termoelektrik memanfaatkan panas dari sisa panas buang yang dihasilkan dari industri maupun pemanfaatan sisa panas dari pembakaran bahan bakar. Kelebihan Pendingin termoelektrik (thermoelectric cooler) antara lain ketahanan alat yang baik, tidak menimbulkan suara, tidak adanya bagian mekanikal yang bergerak sehingga tidak menimbulkan getaran, perawatan yang mudah, ukuran yang kecil, ringan, ramah terhadap lingkungan karena tidak menggunakan refrigeran yang dapat merusak ozon, termoelektrik dapat juga digunakan pada lingkungan yang sensitif, tidak adanya ketergantungan terhadap posisi peletakan, ketelian kontrol temperatur ±0.1 C dapat dicapai dengan menggunakan termoelektrik, dan cocok digunakan pada aplikasi kotak pendingin dibawah 25 Watt.

29 13 Sedangkan kelemahan termoelektrik adalah efisiensi yang rendah dan adanya kondensasi pada suhu tertentu. Sehingga sampai saat ini pendingin termoelektrik hanya efektif pada aplikasi untuk objek pendinginan dan daya yang kecil. [3] 2.2 Heatsink Pada dasarnya, titik dari heat sink adalah untuk memindahkan panas melalui peltier seefisien mungkin. Heatsink biasanya terbuat dari aluminium atau tembaga dan memiliki banyak sirip yang meningkatkan luas permukaan mereka. Lebih luas permukaan perpindahan panas lebih efisien. Kedua heatsink memiliki fans yang bergerak udara melalui mereka dan juga membantu dalam transfer panas. Salah satu heat sink sebenarnya adalah "dingin" tenggelam karena digunakan untuk menghisap panas keluar dari bagian dalam lemari es. Salah satu dari berbagai varian jenis model pendinginan komponen pada komputer atau alat elektronik yang terbuat dari bahan metal. Bahan pembuat heatsink ada berbagai macam seperti alumunium, tembaga bahkan silver. Selain bahan, bentuk dan ukuran heatsink bermacam-macam tergantung perancangan sang produsen heatsink dengan berbagai teknik, tetapi memiliki output atau tujuan yang sama yaitu mendinginkan komponen elektronik. Gambar 2.5 Heatsink

30 14 Fungsi heatsink adalah membantu proses pendinginan sebuah komponen elektronika. Secara teknik, semakin luas permukaan perpindahan panas sebuah benda maka akan semakin cepat proses pendinginan benda tersebut. Fungsi sebenarnya dari heatsink adalah memperluas daerah perpindahan panas dari sebuah komponen elektronika yang menghasilkan panas sehingga proses pembuangan panas dari komponen elektronika dapat terjadi dengan cepat. Salah satu teknik memperluas bidang penguapan panas adalah dengan mebuatkan siripsirip yang ada disamping atau atas dari heatsink, sehingga dengan ukuran luas penampang yang sama akan menghasilkan luas perpindahan panas yang besar. Tebal tipisnya sirip juga berpengaruh dari proses perpindahan panas, semakin tebal akan semakin sukar/lama panas menjalar keseluruh bagian heatsink. Bentuk Fin (sirip) sebaiknya yang berupa irisan langsung dari dasar heatsink. Karena laju aliran udara yang ada pada suatu casing peralatan elektronik sangat kecil sehingga tidak mampu membantu mempercepat proses pembuangan panas dari heatsink maka diperlukan sebuah kipas (fan) yang dipasang pada bagian tertentu pada heatsink (diatas atau disamping). Putaran kipas dan sudu (propeler) kipas sangat pula menentukan proses pembuangan panas. Kecepatan kipas yang biasa digunakan pada heatsink sekitar 2500 rpm. Selain putaran sepeti yang telah disebutkan diatas sudu/propeler juga berpengaruh, banyak dan besarnya sangat mempengaruhi jumlah udara yang dihasilkan. Kemudian setelah fungsi fan dan heatsink dipadukan banyak orang menyebutnya sebagai HSF (Heatsink Fan). Jenis heatsink seperti ini disebut sebagai heatsink aktif sedangkan yang tanpa kipas (fan) merupakan heatsink jenis pasif ( heatsink pasif). [4]

31 Kipas Angin (Fan) Pada Kipas Angin Processor, kumparan medan yang dialiri arus listrik akan menghasilkan medan magnet yang melingkupi kumparan jangkar dengan arah tertentu. Konverter energi baik energi listrik menjadi energi mekanik (motor) maupun sebaliknya dari energi mekanik menjadi energi listrik (generator) berlangsung melalui medium medan magnet. Energi yang akan diubah dari suatu sistem ke sistem yang lain, sementara akan tersimpan pada medium medan magnet untuk kemudian dilepaskan menjadi energi sistem lainya. Dengan demikian, medan magnet disini selain berfungsi sebagi tempat penyimpanan energi juga sekaligus proses perubahan energi. [4] Gambar 2.6 Kipas angin (Fan) [4] 2.4 Unit Kendali Didalam suatu sistem kontrol kita mengenal adanya beberapa macam aksi kontrol, diantaranya yaitu aksi kontrol proportional, aksi kontrol integral dan aksi kontrol derivative. Masing-masing aksi kontrol ini mempunyai keunggulankeunggulan tertentu, dimana aksi kontrol proportional mempunyai keunggulan rise time yang cepat, aksi kontrol integral mempunyai keunggulan untuk memperkecil error, dan aksi kontrol derivative mempunyai keunggulan untuk

32 16 memperkecil error atau meredam overshot/undershot. Untuk itu agar kita dapat menghasilkan output dengan risetime yang cepat dan error yang kecil kita dapat menggabungkan ketiga aksi kontrol ini menjadi aksi kontrol PID. Parameter pengontrol Proportional Integral derivative (PID) selalu didasari atas tinjauan terhadap karakteristik yang di atur (plant). Dengan demikian bagaimanapun rumitnya suatu plant, prilaku plant tersebut harus diketahui terlabih dahulu sebelum pencarian parameter PID itu dilakukan Pengontrol Proportional Pengontrol proportional memiliki keluaran yang sebanding atau proportional dengan besarnya sinyal kesalahan (selisih antara besaran yang di inginkan dengan harga aktualnya). Secara lebih sederhana dapat dikatakan bahwa keluaran pengontrol proportional merupakan perkalian antara konstanta propotional dengan masukannya. Perubahan pada sinyal masukan akan segera menyebabkan sistem secara langsung mengeluarkan output sinyal sebesar konstanta pengalinya. Gambar 2.7 menunjukkan blok diagram yang menggambarkan hubungan antara besaran setting, besaran aktual dengan besaran keluaran pengontrol proportional. Sinyal keasalahan (error) merupakan selisih antara besaran setting dengan besaran aktualnya. Selisih ini akan mempengaruhi pengontrol, untuk mengeluarkan sinyal positif (mempercepat pencapaian harga setting) atau negatif (memperlambat tercapainya harga yang diinginkan). Gambar 2.7 Diagram blok kontroler proportional

33 17 Pengontrol proportional memiliki 2 parameter, pita proposional (propotional band) dan konstanta proportional. Daerah kerja kontroler efektif dicerminkan oleh pita proportional sedangkan konstanta proportional menunjukan nilai faktor penguatan sinyal tehadap sinyal kesalahan Kp. Hubungan antara pita proportional (PB) dengan konstanta proportional (Kp) ditunjukkan secara persentasi oleh persamaan berikut: PB = 100 %... (1) Gambar 2.8 menunjukkan grafik hubungan antara PB, keluaran pengontrol dan kesalahan yang merupakan masukan pengontrol. Ketika konstanta proportional bertambah semakin tinggi, pita proportional menunjukkan penurunan yang semakin kecil, sehingga lingkup kerja yang dikuatkan akan semakin sempit. Gambar 2.8 Proportional band dari pengontrol proportional tergantung pada penguatan. Ciri-ciri pengontrol proportional harus diperhatikan ketika pengontrol tersebut diterapkan pada suatu sistem. Secara eksperimen, pengguna pengontrol proportional harus memperhatikan ketentuan-ketentuan berikut ini : 1. kalau nilai Kp kecil, pengontrol proportional hanya mampu melakukan koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan menghasilkan respon sisitem yang lambat.

34 18 2. kalau nilai Kp dinaikan, respon sistem menunjukan semakin cepat mencapai set point dan keadaan stabil. 3. namun jika nilai Kp diperbesar sehingga mencapai harga yang berlebihan, akan mengakibatkan sistem bekerja tidak stabil, atau respon sistem akan berosilasi Pengontrol Integral Pengontrol integral berfungsi menghasilkan respon sistem yang memiliki kesalahan keadaan stabil nol. Jika sebuah plant tidak memiliki unsur integrator (1/s), pengontrol proportional tidak akan mampu menjamin keluaran sistem dengan kesalahan keadaan stabilnya nol. Dengan pengontrol integral, respon sistem dapat diperbaiki, yaitu mempunyai kesalahan keadaan stabilnya nol. Pengontrol integral memiliki karaktiristik seperti halnya sebuah integral. Keluaran sangat dipengaruhi oleh perubahan yang sebanding dengan nilai sinyal kesalahan. Keluaran pengontrol ini merupakan penjumlahan yang terus menerus dari perubahan masukannya. Kalau sinyal kesalahan tidak mengalami perubahan, keluaran akan menjaga keadaan seperti sebelum terjadinya perubahan masukan. Sinyal keluaran pengontrol integral merupakan luas bidang yang dibentuk oleh kurva kesalahan penggerak. Sinyal keluaran akan berharga sama dengan harga sebelumnya ketika sinyal kesalahan berharga nol. Gambar 2.9 menunjukkan contoh sinyal kesalahan yang dimasukan ke dalam pengontrol integral dan keluaran pengontrol integral terhadap perubahan sinyal kesalahan tersebut.

35 19 Gambar 2.9 Kurva sinyal kesalahan e(t) terhadap t pada pembangkit kesalahan nol. Gambar 2.10 menunjukkan blok diagram antara besaran kesalahan dengan keluaran suatu pengontrol integral. Gambar 2.10 Blok diagram hubungan antara besaran kesalahan dengan pengontrol integral Pengaruh perubahan konstanta integral terhadap keluaran integral ditunjukkan oleh gambar Ketika sinyal kesalahan berlipat ganda, maka nilai laju perubahan keluaran pengontrol berubah menjadi dua kali dari semula. Jika nilai konstanta integrator berubah menjadi lebih besar, sinyal kesalahan yang relatif kecil dapat mengakibatkan laju keluaran menjadi besar. Gambar 2.11 Perubahan keluaran sebagai akibat penguatan dan kesalahan

36 20 Ketika digunakan, pengontrol integral mempunyai beberapa karakteristik berikut ini: 1. keluaran pengontrol membutuhkan selang waktu tertentu, sehingga pengontrol integral cenderung memperlambat respon. 2. ketika sinyal kesalahan berharga nol, keluaran pengontrol akan bertahan pada nilai sebelumnya. 3. Jika sinyal kesalahan tidak berharga nol, keluaran akan menunjukkan kenaikan atau penurunan yang dipengaruhi oleh besarnya sinyal kesalahan dan nilai Ki. 4. konstanta integral Ki yang berharga besar akan mempercepat hilangnya offset. Tetapi semakin besar nilai konstanta Ki akan mengakibatkan peningkatan osilasi dari sinyal keluaran pengontrol Pengontrol Derivative Keluaran pengontrol Derivative memiliki sifat seperti halnya suatu operasi differensial. Perubahan yang mendadak pada masukan pengontrol, akan mengakibatkan perubahan yang sangat besar dan cepat. Gambar 2.12 menunjukkan blok diagram yang menggambarkan hubungan antara sinyal kesalahan dengan keluaran pengontrol. Gambar 2.12 Blok diagram pengontrol Derivative Gambar 2.13 menyatakan hubungan antara sinyal masukan dengan sinyal keluaran pengontrol Derivative. Ketika masukannya tidak mengalami perubahan,

37 21 keluaran pengontrol juga tidak mengalami perubahan, sedangkan apabila sinyal masukan berubah mendadak dan menaik (berbentuk fungsi step), keluaran menghasilkan sinyal berbentuk impuls. Jika sinyal masukan berubah naik secara perlahan (fungsi ramp), keluarannya justru merupakan fungsi step yang besar magnitudnya sangat dipengaruhi oleh kecepatan naik dari fungsi ramp dan faktor konstanta diferensialnya. Gambar 2.13 Kurva waktu hubungan input-output pengontrol Derivative Karakteristik pengontrol derivative adalah sebagai berikut: 1. Pengontrol ini tidak dapat menghasilkan keluaran bila tidak ada perubahan pada masukannya (berupa sinyal kesalahan). Jika sinyal kesalahan berubah terhadap waktu, maka keluaran yang dihasilkan pengontrol tergantung pada nilai Td dan laju perubahan sinyal kesalahan. (Powel, 1994, 184). 2. Pengontrol derivative mempunyai suatu karakter untuk mendahului, sehingga pengontrol ini dapat menghasilkan koreksi yang signifikan sebelum pembangkit kesalahan menjadi sangat besar. Jadi pengontrol derivative dapat mengantisipasi pembangkit kesalahan, memberikan aksi yang bersifat korektif, dan cenderung meningkatkan stabilitas sistem. Berdasarkan karakteristik pengontrol tersebut, pengontrol derivative umumnya dipakai untuk mempercepat respon awal suatu sistem, tetapi tidak

38 22 memperkecil kesalahan pada keadaan stabilnya. Kerja pengontrol derivative hanyalah efektif pada lingkup yang sempit, yaitu pada periode peralihan. Oleh sebab itu pengontrol derivative tidak pernah digunakan tanpa ada pengontrol lain sebuah sistem (Sutrisno, 1990, 102) Pengontrol PID Setiap kekurangan dan kelebihan dari masing-masing pengontrol P, I dan D dapat saling menutupi dengan menggabungkan ketiganya secara paralel menjadi pengontrol proportional plus integral plus derivative (pengontrol PID). Elemen-elemen pengontrol P, I dan D masing-masing secara keseluruhan bertujuan untuk mempercepat reaksi sebuah sistem, menghilangkan offset dan menghasilkan perubahan awal yang besar. Gambar 2.14 Blok diagram kontroler PID analog Keluaran pengontrol PID merupakan penjumlahan dari keluaran pengontrol proportional, keluaran pengontrol integral. Gambar 2.15 menunjukkan hubungan tersebut.

39 23 Gambar 2.15 Hubungan dalam fungsi waktu antara sinyal keluaran dengan masukan untuk pengontrol PID Karakteristik pengontrol PID sangat dipengaruhi oleh kontribusi besar dari ketiga parameter P, I dan D. Pengaturan konstanta Kp, Ti, dan Td akan mengakibatkan penonjolan sifat dari masing-masing elemen. Satu atau dua dari ketiga konstanta tersebut dapat diatur lebih menonjol dibanding yang lain. Konstanta yang menonjol itulah akan memberikan kontribusi pengaruh pada respon sistem secara keseluruhan Penalaan Paramater Pengontrol PID Penalaan parameter pengontrol PID selalu didasari atas tinjauan terhadap karakteristik yang diatur (plant). Dengan demikian betapapun rumitnya suatu plant, perilaku plant tersebut harus diketahui terlebih dahulu sebelum penalaan parameter PID itu dilakukan. Karena penyusunan model matematik plant tidak mudah, maka dikembangkan suatu metode eksperimental. Metode ini didasarkan pada reaksi plant yang dikenai suatu perubahan. Dengan menggunakan metode itu model matematik perilaku plant tidak diperlukan lagi, karena dengan menggunakan data yang berupa kurva keluaran, penalaan pengontrol PID telah dapat dilakukan. Penalaan bertujuan untuk mendapatkan kinerja sistem sesuai spesifikasi perancangan. Ogata menyatakan hal itu sebagai

40 24 alat control (controller tuning). Dua metode pendekatan eksperimen adalah Ziegler-Nichols dan metode Quarter decay. A. Metode Ziegler Nichols Ziegler-Nichols pertama kali memperkenalkan metodenya pada tahun Metode ini memiliki dua cara, metode osilasi dan kurva reaksi. Kedua metode ditujukan untuk menghasilkan respon sistem dengan lonjakan maksimum sebesar 25%. Gambar 2.16 memperlihatkan kurva dengan lonjakan 25%. Gambar 2.16 Kurva respons tangga satuan yang memperlihatkan 25 % lonjakan maksimum 1. Metode Kurva Reaksi Metode ini didasarkan terhadap reaksi sistem untaian terbuka. Plant sebagai untaian terbuka dikenai sinyal fungsi tangga satuan (gambar 2.17). Jika plant minimal tidak mengandung unsur integrator ataupun pole-pole kompleks, reaksi sistem akan berbentuk S. Gambar 2.18 menunjukkan kurva berbentuk S tersebut. Kelemahan metode ini terletak pada ketidakmampuannya untuk plant integrator maupun plant yang memiliki pole kompleks. Gambar 2.17 Respon tangga satuan sistem

41 25 Gambar 2.18 Kurva Respons berbentuk S Kurva berbentuk S mempunyai dua konstanta, waktu mati (dead time) L dan waktu tunda T. Dari gambar 2.18 terlihat bahwa kurva reaksi berubah naik, setelah selang waktu L. Sedangkan waktu tunda menggambarkan perubahan kurva setelah mencapai 66% dari keadaan stabilnya. Pada kurva dibuat suatu garis yang bersinggungan dengan garis kurva. Garis singgung itu akan memotong dengan sumbu absis dan 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. Penalaan parameter PID didasarkan perolehan kedua konstanta itu. Zeigler dan Nichols melakukan eksperimen dan menyarankan parameter pengaturan nilai Kp, Ti, dan Td dengan didasarkan pada kedua parameter tersebut. Tabel 2.1 merupakan rumusan penalaan parameter PID berdasarkan cara kurva reaksi. Tabel 2.1 Penalaan paramater PID dengan metode kurva reaksi Tipe Kp Ti Td P T/L ~ 0 PI 0,9 T/L L/0. 0 PID 1,2 T/L 2L 0,5L

42 26 2. Metode Osilasi Metode ini didasarkan pada reaksi sistem untaian tertutup. Plant disusun serial dengan pengontrol PID. Pertama parameter parameter integrator diatur tak berhingga dan parameter derivative diatur nol (Ti = ~ ;Td = 0). Parameter proportional kemudian dinaikkan bertahap. Mulai dari nol sampai mencapai harga yang mengakibatkan reaksi sistem berosilasi. Reaksi sistem harus berosilasi dengan magnitud tetap (Sustain oscillation). Gambar 2.19 menunjukkan rangkaian untaian tertutup pada cara osilasi. Gambar 2.19 Sistem untaian tertutup dengan alat pengontrol proportional Nilai penguatan proportional pada saat sistem mencapai kondisi berosilasi dengan magnitud tetap (sustain oscillation) disebut ultimate gain Ku. Periode dari sustain oscillation disebut ultimate period Tu (Perdikaris, 1991, 433). Gambar 2.20 menggambarkan kurva reaksi untaian tertutup ketika berosilasi. Gambar 2.20 Kurva respon sustain oscillation Penalaan parameter PID didasarkan terhadap kedua konstanta hasil eksperimen, Ku dan Pu. Ziegler dan Nichols menyarankan pengaturan nilai parameter Kp, Ti, dan Td berdasarkan rumus yang diperlihatkan pada tabel 2.2

43 27 Tabel 2.2 Penalaan paramater PID dengan metode osilasi Tipe Kp Ti Td P 0.5 Ku PI 0.45 Ku 1/2 Pu PID 0.6 Ku 0.5 Pu 0.125Pu B. Metode Quarter decay Karena tidak semua proses dapat mentolerir keadaan osilasi dengan amplituda tetap, Cohen-coon berupaya memperbaiki metode osilasi dengan menggunakan metode quarter amplitude decay. Tanggapan untaian tertutup sistem, pada metode ini, dibuat sehingga respon berbentuk quarter amplitude decay (Guterus, 1994, 9-13). Quarter amplitude decay didefinisikan sebagai respon transien yang amplitudanya dalam periode pertama memiliki perbandingan sebesar seperempat (1/4). Gambar 2.21 Kurva respon quarter amplitude decay Pengontrol proportional Kp diatur hingga diperoleh tanggapan quarter amplitude decay, periode pada saat pengaturan ini disebut Tp dan parameter Ti dan Td dihitung dari hubungan (Perdikaris, 434, 1990). Sedangkan penalaan parameter pengontrol PID adalah sama dengan yang digunakan pada metode Ziegler-Nichols (lihat tabel 2.1 untuk metode kurva reaksi dan tabel 2.2 untuk metode osilasi).

44 Tuning PID Controller Tuning dilakukan untuk mendapatkan nilai-nilai parameter PID atau pemberian parameter P, I, dan D dengan hasil terbaik sehingga dapat mengoptimasikan kerja suatu sistem dengan error yang terjadi dapat diperkecil dan didapatkan respon sistem yang di inginkan = Kp + e + + Td... (2) u adalah output pengontrol, Kp tetap adalah proportional gain (keuntungan sebanding), Ti adalah integral time (waktu integral), Td adalah derivative time (waktu derivative), dan e adalah error antara referensi serta output proses. Untuk perioda sampling kecil. = + = (3) Indeks mengacu pada saat tertentu tanda waktu. dengan cara mengatur atau menyesuaikan parameter Kp, Ti, dan Td. Beberapa aspek pengaturan mungkin saja digambarkan oleh pertimbangan statis. untuk kendali yang secara murni sebanding ( Td=0 dan 1/Ti=0), hukum kendali(2) mengurangi kepada : =... (4) Mempertimbangkan pengulangan feedback, dimana pengontrol proposional meningkatkan Kp dan proses ini mempunyai keuntungan K didalam kondisi steady state. output proses x adalah yang berhubungan dengan referensi Ref, beban l, dan noise pengukuran n oleh persamaan. x = ( +... (5)

45 29 Tabel 2.3 merupakan aturan dalam matode Ziegler Nichols untuk menentukan parameter parameter PID. Tabel 2.3 The Ziegler Nichols rules (prequency response method) Tipe Kp Ti Td P 0.5 Ku PI 0.45 Ku Tu/1.2 PID 0.6 Ku Tu/ Tu/8 Tuning dilakukan untuk mendapatkan nilai-nilai parameter PID dengan hasil terbaik sehingga dapat mengoptimasikan kerja suatu sistem dengan error yang terjadi dapat di minimalisasi. [1] 2.5 Mikrokontroler Mikrokontroler adalah sebuah sistem komputer fungsional dalam sebuah chip. Di dalamnya terkandung sebuah inti prosesor, memori (sejumlah kecil Random Access Memorie/RAM, memori program, atau keduanya), dan perlengkapan input output. Dengan kata lain, mikrokontroler adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus, cara kerja mikrokontroler sebenarnya membaca dan menulis data. Sekedar contoh, bayangkan diri Anda saat mulai belajar membaca dan menulis, ketika Anda sudah bisa melakukan hal itu Anda bisa membaca tulisan apapun baik buku, cerpen, artikel dan sebagainya, dan Andapun bisa pula menulis hal-hal sebaliknya. Begitu pula jika Anda sudah mahir membaca dan menulis data maka Anda dapat membuat program untuk membuat suatu sistem pengaturan otomatik menggunakan mikrokontroler sesuai keinginan Anda. Mikrokontroler merupakan komputer didalam chip yang digunakan untuk

46 30 mengontrol peralatan elektronik, yang menekankan efisiensi dan efektifitas biaya. Secara harfiahnya bisa disebut pengendali kecil dimana sebuah sistem elektronik yang sebelumnya banyak memerlukan komponen-komponen pendukung seperti Integrated Circuit Transistor Transistor Logic ( IC TTL) dan complementary Metal Oxide Semiconductor ( CMOS) dapat direduksi/diperkecil dan akhirnya terpusat serta dikendalikan oleh mikrokontroler ini. Mikrokonktroler digunakan dalam produk dan alat yang dikendalikan secara automatis, seperti sistem kontrol mesin, remote controls, mesin kantor, peralatan rumah tangga, alat berat, dan mainan. Dengan mengurangi ukuran, biaya, dan konsumsi tenaga dibandingkan dengan mendesain menggunakan mikroprosesor memori, dan alat input output yang terpisah, kehadiran mikrokontroler membuat kontrol elektrik untuk berbagai proses menjadi lebih ekonomis. Dengan penggunaan mikrokontroler ini maka : 1. Sistem elektronik akan menjadi lebih ringkas 2. Rancang bangun sistem elektronik akan lebih cepat karena sebagian besar dari sistem adalah perangkat lunak yang mudah dimodifikasi 3. Pencarian gangguan lebih mudah ditelusuri karena sistemnya yang kompak Namun demikian tidak sepenuhnya mikrokontroler bisa mereduksi komponen IC TTL dan CMOS yang seringkali masih diperlukan untuk aplikasi kecepatan tinggi atau sekedar menambah jumlah saluran masukan dan keluaran (I/O). Dengan kata lain, mikrokontroler adalah versi mini atau mikro dari sebuah komputer karena mikrokontroler sudah mengandung beberapa periferal yang langsung bisa dimanfaatkan, misalnya port paralel, port serial, komparator, konversi digital ke analog ( digital analog Convertion/DAC), konversi analog ke

47 31 digital dan sebagainya hanya menggunakan sistem minimum yang tidak rumit atau kompleks. Agar sebuah mikrokontroler dapat berfungsi, maka mikrokontroler tersebut memerlukan komponen eksternal yang kemudian disebut dengan sistem minimum. Untuk membuat sistem minimal paling tidak dibutuhkan sistem clock dan reset, walaupun pada beberapa mikrokontroler sudah menyediakan sistem clock internal, sehingga tanpa rangkaian eksternal pun mikrokontroler sudah beroperasi. Untuk merancang sebuah sistem berbasis mikrokontroler, kita memerlukan perangkat keras dan perangkat lunak, yaitu: 1. sistem minimal mikrokontroler 2. software pemrograman dan kompiler, serta downloader Yang dimaksud dengan sistem minimal adalah sebuah rangkaian mikrokontroler yang sudah dapat digunakan untuk menjalankan sebuah aplikasi. Sebuah IC mikrokontroler tidakakan berarti bila hanya berdiri sendiri. Pada dasarnya sebuah sistem minimal mikrokontroler Alf Vegard Risc processor/avr memiliki prinsip yang sama, yang terdiri dari 4 bagian, yaitu : 1. Prosesor, yaitu mikrokontroler itu sendiri 2. Rangkaian reset agar mikrokontroler dapat menjalankan program mulai dari awal 3. Rangkaian clock, yang digunakan untuk memberi detak pada Central Processor Unit/CPU 4. Rangkaian catu daya, yang digunakan untuk memberi sumberdaya

48 32 Pada mikrokontroler jenis-jenis tertentu (AVR misalnya), poin pada no 2,3 sudah tersedia didalam mikrokontroler tersebut dengan frekuensi yang sudah diseting dari vendornya (biasanya 1MHz,2MHz,4MHz,8MHz), sehingga pengguna tidak perlu memerlukan rangkaian tambahan, namun bila ingin merancang sistem dengan spesifikasi tertentu (misal ingin komunikasi dengan PC atau handphone), maka pengguna harus menggunakan rangkaian clock yang sesuai dengan karakteristik PC atau HP tersebut, biasanya menggunakan kristal 11,0592 MHz, untuk menghasilkan komunikasi yang sesuai dengan baud rate PC atau HP tersebut Jenis-jenis Mikrokontroller Secara teknis, hanya ada 2 macam mikrokontroller. Pembagian ini didasarkan pada kompleksitas instruksi-instruksi yang dapat diterapkan pada mikrokontroler tersebut. Pembagian itu yaitu RISC dan CISC. RISC merupakan kependekan dari Reduced Instruction Set Computer. Instruksi yang dimiliki terbatas, tetapi memiliki fasilitas yang lebih banyak. Sebaliknya, CISC kependekan dari Complex Instruction Set Computer. Instruksi bisa dikatakan lebih lengkap tapi dengan fasilitas secukupnya. Masing-masing mempunyai keturunan atau keluarga sendiri-sendiri. pembagian jenis-jenis mikrokonktroler yang telah umum digunakan antara lain : 1. Keluarga MCS5 2. AVR 3. PI [2]

49 Arduino Arduino adalah platform pembuatan prototipe elektronik yang bersifat open-source hardware yang berdasarkan pada perangkat keras dan perangkat lunak yang fleksibel dan mudah digunakan. Arduino ditujukan bagi para seniman, desainer, dan siapapun yang tertarik dalam menciptakan objek atau lingkungan yang interaktif. Arduino pada awalnya dikembangkan di Ivrea, Italia. Nama Arduino adalah sebuah nama maskulin yang berarti teman yang kuat. Platform arduino terdiri dari arduino board, shield, bahasa pemrograman arduino, dan arduino development environment. Arduino board biasanya memiliki sebuah chip dasar mikrokontroler Atmel AVR ATmega8 berikut turunannya. Blok diagram arduino board yang sudah disederhanakan dapat dilihat pada gambar Bahasa pemrograman arduino adalah bahasa pemrograman yang umum digunakan untuk membuat perangkat lunak yang ditanamkan pada arduino board. Bahasa pemrograman arduino mirip dengan bahasa pemrograman C++. Gambar 2.22 Blok Diagram Arduino Board Arduino Development Environment adalah perangkat lunak yang digunakan untuk menulis dan meng-compile program untuk arduino. Arduino Development Environment juga digunakan untuk meng-upload program yang sudah di-compile ke memori program arduino board.

50 Arduino Uno Arduino Uno adalah arduino board yang menggunakan mikrokontroler ATmega328. Arduino Uno memiliki 14 pin digital (6 pin dapat digunakan sebagai output PWM), 6 input analog, sebuah 16 MHz osilator kristal, sebuah koneksi USB, sebuah konektor sumber tegangan, sebuah header ICSP, dan sebuah tombol reset. Arduino Uno memuat segala hal yang dibutuhkan untuk mendukung sebuah mikrokontroler. Hanya dengan menhubungkannya ke sebuah komputer melalui USB atau memberikan tegangan DC dari baterai atau adaptor AC ke DC sudah dapat membuanya bekerja. Arduino Uno menggunakan ATmega16U2 yang diprogram sebagai USB-to-serial converter untuk komunikasi serial ke computer melalui port USB. Tampak atas dari arduino uno dapat dilihat pada gambar 2.23 Adapun data teknis board Arduino UNO R3 adalah sebagai berikut: a. Mikrokontroler : ATmega328 b. Tegangan Operasi : 5 c. Tegangan Input (recommended) : 7-12 V d. Tegangan Input (limit) : 6-20 V e. Pin digital I/O : 14 (6 diantaranya pin PWM) f. Pin Analog input : 6 g. Arus DC per pin I/O : 40 ma h. Arus DC untuk pin 3.3 V : 150 ma i. Flash Memory : 32 KB dengan 0.5 KB digunakan untuk bootloader j. SRAM : 2 KB k. EEPROM : 1 KB l. Kecepatan Pewaktuan : 16 Mhz

51 35 Gambar 2.23 Arduino Uno A. Pin Masukan dan Keluaran Arduino Uno Masing-masing dari 14 pin digital arduino uno dapat digunakan sebagai masukan atau keluaran menggunakan fungsi pinmode(), digitalwrite() dan digitalread(). Setiap pin beroperasi pada tegangan 5 volt. Setiap pin mampu menerima atau menghasilkan arus maksimum sebasar 40 ma dan memiliki resistor pull-up internal (diputus secara default) sebesar KOhm. Sebagai tambahan, beberapa pin masukan digital memiliki kegunaan khusus yaitu: a. Komunikasi serial: pin 0 (RX) dan pin 1 (TX), digunakan untuk menerima (RX) dan mengirim (TX) data secara serial. b. External Interrupt: pin 2 dan pin 3, pin ini dapat dikonfigurasi untuk memicu sebuah interrupt pada nilai rendah, sisi naik atau turun, atau pada saat terjadi perubahan nilai. c. Pulse-width modulation (PWM): pin 3,5,6,9,10 dan 11, menyediakan keluaran PWM 8-bit dangan menggunakan fungsi analog Write(). d. Serial Peripheral Interface (SPI): pin 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) dan 13 (SCK), pin ini mendukung komunikasi SPI dengan menggunakan SPI library. e. LED: pin 13, terdapat built-in LED yang terhubung ke pin digital 13. Ketika pin bernilai HIGH maka LED menyala, begitu juga sebaliknya.

52 36 Arduino Uno memiliki 6 masukan analog yang diberi label A0 sampai A5, setiap pin menyediakan resolusi sebanyak 10 bit (1024 nilai yang berbeda). Secara default pin mengukur nilai tegangan dari ground (0V) hingga 5V, walaupun begitu dimungkinkan untuk mengganti nilai batas atas dengan menggunakan pin AREF dan fungsi analog Reference(). Sebagai tambahan beberapa pin masukan analog memiliki fungsi khusus yaitu pin A4 (SDA) dan pin A5 (SCL) yang digunakan untuk komunikasi Two Wire Interface (TWI) atau Inter Integrated Circuit (I2C) dengan menggunakan Wire library. B. Sumber Daya dan Pin Tegangan Arduino Uno Arduino uno dapat diberi daya melalui koneksi USB (Universal Serial Bus) atau melalui power supply eksternal. Jika arduino uno dihubungkan ke kedua sumber daya tersebut secara bersamaan maka arduino uno akan memilih salah satu sumber daya secara otomatis untuk digunakan. Power supplay external (yang bukan melalui USB) dapat berasal dari adaptor AC ke DC atau baterai. Adaptor dapat dihubungkan ke soket power pada arduino uno. Jika menggunakan baterai, ujung kabel yang dibubungkan ke baterai dimasukkan kedalam pin GND dan Vin yang berada pada konektor POWER. Arduino uno dapat beroperasi pada tegangan 6 sampai 20 volt. Jika arduino uno diberi tegangan di bawah 7 volt, maka pin 5V akan menyediakan tegangan di bawah 5 volt dan arduino uno munkin bekerja tidak stabil. Jika diberikan tegangan melebihi 12 volt, penstabil tegangan kemungkinan akan menjadi terlalu panas dan merusak arduino uno. Tegangan rekomendasi yang diberikan ke arduino uno berkisar antara 7 sampai 12 volt.

53 37 Pin-pin tegangan pada arduino uno adalah sebagai berikut: a. Vin adalah pin untuk mengalirkan sumber tegangan ke arduino uno ketika menggunakan sumber daya eksternal (selain dari koneksi USB atau sumber daya yang teregulasi lainnya). Sumber tegangan juga dapat disediakan melalui pin ini jika sumber daya yang digunakan untuk arduino uno dialirkan melalui soket power. b. 5V adalah pin yang menyediakan tegangan teregulasi sebesar 5 volt berasal dari regulator tegangan pada arduino uno. c. 3V3 adalah pin yang meyediakan tegangan teregulasi sebesar 3,3 volt berasal dari regulator tegangan pada arduino uno. d. GND adalah pin ground. C. Peta Memori Arduino Uno Arduino Uno adalah arduino board yang menggunakan mikrokontroler ATmega328. Maka peta memori arduino uno sama dengan peta memori pada mikrokontroler ATmega Memori Program ATMega328 memiliki 32K byte On-chip In-System Reprogrammable Flash Memory untuk menyimpan program. Memori flash dibagi kedalam dua bagian, yaitu bagian program bootloader dan aplikasi seperti terlihat pada gambar Bootloader adalah program kecil yang bekerja pada saat sistem dimulai yang dapat memasukkan seluruh program aplikasi ke dalam memori prosesor.

54 38 Gambar 2.24 Peta Memori Program ATMega Memori Data Memori data ATMega328 terbagi menjadi 4 bagian, yaitu 32 lokasi untuk register umum, 64 lokasi untuk register I/O, 160 lokasi untuk register I/O tambahan dan sisanya 2048 lokasi untuk data SRAM internal. Register umum menempati alamat data terbawah, yaitu 0x0000 sampai 0x001F. Register I/O menempati 64 alamat berikutnya mulai dari 0x0020 hingga 0x005F. Register I/O tambahan menempati 160 alamat berikutnya mulai dari 0x0060 hingga 0x00FF. Sisa alamat berikutnya mulai dari 0x0100 hingga 0x08FF digunakan untuk SRAM internal. Peta memori data dari ATMega 328 dapat dilihat pada gambar Gambar 2.25 Peta Memori Data ATMega 328.

55 39 3. Memori Data EEPROM Arduino uno terdiri dari 1 KByte memori data EEPROM. Pada memori EEPROM, data dapat ditulis/dibaca kembali dan ketika catu daya dimatikan, data terakhir yang ditulis pada memori EEPROM masih tersimpan pada memori ini, atau dengan kata lain memori EEPROM bersifat nonvolatile. Alamat EEPROM dimulai dari 0x000 hingga 0x3FF Bahasa Pemrograman Arduino Arduino board merupakan perangkat yang berbasiskan mikrokontroler. Perangkat lunak (software) merupakan komponen yang membuat sebuah mikrokontroller dapat bekerja. Arduino board akan bekerja sesuai dengan perintah yang ada dalam perangkat lunak yang ditanamkan padanya. Bahasa Pemrograman Arduino adalah bahasa pemrograman utama yang digunakan untuk membuat program untuk arduino board. Bahasa pemrograman arduino menggunakan bahasa pemrograman C sebagai dasarnya. Karena menggunakan bahasa pemrograman C sebagai dasarnya, bahasa pemrograman arduino memiliki banyak sekali kemiripan, walaupun beberapa hal telah berubah Struktur Setiap program dalam arduino board terdiri dari dua fungsi utama yaitu setup() dan loop(). Instruksi yang berada dalam fungsi setup() dieksekusi hanya sekali, yaitu ketika arduino board pertama kali dihidupkan. Biasanya instuksi yang berada pada fungsi setup() merupakan konfigurasi dan inisialisasi dari arduino board. Instruksi yang berada pada fungsi loop() dieksekusi berulang-ulang hingga arduino board dimatikan (catu daya diputus). Fungsi loop() merupakan tugas

56 40 utama dari arduino board. Jadi setiap program yang menggunakan bahasa pemrograman arduino memilliki struktur sebagai berikut: Program diatas dapat dianalogikan dalam bahasa C sebagai berikut: Arduino Development Environment Arduino Development Environment terdiri dari editor teks untuk menulis kode, sebuah area pesan, sebuah konsol, sebuah toolbar dengan tomol-tombol untuk fungsi yang umum dan beberapa menu. Arduino Development Environment terhubung ke arduino board untuk meng-upload program dan juga untuk berkomunikasi dengan arduino board. Perangkat lunak yang ditulis menggunakan Arduino Development Environment disebut sketch. Sketch ditulis pada editor teks. Sketch disimpan dengan file berekstensi.ino. Area pesan memberikan memberikan informasi dan pesan error ketika kita menyimpan atau membuka sketch. Konsol menampilkan output teks dari Arduino Development Environment dan juga menampilkan pesan error ketika kita mengkompile sketch. Pada sudut kanan bawah dari jendela

57 41 Arduino Development Environment menunjukkan jenis board dan port seriak yang sedang digunakan. Tombol toolbar digunakan utuk mengecek dan mengupload sketch, membuat, membuka atau menyimpan sketch, dan menampilkan serial monitor. Gambar 2.26 Arduino Development Environment Berikut ini adalah tombol-tombol toolbar serta fungsinya: Verify : mengecek error pada code program. Upload : meng-compile dan meng-upload program ke Arduino board. New : membuat sketch baru. Open : menampilkan sebuah menu dari seluruh sketch yang berada di dalam sketchbook. Save : menyimpan sketch. Serial Monitor : membuka serial monitor. Dalam lingkungan arduino digunakan sebuah konsep yang disebut sketchbook, yaitu tempat standar untuk menumpan program (sketch). Sketch yang

58 42 ada pada sketchbook dapat dibuka dari menu File > Sketchbook atau dari tombol open pada toolbar. Ketika pertama kali menjalankan arduino development environment, sebuah direktori akan dibuat secara otomatis untuk tempat penyimpana sketchbook. Kita dapat melihat atau mengganti lokasi dari direktori tersebut dari menu File > Preferences. Serial monitor menampilkan data serial yang sedang dikirim dari arduino board. Untuk mengirim data ke board, masukkan teks dan klik tombol send atau tekan enter pada keyboard. Sebelum meng-upload program, kita perlu mensetting jenis board dan port serial yang sedang kita gunakan melalui menu Tools > Board dan Tools > Serial Port. Pemilihan board berguna untuk mengeset parameter (contohnya: kecepatan mikrokontroler dan baud rate) yang digunakan ketika meng-compile dan mengupload sketch. Setelah memilih board dan port serial yang tepat, tekan tombol upload pada toolbar atau pilih menu File > Upload. Arduino board akan me-reset secara otomatis dan proses upload akan dimulai. Pada kebanyakan board, LED RX dan TX akan berkedip ketika program sedang di-upload. Arduino development environment akan menampilkan pesan ketika proses upload telah selesai, atau menampilkan pesan error. Ketika sedang meng-upload program, arduino bootloader sedang digunakan, Arduino bootloader adalah sebuah program kecil yang telah ditanamkan pada mikrokontroler yang berada pada arduino board. Bootloader ini mengijinkan kita meng-upload program tanpa menggunakan perangkat keras tambahan. [5]

59 Sensor Suhu LM35 Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. Sensor Suhu LM35 yang dipakai dalam penelitian ini berupa komponen elektronika elektronika yang diproduksi oleh National Semiconductor. LM35 memiliki keakuratan tinggi dan kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yang lain, LM35 juga mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang tinggi sehingga dapat dengan mudah dihubungkan dengan rangkaian kendali khusus serta tidak memerlukan penyetelan lanjutan. Meskipun tegangan sensor ini dapat mencapai 30 volt akan tetapi yang diberikan kesensor adalah sebesar 5 volt, sehingga dapat digunakan dengan catu daya tunggal dengan ketentuan bahwa LM35 hanya membutuhkan arus sebesar 60 µa hal ini berarti LM35 mempunyai kemampuan menghasilkan panas ( selfheating) dari sensor yang dapat menyebabkan kesalahan pembacaan yang rendah yaitu kurang dari 0,5 ºC pada suhu 25 ºC Struktur Sensor LM35 Gambar 2.27 Sensor Suhu LM35 Gambar 2.27 menunjukan bentuk dari LM35 tampak depan dan tampak bawah. 3 pin LM35 menujukan fungsi masing-masing pin diantaranya, pin 1 berfungsi sebagai sumber tegangan kerja dari LM35, pin 2 atau tengah digunakan

60 44 sebagai tegangan keluaran atau V out dengan jangkauan kerja dari 0 Volt sampai dengan 1,5 Volt dengan tegangan operasi sensor LM35 yang dapat digunakan antar 4 Volt sampai 30 Volt. Keluaran sensor ini akan naik sebesar 10 mv setiap derajad celcius sehingga diperoleh persamaan sebagai berikut : V LM35 = Suhu * 10 mv Gambar 2.28 Skematik Sensor Suhu LM35-DZ Gambar 2.28 adalah gambar skematik rangkaian dasar sensor suhu LM35- DZ. Rangkaian ini sangat sederhana dan praktis. Vout adalah tegangan keluaran sensor yang terskala linear terhadap suhu terukur, yakni 10 milivolt per 1 C. Jadi jika Vout = 530mV, maka suhu terukur adalah 53 C. Dan jika Vout = 320mV, maka suhu terukur adalah 32 C. Tegangan keluaran ini bisa langsung diumpankan sebagai masukan ke rangkaian pengkondisi sinyal seperti rangkaian penguat operasional dan rangkaian filter, atau rangkaian lain seperti rangkaian pembanding tegangan dan rangkaian Analog-to-Digital Converter Karakteristik Sensor LM35 1. Memiliki sensitivitas suhu, dengan faktor skala linier antara tegangan dan suhu 10 mvolt/ºc, sehingga dapat dikalibrasi langsung dalam celcius. 2. Memiliki ketepatan atau akurasi kalibrasi yaitu 0,5ºC pada suhu 25 ºC seperti terlihat pada gambar Memiliki jangkauan maksimal operasi suhu antara -55 ºC sampai +150 ºC.

61 45 4. Bekerja pada tegangan 4 sampai 30 volt. 5. Memiliki arus rendah yaitu kurang dari 60 µa. 6. Memiliki pemanasan sendiri yang rendah ( low-heating) yaitu kurang dari 0,1 ºC pada udara diam. 7. Memiliki impedansi keluaran yang rendah yaitu 0,1 W untuk beban 1 ma. 8. Memiliki ketidaklinieran hanya sekitar ± ¼ ºC. Gambar 2.29 Grafik akurasi LM35 terhadap suhu Sensor LM35 bekerja dengan mengubah besaran suhu menjadi besaran tegangan. Tegangan ideal yang keluar dari LM35 mempunyai perbandingan 100 C setara dengan 1 volt. Sensor ini mempunyai pemanasan diri (self heating) kurang dari 0,1 C, dapat dioperasikan dengan menggunakan power supply tunggal dan dapat dihubungkan antar muka (interface) rangkaian control yang sangat mudah. IC LM 35 sebagai sensor suhu yang teliti dan terkemas dalam bentuk Integrated Circuit (IC), dimana output tegangan keluaran sangat linear terhadap perubahan suhu. Sensor ini berfungsi sebagai pegubah dari besaran fisis suhu ke besaran tegangan yang memiliki koefisien sebesar 10 mv / C yang berarti bahwa kenaikan suhu 1 C maka akan terjadi kenaikan tegangan sebesar 10 mv.

62 46 Gambar 2.30 Rangkaian Sensor LM35 IC LM 35 ini tidak memerlukan pengkalibrasian atau penyetelan dari luar karena ketelitiannya sampai lebih kurang seperempat derajat celcius pada temperature ruang. Jangka sensor mulai dari 55 C sampai dengan 150 C, IC LM35 penggunaannya sangat mudah, difungsikan sebagai kontrol dari indicator tampilan catu daya terbelah. IC LM 35 dapat dialiri arus 60 μ A dari supplay sehingga panas yang ditimbulkan sendiri sangat rendah kurang dari 0 C di dalam suhu ruangan. Untuk mendeteksi suhu digunakan sebuah sensor suhu LM35 yang dapat dikalibrasikan langsung dalam C (celcius), LM35 ini difungsikan sebaga i basic temperature sensor. Adapun keistimewaan dari IC LM 35 adalah : a. Kalibrasi dalam satuan derajat celcius. b. Lineritas +10 mv/ º C. c. Akurasi 0,5 º C pada suhu ruang. d. Range +2 º C 150 º C. e. Dioperasikan pada catu daya 4 V 30 V. f. Arus yang mengalir kurang dari 60 μa

63 Kelebihan dan Kelemahan Sensors LM35 A. Kelebihan: 1. Rentang suhu yang jauh, antara -55 sampai +150 o C 2. Low self-heating, sebesar 0.08 o C 3. Beroperasi pada tegangan 4 sampai 30 V 4. Rangkaian tidak rumit 5. Tidak memerlukan pengkondisian sinyal B. Kekurangan: 1. Membutuhkan sumber tegangan untuk beroperasi [3] 2.8 LCD (Liquid Crystal Display) Display LCD sebuah liquid crystal atau perangkat elektronik yang dapat digunakan untuk menampilkan angka atau teks. Ada dua jenis utama layar LCD yang dapat menampilkan numerik (digunakan dalam jam tangan, kalkulator dll) dan menampilkan teks alfanumerik (sering digunakan pada mesin foto kopi dan telepon genggam). Dalam menampilkan numerik ini kristal yang dibentuk menjadi bar, dan dalam menampilkan alfanumerik kristal hanya diatur kedalam pola titik. Setiap kristal memiliki sambungan listrik individu sehingga dapat dikontrol secara independen. Ketika kristal off' (yakni tidak ada arus yang melalui kristal) cahaya kristal terlihat sama dengan bahan latar belakangnya, sehingga kristal tidak dapat terlihat. Namun ketika arus listrik melewati kristal, itu akan merubah bentuk dan menyerap lebih banyak cahaya. Hal ini membuat kristal terlihat lebih gelap dari penglihatan mata manusia sehingga bentuk titik atau bar dapat dilihat dari perbedaan latar belakang.

64 48 Sangat penting untuk menyadari perbedaan antara layar LCD dan layar LED. Sebuah LED display (sering digunakan dalam radio jam) terdiri dari sejumlah LED yang benar-benar mengeluarkan cahaya (dan dapat dilihat dalam gelap). Sebuah layar LCD hanya mencerminkan cahaya, sehingga tidak dapat dilihat dalam gelap. LMB162A adalah modul LCD matrix dengan konfigurasi 16 karakter dan 2 baris dengan setiap karakternya dibentuk oleh 8 baris pixel dan 5 kolom pixel (1 baris terakhir adalah kursor). Memori LCD terdiri dari bir CGROM, 64 byte CGRAM dan 80x8 bit DDRAM yang diatur pengalamatannya oleh Address Counter dan akses datanya (pembacaan maupun penulisan datanya) dilakukan melalui register data. Pada LMB162A terdapat register data dan register perintah. Proses akses data ke atau dari register data akan mengakses ke CGRAM, DDRAM atau CGROM bergantung pada kondisi Address Counter, sedangkan proses akses data ke atau dari Register perintah akan mengakses Instruction Decoder (dekoder instruksi) yang akan menentukan perintah perintah yang akan dilakukan oleh LCD. Gambar 2.31 LCD 16x2 Character Klasifikasi LED Display 16x2 Character a.16 karakter x 2 baris b.5x7 titik Matrix karakter + kursor

65 49 c.hd44780 Equivalent LCD kontroller/driver Built-In d.d. 4-bit atau 8-bit MPU Interface e.tipe standar f. Bekerja hampir dengan semua Mikrokontroler Deskripsi Pin LCD Untuk keperluan antar muka suatu komponen elektronika dengan mikrokontroler, perlu diketahui fungsi dari setiap kaki yang ada pada komponen tersebut. a. Kaki 1 (GND) : Kaki ini berhubungan dengan tegangan +5 Volt yang merupakan tegangan untuk sumber daya. b. Kaki 2 (VCC) : Kaki ini berhubungan dengan tegangan 0 volt (Ground). c. Kaki 3 (VEE/VLCD) : Tegangan pengatur kontras LCD, kaki ini terhubung pada cermet. Kontras mencapai nilai maksimum pada saat kondisi kaki ini pada tegangan 0 volt. d. Kaki 4 (RS) : Register Select, kaki pemilih register yang akan diakses. Untuk akses ke Register Data, logika dari kaki ini adalah 1 dan untuk akses ke Register Perintah, logika dari kaki ini adalah 0. e. Kaki 5 (R/W) : Logika 1 pada kaki ini menunjukan bahwa modul LCD sedang pada mode pembacaan dan logika 0 menunjukan bahwa modul LCD sedang pada mode penulisan. Untuk aplikasi yang tidak memerlukan pembacaan data pada modul LCD, kaki ini dapat dihubungkan langsung ke Ground. f. Kaki 6 (E) : Enable Clock LCD, kaki mengaktifkan clock LCD. Logika 1 pada kaki ini diberikan pada saat penulisan atau membacaan data.

66 50 g. Kaki 7 14 (D0 D7) : Data bus, kedelapan kaki LCD ini adalah bagian di mana aliran data sebanyak 4 bit ataupun 8 bit mengalir saat proses penulisan maupun pembacaan data. h. Kaki 15 (Anoda) : Berfungsi untuk tegangan positif dari backlight LCD sekitar 4,5 volt (hanya terdapat untuk LCD yang memiliki backlight) i. Kaki 16 (Katoda) : Tegangan negatif backlight LCD sebesar 0 volt (hanya terdapat pada LCD yang memiliki backlight). [3] Gambar 2.32 Blok Pin LCD [3]

67 BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN 3.1 Perancangan Sistem Pada bab ini penulis akan menjelaskan secara singkat bagaimana perancangan dan pembuatan alat ruang pendingin menggunakan termoelektrik. Pada alat ruang pendingin menggunakan termoelektrik ini, terdiri dari dua sistem yaitu sistem pengaturan kestabilan suhu dingin termoelektrik pada ruang pendingin dan pengaturan kestabilan suhu panas termoelektrik pada ruang pendingin menggunakan kendali PID. Namun pada tugas akhir ini, penulis lebih berfokus pada pembahasan mengenai pengaturan kestabilan suhu panas termoelektrik pada ruang pendingin menggunakan kendali PID. Perancangan terdiri dari pembuatan diagram blok dan sketsa rangkaian. Pada pengaturan kestabilan suhu panas termoelektrik pada ruang pendingin menggunakan kendali PID ini, prosesnya dilakukan oleh mikrokontroler Arduino Uno. Kontrol PID yang digunakan adalah kontrol digital dimana pada kontrol PID digital ini jika terjadi kesalahan yang akan dierbaiki hanya software, sedangkan jika menggunakan kontrol PID analog, hardware yang harus diubah atau diganti dan hal tersebut akan memakan waktu yang lama dalam pengerjaannya Prinsip Kerja Alat Dalam tugas akhir yang berjudul Rancang Bangun Ruang Pendingin Menggunakan Termoelektrik ini, bertujuan untuk membuat suatu alat ruang pendingin yang menggunakan termoelektrik sebagai komponen pendinginnya. 51

68 52 Suhu dingin pada ruang pendingin ini dihasilkan oleh komponen termoelektrik dengan memanfaatkan efek peltier dari termoelektrik dimana pada efek peltier ini, apabila termoelektrik dialiri arus listrik maka pada termoelektrik tersebut terjadi perbedaan suhu pada dua sisinya yaitu suhu panas dan suhu dingin. Untuk menghasilkan suhu dingin pada termoelektrik dapat dilakukan dengan cara mengatur arus pada termoelektrik sedangkan tegangannya tetap. Jika suhu yang dihasilkan oleh sisi dingin termoelektrik semakin dingin maka suhu pada sisi panas termoelektrik semakin panas sehingga hal tersebut akan mengurangi efektifitas dari termoelektrik tersebut. Untuk mengantisipasi hal tersebut maka pada sisi panas termoelektrik dipasang sebuah heatsink dan kipas atau Fan dimana kipas atau Fan tersebut berfungsi untuk mempercepat penyebaran panas atau pembuangan panas termoelektrik agar panas yang dihasilkan termoelektrik tersebut tidak berlebihan dan kinerja dari termoelektrik menjadi maksimal. Pada alat ruang pendingin ini menggunakan LCD untuk menampilkan hasil pembacaan suhu oleh sensor suhu LM Diagram Blok Diagram blok merupakan langkah awal dalam suatu perancangan sebuah alat. Dari diagram blok tersebut dapat dimengerti cara kerja alat secara umum dan langkah-langkah yang akan dikerjakan dalam pembuatan alat. Gambar 3.1 merupakan rancangan diagram blok rancang bangun ruang pendingin menggunakan termoelektrik dimana pada alat ruang pendingin tersebut terdiri dari dua sistem yaitu sistem pengaturan kestabilan suhu dingin termoelektrik pada ruang pendingin dan pengaturan kestabilan suhu panas termoelektrik pada ruang pendingin menggunakan kendali PID

69 53 Gambar 3.1 Diagram blok sistem pengaturan kestabilan suhu dingin dan sistem pengaturan kestabilan suhu panas termoelektrik Adapun fungsi dari masing-masing blok diagram pada gambar 3.1 adalah sebagai berikut : 1. Unit kendali berfungsi sebagai pengontrol sistem 2. Arduino berfungsi untuk membaca dan memproses sinyal yang telah diberikan oleh sensor dan akan menentukan tindakan apa yang selanjutnya akan dilakukan, jika arduino menerima sinyal dari sensor maka arduino akan memicu kerja alat. 3. Sensor arus berfungsi untuk mendeteksi arus yang mengalir ke termoelektrik. 4. Sensor suhu berfungsi untuk mendeteksi suhu pada ruang pendingin dengan cara mengubah besaran suhu menjadi besaran tegangan. 5. Fan/kipas berfungsi untuk membuang panas yang dihasilkan oleh termoelektrik agar kerja termoelektrik lebih maksimal. 6. Termoelektrik berfungsi untuk menghasilkan suhu dingin pada ruang pendingin.

70 Perancangan Rangkaian Dalam pembuatan sebuah alat diperlukan perencanaan rangkaian sebagai acuan agar memperlancar proses pengerjaan alat. Pada perancangan rangkaian ini terdiri dari rangkaian keseluruhan, rangkaian catu daya, rangkaian pengontrolan fan atau kipas, rangkaian sensor suhu, dan rangkaian LCD Rangkaian Keseluruhan Untuk perancangan dan pembuatan alat, pengontrolan yang digunakan adalah mikrokontroler Arduino Uno. Rangkaian yang terlihat pada gambar 3.2 berfungsi sebagai pusat kontrol utama dari seluruh blok sistem yang ada. Rangkaian ini merupakan penunjang proses kerja alat. Gambar 3.2 Rangkaian Secara Keseluruhan

71 Rangkaian Catu Daya Rangkaian catu daya merupakan rangkaian yang berfungsi untuk mengubah tegangan AC 220V menjadi DC 12 V dan juga DC 5V yang akan berguna untuk mensupplay daya dari mikrokontroler Arduino Uno dan juga untuk menyuplai daya termoelektrik. Pada rangkaian catu daya ini digunakan sebuah transformator 220V/12V, 5 A. Trafo dengan kapasitas 5 A digunakan karena arus maksimal termoelektrik bisa mencapai 3 A dan trafo yang tersedia hanya berkapsitas 5 A, maka daripada itu digunakanlah trafo 5 A. Selanjutnya digunakan 4 buah dioda untuk menyearahkan tegangan yang telah di turunkan oleh tranformator. Hal ini dilakukan karena tegangan keluaran yang digunakan adalah tegangan arus searah (Vdc). Transformator menurunkan tegangan 220 Volt AC menjadi 12 Volt AC kemudian juga terdapat kapasitor yang berfungsi untuk filter dari penyearahan yang telah di lakukan oleh dioda. Ketika tegangan sudah menjadi Volt DC maka disini digunakan IC regulator yang mana berfungsi untuk menstabilkan tegangan dimana tegangan keluaran yang akan digunakan nantinya adalah 5 Volt DC. Gambar rangkaian catu daya dapat dilihat pada gambar 3.3 berikut : Gambar 3.3 Rangkaian Catu Daya

72 Rangkaian Pengontrolan Fan atau Kipas Pada rancang bangun alat ruang pendingin menggunakan termoelektrik ini, fan atau kipas berperan penting dalam proses penyebaran atau pembuangan panas pada sisi panas termoelektrik. Jika semakin dingin suhu pada sisi dingin termoelektrik, maka pada sisi panasnya akan semakin panas sehingga panas yang berlebih bisa mengurangi efisiensi dari termoelektrik. Untuk itu maka, digunakanlah sebuah fan atau kipas angin dimana fan atau kipas tersebut memiliki inputan dari Arduino Uno sebagai kontroler PID untuk mengatur kecepatan putaran fan atau kipas sehingga fan atau kipas tersebut dapat mengurangi panas yang berlebih panas sisi panas termoelektrik tersebut. Semakin tinggi suhu yang terdeteksi pada sisi panas termoelektrik tersebut maka semakin tinggi pula putaran dari fan atau kipas. Kecepatan putaran fan atau kipas dapat diatur dengan cara mengatur tegangan masukan fan atau kipas. Nilai tegangan masukan fan atau kipas secara otomatis akan dikontrol oleh kontrol PID melalui keluaran arduino yang terhubung ke masukan driver fan atau kipas dan dari keluaran driver fan terhubung ke masukan fan yang dapat dilihat pada gambar 3.4. Gambar 3.4 Rangkaian Pengontrolan Fan atau Kipas

73 Rangkaian Sensor Suhu Sensor suhu LM35 digunakan untuk mengukur nilai suhu didalam box pendingin dan juga suhu di sisi panas termoelektrik. Rangkaian sensor suhu LM35 terpasang ke Port C.2 yang dapat dilihat pada gambar 3.5. Gambar 3.5 Rangkaian Sensor Suhu Rangkaian LCD LCD digunakan untuk menampilkan nilai suhu yang terbaca oleh sensor suhu yang terlebih dahulu diproses oleh Arduino Uno. Rangkaian LCD terpasang ke Port C.4 dan Port C.5 yang dapat dilihat pada gambar 3.6. Gambar 3.6 Rangkaian LCD

74 Perancangan Software Pada perancangan software ini terdiri dari perancangan algoritma dan perancangan flowchart Algoritma Untuk perancangan software dapat dituliskan algoritma sebagai berikut : Input Proses Output : Suhu : Sensor suhu mendeteksi suhu pada sisi panas termoelektrik : LCD menampilkan hasil pembacaan suhu oleh sensor suhu dan putaran fan bertambah cepat atau lambat Flowchart Flowchart adalah bagan-bagan yang mempunyai arus, yang menggambarkan langkah-langkah penyelesaian suatu masalah. Flowchart merupakan cara penyajian dari suatu algoritma. Untuk mempermudah dalam perancangan software maka dibuatlah flowchart seperti pada gambar 3.6.

75 59 Gambar 3.7 Flowchart pengaturan kestabilan suhu panas termoelektrik 3.4 Perancangan Hardware Perencanaan hardware pada pembuatan alat ruang pendingin menggunakan termolelektrik ini meliputi perancangan komponen dan perancangan konstruksi. Pada perancangan komponen bertujuan untuk mendukung agar terciptanya alat yang sesuai dengan yang kita inginkan sedangkan perancangan kontruksi bertujuan untuk menghasilkan alat yang memiliki nilai estetika dan keindahan beserta untuk mendukung suksesnya pembuatan alat.

76 Perancangan komponen Pada perancangan komponen ini, menjelaskan tentang komponenkomponen apa saja yang digunakan untuk menhasilkan alat yang sesuai dengan yang kita inginkan. Komponen-komponen yang digunakan untuk medukung pengoperasian alat dapat dilihat pada tabel berikut : Tabel 3.1 Komponen-komponen Yang digunakan No. Nama Komponen Jumlah Satuan 1 Mikrokontroler Arduino 1 Pcs 2 Termoelektrik 1 Pcs 3 Sensor suhu LM35 2 Pcs 4 Sensor Arus ACS712 1 Pcs 5 Keypad 1 Pcs 6 LCD 2x16 1 Pcs 7 Fan 1 Pcs 8 Transformator 220/12 V, 10 A 1 Pcs 9 Rectifier 1 Pcs 10 IC Regulator 1 Pcs 11 Resistor 1K 2 Pcs 12 Kapasitor 3300uF/35V 1 Pcs 13 Kapasitor 2200uF/25V 1 Pcs 14 Kapasitor 1000uF/25V 1 Pcs 15 Transistor Darlington NPN 2 Pcs 16 Transistor Power NPN 1 Pcs Perancangan konstruksi Pada perancangan kontruksi ini, menjelaskan tentang desain alat yang dibuat agar alat yang dibuat nantinya memiliki nilai estetika dan enak dipandang dan juga dapat mendukung kerja dari alat ruang pendingin tersebut. Gambar 3.8 merupakan gambar Keypad dan LCD. Keypad digunkan untuk memasukkan nlai setpoint atau suhu yang diinginkan sedangkan LCD digunakan untuk menampilkan hasil pembacaan suhu oleh sensor suhu LM35 yang sebelumnya telah diproses oleh mikrokontroler arduino uno.

77 61 Gambar 3.8 Keypad dan LCD Gambar 3.9 merupakan tata letak komponen dan rangkaian Pengaturan kestabilan suhu panas termoelektrik. Tata letak komponen yang digunakan diatur dan disusun sedemikian rupa sehingga komponen yang terpasang terlihat rapi. Komponen-komponen yang digunakan terdiri dari komponen rangkaian catu daya dan komponen-komponen pengontrol. Untuk mengontrol rangkaian pengaturan kestabilan suhu panas termoelektrik ini maka digunakanlah arduino uno sebagai mikrokontroler. Gambar 3.8 Tata letak komponen dan Rangkaian Pengaturan kestabilan suhu panas termoelektrik

78 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Pengaplikasian Kendali PID Pada Kestabilan Suhu Panas Termoelektrik Sistem kontrol dengan kendali PID ( Proportional Integral Derivatif) merupakan salah satu kontrol yang banyak digunakan dalam dunia industri. Saat ini banyak sistem kontrol yang menggunakan kontroler digital sebagai pengganti kontroler analog. Hal ini disebabkan kecepatan kontroler digital yang semakin tinggi dan kemudahan dalam perbaikan performasi sistem kontrol, yaitu dengan mengubah mengubah software dibandingkan dengan mengubah hardware. Berikut adalah gambar 4.1 yang menjelaskan diagram blok pengaplikasian kendali PID pada pengaturan kestabilan suhu panas termoelektrik pada ruang pendingin. Gambar 4.1 Diagram blok sistem kontrol kestabilan suhu panas termoelektrik Pada gambar 4.1 diatas, set point merupakan harga atau keadaan tertentu yang ingin dicapai, misalnya suhu batas yang diinginkan. Sensor berfungsi mendeteksi keluaran plant dan mengkonversikannya menjadi besaran dengan satuan yang sama seperti satuan set point. 62

79 63 berikut : Dari gambar 4.1 diatas bisa dibuat diagram blok dasar seperti gambar 4.2 Gambar 4.2 Diagram blok dasar sistem kontrol kestabilan suhu panas termoelektrik Dari gambar 4.2 diatas, maka diagram blok tersebut dapat disederhanakan seperti pada gambar 4.3 berikut : Gambar 4.3 Diagram blok persamaan dasar dari sistem kontrol kestabilan suhu panas termoelektrik Dari gambar 4.3 diatas, maka didapat persamaan dasar dari pengaturan kestabilan suhu panas termoelektrik menggunakan kendali PID seperti persamaan berikut : FA = =... (6) Keluaran sensor merupakan sinyal umpan balik ( feedback) yang akan dikurangkan dengan set point menghasilkan sinyal error. Jika satuan dari keluaran sudah sama dengan set point maka blok sensor dapat dihilangkan sehingga sekarang sinyal feedback adalah keluaran plant. Secara umum sinyal error merupakan selisih antara set point dengan keluaran plant. Secara matematis dituliskan adalah sebagai berikut :

80 64 ( ) = ( ) ( )... (7) Dengan : e (t) r (t) y (t) = Sinyal eror = reference atau set point = keluaran plant Sinyal error diproses oleh kontroler menghasilkan sinyal kontrol yang diumpankan ke plant, dengan tujuan akhir agar keluaran dari plant sama dengan set point yang berarti sinyal error bernilai (atau mendekati) nol. Dalam metode kontrol PID, sinyal kontrol dihasilkan dengan cara memperkuat sinyal error (proportional), mengintegralkan sinyal error (integral), dan membuatnya sebanding dengan laju perubahan sinyal error itu sendiri ( derivatif). Kontroler yang melakukan mekanisme tersebut disebut dengan PID controller. Pengaruh kendali PID ( proprtional, integral dan derivatif) dapat dijelaskan sebagai berikut. Set point pada kontrol adalah batas suhu yang diinginkan, sehingga sinyal error positif akan dperkuat oleh kontroler dengan nilai penguatan tertentu untuk menghasilkan sinyal kontrol yang lebih besar, sehingga tegangan pada kipas atau ( Fan) akan meningkat yang akan menjadi pemicu meningkatnya tiupan udara ke sisi panas termoelektrik. Ketika kecepatan aliran udara meningkat maka sinyal error akan bertambah kecil yang berarti sinyal kontrol juga akan menjadi kecil. Pada akhirnya suhu panas yang terdeteksi oleh sensor suhu LM35 akan mempengaruhi kecepatan putaran kipas atau fan sebagai penyebar suhu panas termoelektrik, sehingga panas yang ada pada termoelektrik berkurang dan menjadi stabil.

81 Pengujian Alat Pengujian terhadap rangkaian pengaturan kestabilan suhu panas termoelektrik menggunakan kontrol PID yang telah dibuat dimaksudkan untuk melihat apakah rangkaian yang sudah dibuat dapat bekerja dengan baik dan sesuai dengan tujuan pembuatan alat Pengujian Rangkaian Catu Daya Tujuan pengujian rangkaian catu daya untuk mengamati besarnya tegangan output yang dihasilkan pada rangkaian catu daya. Pengujian dilakukan dengan cara menghubungkan sumber tegangan PLN 220 Volt AC ke masukan rangkaian catu daya. Multimeter dipasang pada bagian yang diukur, kemudian tegangan yang keluar dapat diamati. Catu daya yang digunakan pada pengaturan kestabilan suhu panas termoelektrik adalah catu daya 12 Volt DC 5 A yang berarti besar tegangan keluarannya adalah sebesar 12 Volt DC dan besar arus keluaran maksimalnya adalah sebesar 5 ampere. Tabel 4.1 dibawah ini menunjukkan besar input dan output pada rangkaian catu daya yang digunakan pada sistem pengendalian fan atau kipas untuk membuang panas termoelektrik : Tabel 4.1 Pengujian Catu Daya Tegangan sekunder trafo Tegangan penyearah Tegangan pada saat fan bekerja Tegangan pada saat peltier bekerja Arus pada peltier Volt DC Volt DC Volt DC Volt DC 2.28 Amper

82 Pengujian Sensor LM35 Pengujian sensor suhu dilakukan dengan tegangan 12 Volt DC. Tujuan dari pengujian rangkaian ini adalah untuk mengetahui apakah sensor ini sudah bekerja sesuai dengan yang diinginkan. Adapun Kegunaan dari sensor ini adalah untuk membaca kestabilan suhu didalam oven. Hasil Pengujian dari sensor dapat dilihat pada tabel 4.2. Tabel 4.2 Hasil pengukuran suhu oleh sensor LM35 Waktu (/100ms) Suhu ( C) 1 32, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Pengujian LCD Pengujian LCD dilakukan untuk melihat apakah LCD bekerja sesuai dengan program yang telah diinputkan. Untuk pengujian LCD ini menampilkan pembacaan suhu didalam ruang pendingan oleh sensor suhu LM35. Pembacaan

83 67 tersebut sesuai dengan set point yang telah diberikan. Hal ini menyatakan bahwa alat beroperasi sesuai dengan suhu yang telah ditetapkan pada ruang pendingin. Pengujian LCD 16x2 dilakukan dengan menuliskan program penampil yang ditulis melalui PC ke dalam Mikrokontroler Arduino. Sehingga dapat diketahui apakah LCD dapat bekerja atau tidak. Gambar 4.4 Pengujian LCD Umumnya, sebuah LCD karakter akan mempunyai 14 pin untuk mengendalikannya. Pin-pin terdiri atas 2 pin catu daya (Vcc dan Vss), 1 pin untuk mengatur contrast LCD (Vee), 3 pin kendali (RS, R/W dan E), 8 pin data (DB0 DB7). Pada LCD mempunyai back light, disediakan 2 pin untuk memberikan tegangan ke dioda back light (disimbolkan dengan A dan K). 4.3 Pengaplikasian Metode Ziglear-Nichols Dalam perancangan sistem kontrol PID yang perlu dilakukan adalah mengatur parameter P, I atau D agar tanggapan sinyal keluaran terhadap masukan tertentu sesuai dengan yang diinginkan. Untuk menentukan parameter P, I atau D maka pada pembuatan alat ruang pendingin ini dengan kontrol PID menggunakan

84 68 metode Ziglear-Nichols. Untuk penggunaan metode Ziglear-Nichols pertama dilakukan adalah mencari respon alat yaitu sisi panas termoelektrik terhadap putaran fan atau kipas. Pengujian yang dilakukan yaitu respon suhu naik dan suhu awal (suhu sisi panas termoelektrik) sampai suhu maksimal yang dicapai termoelektrik. Pada pengujian pertama ini, respon plant diuji tanpa menggunakan kontrol. Data pengujian respon alat tanpa menggunakan kontrol dapat dilihat pada tabel 4.3 berikut : Tabel 4.3 Respon Alat Tanpa kontrol Waktu (/100ms) Suhu ( C) 1 32, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Dari data respon alat tanpa kontrol pada tabel 4.3 dapat ditentukan nilai T dan L untuk menentukan parameter penyusun PID yaitu parameter Kp, T1 dan Td yang dapat dilihat pada grafik gambar 4.2.

85 69 Gambar 4.5 Grafik Respon Alat Tanpa Kontrol Grafik yang ditampilkan pada gambar 4.5 merupakan grafik yang didapatkan dengan mengambil respon sistem tanpa kontrol. Dari gambar 4.5 didapatkan nilai T (waktu tunda) dan L (waktu mati) sebagai data untuk mencari parameter Kp, Ti dan Td. Berdasarkan metode Ziglear-Nichols untuk mencari nilai Kp, Ti dan Td dapat dilihat pada tabel 4.4. Tabel 4.4 Parameter PID dengan metode Ziglear-Nichols No. Pengontrol Kp Ti Td 1 P T/L 0 2 PI 0,9T/L L/0,3 0 3 PID 1,2T/L 2L 0,5L Dari grafik pada gambar 4.2 didapatkan nilai T (waktu tunda) dan L (waktu mati) yaitu nilai T = ms dan nilai L = 800 ms. Dengan

86 70 menggunakan rumus pada tabel 4.4 bagian pengontrol PID, maka dapat ditentukan nilai parameter dari Kp, Ti dan Td sebagai berikut : T = ms = 16,9 s L = 800 ms = 0,8 s 1. Konstanta Proportional (Kp) Kp = 1,2T/L = 1,2. 16,9/08 = 25,35 2. Konstanta Waktu Integral (Ti) Ti = 2L = 2. 0,8 = 1,6 s 3. Konstanta Waktu Derivatif (Td) Td = 0,5L = 0,5. 0,8 = 0,4 s Setelah diketahui nilai Kp, Ti dan Td maka selanjutnya bisa diketahui nilai Konstanta Integral (Ki) dan nilai Konstanta Derivatif (Kd) dengan nilai sebagai berikut : 1. Konstanta Integral (Ki) Ki = Kp/Ti = 25,35 / 1,6 = 15,84

87 71 2. Konstanta Derivatif (Kd) Kd = Kp. Td = 25,35. 0,4 = 10,14 Setelah didapatkan nilai Kp, Ki dan Kd dengan menggunakan metode zigler-nichols, maka nilai Kp, Ki dan Kd tersebut dimasukkan pada alat kontrol dan mengamati tampilan perubahan suhu yang sudah dikontrol oleh unit kontrol PID dan memasukkan data yang telah didapatkan kedalam tabel dan grafik respon alat setelah dikontrol oleh PID. Tabel 4.5 merupakan tabel respon alat setelah dimasukkan nilai Kp, Ti dan Td. Tabel 4.5 Respon Alat Setelah dimasukkan nilai Kp, Ki dan Kd Waktu (/500ms) Suhu ( C) 1 36, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,32

88 72 Tabel 4.4 menunjukkan respon suhu yang telah dikontrol oleh unit kontrol PID dengan nilai set point = 46 C dan nilai Kp = 25,35, Ki = 15,84 dan Kd = 10,14. Dari data tabel 4.4 akan ditampilkan dalam bentuk grafik respon suhu dalam kontrol PID pada gambar Respon Plant Dengan Kendali PID 50 Suhu ( C) Series Waktu (/500ms) Gambar 4.6 Tampilan Grafik Suhu dengan Kendali PID Gambar grafik 4.6 merupakan grafik perubahan suhu panas pada termoelektrik dengan kontrol PID, dengan nilai Kp = 25,35, Ki = 16 dan Kd = 4. Dari grafik dapat dilihat bahwa suhu dalam kondisi stabil yaitu pada suhu 46 C. Jadi pada percobaan respon Plant dengan menggunakan kontrol PID, maka suhu akan lebih cepat stabil.

89 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Setelah menyelesaikan perancangan alat serta pengambilan data, maka penulis dapat mengambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Untuk mendapatkan nilai konstanta PID maka terlebih dahulu harus didapatkan nilai waktu mati (L) dan nilai waktu tunda (T) melalui pengujian respon plant tanpa kontrol dan didapatkan nilai nilai waktu mati (L) = 0,8 s = dan nilai waktu tunda (T) = 16,9 s. 2. Dari pengujian respon plant tanpa pengontrol dapat diketahui bahwa respon plant mencapai kestabilan pada suhu 60 C, namun nilai suhu tersebut belum ideal dan masih tinggi, maka daripada itu suhu plant tersebut harus diturunkan atau distabilkan. 3. Nilai waktu mati (L) dan nilai waktu tunda (T) yang tela h didapatkan selanjutnya dimasukkan kedalam tabel penalaan parameter PID dengan metode kurva reaksi sehingga didapat nilai Kp = 25,35, Ti = 1,6 s dan Td = 0,4 s. 4. Setelah didapatkan nilai Kp = 23,35, Ki = 15,84 dan Kd = 10,14, maka nilai parameter-parameter PID tersebut dimasukkan kedalam alat kontrol dan diinputkan nilai set point sehingga didapatkan respon plant yang cepat mencapai keadaan stabil dan suhu plant selalu terjaga pada nilai set point yaitu pada nilai suhu 46 C. 73

90 Saran Dari tugas akhir ini terdapat beberapa saran sebagai berikut : 1. Untuk pengembangan tugas akhir ini dimasa yang akan datang maka penulis meyarankan kepada mahasiswa atau peneliti agar menambahkan sebuah power supply tersendiri seperti solar sel ruang agar ruang pendingin tersebut dapat dibawa kemana-mana karena power supplynya selalu tersedia dan tidak tergantung kepada supply yang dari PLN. 2. Untuk pengembangan tugas akhir ini dimasa yang akan datang maka penulis meyarankan kepada mahasiswa atau peneliti agar membuat ruang pendingin dengan kapasitas yang lebih besar.

91 DAFTAR PUSTAKA [1.]Kontrol PID diakses pada 28 Juli 2017 [2.]Mikrokontroler TEORI DASAR-MIKROKONTROLER diakses pada 11 Agustus 2017 [3.]Munib Ahsani., Agung Prijo Budijono Rancang Bangun Pendingin Ruangan Portable Dengan Memanfaatkan Efek Perbedaan Suhu Pada Thermo Electric Cooler (Tec) JRM. Volume 03 Nomor 01 Tahun 2015, [4.]Purwoko. Y. P., 2014, Perancangan Portable Cool Box Berbasis Termolektrik &Heatsink Fan. [5.]Simanjuntak, Maratur Gabe, 2013, Perancangan Prototipe Smart Building Berbasis Arduino Uno, Jurusan Teknik Elektro, Universitas Sumatera Utara diakses pada 28 Juli 2017

92 LAMPIRAN 1. LAMPIRAN GAMBAR RANCANGAN ALAT

93

94