BAB II DASAR TEORI. Laporan Tugas Akhir Controller Aktuator Plant/Process. Gambar 2.1 Sistem Kontrol Closed Loop

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 Sistem Kontrol Sistem kontrol adalah kumpulan suatu alat yang berfungsi untuk memerintah, mengatur dan mengendalikan keadaan suatu sistem. Untuk menunjang suatu sistem kontrol yang dapat berfungsi secara cepat dan efisien diperlukan suatu sistem kontrol yang harus memadai. Dalam suatu proses kontrol dan monitoring sistem perlu dilakukan secara kontinyu agar sistem dapat diawasi keadaannya. Pengawasan terhadap variabel seperti temperatur, daya, laju aliran dan variabel-variabel lainnya sangat menentukan keberhasilan suatu proses Sistem Kontrol Close Loop Sistem kontrol close loop merupakan suatu sistem yang sinyal keluarannya berpengaruh langsung terhadap aksi pengontrolan. Sistem ini merupakan sistem kontrol yang berumpan balik. Secara sederhana sistem kontrol loop tertutup dapat dilihat pada Gambar 2.1. input Controller Aktuator Plant/Process Output Tranducer/Sensor Gambar 2.1 Sistem Kontrol Closed Loop Input merupakan nilai referensi yang menentukan suatu nilai yang diharapkan. Nilai input ini akan dibandingkan dengan nilai output. Hasil perbandingan akan menghasilkan nilai kesalahan, dengan kata lain sinyal kesalahan adalah perbedaan antara apa yang diinginkan dengan apa yang dihasilkan. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 10

2 2.2 Tranduser/Sensor Sensor dan transduser merupakan peralatan atau komponen yang mempunyai peranan penting dalam sebuah sistem otomasi. Ketepatan dan kesesuaian dalam memilih sebuah sensor akan sangat menentukan kinerja dari sistem pengaturan secara otomatis. Untuk pemakaian besaran listrik pada sistem pengukuran, atau sistem manipulasi/kontrol, maka biasanya besaran yang bukan listrik diubah terlebih dahulu menjadi suatu sinyal listrik melalui sebuah alat yang disebut transduser. Gambar 2.2 Sensor LM35 DZ (sumber : LM35 DZ merupakan IC yang digunakan sebagai tranduser yang mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik. Sinyal listrik keluaran LM35DZ sebanding dengan suhu lingkungan dalam bentuk celcius ( o C). Karakteristik dari sensor LM35DZ ini adalah perubahan nilai tahanannya akan semakin besar apabila suhu lingkungannya semakin rendah dan nilai tahannya akan semakin kecil apabila suhu lingkungan semakin tinggi. Beberapa fasilitas yang dimiliki LM35 dz adalah sebagai berikut: a. Dikalibrasi secara langsung dalam o C. b. Jangkauan temperatur dari 0 o C sampai 100 o C. c. Setiap perubahan 1 o C akan mempengaruhi perubahan tegangan keluaran sensor sebesar 10 mv. d. Arus yang mengalir kurang dari 60 µa, sehingga beban pada power supply tidak akan terlalu besar. e. Bekerja pada tegangan catu daya 4 volt sampai 20 volt. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 11

3 f. Pemanasan sendiri yang lambat (low self-heating). 2.3 Signal Conditioning Pengkondisi sinyal diperlukan untuk mengkondisikan sinyal keluaran dari sensor agar bisa diproses dengan baik oleh mikrokontroler. Dalam hal ini penulis menggunakan rangkaian penguat menggunakan IC LM324 agar sinyal yang diberikan dapat dibaca dengan baik oleh ADC (Analog to Digital Converter). Pada ADC ini diperlukan rangkaian penguat karena keluaran pada sensor hanya 1 volt sedangkan ADC bekerja pada tegangan referensi 2,5 volt sehingga perlu adanya penguatan. Tingkat kenaikan tegangan yang lebih kecil dari ketelitian akan menyebabkan kesalahan dalam pengukuran. Dengan menggunakan rangkaian penguat maka tegangan dapat diperbesar beberapa kali lipat sehingga dapat terbaca dengan baik oleh ADC. Berikut ini gambar rangkaian ADC dengan rangkaian op-amp menggunakan IC LM324: Gambar 2.3 Rangkaian ADC dengan Penguat IC LM324 Analog to Digital Converter (ADC) adalah sebuah piranti yang dirancang untuk mengubah sinyal-sinyal analog menjadi sinyal-sinyal digital. A/D Converter ini dapat dipasang sebagai pengkonversi tegangan analog dari suatu peralatan sensor ke konfigurasi digital yang akan diumpankan ke suatu sistem minimum. Jenis ADC yang biasa digunakan dalam perancangan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 12

4 adalah jenis successive approximatoin convertion (SAR) atau pendekatan bertingkat yang memiliki waktu konversi jauh lebih singkat. Terdapat 4 macam ADC yang memenuhi standar industri, yaitu integrating, tracking converter, successive approximation dan flash/paralel. Jenis-jenis ADC in merupakan pengelompokan ADC berdasarkan metode konversinya. Tipe Integrating memiliki resolusi tertinggi dengan biaya terendah. ADC tipe ini tidak dibutuhkan rangkaian sample hold. Tipe ini memiliki kelemahan yaitu waktu konversi yang agak lama, biasanya beberapa milidetik. Tracking Converter adalah Tipe tracking menggunakan prinsip up down counter (pencacah naik dan turun). Binary counter (pencacah biner) akan mendapat masukan clock secara kontinyu dan hitungan akan bertambah atau berkurang tergantung pada kontrol dari pencacah apakah sedang naik (up counter) atau sedang turun (down counter). ADC tipe ini tidak menguntungkan jika dipakai pada sistem yang memerlukan waktu konversi masukan keluaran singkat, sekalipun pada bagian masukan pada tipe ini tidak memerlukan rangkaian sample hold. ADC tipe ini sangat tergantung pada kecepatan clock pencacah, semakin tinggi nilai clock yang digunakan, maka proses konversi akan semakin singkat. Tipe Flash ADC ini dapat menunjukkan konversi secara lengkap pada kecepatan 100 MHz dengan rangkaian kerja yang sederhana. Sederetan tahanan mengatur masukan inverting dari tiap-tiap konverter menuju tegangan yang lebih tinggi dari konverter sebelumnya, jadi untuk tegangan masukan Vin, dengan full scale range, komparator dengan bias dibawah Vin akan mempunyai keluaran rendah. Keluaran komparator ini tidak dalam bentuk biner murni. Suatu decoder dibutuhkan untuk membentuk suatu keluaran yang biner. Beberapa komparator berkecepatan tinggi, dengan waktu tunda (delay) kurang dari 6 ns banyak digunakan, karena itu Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 13

5 dihasilkan kecepatan konversi yang sangat tinggi. Jumlah komparator yang dibutuhkan untuk suatu konversi n bit adalah 2^n 1. Tipe Successive Approximation merupakan suatu konverter yang paling sering ditemui dalam desain perangkat keras yang menggunakan ADC. Tipe ini memiliki kecepatan konversi yang cukup tinggi, meskipun dari segi harga relatif mahal. Prinsip kerja konverter tipe ini adalah, dengan membangkitkan pertanyaan-pertanyaan yang pada intinya berupa tebakan nilai digital terhadap nilai tegangan analog yang dikonversikan. Apabila resolusi ADC tipe ini adalah 2^n maka diperlukan maksimal n kali tebakan. Keempat jenis ADC tersebut mewakili beberapa pertimbangan diantaranya resolusi, kecepatan konversi dan biaya. ADC 0804 merupakan jenis ADC dengan metode konversi Successive Approximation. Berikut ini merupakan spesifikasi ADC 0804: Mudah di interfacekan dengan semua mikroprosesor Tidak memerlukan adjust untuk full scale atau zero Range input 0-5 volt dengan supply 5 volt Resolusi 8 bit Error +/- ½ LSB dan ½ MSB Konsumsi daya 15 mw Waktu konversi 100 us Mempunyai tegangan resolusi 2,5 VDC (sumber: Liquid Crystal Display ( LCD ) LCD display module 20x2 terdiri dari dua bagian, yang pertama merupakan panel LCD sebagai media penampil informasi dalam bentuk huruf atau angka dua baris, masing-masing baris bisa menampung 20 huruf atau angka. Bagian kedua merupakan sebuah sistem yang dibentuk dengan mikrokontroler yang ditempel dibagian belakang panel LCD, sistem lain Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 14

6 cukup mengirimkan kode-kode ASCII dari informasi yang ditampilkan. Berikut ini pin konfigurasi dari LCD 20x4 pada Gambar 2.4. Gambar 2.4 Pin Konfigurasi LCD 20x4 (sumber: Mikrokontroler AT89S52 Mikrokontroler saat ini sudah dikenal dan digunakan secara luas pada dunia industri. Berbagai penelitian yang menggunakan mikrokontroler telah banyak digunakan terutama oleh para mahasiswa yang menggunakannya pada tugas akhir. Selain memiliki harga yang terjangkau mikrokontroler juga memiliki bentuk yang sederhana dan mudah didapat. Produksi massal yang dilakukan produsen mikrokontroler seperti Amel, Maxim dan Microchip, membuat mikrokontroler menjadi sangat familiar dikalangan mahasiswa dan para pengajar pada bidangnya. Mikrokontroler saat ini merupakan chip utama yang sangat diperlukan pada alat-alat canggih. Mikrokontroler AT89S52/51 merupakan versi terbaru dibandingkan mikrokontroler AT89SC51 yang telah banyak digunakaan saat ini. Mikrokontroler AT89S52 ialah mikrokomputer CMOS 8 bit dengan 8KB Flash Programmable dan Erasable Read Only Memory (PEROM). Mikrokontroler dari Atmel ini kompatible dengan mikrokontroler standar industri MCS-51 baik pin kaki IC maupun set instruksinya serta harganya Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 15

7 yang cukup terjangkau juga mikrokontroler jenis AT89S52 lebih cepat dalam pengisian program Konstruksi AT89S52 Mikrokontroler AT89S52 merupakan keluarga MCS51 yang memiliki port-port yang lebih banyak (40 port I/O) dengan fungsi yang bisa saling menggantikan sehingga mikrokontroler jenis ini menjadi sangat digemari kerena hanya dalam sebuah chip sudah bisa digunakan untuk banyak kebutuhan. Konfigurasi dan deskripsi kaki-kaki mikrokontroler AT89S52 adalah sebagai berikut: Gambar 2.5 Konfigurasi Pin AT89S52 (sumber: Fungsi dari masing-masing pin AT89S52 adalah: 1. Pin 1 sampai 8 (Port 1) merupakan port pararel 8 bit dua arah (bidirectional) yang dapat digunakan untuk berbagai keperluan (general purpose). 2. Pin 9 merupakan pin reset, reset aktif jika mendapat logic high. 3. Pin 10 sampai 17 (Port 3) adalah port pararel 8 bit dua arah yang memiliki fungsi pengganti sebagai berikut: a. P3.0 (10) : RXD (port serial penerima data). Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 16

8 b. P3.1 (11) : TXD (port serial pengirim data). c. P3.2 (12) : INT0 (input interupsi eksternal 0, aktif low). d. P3.3 (13) : INT1 (input interupsi ekstrernal 1, aktif low). e. P3.4 (14) : T0 (eksternal input timer/counter 0). f. P3.5 (15) : T1 (eksternal input timer/counter 1). g. P3.6 (16) : WR (Write, aktif low) Sinyal kontrol penulisan data dari port 0 ke memori data dan input-input eksternal. h. P3.7 (17) : RD (Read, aktif low) Sinyal kontrol pembacaan memori data input-output eksternal ke port Pin 18 sebagai XTAL 2, keluaran osilator yang terhubung pada kristal. 5. Pin 19 sebagai XTAL 1, masukan ke osilator berpenguatan tinggi, terhubung pada kristal. 6. Pin 20 sebagai Vss, terhubung ke 0 atau ground pada rangkaian. 7. Pin 21 sampai 28 (Port 2) adalah port pararel 8 bit dua arah. Port ini mengirim byte alamat bila pengaksesan dilakukan pada memori eksternal. 8. Pin 29 sebagai PSEN (Program Store Enable) adalah sinyal yang digunakan untuk membaca, memindahkan program memori eksternal (ROM / EPROM) ke mikrokontroler. 9. Pin 30 sebagai ALE (Address Latch Enable) untuk menahan alamat bawah selama mengakses memori eksternal. Pin ini juga berfungsi sebagai PROG (aktif low) yang diaktifkan saat memprogram internal flash memori pada mikrokontroler (on chip). 10. Pin 31 sebagai EA (External Accesss) untuk memilih memori yang akan digunakan, memori program internal (EA = Vcc) atau memori program eksternal (EA = Vss), juga berfungsi sebagai Vpp (programming supply voltage) pada saat memprogram internal flash memori pada mikrokontroler. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 17

9 11. Pin 32 sampai 39 (Port 0) merupakan port pararel 8 bit dua arah. Berfungsi sebagai alamat bawah yang dimultipleks dengan data untuk mengakses program dan data memori eksternal. 12. Pin 40 sebagai Vcc, terhubung ke +5 V sebagai catuan untuk mikrokontroler. Spesifikasi penting AT89S52: a. Kompatibel dengan keluarga mikrokontroler MCS51 sebelumnya. b. 8 KBytes In system Programmable (ISP) flash memori dengan kemampuan 1000 kali baca/tulis. c. Tegangan kerja V. d. Bekerja dengan rentang 0 33MHz. e. 256x8 bit RAM internal. f. 32 jalur I/0 dapat diprogram. g. 3 buah 16 bit Timer/Counter. h. 8 sumber interrupt. 2.6 Relay Relay adalah komponen elektronika berupa saklar elektronik yang bergerak ketika ada arus listrik yang mengalir. Secara prinsip, relay merupakan tuas saklar yang di gerakan oleh gaya magnet yang timbul dari lilitan kawat pada batang besi (solenoid). Ketika solenoid dialiri listrik maka akan timbul gaya magnet yang akan menarik saklar sehingga akan menutup dan ketika arus dihentikan maka posisi saklar akan kembali seperti semula. Gambar 2.6 Relay (sumber: Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 18

10 Kontak penghubung relay terdiri dari 2 bagian yaitu: 1. Kontak NC (Normally Close) Kontak penghubung dalam kondisi menutup atau terhubung bila relay tidak mendapat masukan tegangan pada kumparannya. Tetapi bila diberi tegangan yang mencukupi pada kumparannya maka kontak penghubung menjadi terbuka (kondisi awal sebelum diaktifkan close). 2. Kontak NO (Normally Open) Kontak penghubung dalam kondisi terbuka bila relay tidak mendapat tegangan pada kumparannya. Tetapi bila diberikan tegangan yang mencukupi pada kumparannya maka kontak penghubung menjadi tertutup atau terhubung (kondisi awal sebelum diaktifkan open). 3. Common Kontak ini digunakan untuk dihubungkan antara NC atau NO. Jika relay yang digunakan adalah NO maka dapat dihubungkan antara NO dengan Common, dan jika relay yang dibutuhkan adalah NC maka dapat dihubungkan antara NC dengan Common. 2.7 Multiplexer CD4051 Multiplexer adalah perangkat yang memilih salah satu dari beberapa analog atau digital sinyal input dan meneruskan input yang dipilih menjadi garis tunggal. Multiplexer ini terdiri dari 8 input dan memiliki 1 output, yang digunakan untuk memilih baris masukan untuk dikirim ke output. Multiplexer digunakan untuk meningkatkan jumlah data yang dapat dikirim melalui jaringan dalam jumlah tertentu. Sebuah Multiplexer elektronik memungkinkan beberapa sinyal untuk berbagi satu perangkat atau sumber daya, misalnya satu A/D converter atau satu jalur komunikasi. Tabel 2.1 merupakan tabel kebenaran dari multiplexer CD4051. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 19

11 Tabel 4.1 Tabel Kebenaran Multiplexer C,B,A merupakan pin logic dari multiplexer yang dihubungkan ke pin mikrokontroler. Pin pada mikrokontroler akan memilih chanel sesuai dengan intruksi program. Dalam perancangan sistem kontrol ini penulis menggunakan multiplexer CD4051, multiplexer ini digunakan untuk menambah chanel input ADC 0804 yang hanya memiliki satu chanel sensor menjadi 8 chanel sensor. Dengan menggunakan multiplexer CD4051 dapat menambah jumlah sensor yang digunakan menjadi 8 buah sensor LM35 dz. Tanpa mempengaruhi kinerja ADC dalam mengkonversi data analog menjadi digital. Gambar 2.7 merupakan konfigurasi pin dari multiplexer CD4051. (Sumber:Data Sheet Multiplexer CD4051) Gambar 2.7 Konfigurasi Pin Multiplexer CD4051 (sumber: Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 20

12 2.8 Motor Gear Box DC Gambar 2.8 Motor DC Gear BOX Motor DC adalah alat elektro mekanis yang akan mengubah tenaga listrik (tegangan DC) menjadi energi gerak. Motor gear box adalah motor yang digunakan dalam perencanaan sistem kontrol yang akan digunakan untuk pemutaran rak telur bebek yang direncanakan. Motor ini mempunyai kecepatan yang rendah tetapi memiliki torsi yang besar. Dengan torsi yang besar motor ini dapat melakukan pemutaran dengan baik tanpa ada kendala pada beban pemutaran. 2.9 Perangkat Lunak Perangkat lunak (software) adalah seperangkat intruksi yang disusun menjadi sebuah program untuk memerintahkan microcomputer melakukan suatu pekerjaan. Sebuah instruksi selalu berisi kode operasi (op-code), kode pengoperasian inilah yang disebut dengan bahasa mesin yang dapat dimengerti oleh mikrokontroler. Instruksi-instruksi yang digunakan dalam memprogram suatu program yang diisikan pada AT89S52 adalah instruksi bahasa pemograman assembler atau sama dengan instruksi pemrograman pada IC mikrokontroller 8031 dan MCS51. (sumber : Abdurohman, Maman Bahasa Assembly.Yogyakarta. ANDI) Instruksi Transfer Data Instruksi transfer data terbagi menjadi dua kelas operasi sebagai berikut: Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 21

13 1. Transfer data umum (General Purpose Transfer), yaitu: MOV, PUSH dan POP. 2. Transfer spedifik akumulator (Accumulator Specific Transfer), yaitu: XCH,XCHD, dan MOVC. Instruksi transfer data adalah intruksi pemindahan/pertukaran data antara operand sumber dengan operand tujuan. Operand-nya dapat berupa register, memori atau lokasi suatu memori. Penjelasan instruksi transfer data tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut: a) MOV: Transfer data dari Register satu ke Register yang lainnya, antara Register dengan Memory. b) PUSH: Transfer byte atau dari operand sumber ke suatu lokasi dalam stack yang alamatnya ditunjuk oleh register penunjuk. c) POP: Transfer byte atau dari dalam stack ke operand tujuan. d) XCH: Pertukaran data antara operand akumulator dengan operand sumber. e) XCHD: Pertukaran nibble orde rendah antara RAM internal (lokasinya ditunjukkan oleh R0 dan R1) Instruksi Aritmatik Operasi dasar aritmatik seperti penjumlahan, pengurangan, perkalian dan pembagian dimiliki oleh AT89S52 dengan mnemonic : INC, ADD, SUBB, DEC, MUL dan DIV. Penjelasan dari operasi mnemonic tersebut dijelaskan sebagai berikut: a) INC: Menambah satu isi sumber operand dan menyimpan hasilnya ke operand tersebut. b) ADD: Penjumlahan antara akumulator dengan sumber operand dan hasilnya disimpan di akumulator. c) SUBB: Pengurangan akumulator dengan sumber operand, hasilnya disimpan dalam operand tersebut. d) DEC: Mengurangi sumber operand dengan 1, dan hasilnya disimpan pada operand tersebut. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 22

14 e) MUL: Perkalian antara akumulator dengan Register B. f) DIV: Pembagian antara akumulator dengan Register B dan hasilnya disimpan dalam akumulator, sisanya di Register B Instruksi Logika Mikrokontroler AT89S52 dapat melakukan operasi logika bit maupun operasi logika byte. Operasi logika tersebut dibagi atas dua bagian yaitu: a. Operasi logika operand tunggal, yang terdiri dari CLR, SETB, CPL, RL, RR, dan SWAP. b. Operasi logika dua operand seperti : ANL, ORL, dan XRL. c. Operasi yang dilakukan oleh AT89S52 dengan pembacaan Instruksi Logika tersebut dijelaskan dibawah ini: 1. CLR : Menghapus byte atau bit menjadi nol. 2. SETB : Menggeser bit atau byte menjadi satu. 3. CPL : Mengkomplemenkan akumulator. 4. RL : Rotasi akumulator 1 bit ke kiri. 5. RR : Rotasi akumulator ke kanan. 6. SWAP : Pertukaran nibble orde tinggi Instruksi Transfer Kendali Instruksi transfer kendali (control transfer) terdiri dari (3) tiga kelas operasi yaitu: 1. Lompatan tidak bersyarat (Unconditional Jump) seperti: ACALL, AJMP,LJMP,SJMP. 2. Lompatan bersyarat (Conditional Jump) seperti: JZ, JNZ, JB, CJNE, dan DJNZ. 3. Interupsi seperti: RET. Penjelasan dari instruksi diatas sebagai berikut: a. ACALL : Instruksi pemanggilan subroutine bila alamat subroutine tidak lebih dari 2 Kbyte. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 23

15 b. LCALL : Pemanggilan subroutine yang mempunyai alamat antara 2 Kbyte-64 Kbyte. c. AJMP : Lompatan untuk percabangan maksimum 2 Kbyte. d. LJMP : Lompatan untuk percabangan maksimum 64 Kbyte. e. JNB : Percabangan bila bit tidak diset. f. JZ : Percabangan akan dilakukan jika akumulator adalah nol. g. JNZ : Percabangan akan dilakukan jika akumulator adalah tidak nol. h. JC : Percabangan terjadi jika CY diset 1. i. CJNE : Operasi perbandingan operand pertama dengan operand kedua, jika tidak sama akan dilakukan percabangan. j. RET : Kembali ke subroutine. Teknik Refrigerasi dan Tata Udara 24