PERANCANGAN ELEVATOR DAN PEMBUATAN PROTOTIPE PENGENDALI OTOMATIS ELEVATOR BERBASIS MIKROKONTROLER ATmega 8535 SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik DEDY RAHMAN NIM. 090421016 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2012
PERANCANGAN ELEVATOR DAN PEMBUATAN PROTOTIPE PENGENDALI OTOMATIS ELEVATOR BERBASIS MIKROKONTROLER ATmega 8535 DEDY RAHMAN NIM. 090421016 Diketahui/disyahkan oleh : Disetujui oleh : Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing, Fakultas Teknik USU Ketua, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Ir. Syahrul Abda, M.Sc. NIP. 196412241992111001 NIP. 195708051988111001
PERANCANGAN ELEVATOR DAN PEMBUATAN PROTOTIPE PENGENDALI OTOMATIS ELEVATOR BERBASIS MIKROKONTROLER ATmega 8535 DEDY RAHMAN NIM. 090421016 Telah Disetujui dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke-176, pada Tanggal 09 Mei 2012 Pembanding I, Pembanding II, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Ir. H. A. Halim Nasution, M.Sc. NIP. 196412241992111001 NIP. 195403201981021001
ABSTRAK Perancangan elevator dan pembuatan prototipe pengendali otomatis elevator berbasis mikrokontroler ATmega 8535 yang dapat melayani 4 lantai melatar belakangi penelitian. Prototipe pengendali otomatis elevator difokuskan untuk membuat sistem kontrol on/off menggunakan mikrokontroler ATmega 8535. Selanjutnya sistem kontrol on/off digunakan untuk mengontrol prototipe pengendali otomatis elevator. Metode yang digunakan adalah perancangan ulang dengan standar perancangan yang sudah ada kemudian pembuatan prototipe pengendali otomatis elevator. Perancangan elevator menggunakan motor AC dengan daya 10 HP. Sistem kontrol digunakan rangkaian saklar elektromagnet. Kapasitas elevator 500 kg atau setara 6 orang. Sangkar ditarik oleh tali baja tipe 6 x 19 dengan diameter 9,5 mm sebanyak 3 buah. Kemudian tahapan pembuatan prototipe pengendali otomatis elevator adalah membuat rangkaian mikrokontroler ATmega 8535 sebagai pusat kontrol dari semua rangkaian. Rangkaian jembatan H sebagai pengendali arah putaran motor DC. Rangkaian sensor sentuh sebagai pendeteksi posisi sangkar di setiap lantai dan pembatas buka-tutup pintu sangkar. Rangkaian tujuh led sebagai tampilan posisi sangkar di setiap lantai. Rangkaian display LCD sebagai tampilan arah perjalanan sangkar. Rangkaian bel sebagai tanda alarm sangkar berhenti di setiap lantai. Pemrograman bahasa C untuk mikrokontroler ATmega 8535 digunakan perangkat lunak Code Vision AVR. Prototipe pengendali otomatis elevator bekerja sesuai dengan perintah yang diberikan mikrokontroler ATmega 8535 dalam bentuk kode program bahasa C. Mikrokontroler ATmega 8535 dapat membaca kondisi seluruh masukan dan membandingkan dengan program yang ada dalam mikrokontroler ATmega 8535. Kemudian membuat tindakan pada keluaran mikrokontroler ATmega 8535 yang akhirnya dapat menggerakan motor DC, tujuh led, display LCD dan bel. Hasil perancangan elevator dan pembuatan prototipe pengendali otomatis elevator menunjukkan kondisi elevator yang sebenarnya. Hasil uji coba dapat disimpulkan bahwa mikrokontroler ATmega 8535 dapat diaplikasikan untuk mengontrol prototipe pengendali otomatis elevator. Kata kunci: Elevator, Motor, Sensor, Otomatis, Mikrokontroler ATmega 8535
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas rahmat-nya akhirnya skripsi dengan judul Perancangan Elevator dan Pembuatan Prototipe Pengendali Otomatis Elevator Berbasis Mikrokontroler ATmega 8535 dapat diselesaikan. Skripsi ini merupakan satu persyaratan guna menyelesaikan pendidikan untuk meraih gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. Atas bantuan serta dorongan yang telah diberikan penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Ir. Syahrul Abda, M.Sc. selaku dosen pembimbing yang dengan sabar membimbing dan memberikan arahan hingga terselesainya skripsi ini, dan juga kepada Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin, serta kepada seluruh staff pengajar di Departemen Teknik Mesin yang telah memberikan bekal pengetahuan kepada penulis hingga akhir studi. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada kedua orang tua tercinta atas didikan, nasehat dan doa selama ini kepada penulis, dan juga kepada rekan-rekan yang ada di Departemen Teknik Mesin atas bantuannya. Penulis mengharapkan koreksi dari pembaca yang sifatnya membangun kearah satu penyempurnaan. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih, semoga skripsi ini bermanfaat bagi kita semua. Medan, 8 September 2011 Penulis, Dedy Rahman NIM. 090421016
DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... iii DAFTAR TABEL... vii DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR LAMPIRAN... xi DAFTAR SIMBOL... xii BAB 1. PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang... 1 1.2. Pendefinisian Judul... 2 1.3. Perumusan Masalah... 3 1.4. Batasan Masalah... 4 1.5. Tujuan Perancangan... 4 1.6. Metode Perancangan... 4 1.7. Manfaat Penelitian... 5 1.8. Sistematika Penulisan... 5 BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA... 7 2.1. Definisi Elevator... 7 2.2. Klasifikasi Elevator Berdasarkan Pemakaian... 7 2.3. Metode Pengoperasian Elevator... 8 2.4. Ruang Peletakan Mesin... 9 2.5. Penggerak Elevator Sistem Wrap... 10 2.6. Komponen Utama pada Luar Atas Sangkar (Phenthouse Machine Room)... 10 2.7. Komponen pada Terowongan (Hoist Way)... 13 2.8. Mikrokontroler ATmega 8535... 17 2.8.1. Konfigurasi Pin Mikrokontroler ATmega 8535... 19
2.8.2. Central Processing Unit (CPU)... 21 2.8.3. Memori (Memory)... 21 2.8.4. Port Masukan/Keluaran (Input/Output Port)... 22 2.8.5. Interupsi (Interrupt)... 25 2.9. Bahasa Pemrograman C... 27 2.9.1. Karakteristik Bahasa Pemrograman C... 27 2.9.2. Sistem Bilangan... 28 2.10. Komponen Elektronika... 30 2.10.1. Saklar Elektromagnet (Relay)... 30 2.10.2. Sensor Sentuh (Limit Switch)... 31 2.10.3. Dioda... 32 2.10.4. Transistor... 33 2.10.5. Resistor... 33 2.10.6. Tujuh Led (Seven Segment)... 34 BAB 3. PERANCANGAN KOMPONEN UTAMA ELEVATOR... 35 3.1. Kapasitas Elevator... 35 3.2. Beban Pengimbang (Counterweight)... 37 3.3. Perancangan Tali Baja (Steel Wire Rope)... 37 3.3.1. Bahan Tali Baja... 37 3.3.2. Luas Penampang Tali Baja... 38 3.3.3. Diameter Tali Baja... 40 3.3.4. Umur Tali Baja... 40 3.3.5. Kekuatan Tali Baja... 43 3.4. Perancangan Puli... 44 3.4.1. Diameter Puli... 44 3.4.2. Diameter Poros Puli... 44 3.4.3. Tekanan pada Alur Puli Oleh Tali... 46 3.4.4. Putaran puli... 47 3.5. Daya Motor AC... 47 3.6. Perancangan Pengendali Otomatis Elevator... 51
3.6.1. Rancangan Kerja Sistem Pengendali Otomatis Elevator Menggunakan Metode Selective-Collective... 51 3.6.2. Sistem Pengaturan Kecepatan Otomatis Elevator... 53 3.6.3. Operasi Panggilan Satu Lantai... 54 3.6.4. Jarak Berhenti Sangkar... 54 BAB 4. PEMBUATAN PROTOTIPE PENGENDALI OTOMATIS ELEVATOR... 56 4.1. Instalasi Prototipe Pengendali Otomatis Elevator... 56 4.2. Bahan-bahan dan Peralatan... 56 4.3. Pembuatan Prototipe Elevator... 58 4.3.1. Kerangka Prototipe Elevator... 58 4.3.2. Kerangka Sangkar... 59 4.3.3. Papan PCB (Printed Circuit Board)... 60 4.4. Modul Mikrokontroler ATmega 8535... 62 4.5. Komponen Elektronika... 63 4.5.1. Sensor... 63 4.5.2. Driver Motor... 64 4.5.3. Catu Daya... 65 4.5.4. Motor DC... 66 4.5.5. Tombol... 67 4.5.6. Tujuh Led (Seven Segment)... 68 4.5.7. Liquid Crystal Display (LCD)... 68 4.5.8. Bel... 69 4.6. Rancangan Kerja Prototipe Pengendali Otomatis Elevator... 69 4.7. Gerak Dasar Prototipe Pengendali Otomatis Elevator... 70 4.8. Diagram Alir Sistem Kerja Prototipe Pengendali Otomatis Elevator... 71 4.9. Penentuan Masukan/Keluaran (Input/Output)... 74 4.10. Pemrograman Bahasa C Menggunakan CodeVision AVR... 75
BAB 5. HASIL DAN PEMBAHASAN... 81 5.1. Menjalankan Sistem... 81 5.2. Data Demonstrasi... 82 5.3. Kecepatan Angkat Prototipe Pengendali Otomatis Elevator... 85 5.4. Kondisi Kerja Prototipe Pengendali Elevator pada Saat Mencapai Batas Over Limit... 86 BAB 6. KESIMPULAN DAN SARAN... 87 6.1. Kesimpulan... 87 6.2. Saran... 89 DAFTAR PUSTAKA... 90
DAFTAR TABEL Tabel Judul Halaman 2.1. Perbandingan Kecepatan Mikrokontroler pada Beberapa Merek... 18 2.2. Deskripsi Pin ATmega 8535... 20 2.3. Hubungan Pin dan Interupsi... 26 2.4. Register MCUCR untuk Pengaturan Interupsi Eksternal... 26 2.5. Register GICR untuk mengatur Interupsi Eksternal... 26 2.6. Logika 0 dan 1... 27 2.7. Bilangan Desimal, Biner, Oktal dan Heksadesimal... 30 3. Tekanan Bidang pada Puli... 45 4.1. Bahan untuk Mekanik... 56 4.2. Bahan untuk Elektrik... 57 4.3. Peralatan Yang Digunakan... 57 4.4. Logika Gerak Dasar Prototipe Pengendali Otomatis Elevator... 70 4.5. Komponen Input dan Fungsi... 74 4.6. Komponen Output dan Fungsi... 75 5.1. Data Demonstrasi Prototipe Pengendali Otomatis Elevator... 82 5.2. Pembacaan Tabel 5.1.... 84
DAFTAR GAMBAR No. Judul Halaman 2.1. Pemasangan Tali Baja pada Sistem Wrap... 10 2.2. Komponen Utama Elevator Penumpang... 11 2.3. Motor AC... 12 2.4. Jenis Alur Puli Round Groove, dan Jenis Alur Undercut Groove... 13 2.5. Sangkar... 13 2.6. Tombol Pemanggilan Lantai, Tujuan Lantai, Buka Pintu (Open Door) dan Tutup Pintu (Close Door)... 14 2.7. Lapisan Serat Tali Baja... 15 2.8. Konstruksi Serat Tali Baja... 15 2.9. Arah Gerakan Beban Pengimbang, dan Konstruksi Beban Pengimbang 16 2.10. Rel Penuntun... 16 2.11. Peredam... 17 2.12. Kemasan Mikrokontroler ATmega 8535... 19 2.13. Konfigurasi Pin Mikrokontroler ATmega 8535... 19 2.14. Peta Memori Program... 22 2.15. Konfigurasi Internal Pin Port... 23 2.16. Mekanik Relay, dan Simbol Skematik Relay... 31 2.17. Bentuk Sensor Sentuh (Limit Switch) Beserta Konfigurasi Pulled-Low dan Pulled-High... 31 2.18. Bentuk Dioda dan Simbol Dioda... 32 2.19. Karakteristik Dioda Ideal dan Aktual... 32 2.20. Transistor Sebagai Saklar, dan Analogi Transistor Sebagai Saklar... 33 2.21. Simbol Resistor... 34 2.22. Tujuh Led (Seven Segment)... 34 3.1. Skematis Elevator... 35 3.2. Luas Per Penumpang, dan Jumlah Penumpang Dalam Sangkar... 36 3.3. Kerangka Sangkar... 36 3.4. Sistem Pemasangan pada Puli dan Jumlah Lengkungan... 38
3.5. Rangkaian Sistem Pengendali Otomatis Elevator... 52 3.6. Diagram Kecepatan Otomatis Elevator... 53 3.7. Rangkaian untuk Operasi Panggilan Satu Lantai... 54 3.8. Pemasangan Sensor Sentuh (Limit Switch) dan Vane Logam... 55 4.1. Kerangka Prototipe Elevator... 58 4.2. Kerangka Sangkar... 59 4.3. Pintu Sangkar, dan Motor DC 6 Volt... 60 4.4. Modul Mikrokontroler ATmega 8535... 62 4.5. Diagram Blok Pengendali Komponen Input/Output... 63 4.6. Diagram Blok Pengendali Komponen Input/Output... 63 4.7. Rangkaian Sensor Sentuh (Limit Switch)... 64 4.8. Rangkaian Pengendali Motor DC Menggunakan Jembatan H... 64 4.9. Ilustrasi PWM untuk Kendali Kecepatan Motor DC... 65 4.10. Penyambungan Baterai... 65 4.11. Motor DC, dan Sistem Tranmisi Di Dalam Motor DC... 66 4.12. Prinsip Kerja Jembatan H (H-Bridge)... 66 4.13. Rangkaian Tombol Push On... 67 4.14. Rangkaian Tujuh Led (Seven Segment)... 68 4.15. Rangkaian Liquid Crystal Display (LCD)... 68 4.16. Rangkaian Bel... 69 4.17. Diagram Alir Sistem Kerja Prototipe Pengendali Elevator... 73 4.18. Tampilan Awal CodeVision AVR... 75 4.19. Create New File Window... 76 4.20. Confirm Window... 76 4.21. SPI Setting Window... 76 4.22. Saving Window... 77 4.23. Programmer Setting Window... 77 4.24. Programmer Setting... 78 4.25. Configure Project... 78 4.26. Cara Kompilasi... 79 4.27. Dialog Kompilasi... 80
4.28. Progress Bar Unduh ke Mikrokontroler ATmega 8535... 80
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran Judul Halaman 1. Nilai D min Sebagai Fungsi Jumlah Lengkungan dan Tegangan Tarik d Maksimum Tali Baja Tipe : 6 x 19 + 1 Fibre Core... 92 2. Harga Faktor m, C, C 1 dan C 2... 93 3. Harga a, z 2, β dan Efisiensi Puli... 94 4. Tali untuk Crane dan Pengangkat, dan JIS G 4051 Baja Kabon untuk Konstruksi Mesin... 95 5. Diameter Poros Puli, Batang Baja Karbon Difinis Dingin untuk Poros, dan Baja Rol untuk Konstruksi Umum... 96 6. Standar JIS G 5501 Besi Cor Kelabu, dan JIS G 3521 Kawat Baja Tarik Keras... 98 7. Motor AC 3 Phasa... 100 8. Diagram Blok Sistem Kontrol Kecepatan Elevator... 101 9. Diagram Blok Mikrokontroler ATmega 8535... 102 10. Dimensi Mikrokontroler ATmega 8535... 103 11. Fitur ATmega 8535... 104 12. Dokumentasi Pembuatan Papan PCB (Printed Circuit Board)... 106 13. Dokumentasi Papan PCB (Printed Circuit Board) Yang Telah Dibuat. 108 14. Perkiraan Biaya Bahan dan Komponen Elektronika... 109 15. Rancangan Perangkat Kontrol Prototipe Elevator... 110 16. Listing Program... 111
DAFTAR SIMBOL Simbol Judul Satuan a Jumlah siklus rata-rata kerja per bulan A Perbandingan diameter puli penggerak dengan diameter tali bit Satuan data digital terkecil 0 dan 1 c Faktor yang memberi karakteristik konstruksi tali d Diameter tali baja [mm] D Diameter puli penggerak [mm] Dmin Diameter puli penggerak minimum [mm] e 1 e 2 Faktor yang tergantung pada kondisi operasi Faktor yang tergantung pada konstruksi tali G cwt Berat beban pengimbang [kg] H Tinggi angkat [m] i Jumlah kawat I Arus [Ampere] K Faktor keamanan tali n Jumlah bagian suspensi (tali penggantung) N Umur tali [bulan] N Daya motor [HP] n Putaran [rpm] P Tekanan permukaan [kg/cm 2 ] P a Tekanan permukaan yang diizinkan [kg/cm 2 ] Q Kapasitas angkat elevator [kg] Q t Kapasitas total elevator [kg] t waktu [detik] T Torsi [N.m] v Kecepatan [m/s] V Tegangan [Volt] x Faktor yang tergantung pada bentuk penampang dan kelengkungan
z Jumlah lengkungan berulang β Faktor perubahan daya tekan tali δ Diameter serat tali baja [mm] η mek η puli Efisiensi mekanis Efisiensi puli σ t Tegangan tarik [kg.mm 2 ] σ ti Tegangan tarik izin [kg.mm 2 ]