KONTROL ON-OFF DAN DISPLAY BARGRAPH TEMPERATUR

KONTROL ON-OFF DAN DISPLAY BARGRAPH TEMPERATUR Galih Restu Fardian Suwandi *, Aditya Nur Rahadi, Harsya Bachtiar dan Asep Suryana Program Studi Fisika Institut Teknologi Bandung, Jl.Ganesha 10 Bandung, Indonesia 40132 galih.suwandi@gmail.com ABSTRAK Pada proyek RBL ini, tim praktikan membuat suatu sistem yang dapat mempertahankan temperatur suatu plant. Dalam kasus, ini plant yang ditinjau adalah lingkungan air, seperti kolam, aquarium, dan lainnya. Dalam sistem ini, terdapat tiga bagian penting, yaitu sensor, kontrol, dan display. Sensor yang digunakan adalah sensor temperatur yakni LM35DZ, kemudian sistem kontrol yang digunakan adalah kontrol on-off, dan display yang digunakan adalah bargraph. Sistem ini dapat menjaga temperatur suatu plant sesuai dengan yang diinginkan. Penentuan temperatur dilakukan dengan memilih set point pada kontrol. Sebagai aktuator digunakan heater. Apabila temperatur pada plant dibawah set point, maka heater akan menyala hingga temperatur pada plant akan mencapai set point. Dan apabila temperatur pada plant telah melebihi set point, maka heater akan mati. Secara umum, sistem ini sudah dapat digunakan dengan baik, walaupun masih ada kekurangan akibat karakteristik dari kontrol on-off itu sendiri. Kata kunci : bargraph, display, komparator, kontrol, plant, temperatur, sensor. ABSTRACT In this Research Based Learning project, our team made a system that can keep the plant temperature staedily. In this case the plant are something that contain a water such as, aquarium, pool etc. There are three important part on the system, sensor, control, and display. The sensor we used is LM35DZ, controlling part is on-off control, and the display is bargraph. This system will keep the plant temperature steadily based on the control set point. The actuator of this system is heater. If the plant temperature below the set point, the heater will turn on automatically until the plant temperature reach set point, and then the heater will turn off automatically. The system has worked, but there are still some mistake caused by the characteristic and the on-off control it self. Key word : bargraph, comparator, control, display, plant, temperature, sensor. I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pada kehidupan sehari-hari, seringkali timbul masalah yang berkaitan dengan fenomena fisis alam. Setiap lingkungan memiliki kebutuhan kondisi yang sesuai dengan karakteristiknya masing-masing. Sebagai contoh, terdapat ekosistem di suatu perairan dengan kondisi tertentu. Apabila kondisinya tidak sesuai, maka dalam ekosistem tersebut akan terjadi ketidakseimbangan. Salah satu contoh kondisi tersebut adalah temperatur. Kondisi suatu lingkungan bergantung pada temperatur dari lingkungan tersebut. Oleh karena itu, diperlukan suatu sistem kontrol yang dapat mempertahankan kondisi tersebut. 1.2 Tujuan 1

Tujuan dari pembuatan sistem kontrol dan display ini adalah untuk mempelajari bagaimana cara kerja dari suatu kontrol. Selain itu, penulis juga mencoba untuk mengaplikasikan teori yang telah dipelajari dalam mata kuliah Sistem Instrumentasi. Namun secara khusus, tujuan dari perakitan sistem ini adalah untuk mempertahankan kondisi temperatur dalam suatu plant. 1.3 Metode Percobaan Percobaan ini dilakukan dalam beberapa tahapan. Tahapan pertama adalah perakitan dari sistem yang telah dirancang. Proses perakitan dilakukan secara bertahap untuk setiap bagian dari sistem secara total. Setelah itu, dilakukan berbagai eksperimen untuk menguji sistem yang telah dirakit secara bertahap. Tahapan-tahapan eksperimen ini sesuai dengan komponenkomponen yang terdapat dalam perancangan kontrol on-off dan bargraph display temperatur. Eksperimen pertama adalah penentuan karakteristik dari sensor yang digunakan. Eksperimen kedua adalah penentuan karakteristik skala dari bargraph. Eksperimen ketiga adalah percobaan open loop pada plant. Dan yang keempat adalah eksperimen kontrol on-off. Penyedot timah, Catu daya 3A, Multimeter, Jumper. 1.4.2. Bahan PCB (Project Circuit Board), Resistor, Kapasitor, Dioda IN4002, Potensiometer dan trimpot, IC LM35DZ, IC LM741, IC LM3914 dan Bargraph, Transistor IQ BD139, Saklar putar, Relay, Heater dan steker, LED, Timah dan kabel. II. TEORI DASAR Pada sistem yang dirancang, terdapat tiga bagian penting, yaitu sensor temperatur, sistem kontrol on-off, dan display bargraph. 1.4 Alat dan Bahan 1.4.1. Alat Solder, 2 Gambar 1. Blok Kontrol Temperatur

Dengan melihat blok kontrol temperatur, suhu yang diukur oleh sensor diubah menjadi besaran tegangan lalu diparalelkan ke kontrol dan display. Pada kontrol, tegangan input memasuki blok signal conditioner (blok penguatan, pembalik fasa dan pengurang) lalu nilai process variable dibandingkan dengan set point sehingga pada blok controller yang terdiri dari komparator dan saklar on/off otomatis akan memberikan suatu kondisi dimana aktuator bekerja atau mati. Aktuator berhubungan langsung pada plant yang akan mengurangi error signal yang dikeluarkan error amplifier, sehingga suhu pada plant akan mendekati nilai set point. Proses controlling yang dilakukan sistem secara otomatis yaitu dengan membandingkan output plant (process variable) dengan input referensi (set point), menentukan simpangan sinyal, mengeluarkan sinyal control untuk menghilangkan/mengurangi error signal. Rangkaian terdiri dari tiga blok utama, yaitu blok measurement (sensor temperatur IC), blok controller, dan blok display. koefisien sebesar 10 mv/ o C. Daerah operasi sensor mulai dari -55 o C sampai dengan 150 o C. Gambar 2. LM35DZ [4] 2.2 Kontrol On-Off Kontrol On-Off memiliki ciri-ciri, yaitu hasil pengontrolan masih bersifat osilasi (efek cycling) sehingga hasil tidak terlalu akurat, ada efek histerisis (dead band) dalam implementasi praktisnya dan laju pemrosesan yang lambat. Kontrol on-off bekerja berdasarkan nilai error yang jika lebih besar dari nol, aktuator akan dijalankan dan jika nilai error lebih kecil dari nol, aktuator dimatikan. 2.1 Sensor Temperatur Sensor yang digunakan dalam blok measuring adalah LM35DZ. Sensor ini terkemas dalam bentuk integrated circuit (IC). Sensor ini berfungsi sebagai pengubah dari besaran fisis suhu ke besaran tegangan yang memiliki Gambar 3. Karakteristik Pengontrol On-Off [1] Histerisis pada kontrol on-off ditunjukkan oleh gambar 3. 3

Gambar 4. Kurva Transfer Pengontrol On-Off dengan Histerisis [1] Rangkaian blok kontrol terdiri dari beberapa blok yang ditunjukkan oleh gambar 4. Gambar 6. Blok 1 dan 2 Tegangan keluaran blok 1 adalah V R 2 o V in R1. (1) Dimana nilai R 1 =100K, R 2 =10K sehingga gain sebesar 10x dan bernilai negatif. Tegangan keluaran blok 2 adalah Gambar 5. Blok kontrol on-off Blok kontrol terdiri dari beberapa blok, yaitu : Blok signal conditioner (1,2,3), Error amplifier (4), Kontrol On/Off (5), Aktuator (6). Blok signal conditioner, terdiri dari : Blok 1 (penguatan inverting 10 x ) dan blok 2 (pembalik fasa dengan penguatan 1 x). V R 4 o V in R3. (2) Dimana nilai R 4 =R 3 =10K sehingga gain sebesar 1x dan keluaran dari blok 2 bernilai positif akibat masukan yang bernilai negatif. Blok 3 (rangkaian pengurang). Gambar 7. Rangkaian Pengurang 4 Tegangan keluaran pada rangkaian ini sebesar

V o V V. (3) in Nilai keluaran memiliki gain 1x akibat nilai R 8 =R 9 =22K dan nilai Vcc=+5 V sehingga nilai keluaran Vin = - 5. cc dimaksudkan untuk memproteksi sistem kontrol dari arus bolak-balik pada relay. Aktuator akan bekerja jika keluaran komparator High dan aktuator akan mati jika keluaran komparator Low. Kerjanya aktuator mengikuti karakteristik kontrol on-off. Berikut ini blok setting point : Gambar 8. Blok On/Off Pada blok On-Off terdiri dari error amplifier (komparator) dan on/off control. Rangkaian error amplifier adalah suatu rangkaian yang membandingkan antara set point dengan process variable sehingga diperoleh tegangan error yang akan diumpankan ke pengontrol. Pada error amplifier, jika Vref (set point) > Vin (process variable) maka keluaran komparator High(1) atau sama dengan +Vcc dan jika Vref < Vin maka keluaran komparator Low(0) atau sama dengan -Vcc. Jika keluaran komparator 1 maka relay dalam keadaan On sehingga actuator bekerja. Aktuator bekerja ditandai dengan menyalanya indikator LED (biru). Pemasangan dioda sebelum relay Gambar 9. Blok Setting point menggunakan saklar putar. Pada setting point berbentuk saklar putar, set point hanya memilkik variasi sebanyak 6 macam yang bergantung pada Vcc dan nilai resistornya. Pada blok ini digunakan prinsip pembagi tegangan, yaitu : V ref R Vcc. (4) R total Nilai set point berhubungan dengan keluaran pada rangkaian pengurang, misalkan suhu lingkungan bernilai 50 o C maka nilai keluaran pada blok A : 500mV, blok 1 : -5 V, blok 2 : 5 V, blok 3 : 0 V. Maka nilai V ref pada setting point titik 1 adalah 50 o C karena nilai tegangan pada titik 1 adalah 0 V. Range setting point yang didapatkan dengan menggunakan 5

Vcc yang bernilai +5 V antara 50-75 o C dan yang bernilai -5 V antara 25-50 o C. Gambar 12. Blok diagram dan bentuk fisik LM741 [5] 2.3 Display Bargraph Gambar 10. Blok setting point menggunakan potensiometer. Nilai Vref yang didapat bergantung pada Vcc dan nilai resistansi pada POT. Nilai tegangan menggunakan prinsip pembagi tegangan. Vref dihubungkan pada kaki 3 (+) pada komparator. Jenis IC yang digunakan pada rangkaian kontrol adalah LM741 yang dapat berfungsi sebagai penguat operasional dan komparator. Gambar 11. Rangkaian ekuivalen LM741 [5] 6 Gambar 13. Blok Display [2] Pada blok ini terdiri dari IC driver dot/bar LM3914 yang dihubungkan dengan display bar. Untuk mengubah range pada bargraph disisipkan potensiometer diantara kaki 6 dan kaki 7. Voltmeter dihubungkan diantara kaki 5 dan kaki 8 lalu atur R sehingga kaki 5 memiliki tegangan 3 volt pada U1 dan 5 volt pada U2. Kemudian pot 1K pada masing-masing blok bargraph diatur sampai LED 10 menyala. Pemasangan R diantara pin 6 dan 7 untuk memperbesar Vref yang digunakan untuk

menyalakan LED yang akan dibandingkan oleh komparator di dalam LM3914. Pemasangan kapasitor pada titik temu antara kaki 3 dan kaki bargraph yang terhubung dengan Vcc dimaksudkan agar tidak terjadi jentikan pada arus pada kaki-kaki bargraph (agar LED yang terdapat dalam bargraph tidak putus). menganalisis hubungan antara temperatur plant dan tegangan yang dikeluarkan LM35DZ, maka tujuan dari eksperimen ini akan terpenuhi. Sensor LM35DZ ini ditempatkan pada sebuah plant yang akan dipanaskan. Untuk setiap kenaikan suhunya, dicatat berapa tegangan keluaran dari sensor ini. Gambar 14. Rangkaian ekuivalen LM3914. [3] 3.2 Penentuan Karakteristik Bargraph Bargraph yang digunakan terdiri dari 20 buah LED. Sebagai suatu sistem display, akan ditentukan hubungan antara temperatur plant yang terukur dengan jumlah LED yang menyala. Sensor LM35DZ akan dihubungkan dengan sistem display ini, kemudian temperatur pada plant akan divariasikan. Jalannya perubahan suhu pada plant dan menyalanya LED pada tiap blok bargraph akan dibandingkan sehingga mencapai suatu sistem pembacaan temperatur pada bargraph yang baik. III. EKSPERIMEN Untuk menguji tingkat keberhasilan dari perancangan sistem ini, dilakukan empat percobaan, yaitu percobaan karakteristik sensor, karakteristik bargraph, open loop, dan kontrol. 3.1 Penentuan Karakteristik Sensor Eksperimen pertama ini dilakukan untuk menguji kinerja dan mengetahui karakteristik dari sensor temperatur yang digunakan. Sensor yang digunakan adalah LM35DZ. Dengan 7 3.3 Open Loop Pada eksperimen ini, akan dicoba bagaimana temperatur pada plant akan berubah dan bagaimana pula sensornya akan bekerja. Heater sebagai akan dinyalakan, namun bukan sebagai aktuator, melainkan sebagai pemanas pada plant saja. Dalam eksperimen ini, akan dilihat bagaimana pengaruh heater dalam proses pemanasan plant terhadap waktu.

3.4 Pengontrolan Temperatur On-Off Untuk menguji kinerja sistem kontrol yang telah dirakit, dilakukan eksperimen pengontrolan temperatur plant. Set point yang digunakan adalah sebesar 50 0 C. Apabila temperatur plant sudah mencapai set point, maka heater sebagai aktuator akan mati, dan apabila temperatur pada plant berada di bawah titik set point, maka heater akan menyala. Dengan eksperimen ini akan diketahui sejauh mana kinerja sistem kontrol yang digunakan. Selain itu, karakteristik dari sistem kontrol on-off akan diketahui. IV. HASIL EKSPERIMEN 4.1 Rangkaian Hasil Perakitan Rangkaian sistem kontrol on-off dan display bargraph yang telah dirakit adalah : 115.7 26.5 128.3 53.5 116.5 27 129 54 117.1 28 129.6 55 117.8 30 130 59.5 118.5 32 130.6 60.5 119 34 131.2 60.5 120 36 131.8 63 120.5 35 132.3 62.5 121.2 39 132.8 65 121.8 40 133.3 63 122.5 41 133.8 65.5 123.2 44 134.2 68.5 123.5 45 134.8 70 124.5 45.5 135.3 68.5 124.8 46 135.9 70 125.3 49 136.2 75.5 126 50.5 136.6 78 126.5 51.5 137.2 79 Tabel 1. Data Karakteristik Sensor LM35DZ Untuk menganalisis data yang didapat, dilakukan plot data antara Temperatur sebagai sumbu-y dan Tegangan sebagai sumbu-x. T ( C) 90 80 y = 2.2695x - 236.45 70 R 2 = 0.9871 60 50 40 30 20 10 0 100 110 120 130 140 V (mv) Gambar 15. Bentuk Fisik Rangkaian Hasil Perakitan Grafik 1. Kurva Karakteristik Sensor LM35DZ 4.2 Karakteristik Sensor V (mv) T ( 0 C ) V (mv) T ( 0 C ) 113.5 26 127.2 53 115.6 26 127.7 52 8 Plot data yang terlihat ternyata cenderung linier. Oleh karena itu, untuk menganalisisnya digunakan metode least square (regresi linier). Dengan metode ini, didapatkan persamaan

regresinya yaitu y 2.2695x 236. 45 dengan R 2 = 0.9871. 4.3 Karakteristik Display Bargraph Berdasarkan percobaan dan setting, didapat karekteristik display bargraph yang akan menjadi acuan dalam pembacaan temperatur. Tegangan (mv) Temperatur ( C) Jumlah LED yang Menyala 90.7 9.07 0 120 12 1 140.6 14.06 2 162.6 16.26 3 182.1 18.21 4 207.3 20.73 5 222.7 22.27 6 249.9 24.99 7 263.2 26.32 8 278.7 27.87 9 303.7 30.37 10 323.4 32.34 11 343.6 34.36 12 361.7 36.17 13 386.2 38.62 14 401 40.1 15 423 42.3 16 447 44.7 17 464 46.4 18 483 48.3 19 502 50.2 20 Tabel 2. Data Karakteristik Display Bargraph 4.4 Open Loop t (sekon) T ( 0 C ) t (sekon) T ( 0 C ) 5 26 105 53 10 26 110 52 15 26.5 115 53.5 20 27 120 54 25 28 125 55 9 30 30 130 59.5 35 32 135 60.5 40 34 140 60.5 45 36 145 63 50 35 150 62.5 55 39 155 65 60 40 160 63 65 41 165 65.5 70 44 170 68.5 75 45 175 70 80 45.5 180 68.5 85 46 185 70 90 49 190 75.5 95 50.5 195 78 100 51.5 200 79 Tabel 3. Data Open Loop Dengan memplotkan data pada tabel 3, didapat kurva open loop sebagai berikut : T ( C) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 y = 16.392Ln(x) - 20.88 R 2 = 0.833 0 0 50 100 150 200 250 4.5 Kontrol On-Off t (s) Grafik 2. Kurva Open Loop T (sekon) V ( volt ) T (sekon) V ( volt ) 0 0.402 280 0.462 5 0.406 285 0.464 10 0.411 290 0.466 15 0.412 295 0.468 20 0.415 300 0.471 25 0.418 305 0.475

T ( C) 30 0.421 310 0.479 35 0.423 315 0.484 40 0.425 320 0.487 45 0.426 325 0.489 50 0.429 330 0.492 55 0.431 335 0.494 60 0.433 340 0.496 65 0.435 345 0.499 70 0.437 350 0.501 75 0.439 355 0.503 80 0.44 360 0.506 85 0.441 365 0.508 90 0.443 370 0.509 95 0.444 375 0.512 100 0.445 380 0.514 105 0.448 385 0.515 110 0.448 390 0.521 115 0.45 395 0.53 120 0.451 400 0.534 125 0.451 405 0.532 130 0.451 410 0.529 135 0.453 415 0.525 140 0.452 420 0.521 145 0.452 425 0.518 150 0.452 430 0.515 155 0.452 435 0.512 160 0.453 440 0.509 165 0.454 445 0.506 170 0.454 450 0.507 175 0.453 455 0.506 180 0.453 460 0.506 185 0.453 465 0.507 190 0.454 470 0.508 195 0.453 475 0.51 200 0.454 480 0.512 205 0.455 485 0.514 210 0.456 490 0.515 215 0.456 495 0.517 220 0.457 500 0.527 225 0.457 505 0.532 10 230 0.457 510 0.529 235 0.458 515 0.526 240 0.458 520 0.522 245 0.459 525 0.519 250 0.459 530 0.515 255 0.458 535 0.513 260 0.458 540 0.51 265 0.461 545 0.508 270 0.461 550 0.505 275 0.462 555 0.503 Tabel 4. Data On-Off Dengan memplotkan data pada tabel 4 di atas, didapat kurva sebagai berikut : 60 50 40 30 20 10 0 0 100 200 300 400 500 600 V. PEMBAHASAN t (s) Grafik 3. Kurva On-Off Dari data percobaan yang didapat, dapat diketahui karateristik sensor LM. Dari hasil regresi linier didapatkan persamaan regresi y 2.2695x 236.45. (5) Persamaan regresi tersebut dapat dianalogikan dengan persamaan : T( o C) 2.2695V ( mv) 236.45. (6) Dari persamaan (6), diperoleh hubungan antara T( O C) dengan V(mV) adalah linier. Semakin

tinggi suhu T( O C) yang terbaca oleh sensor maka tegangan output V(mV) akan semakin besar sesuai dengan persamaan regresi yang telah didapat. Walaupun terdapat suatu faktor koreksi pada persamaan tersebut. Begitu pula dengan nilai R 2 yang bernilai 0.9871 ( mendekati 1 ). Berbagai hal ini telah sesuai dengan karakteristik LM35DZ. Jika dibandingkan dengan data sheet LM35DZ [4], hasil kalibrasi yang didapatkan terdapat sedikit perbedaan, karena hasil kalibrasi pada percobaan tidak linier sempurna, tidak seperti pada data sheet. Hal ini disebabkan beberapa hal, yang pertama adalah kepresisian LM35DZ, karena sesuai dengan data sheet suhu yang terbaca oleh LM35DZ berbeda 0.01 O C dengan temperatur ruang. Selain itu terdapat noise pada rangkaian LM35DZ, walaupun skalanya sangat kecil, yaitu dalam satuan nv. Dan terdapat start-up Hz respons yang menyebabkan keterlambatan dalam pembacaan suhu. Gambar 16. Noise LM35DZ [4] Gambar 17. Time Respons LM35DZ [4] Jumlah blok yang menyala pada bargraph merepresentasikan nilai suhu pada sistem. Semakin banyak blok yang menyala pada bargraph, maka suhu pada sistem semakin tinggi. Untuk cara pembacaan nilai yang ditunjukkan bargraph dapat dilihat pada tabel 2. Suhu yang dapat terbaca pada bargraph antara 9 o C sampai 50 o C. Berdasarkan percobaan open loop yang dilakukan, diperoleh hasil bahwa kurva open loop ini cenderung eksponensial. Sehingga pada proses pembacaan temperatur, akan terlihat bahwa pada awalnya proses kenaikan temperatur akan berjalan lambat, namun setelah beberapa lama, kenaikan temperatur akan berlangsung secara cepat. Dari pengolahan data pada kontrol on-off didapatkan kurva karakteristik dari sistem kontrol on-off. Pada kurva karakteristik dapat dilihat bahwa pengukuran dilakukan dimulai pada suhu 40 o C, pada suhu tersebut, aktuator (heater) akan menyala secara otomatis hingga mendekati suhu set point, pada percobaan ini digunakan set point sebesar 50 o C. Terdapat histerisis disekitar daerah set point, suhu tidak 11

tepat berada pada titik 50 o C, melainkan berapa diatas dan dibawah titik 50 o C. Hal ini telah sesuai dengan dengan karakteristik kontrol onoff, yaitu memiliki histerisis. Hal ini juga disebabkan karena laju pemrosesan dari kontrol on-off yang lambat. Gambar 18. Histerisis kontrol on-off Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa percobaan yang dilakukan telah sesuai dengan karakteistik kontrol on-off. Histerisis yang terjadi disebut juga dead band. Setiap komponen pada rangkaian kontrol on-off telah berfungsi dengan baik. Secara keseluruhan setiap rangkaian pada sistem ini telah bekerja dengan baik. Seperti kata pepatah, tak ada gading tak retak. Terdapat beberapa kendala yang dihadapi, diantaranya adalah sulitnya proses perakitan bagian-bagian dari sistem ini dikarenakan kompleksnya rangkaian yang digunakan. Kerusakan komponen akibat kesalahan pemasangan sangat menghambat laju kerja. Selain itu proses pengaturan range temperatur pada display bargraph cukup sulit. VI. SIMPULAN Dari sifat sensor yang linear, maka sensor LM35DZ yang kita gunakan dapat diterapkan pada rangkaian sebagai pembaca suhu dari tegangan yang dihasilkan sistem. Bargraph yang berupa blok ini berfungsi menunjukan hasil dari sensor yang berupa suhu plant. Pembacaan bargraph dapat dilihat pada tabel 2. Dengan menggunakan karakteristik rangkaiaan on-off maka kita dapat menentukan temperatur yang kita inginkan sesuai set point. Namun untuk mencapai set point yang tepat dibutuhkan waktu yang cukup lama. Karena pada awalnya suhu pada sistem berosilasi sekitar set point. Secara umum, sistem kontrol dan display temperatur ini sudah dapat dipergunakan dengan baik sesuai dengan tujuan awal perakitannya. VII. REFERENSI [1] http://www.aaroncake.net/electronics/inde x. html [2] http://www.electronics-project.design.com [3] http://www.national.com/lm3914dot/ba rdisplaydriver.html [4] http://www.national.com/lm35dzprecisi oncentigradetemperaturesensors.html [5] http://www.national.com/lm741operatio nalamplifier.html [6] Sutrisno.1986.Elektronika Dasar Teori dan Penerapannya Jilid 2. Bandung:Penerbit ITB. 12