KARYA TULIS ILMIAH MENGUKLUR TEMPERATUR OTOMATIS MENGGUNAKAN TERMOKOPEL BERBASIS MIKROKONTROLER Nyoman Wendri, S.Si., M.Si I Wayan Supardi, S.Si., M.Si JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS UDAYANA 2015
DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN...ii ABSTRAK... iii DAFTAR ISI... iv KATA PENGANTAR...v BAB I PENDAHULUAN...1 1.1 Latar Belakang...1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA...2 2.1 Termokopel...2 2.2 Penguat Operasional...2 2.3 Analog to Digital...3 2.4 ADC 0804...4 2.5. Mikrokontroler AT89S51...4 BAB III METODELOGI PENELITIAN...7 1.1 Tempat...7 1.2 Cara Kerja Alat...7 1.3 Pembuatan Software...8 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN...9 4.1 Kalibrasi sensor Termokopel...9 4.2 Penganbilan Data...11 4.3 Analisis Data...11 BAB V KESIMPULAN...13 DAFTAR PUSTAKA... 14 iii
ABSTRAK Telah dilakukan pengukuran temperatur otomatis menggunakan termokopel yang berbasis mikrokontroler AT89S51. Alat ukur ini akan bekerja pada jangkauan pengukuran 0 C sampai 66 C yang mempunyai linieritas sensor sebesar 6,07%. Sensor termokopel yang digunakan bekerja dengan mendeteksi perubahan temperatur yang akan menghasilkan perubahan tegangan yang akan dibaca oleh mikrokontroler AT89S51. Kata kunci : Termokopel, Mikrokontroler AT89S51, ADC0804, Personal Computer iv
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena berkat-nyalah penyusunan makalah karya tulis dengan judul : MENGUKLUR TEMPERATUR OTOMATIS MENGGUNAKAN TERMOKOPEL BERBASIS MIKROKONTROLER Terwujudnya Karya tulis ini tidak dapat terlepas dari bantuan berbagai pihak, sehingga pada kesempatan yang baik ini dengan segala ketulusan hati penulis menghanturkan terima kasih sedalam-dalamnya kepada yang terhormat : Bapak Ir. S Poniman,M.Si selaku Ketua Jurusan Fisika pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Udayana Bapak Ida Baugus Made Suaskara, selaku Dekan Fakultas MIPA Universitas Udayana Teman-Teman Dosen Jurusan Fisika di lingkungan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Udayana yang telah memberikan bekal ilmu pengetahuan sehingga makalah ini dapat diselesaikan Mengingat keterbatasan pengetahuan yang dimiliki, maka penulis menyadari bahwa makalah Karya tulis ilmiah ini belum sempurna. Oleh karenanya, pada kesempatan ini penulis juga senantiasa mengharapkan kritik dan saran yang dapat membawa kebaikan bagi semua pihak. Bukit Jimbaran, September 2015 Penulis V
BAB I P E N D A H U L U A N 1.1 Latar Belakang Pengukuran fisis adalah salah satu langkah dalam akusisi data. Salah satu contoh besaran fisis adalah temperatur, temperatur yang sering dipakai dalam sistem kontrol. Temperatur memiliki keterkaitan dengan tegangan di mana setiap kenaikan suhu akan menyebabkan perubahan karakteristik bahan yang akan menyebabkan kenaikan tegangan. Tegangan adalah perbedaan potensial listrik antara dua titik. Biasanya temperatur dan tegangan diukur secara manual dengan menggunakan termometer dan voltmeter. Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dalam bidang elektronika maka diperlukan alat penunjang yang serba digital. Sensor berfungsi untuk mendeteksi adanya perubahan lingkungan fisik atau kimia, salah satunya adalah sensor suhu yang mendeteksi perubahan temperatur seperti LM35, termokopel dan yang lainnya. Sensor suhu dapat dikontrol oleh mikrokontroler sehingga dapat menampilkan hasil pengukuran secara digital. Salah satu jenis mikrokontroler adalah AT89S51 yang merupakan keluaran Atmel. Dengan menggunakan mikrokontroler AT89S51 sebagai pengontrol proses maka penulis mencoba merancang pencatatan temperatur dan menggunakan termokopel yang menampilkan data secara digital pada Personal Computer. Pada penelitian ini penulis menggunakan termokopel tipe K sebagai sensor temperatur karena range pengukurannya cukup besar dan lebih mudah ditemukan di pasaran. Degan latar belakang diatas penulis ingin melakukan mengukur temperatur otomatis dengan menggunakan termokopel tipe K berbasis mikrokontroler AT89S51 1
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Termokopel Termokopel merupakan sensor suhu yang mengubah perbedaan suhu menjadi perubahan tegangan, hal ini disebabkan karena perbedaan kerapatan yang dimiliki oleh masing-masing logam dan bergantung pada massa jenis logam. Jika dua buah logam disatukan pada kedua ujungnya kemudian dipanaskan maka elektron yang mempunyai kerapatan yang tinggi akan bergerak ke arah logam yang mempunyai kerapatan yang lebih rendah. Hubungan antara tegangan dengan perubahan suhu hampir linier dalam rentang suhu tertentu. Dari berbagai macam termokopel, termokopel tipe K yang paling baik digunakan dalam pengukuran tenperatur karena Termokopel tipe K terdiri dari 90% nikel dan 10% alumel. Alumel terdiri dari 95% nikel, 2% mangan, 2% aluminium dan 1% silikon. Termokpel tipe K umumnya digunakan untuk penelitian dengan sensitvitas yang relatif besar dibandingkan dengan sensor termokopel lainnya yaitu sebesar 40,6 µv/ C. Termokopel tipe K mengalami ketidaklinieran antara output tegangan dengan suhu pada sekitar suhu 150 C. Untuk rentang pengukuran yang kecil hubungan antara suhu dengan tegangan bersifat linier. Selain itu termokopel tipe K relatif lebih murah dan mudah ditemukan di pasaran, oleh karena itu dalam penelitian ini saya menggunakan termokopel tipe K. (www.wfunda.com/desingstandards/sensors/thermocouple) 2.2. Penguat Operasional (Op Amp) Penguat operasional adalah rangkaian terpadu yang berfungsi memperkuat sinyal arus searah maupun arus bolak-balik dan memiliki lima buah terminal dasar seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.1 Gambar 2.1 Op-Amp [Arifin, Jaenal, 2009] 2
3 Berdasarkan cara penggunaanya penguat operasional ada dua jenis yaitu penguat linier dan penguat tidak linier. Penguat linier adalah penguat yang mempertahankan bentuk sinyal masukan seperti penguat instrumentasi, diferensial, tak membalik, dan membalik sedangkan Penguat tak linear merupakan penguat yang sinyal keluarannya berbeda dengan sinyal masukannya seperti komparator, integrator, dan diferensiator Penguat Instrumentasi merupakan penguat serbaguna yang terdiri dari penguat diferensial dan penguat penyangga. Rangkaian penguat instrumentasi terdiri dari tiga penguat operasional dan tujuh tahanan seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.2 Gambar 2.2 Op-Amp Instrumentasi [Arifin, Jaenal, 2009] Besarnya tegangan keluaran ditunjukkan oleh persamaan (2.1) Dimana : V o = tegangan keluaran (Volt) V 1 = tegangan masukan 1 (Volt) (2.1) V 2 = tegangan masukan 2 (Volt) a = penguatan pada potensiometer R Untuk mengatur besarnya tegangan keluaran maka kita dapat mengubah nilai a
4 2.3. Analog to Digital Converter (ADC) ADC adalah suatu rangkaian yang berfungsi untuk mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital, biasanya sinyal analog tersebut berupa tegangan. ADC dapat menganalisa sinyal- sinyal yang diakibatkan oleh suhu, tekanan, kecepatan angin, berat benda dan lain-lain. Ketelitian sebuah ADC ditentukan oleh jumlah bit keluarannya. Makin besar jumlah bit keluaran, makin tinggi ketelitiannya. Jika jumlah bit keluaran adalah n maka ketelitiannya adalah : (Resia,1997) (2.2) Waktu konversi merupakan waktu yang diperlukan oleh ADC untuk mengubah tegangan menjadi kombinasi bit. Chip ADC yang banyak digunakan dan ditemukan di pasaran adalah ADC jenis 0804, 0808, dan 0809 yang dibuat dengan teknologi CMOS dan data keluarannya adalah data digital 8 bit. Keistimewaan dari chip ADC ini adalah kecepatan konversi yang cukup tinggi dan konsumsi daya yang rendah. 2.4. ADC 0804 ADC 0804 termasuk dalam tipe SAR yang memiliki waktu konversi 100 μs. ADC 0804 memiliki dua prinsip dalam melakukan konversi diantaranya free running dan mode control. ADC 0804 memiliki 20 pin seperti terlihat dalam Gambar 2.3 Gambar 2.3. Pin-Pin ADC 0804 [Datasheet ADC0804]
5 2.4 Mikrokontroler AT89S51 Mikrokontroler MCS-51 adalah buatan Atmel dengan dua versi yaitu versi 20 pin dan versi 40 pin yang dilengkapi dengan Flash Programble Erasable Read Only Memory (Flash PEROM) sebagai media memori program dan susunan kaki kedua IC tersebut sama tiap versinya. Salah satu versi 40 kaki dari mikrokontroler MCS-51 adalah mikrokontroler AT89S51. Mikrokontroler bekerja pada frekuensi antara 4 MHz - 40 MHz. (Budiharto, Widodo, 2005). Beberapa karakteristik dari mikrokontroler AT89S51 adalah : 1) Memiliki 4 kb Flash PEROM yang dapat digunakan untuk menyimpan program. Flash dapat ditulis dan dihapus sebanyak 1000 kali. 2) Tegangan operasi dinamis dari 4,5-5,5 volt. 3) Operasi clock dari 0-33 MHz. 4) Memiliki internal RAM 128x8 bit. 5) Memiliki I/O 32 line. 6) 2 buah timer/counter 16 bit. 7) Menagani 6 sumber interupsi 8) Memiliki port parallel. Pin-pin dari mikrokontroler AT89S51 seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.4. Gambar 2.4. Pin-Pin Mikrokontroller AT89S51 [datasheet AT89S51] Penjelasan masing-masing pin dari mikrokontroler AT89S51 yaitu : 1. Pin 1-8 Merupakan port 1 (P1.0 - P1.7) yang menjadi saluran input/output 8 bit dua arah.
6 2. Pin 9 (Reset). Pin ini berfungsi untuk mereset mikrokontroler AT89S51 kembali kekondisi awal. 3. Pin 10-17 Merupakan port 3 (P3.0 -P3.7) yang menjadi saluran input/output 8 bit dua arah, selain itu port 3 juga memiliki alternative. 4. Pin 18 (X2) Sebagai input ke rangkaian osilator internal 5. Pin 19 (X1) Sebagai input ke rangkaian osilator internal. 6. Pin 20 Merupakan ground sumber tegangan. 7. Pin 21-28 Merupakan port 2 (P2.0 - P2.7) yang menjadi saluran input/output 8 bit dua arah. 8. Pin 29 Program Store Enable (PSEN) sebagai sinyal pengontrol yang berfugsi untuk membaca program dari memori eksternal. 9. Pin 30 Addres Latch Enable (ALE) yang berfungsi menahan sementara alamat byte rendah pada proses pengalamatan ke memori eksternal. 10. Pin 31 External Acces Enable (EA) merupakan pin untuk pilihan program, menggunkan program internal atau eksternal. 11. Pin 32-39 Merupakan port 0 (P0.0 - P0.7) yang menjadi saluran input/output 8 bit dua arah, dapat juga berfungsi sebagai jalur data dan jalur alamat apabila mikrokontroler menggunakan memori luar (eksternal). 12. Pin 40 Merupakan sumber tegangan positif (Vcc).
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1.Tempat Penelitian dilakukan di laboratorium Fisika Instrumentasi Elektonika dan Komputer Jurusan Fisika, FMIPA Universitas Udayana. 3.2. Cara Kerja Alat Rangkaian pencatatan temperatur otomatis menggunakan termokopel berbasis mikrokontroler AT89S51 ditunjukkan pada Gambar 3.1 AT89S51 LM324 10K 10K 10K ADC 0804 220K 22Ω 0,047 F Vcc 12MHz MAX232 Gambar 3.1. Rangkaian Sistem Sensor Otomatis Suhu dan Tegangan Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Penelitian ini menggunakan Sensor Termokopel tipe K yang dikendalikan oleh mikrokontroler AT89S51. Termokopel tipe K merupakan sensor yang bekerja berdasarkan perubahan panas dan mengalami gradiasi suhu serta perubahan tegangan. Perubahan tegangan akan dibaca oleh penguat dan dikirim ke ADC 0804 kemudian diinputkan ke mikrokontroler AT89S51 melalui port 2. Pada mikrokontroler, perubahan tegangan ini selain dikondisikan sebagai tegangan juga dikondisikan sebagai temperatur. Keluaran dari mikrokontroler AT89S51 dikirim ke PC melalui port 3 untuk 7
dapat diproses sebagai data temperatur dan tegangan. Untuk menampilkan data temperatur dan tegangan pada PC digunakan program Visual Basic 6 8 3.3 Pembuatan Software Perangkat lunak sangat diperlukan dalam menunjang kemampuan mikrokontroler dalam mengendalikan perancangan pencatatan otomatis temperatur. Perangkat lunak yang digunakan dalam mikrokontroler adalah bahasa assembler. Diagram alir dari perancangan pencatatan otomatis temperatur menggunakan termokopel ditunjukkan dalam Gambar 3.2 Gambar 3.2 Diagram Alir Perangkat Lunak pada Mikrokontroler AT89S51
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Kalibrasi Sensor Temperatur Adanya perubahan temperatur menyebabkan perubahan tegangan. Sebelum dilakukan pengambilan data, sebagai langkah awal dari penelitian ini dilakukan kalibrasi untuk menguji sensor temperatur dengan menggunakan es untuk menetapkan titik bawah 0 C dengan menggunakan referensi termometer digital. Langkah-langkah kalibrasi adalah sebagai berikut : 1. Letakkan es dalam heater, lalu ujung termometer digital dan sensor termokopel diletakkan dalam heater. 2. Setelah semua siap maka rangkaian dihubungkan dengan sumber tegangan. 3. Temperatur yang ditampilkan oleh termometer digital dan Personal Computer dicatat. 4. Setelah didapatkan data kalibrasi maka dibuat grafik hubungan antara temperatur yang ditampilkan oleh termometer digital dengan temperatur yang ditampilkan oleh Personal Computer. Dari data yang diperoleh dibuat grafik hubungan antara kedua besaran dengan menggunakan persamaan regresi linier yaitu : y = ax + b (4.1) dengan : y = tampilan suhu sensor pada Personal Computer ( C) x = suhu termometer ( C) maka a dan b dapat dicari dengan menggunakan persamaan regresi linier menurut persamaan (4.2) Linieritas dari sensor dapat dicari dengan menggunakan persamaan 4.4 (4.3) (4.4) 9
10 Dari data hasil kalibrasi dengan menggunakan persamaan 4.2 dan 4.3 maka diperoleh konstanta a dan b sebagai berikut : a = 0,197 b = 5,393 sehingga persamaan garis lurusnya menjadi : y = 0,197x + 5,393 dengan tampilan grafik sebagai berikut : Gambar 4.1. Grafik Perbandingan Temperatur pada Termometer dan Sensor Termokopel Sedangkan untuk nilai linieritas sensor adalah y maks 0,7785 y maks 18,395 y min 5,4127 0,7885 linieritas x100% 18,395 5,4127 0,0607x100% 6,07%
11 Berdasarkan perhitungan linieritas sensor diperoleh nilai linieritas yang cukup besar yaitu 6,07%. Dengan nilai linieritas dibawah 10% menunjukkan bahwa sensor termokopel dengan temometer digital hampir linier. 4.2. Pengambilan Data Setelah sensor dikalibrasi, lalu dilakukan pengambilan pencatatan temperatur. Sensor termokopel berfungsi untuk mengubah temperatur menjadi tegangan yang merupakan data analog. Rangkaian ADC diperlukan untuk mengubah keluaran sensor termokopel yang berupa data analog menjadi data digital. Data yang diinputkan pada ADC 0804 yaitu berupa tegangan analog yang dikuatkan oleh penguat instrumentasi. Data analog ini diubah menjadi data digital oleh ADC dan diinputkan ke mikrokontroler melalui port 2. Setelah diproses oleh mikrokontroler AT89S51 maka data ini ditampilkan pada PC berupa suhu dan tegangan dengan menggunakan program Visual Basic. 4.3. Analisis Data Karena temperatur dinyatakan dalam bentuk tegangan listrik, maka dicari hubungan antara kedua besaran tersebut merupakan hubungan polynomial sesuai dengan grafik berikut : Gambar 4.2. Grafik Hubungan antara Temperatur dan Tegangan
12 Berdasarkan grafik diatas besarnya perubahan suhu dengan tegangan menunjukkan hubungan yang hampir linier, karena besarnya kenaikan temperatur hampir sama dengan kenaikan tegangan.
BAB V KESIMPULAN 5.1 Kesimpulan Kesimpulan yang dapat diambil dalam penelitian yang telah dilakukan adalah hasil pengukuran dengan menggunakan temperatur otomatis menggunakan termokopel tipe K memiliki range pengukuran 0 C-66 C dengan linieritas sensor sebesar 6,07%.. Sensor termokpel dapat digunakan sebagai alat pencatat temperature otomatis dengan bantuan penguat intrumentasi, 13
DAFTAR PUSTAKA Arifin, Jaenal. 2009. Sistem Akuisisi Data Suhu Menggunakan Mikrokntroler AT89S51. Semarang : Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro. Blocher, Richard. 2003. Dasar Elektronika. Yogyakarta : Andi Budiharto, Widodo. 2005. Perancangan Sistem dan Aplikasi Mikrokontroler. Jakarta : Gramedia. Muhsin, Muhammad. 2004. Elektronika Digital. Yogyakarta : Andi Resia. 1997. Sistem Pencatat Temperatur Otomatis Menggunakan Komputer Pribadi. Badung : Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Udayana. Sari, Kartika Sekar. 2005. Perancangan Sistem Elektronika. Jakarta : UMB. www.wfunda.com/designstandards/sensors/thermocouples/thmeple_intro.cfm. [diakses tanggal 21 Mei 2009 ]. 14