RANCANG BANGUN SISTEM PENGENDALIAN LEVEL PADA MINI_MIKROHIDRO SKALA LABORATORIUM DI WORKSHOP INSTRUMENTASI BERTA DINA ULINNUHA NRP 2409.030.043 Dosen Pembimbing : Dr.Bamabng Lelono W, ST, MT Program Studi D3 Teknik Instrumentasi Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2012 Abstrak Mikrohidro atau yang dimaksud dengan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH), adalah suatu pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai tenaga penggeraknya seperti, saluran irigasi, sungai atau air terjun alam dengan cara memanfaatkan tinggi terjunan (head) dan jumlah debit air [1].Pada perancangan alat ini aliran dianggap laminar sehingga debit air tidak diperhitungkan. Pengendalian level pada mini-mikrohidro skala laboratorium di Workshop Instrumentasi dilakukan dengan sistem pengendalian otomatis dengan menggunakan mikrokontroller ATmega 8535 bermode on/off sebagai kontrollernya yaitu dengan set point 80 cm, ketika mencapai set point maka pompa akan mati dengan sensor ultrasonic sebagai pendeteksi ketinggian air. Sensor ini bekerja dengan gelombang bunyi. Dari pembacaan sensor ultrasonik deketahui ketidak pastian alat sebesar UA1 = 0.0735 dan UA2 = 0.868745 Kata kunci : Mikrohidro, Sensor ultrasonik, mikrokontroller AT mega 8535,set point BAB I PENDAHULUAN I.I LatarBelakang Mikrohidro atau yang dimaksud dengan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH), adalah suatu pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai tenaga penggeraknya seperti, saluran irigasi, sungai atau air terjun alam dengan cara memanfaatkan tinggi terjunan (head) dan jumlah debit air [1]. Secara teknis, mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sebagai sumber energi), turbin dan generator. Mikrohidro mendapatkan energi dari aliran air yang memiliki perbedaan ketinggian tertentu. Pembuatan mini-mikrohidro skala laboraturium di Workshop Intrumentasi merupkan perwujudan dari plant mikrohidro yang sebenarnya. Pengendalian level pada mini-mikrohidro skala laboratorium di Workshop Instrumentasi dilakukan untuk membuat suatu replica pada bendungan air (penampung) pada rancang bangun yang sebenarnya. Oleh sebab itu akan dirancang sistem pengendalian otomatis dengan menggunakan
mikrokontroller ATmega 8535 bermode on/off sebagai kontrollernya dan menggunakan sensor ultrasonic sebagai pendeteksi ketinggian air. Pengendalian level ini akan terjadi jika air berada pada posisi level yang sudah mencapai setpoint maka pompa akan otomatis mati dan air akan mengalir melalui saluran yang akan menyalurkan keturbin. I.2 Perumusan Masalahan Berdasarkan latar belakang diatas maka dapat dirumuskan permasalahan sebagai berikut yaitu bagaimana merancang sistem pengendalian level pada minimikrohidro skala laboratorium di Workshop Intrumentasi. I.3 Batasan Masalah Adapun batasan masalah yang diperhatikan adalah sebagai berikut : Plant yang dikendalikan adalah level dalam sebuah tandon (bendungan) air pada sebuah mini-mikrohidro. Kategori on/off akan bekerja jika level high maka akan mematikan pompa dan jika level low maka akan menghidupkan pompa. Variable Process yang dimonitor dan dikendalikan adalah level. Controller yang akan digunakan adalah Mikrokontroller ATMega 8535. Mode controller yang digunakan adalah mode ON- OFF. Pada bendungan dianggap aliran yang keluar dari tandon (bendungan) laminer. dianggap I.4 Tujuan Adapun tujuan yang ingin dicapai yaitu akan dirancang sistem pengendalian level pada minimikrohidro skala laboratorium di Workshop Intrumentasi. I.5 Manfaat Tugas Akhir Metode dan hasil penelitian tugas akhir ini dapat digunakan untuk membuat sistem yang dapat memonitoring level, dimana hasil dan pengendalian pada level dapat digunakan untuk menentukan setpoint pada mini-mikrohidro. I.6 Metodologi Penelitian Metodologi yang dilakukan dalam pelaksanaan tugas akhir ini adalah: Studi Literatur. Meliputi pemahaman secara teoritis mengenai minimum system berbasis mikrokontroller ATMEGA 8535, sensor ultrasonic dan teori tentang system pengendalian level. Perencanaan dan Pembuatan Alat Merancang hardware alat, mulai dari perancangan mekanik, perancangan sensor, perancangan minimum system mikrokontroller ATmega 8535 yang dihubungkan dengan LCD. Merancang software dengan menggunakan pemrograman bahasa C. Perencanaan dan pembuatan controller dengan menggunakan mikrokontroller ATmega 8535 Pengujian dan Analisa Data Meliputi pengujian hardware dan pengujian software dengan cara
mengoperasikan hardware dan software tersebut yang hasilnya sesuai dengan perencanaan pembuatan alat. 1.7 Sistematika Laporan Penulisan laporan dalam tugas akhir ini diuraikan dalam lima bab yaitu Bab I Pendahuluan, berisi tentang latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan, manfaat tugas akhir, metodologi penelitian dan sistematika laporan dari tugas akhir. Bab II Dasar teori yang berisikan teori punjang untuk menyelesaikan tugas akhir ini. Bab III Perancangan dan pembuatan alat yang berisikan blok diagram perancangan alat, prinsip kerja, pembuatan perangkat keras dan perancangan program. Bab IV Pengujian alat dan analisa data. Bab V Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran. Laporan ini dilengkapi dengan Daftar Pustaka dan Lampiran BAB II PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT 3.1 Perancangan Alat Blok diagram pereancangan alat Gambar 3.1 Blok Diagram Perancangan Alat Bab ini menjelaskan mengenai perancangan dan pembuatan alat yang meliputi penentuan komponen yang digunakan, perancangan dan pembuatan perangkat keras (hardware), serta perancangan dan pembuatan perangkat lunak (software). Dimana hardware terdiri dari komponen-komponen elektronika, yaitu : Power Supply, rangkaian minimum sistem AT Mega 8535, Solenoid Valve, LCD (Liquid Crystal Display) dan sensor ultrasonic. Blok Diagram Sistem Pengendalian Alat Gambar 3.2 Blok Diagram Sistem Pengendalian Alat Gambar 3.2 di atas adalah gambar blok diagram sistem pengendalian level pada tangki pengolahan air. Yang terdiri Mikrokontroller AT Mega 8535 sebagai controller bermode on off. Pompa sebagai aktuator, tangki sebagai tempat pemrosesan dan sensor ultrasonik sebagai sensor atau transmitter. Air yang mengalir kedalam tangki ketinggiannya akan dideteksi oleh sensor ultrasonik lalu sensor ulltrasonik akan mengirimkan data ke mikrokontroer dan diolah kembali oleh mikrokontroller lalu mikrokontroller akan mengirimkan data dan menampilkannya ke LCD.
Untuk menyalakan atau mematikan pompa dsini digunakan set point sebesar 20 cm untuk menyalakn pompa atau kondisi high,ketika air yang mengalir sudah mencapai set point sebesar 20 cm maka pompa akan menyala dan menyedot air lalu menyalurkannya ke pemrosesan berikutnya. Begitu juga sebaliknya pompa akan mati ketika pada posisi low sebesar 0 cm. 3.2 Perancangan Perangkat Keras ( Hardware ) Perancangan perangkat keras untuk tugas akhir kali ini terdiri atas perancangan catu daya, rangkaian sensor, dan rangkaian minimum sistem. Sedangkan bentuk mekaniknya adalah sebagai berikut : Gambar 3.3 Mekanik Minimikrohidro 3.2.1 Perancangan Catu Daya Catu daya (power supply) merupakan sumber tenaga yang dibutuhkan suatu rangkaian elektronika untuk bekerja. Besar power supply ini tergantung oleh spesifikasi dari alat masing masing. Pada perancangan SPBU mandiri ini power supply digunakan untuk mensupply rangkaian minimum system, rangkaian sensor dan driver relay Pada rangkaian power supply pada umumnya kita sering menggunakan IC regulator dalam mengontrol tegangan yang kita inginkan. Regulator tegangan menjadi sangat penting gunanya apabila kita mengaplikasikan system power tersebut untuk rangkaian rangkaian yang membutuhkan tegangan yang sangat stabil. Misalkan untuk sistem digital, terutama untuk Minimum system (Mikroprosesor atau Mikrokontroler) yang sangat membutuhkan tegangan dan arus yang sangat stabil. IC regulator yang umum digunakan untuk, mengontrol tegangan adalah IC keluarga 78XX. IC ini dapat mengontrol tegangan dengan baik. Keluaran tegangan yang diinginkan tinggal melihat tipe yang ada. Misalkan tipe 7805 dapat memberikan keluaran tegangan 5 Volt dengan toleransi +1, dengan arus keluaran maksimal 1500 ma. Rangkaian Tegangan 5 Volt Rangkaian ini merupakan aplikasi dari regulator tegangan IC 7805, yang dapat mengeluarkan tegangan 5 Volt Dc. Rangkaian ini dibangun dari beberapa komponen yakni, dioda 1N 4002 yang merupakan dioda yang dapat melewatkan arus maksimal 2 Ampere, selain itu dioda ini juga berfungsi untuk menjadikan sinyal AC sinusoidal yang melewatinya menjadi sinyal DC setengah gelombang. Gambar 3.4 Sistem Power 5 Volt [11] Kemudian selain itu dibangun oleh kapasitor yang berfungsi untuk memperhalus sinyal DC keluaran dari dioda. Setelah itu sinyal DC keluaran dari kapasitor akan di inputkan pada regulator 7805. Hasil keluaran dari IC 7805 adalah tegangan 5 Volt dengan
arus 1,5 A. Rangkaian ini nantinya akan digunakan untuk memberikan tegangan untuk rangkaian minimum system mikrokontroler, rangkaian serial dan rangkaian sensor. Rangkaian Tegangan 12 Volt Rangkaian ini merupakan aplikasi dari regulator tegangan IC 7809, yang dapat mengeluarkan tegangan 12 Volt Dc. Rangkaian ini dibangun dari beberapa komponen yakni, dioda 1N 4002 yang merupakan dioda yang dapat melewatkan arus maksimal 2 Ampere, selain itu dioda ini juga berfungsi untuk menjadikan sinyal AC sinusoidal yang melewatinya menjadi sinyal DC setengah gelombang. Kemudian selain itu dibangun oleh kapasitor yang berfungsi untuk memperhalus sinyal DC keluaran dari dioda. Setelah itu sinyal DC keluaran dari kapasitor akan di inputkan pada regulator 78012. Hasil keluaran dari IC 78012 adalah tegangan 12 Volt dengan arus 2,5 A. Rangkaian ini nantinya akan digunakan untuk memberikan tegangan untuk driver relay. Gambar 3.5 Sistem Power 12 Volt [11] 3.2.2 Rangkaian Sensor Ultrasonic Rangkaian ini berfungsi sebagai pendeteksi level air yang berada didalam miniplant pengolahan air atau water treatment, yang selanjutnya digunakan untuk mengirim data pada mikrokontroller yang selanjutnya akan di tampilkan melalui LCD ( Liquid Crystal Display ) sehingga akan nampak ketinggian air yang dideteksi oleh sensor Ultrasonik tersebut. Gambar 3.6 Pemancar Ultrasonik [4] Gambar 3.7 Penerima Ultrasonik [4] 3.2.3 Perancangan Rangkaian Mikrokontroller Atmega 8535 Dalam perancangan rangkain mikro ini, diperlukan beberapa komponen seperti yang ada pada gambar dibawah ini. Pada rangkaian dibawah mikrokontroller ini memiliki banyak fungsi dan mempunyai banyak rangkaian driver sebagai penyusun sensor. Sehingga device lain tidak memerlukan tambahan lagi.
Gambar 3.8 Rangakain Mikrokontroller AT Mega 8535 [16] Mikrokontroler ATMega 8535 mempunyai 4 buah port paralel dengan lebar data 8 bit, terdiri dari port A, port B, port C, dan port D yang berfungsi sebagai port masukan atau keluaran. Pada sistem tugas akhir ini, mikrokontroler mendapatkan inputan (masukan) dari rangkaian sensor suhu dan memberi keluaran yang ditampilkan pada LCD port yang di gunakan adalah port A.0 dan port A.1. sedangkan, port C untuk tampilan LCD atau sebagai keluaran. Untuk port D.2 dan port D3 di beri masukan ke driver relay. Sebagai pengendali yang utama dari sistem pengendalian level,mikrokontroller, ATMEGA 8535 juga memiliki In system programmable Flash on chip yang mengijinkan memori program untuk deprogram ulang dalam sistem menggunakan hubungan serial SPI. Sedangkan untuk mendownload program dari PC ke mikrokontroller menggunakan rangkaian downloader. Dari gambar rangkaian diatas mikrokontroller sudah dapat digunakan untuk melakukan proses yang diperlukan. Gambar 3.9 Rangkaian Downloader [16] 3.2.4 LCD LCD yang digunakan 2 baris x 16 kolom. LCD memiliki memori internal yang berisi definisi karakter sesuai dengan standar ASCII ( CGROM Character Generator ROM ) dan memori sementara (RAM) yang bisa digunakan bila memerlukan karakter khusus (berkapasitas 8 karakter). RAM ini juga berfungsi untuk menyimpan karakter yang ingin ditampilkan di LCD. Gambar dibawah merupakan rangkaian untuk display LCD 2x16 yang dikoneksikan dengan rangkaian minimum sistem mikrokontroler ATMega8535. Gambar 3.10 Rangkaian output panel LCD 2x16 [14] 3.3 Perancangan Software Perancangan software digunakan untuk mendukung kerja dari perangkat hardware. Perancangan software ini dibuat dengan menggunakan program
Atmega 8535 yaitu AVR. Serta penampilannya dalam LCD. 3.3.1 Perancangan AVR lewat tampilan LCD Dalam perancangan AVR Atmega 8535 ini menggunakan eagle terlebih dahulu untuk mencoba jalannya rangkain minimum system. Dan bentuk dari mikro seperti dibawah ini. Gambar 3. 11 Rangkaian Mikro Atmega 8535 [17] BAB III PENGUJIAN DAN ANALISA Pengujian dan analisa dilakukan terhadap alat yang sudah dibuat. Hal ini dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui performansi alat secara keseluruhan. Pengujian alat secara keseluruhan dilakukan pada perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software). 4.1 Pengujian Alat Seluruh komponen elektronika yang disusun dalam perancangan alat ini akan dilakukan pengujian, agar nantinya dapat diketahui keakuratan dan kepresisian masing-masing komponen. 4.1.1 Pengujian Sensor Ultrasonik Sensor ultrasonik ini digunakan untuk mengukur ketinggian atau level air yang berada dalam tangki. Pengujian sensor dilakukan guna mengetahui sensitifitas sensor. Pengujian dilakukan dengan memberi program pengaktifan sensor pada mikrokontroler kemudian sensor diletakkan pada bagian atas tandon dan dicatat nilai level yang didisplaykan pada LCD. Pengujian dilakukan sekaligus untuk mempertahankan level dari tandon air supaya ketinggian tetap terjaga pada level 80 cm. Penempatan meteran bertujuan sebagai pembanding dengan sensor ultrasonik sehingga akan diketahui error, akurasi dan presisi dari sensor ultrasonik yang ditunjukkan pada tabel 4.1. Tabel 4.1 Tabel Pengujian Sensor Ultrasonik pembacaan alat data ke - level(cm) 1 (cm) 2(cm) 3(cm) 4(cm) Ratarata(cm) 5 4.90 5.00 5.00 4.95 4.96 10 10.00 9.95 10.00 10.00 9.98 15 14.98 15.00 14.96 15.40 15.08 20 20.00 20.00 20.01 20.20 20.05 25 25.00 24.96 24.98 25.50 25.11 30 30.00 30.01 30.10 30.80 30.22 35 35.00 35.04 34.95 35.03 35.00 40 40.00 40.00 40.90 40.20 40.27 45 45.00 45.10 45.00 44.90 45.00 50 50.06 50.00 50.00 50.00 50.02 55 55.00 55.03 55.50 55.70 55.31 60 60.60 60.45 60.30 60.00 60.33 65 65.90 65.00 65.70 65.95 65.63 70 70.04 70.00 70.50 70.60 70.28 75 75.40 75.00 76.00 75.96 75.59 80 80.50 80.70 80.45 80.00 80.41
= = 0.147 Gambar 4.1 Grafik perbandingan level sebenarnya dengan level ratarata. Grafik 4.1 menjelaskan bahwa perbandingan level rata rata degan jarak sebenarnya berbanding lurus dengan perbandinga level ratarata, ini menunjukkan bahwa pembacaan ketinggian air yang dibaca oleh sensor ultrasonik memiliki eror yang kecil. Riak pada air akan sangat mempengaruhi pembacaan sensor karena jika air terlalu banyak riak maka akan timbul banyak sudut sehingga mempengaruhi pembacaan sensor. 4.2 Perhitungan Ketidakpastian Pembacaan Alat UA1 adalah perbandingan data pengukuran sensor dengan alat yang sebenarnya atau dengan standar, selanjutnya dari data tersebut akan ditemukan nilai rat-ratanya, standar deviasinya dan, atau repeabilitynya. Sedangkan UA2 adalah perbandingan nilai data yang satu dengan data yang selajutnya sehingga dapat dihitung nilai erroe dari data tersebut Tabel 4.2 Tabel Perhitungan standar deviasi level (cm) x x-ẋ (x-ẋ) 2 80.50 80.70 80.45 80 0.09 0,29 0,04-0,41 0.0081 0.0841 0.0016 0.1681 Tabel 4.3 Tabel Perhitungan SSR X y X² x.y Y reg Error Error² 4.96 0.04 24.60 0.198-0.7971 0.8371 0.7007 9.98 0.02 99.60 0.199-0.8321 0.8521 0.7261 15.08-0.08 227.40-1.206-0.8676 0.7876 0.6203 20.05-0.05 402.00-1.003-0.9021 0.8521 0.726 25.11-0.11 630.51-2.762-0.9736 0.8636 0.7458 30.22-0.22 913.25-6.648-0.9729 0.7529 0.5668 35.00 0.00 1225 0-1.006 1.006 1.0124 40.27-0.27 1621.67-10.873-1.0429 0.8229 0.6772 45.00 0.00 2025 0-1.0758 1.0758 1.1573 50.02-0.02 2502.00-1.000-1.1107 1.0907 1.1896 55.31-0.31 3059.20-17.146-1.1476 0.8376 0.7015 60.33-0.33 3639.71-19.908-1.1825 0.8525 0.7268 65.63-0.63 4307.30-41.346-1.2194 0.5894 0.3474 70.28-0.28 4939.28-19.678-1.2517 0.9717 0.9442 75.59-0.59 5713.85-44.598-1.2887 0.6987 0.4882 80.41-0.41 6465.77-32.968-1.3222 0.9122 0.8321 Ʃ=683.232 Ʃ= -3.248 Ʃ= 37796.64 Ʃ=-198.736 Ʃ=12.1624 a = y bx = -0,203 + (-0,00696. X ) = -0,203 + (-0,00696.80,41) = -0,7626 Y Reg = a + bx = -0,7626 + (-0,00696.x) Error = y-y reg x =80.41 = 0,0654
Setelah dilakukan perhitungan, maka didapatkan hasil nilai ketidakpastian dari keluaran sensor setelah diproses oleh mikrokonroler dan ditampilkan di LCD adalah : UA1 = 0.0735 UA2 = Dari hasil perhitungan ketidakpastian diatas dapat disimpulkan bahwa ketidak pastian alat yang pertama yang didapat dari perhitungan standar deviasi yang dibagi dengan akar dari jumlah pengambilan data dapat dilihat bahwa ketidak pastian alat yang pertama UA1 sebesar 0,0735 yang artinya cara kerja alat ini masih bagus dan mampu bekerja dengan error yang sedikit. Sedangkan UA2 yang didapat dari error kuadrat menghasilkan 0,868, perhitungan ketidak pastian alat yang ke dua juga sama menunjukkan bahwa alat masih bekerja dengan baik dan dengan error yang sedikit. BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN 4.1 Kesimpulan Dari tercapainya perancangan alat sistem pengendalian level menggunakan sensor ultrasonik pada tandon mini-mikrohidro skala laboratorium di workshop instrumentasi didapat kesimpulan sebagai berikut: 1. Sensor ultrasonik adalah sensor yang mengubah gelombang bunyi menjadi besaran listrik. Sensor ultrasonik ini mampu mendeteksi level dengan set point sebesar 20 cm dengan waktu 1,353x10-3 s. 2. Dari perhitungan ketidakpastian didapatkan nilai UA1 yaitu 0.0735 dan UA2 yaitu 0.868745. Hal ini menunjukkan bahwa sensor ultrasonik ini masih bekerja dengan baik dengan tingkat error yang sedikit. 3. Sistem pengendalian dari level ini adalah on/off ketika set poit mencapai 80 cm maka pompa akan mati dan pompa akan menyala ketika mencapai set point 0 cm. 4. Pada perancangan minimikrohidro ini keluaran dari generator sebenarnya adalah 5 volt dan kemudian di inverter menjadi sebesar 30 volt. 4.2 Saran Beberapa hal yang dapat dijadikan perhatian dalam melakukan penelitian pada miniplant ini adalah: 1. Kalibrasi sensor sebaiknya dilakukan secara mendalam karena error pada sensor akan sangat besar sekali jika sensor tidak dikalibrasi. DAFTAR PUSTAKA 1. Anonim. 2008. Manual Pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro. IBEKA-JICA. Jakarta. 2. http://xsensor232.blogspot.com/ 2011/05/sensor-ultrasonik.html (diakses tanggal 20 juni 2012) 3. http://farisseptiawan.blogspot.co m/2010/04/sensorultrasonik.html ( diakses tanggal 20 juni 2012) 4. http://bowocscomunity.blogspot.com/2012/04/sensor-ultrasonikping.html (diakses tanggal 20 juni 2012) 5. http://www.infogue.com/viewst ory/2010/03/01/sistem_penguku ran_dan_pengendalian/?url=http ://thathit.wordpress.com/2010/0 2/26/pengukuran-dan-
pengendalian/ (diakses tanggal 20 juni 2012) 6. http://amryagus.blogspot.com/2 011/04/sistem-kontrol.html (diakses tanggal 20 juni 2012) 7. http://genius.smpn1- mgl.sch.id/file.php/1/animasi /fisika/transformator/index.htm l ( diakses tanggal 20 juni 2012) 8. http://bajakoe.blogspot.com/200 9/02/rangkaian-diodapenyearah-tegangan.html (diakses tanggal 20 juni 2012) 9. http://januaranas.blogspot.com/2009/10/tuga s-dde-kapasitor.html (diakses tanggal 20 juni 2012) 10. http://www.infoservicetv.com/c ara-kerja-kapasitor.html ( diakses tanggal 20 juni 2012) 11. http://aryutomo.wordpress.com/ 2010/12/10/pengatur-teganganvoltage-regulator/ (diakses tanggal 20 juni 2012) 12. http://www.daishz.com/2009/01 /lcd-adalah.html (diakses tanggal 20 juni 2012) 13. http://artikelmikroku.blogspot.com/2009/05/ memprogram-lcd-2x16.html (diakses tanggal 20 juni 2012) 14. http://bekoy.wordpress.com/201 2/02/15/pemrograman-lcdkarakter-2x16-menggunakancv-avr/ (diakses tangaal 20 juni 2012) 15. http://etekno.blogspot.com/2011 /04/menampilkan-data-darimikrokontroler-ke.html (diakses tanggal 20 juni 2012) 16. http://duniaelektronika.blogspot. com/2007/09/mikrokontroleratmega8535.html (diakses tanggal 20 juni 2012) 17. http://insansainsprojects.wordpr ess.com/2007/12/31/microcontr oller-atmega8535gambar-8- block-diagramatmega8535beberapa-fituryang-dimiliki-oleh-avratmega8535-130-instruksi-8kbin-system-programmable-flash/ (diakses tanggal 20 juni 2012)