BAB III PERANCANGAN ALAT 3.1. Tujuan Desain Tahapan terpenting adalah proses desain yang baik dan sistematis akan memberikan kemudahan dalam proses penyelesaian sebuah sistem yang diingnkan. Untuk itu diperlukan faktor penunjang seperti Jurnal/ buku referensi yang dapat mendukung dalam proses desain. Desain pengendali suhu ruangan ini mempunyai tujuan yaitu untuk mendapatkan suatu sistem yang stabil, efektif, dan yang optimal seperti yang diharapkan, dengan mempertimbangkan karakteristik karakteristik baik hardware maupun softwarenya. Selain itu dengan adanya perencanaan ini dapat dilaksanakan secara sistematis dan saling berkaitan sehingga mempermudah dalam proses pengetesan dan tujuan khususnya yaitu memperoleh respon FCL berdasarkan sistem/plan yang dikehendaki. 3.2. Langkah Desain Dalam proses Desain ini terbagi menjadi dalam 3 langkah antara lain : Desain Hardware Pada proses desain hardware ini terdiri dari 2 bagian yaitu : 1. Mekanik 2. Elektronik Desain Software Pada Proses desain software ini terdapat 2 bagian: 1. Flowchart 2. Fuzzy Logic Controller 3.3. Spesifikasi Plant Kendali Suhu 1. Plant kendali suhu ini menggunakan sebuah sumber tegangan berupa power supply 12 V/30A yang nantinya dibagi untuk Fan, lampu pijar 37
sebagai indikasi mesin menyalah serta sumber panas dan supply rangkaian sensor dan kontrol 2. Design utama Plant keseluruhan terbuat dari bahan akrilik 5mm, yang dapat bertahan pada suhu max 80 o C 3. Pengendali utama menggunakan Arduino Mega 2560 4. Software untuk pemograman Arduino Mega 2560 meggunakan software Arduino IDE dengan menggunakan bahasa C. 5. Plant ini menggunakan 5 buah lampu pijar 12v/18watt dan 1 Unit Fan High Speed Head Remover. 6. Menggunakan Build-In PWM sebagai pengendali kecepatan Fan dan ditambahkan Rotary Encoder Arduino Modul sebagai pembaca putaran 7. Sensor yang digunakan adalah DHT 11, sensor inidapat membaca Temperatur dan tekanan yang berdasakan perubahan nilai resistif terhadap kondisi yang diterima sensor. 8. Ukuran dimensi Ruang Simulasi tidak lebih dari: Panjang : 20 cm Lebar Tinggi : 40 cm : 20 cm 3.4. Desain Ruang Simulasi Berikut merupakan sketch Simulasi plant yang dirancang tampak depan: Gambar 3.1. Simulasi Ruang tampak dari depan dan belakang 38
Gambar 3.2. Simulasi Ruang tampak dari samping 3.5. Desain Sistem Elektronik Rangkaian keseluruhan sistem dari Simulasi Plant dapat dibagi menjadi 4 bagian utama yaitu: bagian sistem sistem supply, bagian sistem mikrokontroler, bagian input dan bagian output. Bagian sistem supply merupakan input power untuk keseluran Simulasi Plant, input power disini merupakan tegangan dari Power Supply 12 VDC / 30A. Kemudian, supply tegangan di bagi 2 bagian, yang pertama untuk supply Kipas/Fan dan Lampu Pijar sebagai inidkasi status mesin yang dapat menghasilkan panas, yang mana supplynya membutuhkan 12 VDC, sedangkan untuk kontrol dan sensor menggunakan tegangan 5VDC yang dihasilkan dari Modul Step down tegangan 5Volt. Bagian sistem mikrokontroler merupakan bagian dimana input dari sensor dan switch akan diproses sesuai program yang digunakan dan kemudian diteruskan ke bagian output. Bagian input terdiri dari sensor DHT 11 sebagai sensor suhu, Hall Sensor sebagai pembaca putaran kipas, dan togel switch yang mana berupa switch yang mengatifkan lampu serta sebagai indikasi mesin aktif. Dari sensor 39
tersebut merupakan dasar penentu output yang mana dikendalikan dengan Arduino Mega 2580 yang menggunakan Algoritma Fuzzy Logic. Bagian output terdiri dari sebuah LCD 16x4 untuk menampilkan hasil dari pembacaan tiap sensor, dan Output dari karkulasi fuzzy akan menghasilkan nilai pulse yang sesuai dengan perhitungan dan kemudian akan salurkan ke kipas sehingga mengahasilkan putaran yang sesuai dengan perhitungan, Untuk lebih jelasnya bisa dilihat pada diagram blok sistem Ruang Simulasi seperti berikut: Gambar 3.3. Hardware Block Diagram Fungsi masing-masing block diatas adalah sebagai berikut: a. Sistem power suplay merupakan sumber utama kelistrikan dalam sistem ini. b. Sensor Suhu merupakan salah satu Input dari sistem ini, menggunakan sensor DHT 11 sebagai pembacaan suhu pada plan simulasi. c. Modul Toggel Switch, merupakan salah satu Input yang berfungsi untuk mengindikasikan aktif/tidaknya kondisi mesin dan berfungsi ganda sebagai saklar pengaktif lampu pijar yang berfungsi untuk memanaskan ruangan simulasi. d. Arduino Mega 2560, Merupakan pusat kendali yang berfungsi mengelola data dari tiap input yang kemudian akan dikarkulasikan sebagai nilai keluaran untuk mengendalikan Output 40
e. Rangkaian Pulse Width Modulation dan Hall Effect Sensor sudah tersedia/ Build-in dari Fan Nidec series VA450DC, yang berfungsi untuk mengatur kecepatan sesuai dengan lebar pulsa yang diberikan, dan Hall Sensor yang berfungsi sebagai pembaca kecepatan putaran motor. f. LCD 16x4 berfungsi Untuk menampilkan status mesin yang aktif, jumlah suhu yang terdeteksi,dan jumlah putaran kipas yang dihasilkan dari sistem ini. 3.5.1. Rangkaian Power Supply Pada perancangan sistem ini supply listrik mengunakan modul power supply dengan spesifikasi 12V/30A yang digunakan sebagai sumber listrik untuk keseluruan sistem ini. Power Supaly 12v/30A dari XP Power dapat diatur penggunaan nya dari 5vdc sampai dengan 12vdc. Power supply ini memang dirancang untuk pengguaan power supply CCTV sehingga dirancang untuk mengeluarkan output tegangan yang secara stabil. Berikut adalah rangkaian keseluruhan power supply yang di ambil dari Technical Sheet XP Power: Gambar 3.4. Rangkaian Power Supply 3.5.2. Rangkaian Sensor Suhu Penggunaan sensor suhu pada simulasi ini untuk memastikan bahwa suhu yang didalam ruang simulasi berada pada tahap normal, sensor suhu yang digunakan pada simulasi ini menggunakan sensor DHT 11 yang dapat membaca suhu serta kelembaban udara dengan cepat. Pada simulasi ini hanya parameter suhu yang digunakan, nilai yang terbaca oleh sensor akan diolah Arduino sebagai 41
pemroses kemudian hasil dari pembacaan akan di tampilkan pada LCD dan hasil pembacaan suhu akan dijadikan sebagai input dari metode fuzzy logic untuk mennyesuaikan ouput yaitu putaran kipas. Berikut adalah rangkaian sensor DHT 11 dengan komponen kendalu yaitu Arduino Mega 2560. Gambar 3.5. Rangkaian Sensor Suhu Pin yang digunakan untuk pembacaan output sensor suhu yaitu Pin 2 atau Port PWM/INT04. Pin Interrupt digunakan sebagai pembacaa output sensor DHT 11 karena karakteristik pin ini dapat membaca perubahan nilai dengan cepat. 3.5.3. Rangkaian Input Toggel Switch Rangkaian ini merupakan rangkaian yang terdiri dari 10 deret Toggel Switch yang direpresentatifkan sebagai suatu indikasi keadaan aktif tidaknya suatu mesin diruangan produksi, Toggel Switch apabila aktif akan memberi nilai inputan pada Arduini (Controller) dan menghidupkan lampu pijar sebagai indikasi panas yang dihasilkan apabila mesin di suatu ruang produksi menyalah.berikut adalah rangkaian Toggel Switch sebagai komponen input. Dengan mengunakan Pin Digital dari 30 hiingga pin 48 Gambar 3.6. Rangkaian Input Toggel Switch 42
3.5.4. Rangkaian PWM Fan dan Hall Effect Sensor Penggunaan Hall Effect Sensor yaitu bertujuan sebagai pembaca kecepatan putaran kipas dalam skala Rotasi Per Menit yang akan ditampilkan pada LCD Display. Sensor ini sudah tersedia didalam rangkaian kipas berserta rangkaian pengatur kecepatan putaran kipas dengan menggunakan metode Pulse Width Modulation. Sehingga untuk mengendalikan serta membaca putaran kipas untuk jenis Nidce VA450DC tidak diperlukan penambahan komponen. Jadi untuk mengendalikan kecepatan putaran kipas controller cukup dengan memberikan lebar pulsa yang diperlukan yang nanti akan di representatifkan sebagai perubahan kecepatan, dan jika ingin memonitor kecepatan kipas tersebut hanya dengan menghubungkan output Hall Effect Sensor pada bagian input controller. Sehingga hasil pembacaan sensor dapat dikalkulasikan oleh program sehingga menampilkan nilai dalam satuan rpm. Dengan konfigurasi Pin 19 (INT)2 untuk pembacaan output sensor dan Pin 13 (PWM/OCR0A) untuk output pulsa yang dihasilkan controller untuk penyesuaian putaran kipas terhadap perubhan nilai input. Gambar 3.7. Rangkaian PWM Fan dan Hall Effect Sensor 43
3.5.5. Rangkaian LCD Display LCD yang digunakan dalam pembuatan Simulasi ini adalah LCD 20x4 karakter dengan tambahan Module I2C Converter. Penggunaan Module I2C Converter bertujuan untuk menghemat jumlah pin yang digunakan untuk menghubungkan LCD dengan Arduino Nano. Koneksi LCD dan Arduino Mega dapat dilihat pada Gambar 3.8. Gambar 3.8. Rangkaian LCD Pada umumnya LCD dihubungkan secara paralel ke Arduino dan dapat langsung di program tanpa perlu library tambahan. Namun karena pada proyek Tugas Akhir ini menggunakan Module I2C Converter untuk LCD agar dapat dihubungkan secara Serial, maka dibutuhkan library tambahan agar LCD dapat bekerja. Library tambahan yang diperlukan adalah <LiquidCrystal_I2C.h> yang harus di deklarasikan diawal program. Selain itu library tambahan tersebut memerlukan inialisasi alamat I2C dari LCD, inialisasi alamat LCD yang dipakai dalam Alat ini adalah 44
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3f, 20, 4); dimana 0x3F adalah alamat I2C dari LCD, sedangkan 20, 4 adalah ukuran display LCD yang digunakan. 3.5.6. Perancangan Rangkaian Keseluruhan Sistem Ardunio adalah pusat pemeroses dari sistem simulasi ini. Masukan yang datang akan diproses pada Arduino dan Arduino akan memberikan perintah pada keluaran untuk melakukan instruksi yang diberikan. Arduino yang digunakan adalah jenis Arduino Mega 2560 R3. Komponen lain yang mendukung juga harus dihubungkan sehingga terbentuk suatu minimum sistem. Sebelum dirancang sistem minimum, haruslah dibuat map input dan output dari mikrokontroller agar mempermudah dalam proses perancangan baik hardware dan softwarenya. Dan berikut ini konfigurasi pin input dan output dari Arduino. Gambar 3.9. Rangkaian Elektronika Keseluruhan sistem 45
Tabel. 3.1 Pin Konfigurasi Kesesluran Sistem PORT Name Pin Function Pin Connection 2 PE4 (OC3B/INT4) Digital pin 2 (PWM/INT4) Input DHT 13 PB7 (OC0A/PCINT7) Digital pin 13 (PWM) Output PWM 19 PD2 (RXDI/INT2) Digital pin 19 (RX1) Input Hall Sensor 20 PD1 (SCL/INT1) Digital pin 20 (SDA) Output I2C LCD 21 PD0 (SDA/INT0) Digital pin 21 (SCL) Output I2C LCD 30 PC7(A15) Additional Pin Input Mesin 1 32 PC(13) Additional Pin Input Mesin 2 34 PC(A11) Additional Pin Input Mesin 3 36 PC1(A9) Additional Pin Input Mesin 4 38 PD7(T0) Additional Pin Input Mesin 5 40 PG1(/RD) Additional Pin Input Mesin 6 42 PL7 Additional Pin Input Mesin 7 44 PL5(OC5C) Additional Pin Input Mesin 8 46 PL3(OC5A) Additional Pin Input Mesin 9 48 PL1(ICP5) Additional Pin Input Mesin 10 Berdasarkan Tabel 3.1 merupakan konfigurasi keseluruan sistem simulasi kendali suhu, mulai dari pembacaan suhu dengan meggunakan sensor Suhu DHT 11, kemudian dikarkulasikan lagi dengan toggel switch yang mengindikasikan status aktivasi mesin lalu Arduino Mega 2560 sebagai bagian usat pemroses akan mengolah input yang diterima kemudian membandingkan antara input yang diterima dengan algoritma fuzzy guna menesuaikan output yang berupa nilai PWM untuk mengatur kecepatan putaran sehingga dapat megurangi energi panas dalam sistem simulasi ini, Hall Effect Sensor berguna untuk membaca kecepatan putaran yang dihasilkan oleh kipas berdasarkan jumlah PWM yang diterimanya dan LCD Display 16 x4 berguna untuk menampilkan semua parameter sisetm mulai 46
dari jumlah status aktivasi mesin, jumlah suhu yang terbaca dan jumlah putaran yang dihasilkan real time. 3.6. Desian Perancangan Perangkat Lunak Setelah membuat perencanaan dan pembuatan perancangan mekanik dan perancagan elektronik selesai, selanjutnya dalam pembuatan sistem simulasi ini adalah perancangan dan pembuatan software atau perangkat lunak yang berfungsi untuk menjalan kan sistem sehingga sistem simulasi ini dapat berfungsi dengan semestinya secara otomatis. Perancangan software merupakan proses perancangan dan pembuatan program yang nantinya akan selalu dijalankan ketika control unit atau Arduino di aktifkan, program ini nantinya akan menjadi rutin yang akan selalu dijalankan ketika Arduino dikatifkan dan tentunya didukung junga aktifnya komponeninput dan output. Sebelum membuat program ada beberapa tahapan perencanaan yang harus dibuat agar mempermudah perancangan algoritma pemrograman. Perancagan ini terdiri dari beberapa langkah yaitu, Flow Chart dan Desain Fuzzy. Desain fuzzy terdiri dari beberapa perancangan yaitu,penalaran sesnor,membership fuzzy dan rule fuzzy. 3.6.1. Flow Chart Untuk mempermudah proses penulisan pemerograman untuk sistem simulasi kendali suhu ini ada baiknya untuk membuat alur tahapann kerja sistem sebelum memulai penulisan pemrograman agar memudahkan penulisan program dan juga untuk memudahkan analisa apabila terjadi suatu masalah pada pada sistem simulasi ini. Berikut adalah Flow Chart atau Diagram Alir dari sistem simulai kendali suhu ini: 47
MULAI ` Initial Hardware J1 Fuzzyfikasi Main Program Fuzzy Inference Baca serta Olah Sensor dan Jumlah Status mesin Defuzzyfikasi Sensor Error NO Sensor Terbaca? dan Jumlah status mesin Terbaca? Output Putaran Kipas YA J1 Gambar 3.10. Flow Chart Sistem Simulasi Kendali Suhu Pada diagram alir diatas menjelaskan bangaimana sistem ini dapat berkerja mulai dari sistem diaktifkan, Pertama kali sistem diaktifkan, controller akan segera melalukan inisialisasi hardware, seperti perangat input yakni sensor dan switch setatus aktifasi mesin serta perangkat output yaitu dengan inisialisasi PWM dan LCD Dispaly, setelah semua perangkat sudah terinisialisasi maka controller akan menampikan semua data yang terbaca dari prangkat input pada LCD Display. Kemudian dari keseluruan perangkat sensor akan membaca kondisi yang diterimanya seperti, mendeteksi suhu didalam ruang simulasi, mendeteksi jumlah aktifasi mesin, mendeteksi jumlah 48
puratan kipas, setelah itu data dari setiap penalaran sesnsor akan menjadi nilai parameter input untuk Arduino sehingga nilai parameter dapat ditampikan pada LCD display. Apabila nilai pembacaan dari setiap pembacaan sensor tidak terbaca maka akan menapilkan informasi error pada LCD Dispalay yang mengindikasikan sensor tersebut bermasalah. Apabila tidak terjadi permasalahan maka akan lanjut pada tahapan berikutnya, yaitu pengolahan nilai parameter input. Dari semua data parameter input yang diterima oleh Controller akan di karkulasikan mengguankan metode fuzzy sehingga dapat menghasilkan outpuy yang sesuai dengan kondisi yang tejadi pada sistem simulasi ini, Output yang dikeluarkan oleh controller yaitu berupa nilai PWM dengan jangkawan antara 0 sampai dengan 255 pulse/detik, jumlah PWM yang dikeluarkan akan menentukan jumlah putaran yang dihasilkan, yang berguna untuk mengurangi suhu panas di dalam ruang simulasi ini. Setelah peroses pengolahan data parameter input yang kemudian akan menghasilkan jumlah putaran pada kipas, maka setelah proses terebut akan kembali pada tahapan penalaran sensor, sehingga program ini akan terus mengulang kembali. 3.6.2. Desain Fuzzy Logic Controller Berikut merupakan fuzzy logic controller blok diagram dari Sistem Simulasi ini: Gambar 3.11. Fuzzy Logic Controller Block Diagram 49
Pada awal Sistem simulasi ini aktif, setiap perangkat input akan membaca kondisi penalaran yang sesuai dengan peranan masing masing seperti membaca kondisi suhu yang berada pada ruang simulasi, serta switch yang mengindikasikan status aktifasi mesin akan memberi nilai apabila mesin ada yang diaktifkan. Inilah yang akan menjadi nilai input fuzzy logic controller. Input fuzzy terdiri dari Nilai Suhu yang terbaca dan Indikasi jumlah mesin yang sedang aktif, Pada proses fuzzy ada tiga tahapan proses yaitu: fuzzifikasi, fuzzy inferensi dan defuzzifikasi. Output dari defuzzifikasi akan di kalikan dengan konstanta gain, hal ini bertujuan untuk mempercepat proses kalkulasi fuzzy. Output dari gain akan disesuaikan dengan nilai maksimal PWM untuk menghasilkan PWM yang sesuai dengan keadaan didalam ruang simulaisi. A. Membership Fuzzy Variable yang digunakan pada sistem simulasi ini untuk kalkulasi fuzzy ada 3 yaitu, Jumlah Suhu, Jumlah Mesin Aktif, dan output kecepatan putaran kipas. Masing-masing variable tersebut mempunyai 3 membership fuzzy. Jumlah Suhu mempunyai membership Dining, Sedang dan Panas. Begitu juga Jumlah Mesin Aktif mempunyai membership Sedikit, Sedang dan Banyak. Sedangkan Output mempunyai 4 membership yaitu Sangat Pelan, Pelan, Sedang, dan Cepat. Untuk lebih jelasnya berikut merupakan grafik membership dari masing-masing variable. Gambar 3.12 Grafik Membership Variable Suhu 50
Gambar 3.13 Grafik Membership Variable Status Mesin Untuk membership Variable Status Mesin yaitu 0-5 unit termasuk kedalam variable sedikit, sedang antara 3-8 unit dan banyak antar 5 10 unit. Gambar 3.14 Grafik Membership Variable Output PWM Untuk membership Output PWM dengan membatasi range 0 antar 120 yang mana merepresentatifkan nilai PWM dari 0-255. Ada 4 kondisi kecepatan yang dikehendaki yaitu sangat pelan, pelan, sedang dan cepat. B. Rule Fuzzy Rule Fuzzy yang dipakai pada Sistem Simulasi ini adalah rule 3x3 yang mana variable yang dipakai adalah Suhu dan Jumlah Aktifasi Mesin. Berikut merupakan tabel rule 3x3: 51
Tabel 3.2-3x3 Rule Fuzzy SUHU D N PS Jml Mesin SK SP PL SDG SD SP PL SDG BN PL SDG CPT Keterangan: - D : Dingin - SK: Sedikit - SP: Sangat Pelan - N : Normal - SD: Sedang - PL: Pelan - PS : Panas - BN: Banyak - SDG: Sedang - CPT : Cepat Dari tabel aturan diatas maka rule fuzzy adalah sebagai berikut: - Jika Suhu adalah Dingin dan Jumlah Mesin adalah Sedikit maka Output Sangat Pelan - Jika Suhu adalah Dingin dan Jumlah Mesin adalah Sedang maka Output Sangat Pelan - Jika Suhu adalah Dingin dan Jumlah Mesin adalah Banyak maka Output Pelan - Jika Suhu adalah Normal dan Jumlah Mesin adalah Sedikit maka Output Pelan - Jika Suhu adalah Normal dan Jumlah Mesin adalah Sedang maka Output Pelan - Jika Suhu adalah Normal dan Jumlah Mesin adalah Banyak maka Output Sedang - Jika Suhu adalah Panas dan Jumlah Mesin adalah Sedikit maka Output Sedang - Jika Suhu adalah Panas dan Jumlah Mesin adalah Sedang maka Output Sedang - Jika Suhu adalah Panas dan Jumlah Mesin adalah Banyak maka Output Cepat 52