SKRIPSI DESAIN DAN IMPLEMENTASI KONTROL SIMULATOR MESIN HYBRID MENGGUNAKAN KONTROL PID (HARDWARE) Disusun Oleh: MUHAMMAD FADLI RAHMANI 201110130312129 JURUSAN ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG 2015 i
ii
iii
iv
KATA PENGANTAR Assalamu alaikum Wr. Wb. Syukur Alhamdulillah saya panjatkan kehadirat Allah SWT atas segala nikmat dan kesempatan yang telah dilimpahkan-nya sehingga dapat terselesaikannya skripsi ini. Dalam usaha membantu para mahasiswa untuk memenuhi persyaratan kelulusan, maka disusunlah skripsi ini yang berjudul DESAIN DAN IMPLEMENTASI KONTROL SIMULATOR MESIN HYBRID MENGGUNAKAN KONTROL PID (HARDWARE). Kehadiran skripsi ini kurang lebih akan mewujudkan tingkat pemahaman dan pengertian yang lebih bagi kalangan mahasiswa, khususnya Jurusan Elektro. Akhirnya semoga skripsi ini dapat bermanfaat tidak hanya bagi para mahasiswa Jurusan Elektro, tetapi juga kepada para mahasiswa lain yang ingin mengetahui dan belajar tentang skripsi ini lebih dalam. Selama proses pelaksanaan dan pengerjaan skripsi ini, penulis banyak menerima bimbingan, pengarahan, bantuan, dan motivasi dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada yang terhormat: 1. Kedua orang tua tercinta Bapak Abdullah Kurnain dan Ibu Juhairiah yang telah membesarkan, memelihara dan mendidik penulis selama ini serta kakak dan adik yang telah memberikan segala dukungan, nasihat baik dalam bantuan materi, bantuan langsung maupun do anya. 2. Bapak Ir. Diding Suhardi, MT. selaku dosen pembimbing I dan Ibu Dr. Ir. Lailis Syafa ah, MT selaku dosen pembimbing II yang terus memberi masukan dan dukungan dalam penyelesaian skripsi ini. 3. Bapak Ir. M. Irfan, MT selaku penguji I dan Bapak Ir. Nur Kasan, MT selaku penguji II yang telah banyak memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis. 4. Seluruh Bapak dan Ibu dosen di Jurusan Elektro atas ilmu yang telah diberikan selama penulis belajar di Universitas Muhammadiyah Malang. 5. Seluruh staf administrasi di lingkungan Jurusan Elektro, Fakultas Teknik, dan Universitas Muhammadiyah Malang. 6. Teman teman seperjuangan lenny farida, tata, ahmad dan iwan yang telah banyak membantu dalam proses penyelesaian skripsi ini. 7. Kepada semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu oleh penulis, terima kasih atas dukungan serta do anya, semoga Allah SWT membalas semua kebaikan kepada kalian semua. Aamiin Yaa Rabbal Alaamiin. v
Materi skripsi ini telah mengalami revisi dan pengujian simulasi. Sekalipun demikian tidak menutup kemungkinan ada beberapa bagian yang masih kurang terpenuhi kelengkapan dan kesempurnannya. Penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi pengembangan teknologi pada saat ini hingga teknologi yang akan datang, dan tidak lupa juga penulis sangat mengharapkan kritik dan saran dari pembaca yang sifatnya membangun guna kesempurnaan skripsi ini. Billahi fii sabililhaq, fastabiqul khairat... Wassalamu alaikum Wr. Wb. Malang, 2 Februari 2015 Penulis vi
DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL... i LEMBAR PERSETUJUAN... ii LEMBAR PENGESAHAN... iii LEMBAR PERNYATAAN... iv ABSTRAKSI... v ABSTRACT... vi KATA PENGANTAR... vii DAFTAR ISI... ix DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR TABEL... xv BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Rumusan Masalah... 2 1.3 Tujuan... 2 1.4 Pembatasan Masalah... 2 1.5 Metodologi... 3 1.6 Sistematika Penulisan... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 6 2.1 Mesin Motor Energi Konvensional (Motor Bakar)... 6 2.1.1 Motor Pembakaran Dalam... 6 2.1.2 Bagian-bagian Motor Bakar... 7 2.1.2.1 Bagian Kepala Silinder... 7 2.1.2.2 Bagian Blok Silinder... 8 2.1.2.3 Bagian Rumah Mesin... 8 2.1.2.4 Karburator... 9 2.1.3 Prinsip Kerja Motor 4 Tak (Four Stroke Engine)... 10 2.1.4 Over Laping... 14 2.2 Mesin Motor Energi Elektrik... 15 2.3 Mesin Motor Energy Hybrid... 16 vii
2.3.1 Hybrid Seri... 16 2.3.2 Cara Kerja Mobil Hybrid Paralel... 18 2.4 Motor DC (Direct Current)... 19 2.4.1 Prinsip Dasar Cara Kerja Motor... 21 2.4.2 Mengatur Kecepatan Motor DC... 24 2.4.2.1 Mengatur Kecepatan Pada Armature... 24 2.4.2.2 Mengatur Kecepatan Dengan Field... 26 2.5 Generator Sinkron 3 Phase... 28 2.5.1 Kecepatan Putar Generator Sinkron... 30 2.5.2 Alternator Tanpa Beban... 31 2.5.3 Alternator Berbeban... 31 2.5.4 Rangkaian Ekuivalen Generator Sinkron... 32 2.6 Sensor Suhu LM 35... 33 2.7 Photointerrupter... 33 2.8 Operational Amplifier (Op-Amp)... 35 2.8.1. Implementasi Penguat Operasional... 37 2.9 Transistor Bipolar (TIP41)... 38 2.10 Mikrokontroller ATmega16... 40 2.11 Program Memori... 42 2.12 SRAM Data Memori... 42 2.13 EEPROM Data Memori... 42 2.14 Interrupsi... 44 2.15 I/O Port... 44 2.16 Clear Timer on Compare Match (CTC)... 44 2.17 LCD (Liquid Crystal Display) M1632... 45 2.18 Kontrol Proportional Integral Derivative (PID)... 46 2.19 Penalaan Parameter Kontroler PID... 50 2.19.1 Metode Ziegler-Nichols... 51 2.19.1.1 Metode Kurva Reaksi... 51 BAB III PERANCANGAN SISTEM... 52 3.1 Sensor Rpm Mesin... 53 3.2 Sensor Tegangan Battery... 54 viii
3.3 Sensor Suhu... 56 3.4 Rangkaian Kontrol PID ( Minimum Sistem Mikrokontroller )... 57 3.5 Rangkaian DAC R-2R Ladder... 59 3.6 Rangkaian Driver Motor DC... 62 3.7 Rangkaian Driver Buzzer... 63 3.8 Rangkaian Display ( LCD 16 x 2 )... 64 BAB IV PENGUJIAN SISTEM... 66 4.1 Sensor Suhu LM35... 67 4.1.1 Hasil Pengujian Sensor LM35... 67 4.2 Sensor Rpm... 68 4.2.1 Hasil Pengujian Sensor Rpm... 68 4.3 Sensor Tegangan... 69 4.3.1 Hasil Pengujian Sensor Tegangan... 70 4.4 Rangkaian Driver... 70 4.4.1 Hasil Pengujian Rangkaian Driver... 71 4.5 Sistem Keseluruhan... 73 4.5.1 Hasil Pengujian Keseluruhan... 73 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 77 5.1 Kesimpulan... 77 5.2 Saran... 78 ix
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Motor pembakaran dalam... 6 Gambar 2.2 Kepala silinder 4 Tak... 7 Gambar 2.3 Blok silinder 4 Tak... 8 Gambar 2.4 Rumah Mesin... 8 Gambar 2.5 Proses langkah menghisap... 11 Gambar 2.6 Proses langkah kompresi... 12 Gambar 2.7 Proses langkah tenaga... 13 Gambar 2.8 Proses langkah gas buang... 14 Gambar 2.9 Proses over laping... 15 Gambar 2.10 Bagian-bagian motor elektrik... 16 Gamabr 2.11 Struktur diagram mobil hybrid... 17 Gambar 2.12 Diagram sederhana motor DC... 20 Gambar 2.13 Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor... 21 Gambar 2.14 Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor... 21 Gambar 2.15 Medan magnet mengelilingi konduktor dan di antara kutub... 22 Gambar 2.16 Reaksi garis fluks... 22 Gambar 2.17 Prinsip kerja motor DC... 23 Gambar 2.18 Pengaturan motor pada armature... 24 Gambar 2.19 Penempatan rheostat seri dengan armature... 26 Gambar 2.20 Penempatan rheostat seri dengan field... 27 Gambar 2.21 Rangkaian mekanik dalam generator... 30 Gambar 2.22 Rangkaian ekuivalen generator sinkron perphase... 32 Gambar 2.23 Deskripsi pin LM 35... 33 Gambar 2.24 Komponen dalam photointerrupter... 34 Gambar 2.25 Photointerrupter/optocoupler sebagai sensor... 34 Gambar 2.26 Penguat diferensial sederhana... 35 Gambar 2.27 Simbol sebuah operational amplifier... 36 Gambar 2.28 Op-amp sebagai penguat non-inverting... 37 Gambar 2.29 Op-amp sebagai penguat inverting... 38 Gambar 2.30 Pengendalian transistor sebagai penguat arus... 39 x
Gambar 2.31 Titik potong antara garis beban dan arus basis... 40 Gambar 2.32 Deskripsi pin ATmega16... 41 Gambar 2.33 Register-register pada EEPROM... 43 (a). Register EEAR ; (b). Register EEDR ; (c). Register EECR... 43 Gambar 2.34 Deskripsi pin pada LCD tipe M1632... 46 Gambar 2.35 Kendali PID... 49 Gambar 2.36 Kurva proses respon... 50 Gambar 3.1 Diagram blok sistem kontrol PID mesin hybrid... 52 Gambar 3.2 Rangkaian LED infra red (transmitter)... 53 Gambar 3.3 Rangkaian phototransistor (receiver)... 53 Gambar 3.4 Rangkaian pembagi tegangan... 55 Gambar 3.5 Rangkaian sensor suhu dengan LM35... 57 Gambar 3.6 Rangkaian minimum sistem mikrokontroller ATmega16... 58 Gambar 3.7 Rangkaian DAC 8 bit R-2R ladder... 59 Gambar 3.8 Rangkaian ekuivalen DAC R-2R ladder... 60 Gambar 3.9 Rangkaian driver motor DC... 63 Gambar 3.10 Rangkaian driver buzzer... 64 Gambar 3.11 Rangkaian display (LCD 16x2)... 65 Gambar 4.1 Blok diagram pengujian sensor suhu pada mesin konvensional... 67 Gambar 4.2 Blok diagram pengujian sensor rpm... 68 Gambar 4.3 Blok diagram pengujian sensor tegangan... 69 Gambar 4.4 Blok diagram pengujian rangkaian driver buzzer... 71 Gambar 4.5 Blok diagram pengujian rangkaian driver motor DC... 71 Gambar 4.6 Blok diagram pengujian secara keseluruhan... 73 xi
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Pemilihan register pada LCD M1632... 45 Tabel 2.2 Parameter PID... 51 Tabel 3.1 Data untuk 10 perhitungan... 61 Tabel 4.1 Data hasil pengukuran sensor suhu LM35... 67 Tabel 4.2 Data hasil pengujian elektrik sensor rpm... 69 Tabel 4.3 Data hasil pengujian sensor tegangan... 70 Tabel 4.4 Data hasil pengukuran rangkaian driver buzzer... 72 Tabel 4.5 Data hasil pengukuran rangkaian motor DC... 72 Tabel 4.6 Pengukuran daya... 74 Tabel 4.7 Pengukuran suhu mesin... 74 Tabel 4.8 Pengujian keseluruhan... 75 xii
DAFTAR PUSTAKA [1]. Arif, S., 2011. Uji Karakteristik Sepeda Motor Berteknologi Hybrid (Motor Bensin-motor Listrik). [2]. Berahim, Hamzah., 1991, Pengantar Teknik Tenaga Listrik. [3]. Coughlin, Robert, F., Driscoll, Frederick F., Soemitro Herman W., 1992. Penguat Operasional dan Rangkaian Terpadu Linier. [4]. H. Hyatt, Jr, William, E. Kemmerly, Jack, Silaban P., 1991. Rangkaian Listrik Jilid I. [5]. Joseph A. Admenester., 1972. Electric Circuits. [6]. Ogata, Katsuhiko., 1996. Teknik Kontrol Automatik Jilid Satu. Edisi Kedua. Jakarta:Erlangga. [7]. Schuler. Charles A., Mc. William L., 1986. Industrial Electronics and Robotics. [8]. Surya Johanes Drs., S. MIA P., Ananta., 1986. Fisika 3. [9]. Tocci, Ronald J., 1998. Digital System. [10]. Toyota_Surabaya_https//:www.google.com.Hybrid/Mobil Hybrid Sebagai Mobil Masa Depan. [11]. Wasito S., 1986. Vademakum Elektronika. [12]. Zuhal., 1993. Dasar Teknik Tenaga Listrik Listrik dan Elektronika Daya. [13]. 1985. National Data Acquition Data Book. xiii