3. Waktu puncak, : waktu puncak adalah waktu yang diperlukan respon untuk
mencapai puncak lewatan yang pertama kali. 4. Lewatan maksimum,
: lewatan maksimum adalah harga puncak maksimum dari kurva respon yang diukur dari satu. Jika harga keadaan tunak respon tidak sama
dengan satu, maka biasa digunakan persen lewatan maksimum. Parameter ini didefinisaikan sebagai
Persen lewatan maksimum = × 100
2.12 5. Waktu penetapan,
: waktu penetapan adalah waktu yang diperlukan kurva respon untuk mencapai dan menetap dalam daerah disekitar haraga akhir yang
ukurannya ditentukan dengan persentase mutlak dari harga akhir biasanya 5 atau 2. Waktu penetapan ini dikaitkan dengan konstanta waktu terbesar dari system
kontrol. Sistem control harus dimodifikasi sampai respon transiennyamemuaskan.
Perhatikan bahwa jika ditetapkan harga-harga ,
, ,
dan , maka bentuk
kurva respon secara virtual telah ditentukan. Ini dapat dilihat secara jelas pada gambar 2.14.
Gambar 2.14. Spesifikasi respon transien [14]
2.13. Steady State Error
Kestabilan suatu system control dinilai berdasarkan beberapa criteria yaitu criteria kestabilan transien dan criteria kestabilan tunak [15]. Kestabilan transien dimaksudkan
dimaksud untuk mengamati kelakuan sistem untuk suatu perubahan nilai referensi yang diberikan, sedangkan kestabilan tunak dimaksudkan untuk mengetahui besar kesalahan
yang tercapai untuk mengetahui besar kesalahan yang tercapai untuk suatu durasi waktu yang tak terbatas. Suatu sistem control akan memiliki kondisi kesalahan seperti persamaan
berikut :
2.13 Besar kesalahan dalam keadaan steady satte dapat didekati berdasarkan teorema nilai akhir
SSE yaitu :
2.14 Kondisi masukkan sistem control dimungkinkan dalam tiga masukkan, yaitu :
1. Masukkan step, amak
e
ss
nya adalah :
2.15 2. Masukkan Ramp,
e
ss
maka nya adalah :
2.20 3. Masukkan Parabolik, maka
e
ss
nya adalah :
2.21
32
BAB III
PERANCANGAN
3.1. Proses Kerja Sistem
Perancangan alat ini terdiri dari beberapa bagian utama, yaitu IC ATmega8535, sensor suhu, mikrokontroler, keypad, LCD, relay, penyearah dan heater. Sensor yang
digunakan untuk mengukur suhu adalah IC LM35. Mikrokontroler Atmega8535 berfungsi untuk mengatur dan memproses input
dari IC LM35 dan diteruskan pada heater dan penampil. Pada piranti penampil digunakkan LCD. Perubahan input pada sensor suhu
LM35 akan diolah oleh mikrokontroler ATmega8535. Jika IC LM35 mendeteksi suhu yang
sudah melebihi batas yang telah ditentukan maka mikrokolntroler akan menonaktifkan relay untuk memutuskan arus pada heater. Begitupun sebaliknya, apabila
IC LM35 mendeteksi suhu kurang dari batas yang telah ditentukan maka mikrokontroler akan mengaktifkan relay untuk mengaktifkan arus pada heater. Proses tersebut akan
berulang-ulang sampai batas waktu yang telah ditentukan.
Gamabr 3.1. Blog diagram perancangan sistem pada sterilisator
3.2. Perancangan Perangkat Keras
3.2.1. Desain Boks Sterilisator
Pada perancangan boks untuk tempat sterilisator, bahan yang digunakan adalah stainless anti karat dan dimensi boks yang akan didesain adalah 42cm x 18cm x 12cm.
Desain boks sterilisator ditunjukan pada gambar 3.2a, b dan c. Volume maksimum yang
dapat ditampung oleh boks adalah 4.5 liter. Pada perancangan boks sterilisator terdapat lubang yang berfungsi untuk keluar uap air. Hal tersebut bertujuan untuk keamanan agar
tekanan di dalam boks tidak terlalu tinggi. Pada saat proses sterilisasi berlangsung, user diharapkan agar tidak membuka tutup
boks sterilisator. Hal tersebut bertujuan agar suhu di dalam boks tetap terjaga. User diperbolehkan untuk membuka tutup boks pada saat proses sterilisasi telah selesai. Jika
user ingin membuang atau mengganti air yang terdapat di dalam boks, maka user harus membuka keran yang terdapat pada boks sterilisator.
Gambar 3.2a. Tampak belakang
Gambar 3.2b. Tampak samping
Gambar 3.2c. Tampak atas
3.2.2. Perancangan Rangkaian Penyearah
Rangkaian penyearah yang digunakkan dapat menghasilkan tegangan 5 dan 12 volt. Rangkaian ini memperoleh sumber tegangan dari jala-jala AC 220 volt. Travo 2A
digunakkan untuk menurunkan tegangan AC 220 Volt menjadi tegangan 18 V
AC
dan 12 V
AC
. Untuk menghasilakan gelombang penuh, maka tegangan 18 V
AC
dan 12 V
AC
perlu disearahkan menggunakkan dioda bridge, sehingga menghasilkan gelmbang penuh.
Komponen pengatur tegangan 12 V
DC
yaitu LM7812T, dengan arus maksimal sebesar 1A. Tegangan output 12 volt digunakan untuk catu daya relay dan sensor suhu.
Rangkaian catu daya 12 V
DC
dapat dlihat pada gambar 3.3a. Sedangkan pengaturan tegangan 5 V
DC
menggunakkan komponen LM7805T, dengan arus maksimal sebesar 1A. Tegangan output 5 V
DC
digunakan untuk catu daya mikrokontroler, LCD, dan keypad. Rangkaian yang digunkan dapat dilihat pada gambar 3.3b.
a
b
Gambar 3.3. Rangkaian catu daya 12 volt dan 5 volt
Perhitungan nilai kapasitor untuk penyearah 12V
DC
, dilakukan seperti persamaan 2.8 dengan nilai tegangan output trafo diketahui sebesar 18V
AC
V
M
, arus maksimal yang diinginkan sebesar 1A dan tegangan input minimal IC regulator sebesar 14,5V
DC
V
MIN
, sehingga diperoleh nilai minimal kapasitor C
1
sebagai berikut :
V
M
= 18√2 − 1,4 = 24,05V
Vr
PP
= −
= 24,05 − 14,5 = 9,55V
V
r rms
=
∗ ∗ ∗√
=
√
=
√
=
, √
= 2,756V
V
r rms
=
∗ ∗ ∗√
2,756 =
∗ ∗ ∗√
2,756 =
, ∗
346,41
∗
1
∗ 2,756 = 1 954,70 ∗
= 1 =
,
= 1,047 10 = 1047μ
Pada perhitungan nilai minimal C
1
diperoleh sebesar 1047µF, nilai tersebut tidak terdapat di pasaran sehingga digunakan nilai kapasitor C
1
sebesar 2200µF yang mendekati nilai perhitungan dan terdapat di pasaran. Pemilihan nilai C
1
sebesar 2200µF akan berdampak memperkecil ripple. Jika menggunakan C
1
sebesar 2200µF, maka diperoleh nilai ripple sebesar 1,312V. Penentuan nilai kapasitor C
2
yang digunakan adalah 100nF disesuaikan berdasarkan datasheet IC regulator LM7812T.
Perhitungan nilai kapasitor untuk penyearah 5V
DC
, dilakukan seperti persamaan 2.8 dengan nilai tegangan output trafo diketahui sebesar 12V
AC
V
M
, arus maksimal yang diinginkan sebesar 1A dan tegangan input minimal IC regulator sebesar 7,5V
DC
V
MIN
, sehingga diperoleh nilai minimal kapasitor C
3
sebagai berikut :
V
M
= 12√2 − 1,4 = 15,57V
Vr
PP
= −
= 15,57 − 7,5 = 8,07V
V
r rms
=
∗ ∗ ∗√
=
√
=
√
=
, √
= 2,329V
V
r rms
=
∗ ∗ ∗√
2,329 =
∗ ∗ ∗√
2,329 =
, ∗
346,41 ∗
3
∗ 2,329 = 1 806,78 ∗
= 1 =
,
= 1,239 10 = 1239µ
Pada perhitungan nilai minimal C
3
diperoleh sebesar 1239µF, nilai tersebut tidak terdapat di pasaran sehingga digunakan nilai kapasitor C
3
sebesar 2200µF yang mendekati
nilai perhitungan dan terdapat di pasaran. Pemilihan nilai C
3
sebesar 2200µF akan berdampak memperkecil ripple. Jika menggunakan C
3
sebesar 2200µF, maka diperoleh nilai ripple sebesar 1,312V. Penentuan nilai kapasitor C
4
yang digunakan adalah 100nF disesuaikan berdasarkan datasheet IC regulator LM7805T.
3.2.3. Rangkain Sensor Suhu
Pada alat ini sensor yang digunakkan adalah sensor suhu LM35. Sensor ini akan mendeteksi suhu yang terdapat boks sterilisator sebagai input ke mikrokontroler.
Dari gambar 3.4, untuk mengaktifkan sensor dibutuhkan tegangan input sebesar 4 Volt sampai 20 Volt. Pada kaki 1 dihubungkan pada supply positif, kaki 2 sebagai output
sensor yang dihubungkan langsung ke mikrokontroler, dan kaki 3 dihubungkan ke ground. Pada perancangan rangkaian sensor suhu, kabel yang digunakan adalah tipe stuttgart olflex
yang dapat digunakan hingga suhu 180 C[15].
Gambar 3.4. Rangkain sensor LM35
Dengan menggunakan sensor suhu maka peneliti dapat mengukur suhu hingga 150
C. Rangkaian yang ditunjukkan pada gambar 3.4 memiliki kemampuan deteksi suhu dari -55°C sampai +150°C.
3.2.4. Perancangan Rangkaian Relay
Rangkaian relay ini berfungsi untuk mengaktifkan heater dimana heater ini berfungsi untuk memanaskan air pada boks sterilisator. Dalam perancangan ini heater yang
digunakkan memiliki daya sebesar 350 watt dan tegangan yang digunakan yaitu 220V
AC
. Berdasarkan persamaan 2.11 diperoleh nilai arus 1,59A. Pada perancangan ini relay yang
digunakan memiliki kapasitas 10A, hal tersebut bertujuan untuk mencegah terjadinya
lonjakan arus yang dapat merusak komponen lain. Rangkaian relay ini, menggunakan transistor yang difungsikan sebagai saklar yang akan mengaktifkan heater. Rangkaian
relay dapat dilihat pada gambar 3.5.
Gambar 3.5. Rangkaian relay
Pada perancangan perangkat keras rangkaian relay, sumber tegangan relay 12 volt dan nilai resistansi relay sebesar 400Ω sehingga dengan menggunakkan persamaan 2.7
diperoleh nilai arus kolektor saturasi sebagai berikut : =
Ω
= 30 10
Transistor 2N2222 memiliki beta DC β sebesar 100 sehingga berdasarkan persamaan 2.6, nilai arus basis minimum I
Bmin
diperoleh dengan perhitungan sebagai berikut :
I
Bmin
=
×
= 3 × 10
Nilai tegangan output dari port mikrokontroler diketahui sebesar 5V sebagai nilai tegangan V
BB
, sehingga besarnya nilai resistor basis maksimum R
B
dapat dihitung berdasarkan persamaan 2.4 sebagai berikut :
R
B
= 5 −0.7
3×10
−4
= 14333.33 Ω
Nilai R
B
dipilih sebesar 10k
dengan pertimbangan agar lebih mudah diperoleh di pasaran dan agar arus basis I
b
yang dihasilkan lebih besar dari batas minimumnya. Oleh karena itu, nilai arus basis yang diperoleh dengan persamaan 2.4 sebagai berikut :
I
B
=
5v−0.7v 10 Ω
= 4.3 × 10
3.2.5. Perancangan Rangkaian LCD
LCD yang digunakan adalah LCD 16x2 yang memiliki tipe LMB162A. LCD 16x2 bertipe ini memungkinkan pemrogram untuk mengoperasikan komunikasi data secara 8 bit
atau 4 bit. Jika menggunakan jalur data 4 bit akan ada 7 jalur data 3 untuk jalur kontrol dan 4 untuk jalur data. Jika menggunakan jalur data 8 bit maka akan ada 11 jalur data 3
untuk jalur kontrol dan 8 untuk jalur data. Tiga jalur kontrol ke LCD ini adalah EN Enable, RS Register Select dan RW ReadWrite.
Interface LCD merupakan sebuah parallel bus, hal ini sangat memudahkan dan sangat cepat dalam pembacaan dan penulisan data dari atau ke LCD. Kode ASCII yang
ditampilkan sepanjang 8 bit dikirim ke LCD secara 4 atau 8 bit pada satu waktu. Jika mode 4 bit yang digunakan, maka 2 nibble data dikirim untuk membuat sepenuhnya 8 bit
pertama dikirim 4 bit MSB lalu 4 bit LSB dengan pulsa clock EN setiap nibblenya. Berdasarkan datasheet tegangan kontras Vlcd maksimum sebesar 5V sehingga
dalam perancangan digunakan sebuah resistor variabel sebesar 10KΩ yang berfungsi untuk membatasi tegangan yang masuk ke pin Vlcd. Rangkaian LCD dengan mode 4 bit
ditunjukkan pada gambar 3.6.
Gambar 3.6. Rangkaian LCD
3.2.6. Perancangan Keypad
Pada perancangan tugas akhir ini akan menggunakan keyad 4x4. Keypad akan dihubungkan dengan portD pada mikrokontroler ATmega8535, seperti yang ditunjukkan
pada gambar 3.7. Salah satu fungsi keypad yang digunakan adalah sebagai penentuan mode yang akan dipilih. Tombol keypad A berfungsi untuk pemilihan mode manual dan tombol
keypad B berfungsi untuk pemilihan mode otomatis. Pada saat user memilih mode manual, user harus memasukkan nilai suhu dan waktu yang diinginkan melalui tombol-tombol
angka yang terdapat pada keypad. Jika user menekan salah satu tombol, maka akan terbentuk kombinasi logika akibat terhubungnya baris dan kolom seperti yang ditunjukkan
pada tabel 3.1.
Gambar 3.7. Konfigurasi Keypad 4x4 Tabel 3.1. Kombinasi Keypad 4x4
Karakter PortD.0
Kolom1 PortD.1
Kolom2 PortD.2
Kolom3 PortD.3
Kolom4 PortD.4
Baris1 PortD.5
Baris2 PortD.6
Baris3 PortD.7
Baris4 1
1 1
2 1
1
3 1
1
A
1 1
4 1
1
5 1
1
6 1
1
B 1
1
7 1
1
8 1
1
9
1 1
C 1
1 1
1 1
1 1
1
D 1
1
3.2.7. Sistem Minimum Mikrokontroler ATmega8535
Rangkaian sistem minimum berfungsi sebagai IO untuk mengolah data dari sensor suhu LM35 dan mengontrol relay yang telah di program. Mikrokontroler membutuhkan
sistem minimum yang terdiri dari rangkaian eksternal yaitu, rangkaian osilator dan rangkaian reset.
Rangkaian osilator ditunjukkan pada gambar 3.8. Perancangan rangkaian osilator digunakan kristal dengan frekuensi 12Mhz dan menggunakan kapasitor 22pF datasheet
pada pin XTAL
1
dan XTAL
2
di mikrokontroler.
Gambar 3.8. Rangkaian osilator ATmega8535
Gambar 3.9 menunjukkan rangkaian reset mikrokontroler Atmega8535. Rangkaian reset bertujuan untuk memaksa proses kerja pada mikrokontroler diulang dari awal. Jika
tombol reset ditekan, maka pin reset akan mendapat input logika rendah, sehingga mikrokontroler akan mengulang proses eksekusi program dari awal. Pada perancangan
rangkaian reset digunakan resistor sebesar 10kΩ dan kapasitor sebesar 10µF berdasarkan gambar 2.2.
Gambar 3.9. Rangkaian reset ATmega8535
Perancangan penggunaan port sebagai input dan output pada mikrokontroler disesuaikan dengan kebutuhan. Port yang akan digunakan adalah port A, port B, port C
dan port D. Port A.0 digunakan sebagai port input dari sensor suhu LM35. Pada portA.0 digunakan untuk sensor suhu LM35, karena pada port tersebut terdapat fasilitas ADC. Port
B.0, port B.1, port B.2 dan port B.3 digunakan sebagai port data, sedangkan port B.4 dan port B.5 digunakan sebagai port pengatur interface LCD. Pada port C digunakan sebagai
port output. port C.0 digunkan sebagai port output relay. Pada port D digunakan sebagi input dari server pengguna. Port C.0 sampai port C.7 digunakan sebagai port input dari
keypad. Penggunaan port-port yang akan digunakan ditunjukkan pada tabel 3.2.
Tabel 3.1. Penggunaan port-port pada mikrokontroler No
Nama PORT Keterangan
1 PortA.0
Sensor Suhu LM35 2
PortB.0 DB 1 LCD
3 PortB.1
DB 1 LCD 4
PortB.2 DB 1 LCD
5 PortB.3
DB 1 LCD 6
PortB.4 Enable LCD
7 PortB.5
RW LCD 8
PortB.6 RS LCD
9 PortC.0
Relay 10
PortD.0 – PortD.7 Keypad
Secara keseluruhan gambar minimum sistem mikrokontroler ATmega8535 secara lengkap ditunjukkan oleh gambar 3.10.
Gambar 3.10. Rangkaian sistem minimum ATmega8535
3.3. Perancangan Perangkat Lunak
3.3.1. Diagram Alir Utama
Diagram alir utama ditunjukkan pada gambar 3.11. Program utama menunjukkan proses mikrokontroler secara keseluruhan. Setelah start, program melakukan inisialisai
terhadap port-port mikrokontroler yang digunakan untuk proses pengendalian alat. Proses pertama yaitu menampilkan mode yang akan dipilih pada LCD. Jika mode B dipilih, maka
alat akan dikendalikan secara manual. Jika mode A dipilih, maka alat akan dikendalikan secara otomatis oleh mikrokontroler. Proses menampilkan pemilihan mode akan selalu
diulangi sampai user memilih mode yang diinginkan. Pada saat user telah memilih salah satu mode dan proses sterilisasi telah selesai,
timer akan ON selama 10 menit. Jika timer kurang dari 10 menit, maka user tidak diperbolehkan membuka boks dan pada LCD akan ditampilkan peringatan untuk tidak
membuka boks. Jika timer lebih dari 10 menit, maka pada LCD akan ditampilkan tulisan user diperbolehkan membuka boks. Proses timer 10 menit bertujuan untuk mendinginkan
kondisi suhu di dalam boks, sehingga pada saat user akan membuka kran atau boks kondisi di dalam boks tidak terlalu panas.
Gambar 3.11. Diagram alir utama
3.3.2. Diagram Alir Manual
Diagram alir mode manual ditunjukkan pada gambar 3.12. Subrutin ini digunakan untuk melakukan pengendalian alat secara manual. Pada saat subrutin ini dieksekusi, user
harus memasukan nilai suhu dan waktu yang diinginkan. Nilai suhu minimal yang harus dimasukkan oleh user adalah 121
o
C dan suhu maksimal yang dapat dimasukkan oleh user adalah 145
o
C. Sedangkan waktu minimal yang harus dimasukkan oleh user adalah 15 menit. Nilai suhu yang dimasukkan oleh user akan disimpan dengan variabel X dan nilai
waktu yang dimasukkan oleh user akan disimpan dengan variabel Y. Pada saat nilai suhu dan waktu tidak sesuai dengan batas minimal, mikrokontroler akan menampilkan pada
LCD kondisi salah untuk waktu atau suhu. Pada saat kondisi salah mikrokontroler akan me-reset program, sehingga user harus mengulang untuk memasukkan nilai suhu dan
waktu.
Pada perancangan ini, relay yang terhubung dengan heater akan ON ketika user memasukkan nilai suhu dan waktu sesuai dengan kondisi yang telah ditentukan. Jika
kondisi tersebut telah terdeteksi, maka timer akan ON selama waktu yang telah dimasukkan oleh user. Setelah kondisi tersebut terpenuhi, relay akan OFF pada saat suhu
berada 2
o
C di atas nilai suhu yang dimasukkan oleh user dan kondisi ini akan disimpan dengan variabel X2. Relay akan ON kembali pada saat suhu berada 2
o
C di bawah nilai suhu yang dimasukkan oleh user dan kondisi ini akan disimpan dengan variabel X1. Proses
tersebut akan berlangsung selama waktu yang telah ditentukan oleh user.
Gambar 3.12. Diagram alir manual
3.3.3. Diagram Alir Dengan Cara Otomatis
Diagram alir mode otomatis ditunjukkan pada gambar 3.13. Subrutin ini digunakan untuk melakukan pengendalian alat secara otomatis. Pada saat subrutin ini dieksekusi
mikrokontroler akan mengaktifkan relay. Jika nilai suhu lebih dari sama dengan 125
o
C, maka mikrokontroler akan menonaktifkan relay dan akan mengaktifkan timer. Setelah itu,
mikrokontroler akan menerima masukkan dari sensor suhu. Jika suhu kurang dari 121
o
C, maka mikrokontroler akan mengaktifkan relay dan jika suhu lebih dari 125
o
C mikrokontroler akan menonaktifkan relay. Proses ini akan berlangsung selama 15 menit.
Pada saat waktu sama dengan 15 menit, mikrokontroler akan menonaktifkan relay dan timer yang menandakan proses ini telah selesai.
Gambar 3.13. Diagram alir otomatis
3.4. Perancangan Tampilan LCD
. Data hasil pengukuran sterilisator berupa suhu dan waktu yang ditampilkan pada
LCD character. Pada tampilan LCD akan ditampilkan berapa nilai suhu yang dideteksi oleh sensor LM35 dan lama waktu pada proses penyeterilan. Contoh tampilan hasil
pengukuran pada LCD yang akan dibuat ditujukkan pada gambar 3.14.
Gambar 3.14. Tampilan pada LCD
48
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini berisi mengenai hasil pengamatan dari sterilisator basah dengan menggunakan ATMega8535. Hasil pengamatan berupa pengujian performe alat misal:
kestabilan sistem, rise time, setting time dan lain-lain, pengujian sensor LM35 dalam mendeteksi kenaikan suhu, dan memeriksa keberadaan kuman dalam instrumen.
4.1. Bentuk Fisik Sterilisator dan Hardware Elektronik