TUGAS AKHIR PEMANAS AIR 1000 WATT BERBASIS MIKROKONTROLER AVR ATMEGA8535
TUGAS AKHIR
PEMANAS AIR 1000 WATT
BERBASIS MIKROKONTROLER AVR ATMEGA8535
Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat
memperoleh gelar Sarjana Teknik pada
Program Studi Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma
Disusun oleh
AGUNG BROTO KUNCORO
NIM: 025114075
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
FINAL PROJECT
ATMEGA8535 1000 WATT WATER HEATER BASED
ON AVR MICROCONTROLLER
In partial fulfillment of the requirements for the degree of
SARJANA TEKNIK of Electrical Engineering Study Program
Compiled by:
AGUNG BROTO KUNCORO
NIM: 025114075
ELECTRICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT
ENGINEERING FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2007
MOTTO DAN PERSEMBAHAN
”Manusia di dunia ini baik
disadari atau tidak adalah dalam
perjalanan kepada Tuhannya. Dan
pasti akan menemui Tuhannya untuk
menerima pembalasan-Nya dari
perbuatannya yang buruk maupun
yang baik”
(QS. AL-INSYIQOQ)
Tugas Akhir ini ku persembahkan untuk : Ayahanda(alm) dan Ibunda tercinta.Adik tersayang. Rekan-rekan seperjuangan di S1 Teknik Elektro USD.
Dan satu nama yang masih menjadi rahasia Allah.
KATA PENGANTAR
Segala puji bagi Allah yang telah melimpahkan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Pemanas air 1000 Watt
berbasis mikrokontroler AVR ATMega8535”.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini tidak mungkin dapat terselesaikan dengan baik tanpa bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis mengucapkan terimakasih kepada: 1. Bapak A. Bayu Primawan, S.T.,M.Eng. selaku Kaprodi Teknik Elektro.
2. Bapak Martanto, S.T., M.T dan Ibu Wiwien Widyastuti, S.T., M.T atas bimbingan kepada penulis.
3. Bapak B. Djoko Untoro S. Ssi. MT dan Bapak Damar Widjaja, ST, MT atas kritik dan saran kepada penulis.
4. Ibu Bernadeta Wuri Harini, S.T selaku pembimbing akademik yang telah memberikan motivasi dan bimbingan dengan baik.
5. Segenap dosen, karyawan dan laboran Teknik Elektro atas bimbingan, ilmu dan pelayanan yang diberikan selama ini.
6. Laboran TE (Mas Suryo, Mas Mardi, Mas Broto) dan TM (Mas Roni) atas bantuannya.
7. Ayahku (Bapak Saiful) dan Ibuku (Ibu Ning) yang dengan sabar memberikan doa dan semangat.
8. Adikku (Arga) yang selalu memberikan keceriaan dalam keluarga.
9. Kakekku (Mbah Sam) dan Nenekku (Mbah Tati) yang telah memberikan doa dan keteladanan.
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL .................................................................................. i HALAMAN JUDUL (INGGRIS)............................................................... ii LEMBAR PERSETUJUAN TUGAS AKHIR .......................................... iii HALAMAN PENGESAHAN..................................................................... iv HALAMAN MOTTO dan PERSEMBAHAN ........................................... v KATA PENGANTAR ............................................................................... vi DAFTAR ISI............................................................................................... ix DAFTAR TABEL ...................................................................................... xiii DAFTAR GAMBAR ................................................................................. xiv DAFTAR LAMPIRAN .............................................................................. xvi
INTISARI.................................................................................................... xvii ABSTRACT................................................................................................ xviii BAB I. PENDAHULUAN .........................................................................
1 I.1. Judul.............................................................................................
1 I.2. Latar Belakang ...........................................................................
1 I.3. Tujuan dan Manfaat Penelitian ....................................................
2 1.3.1. Tujuan Penelitian ...............................................................
2
1.3.2. Manfaat Penelitian ............................................................. 2 I.4. Batasan masalah...........................................................................
3 1.5. Metode Penelitian .......................................................................
3 I.6. Sistematika Penulisan ..................................................................
4
BAB II. DASAR TEORI ............................................................................
5 2.1. Sensor Suhu Pt100 ......................................................................
5 2.2. Mikrokontroler ATMega8535 ...................................................
7
2.2.1. Konfigurasi Pin ATMega8535 ............................................. 8
2.3. Constant Current Source …………………………………………… 9
2.4. Penguat Diferensial …………………………………………… 10
2.5. Keypad Matrix ……………………………………………………... 11
2.6. Zero Crossing Detector .………....……………………………….. 12
2.6.1. Transistor Sebagai Saklar ………………………………. 13
2.7. Triac Driver ………………………………………………….... 14
2.8. Triac …………………………………………………………… 16
2.8.1 Zero Point Switching ………………..………………….. 18
2.9. Penampil LCD ………………………………………………… 18
2.9.1. DDRAM (Display Data RAM) ………………………… 19
2.9.2. CRAM (Character Generator RAM) …………………. 19
2.9.3. CGROM (Character Generator ROM) …….................. 19
2.9.4. PIN LCD ......................................................................... 20
2.10. Regulator Tegangan LM7805 ................................................... 21
BAB III. PERANCANGAN SISTEM ........................................................ 24 3.1. Gambaran Umum ........................................................................
25
3.2. Perancangan Perangkat Keras ..................................................... 25
3.2.1. Rangkaian Sistem Minimal Mikrokontroler ATmega8535 25
3.2.2. Sensor Suhu ....................................................................... 27
3.2.3. Keypad Matrix …………………………….……………. 32
3.2.4. Antarmuka Zero Crossing ……………………………...... 34
3.2.5. Antarmuka Triac ………………...……………………… 37
3.2.6. LCD (Liquid Crystal Display) …………………………… 39
3.2.7. Rangkaian Catu Daya ........................................................ 40
3.3. Perancangan perangkat lunak ......................................................... 42
3.3.1. Algoritma Program ............................................................ 42
3.3.2. Diagram Alir Program Utama ............................................. 42
3.3.3. Inisialisasi Port Masukan/Keluaran ...................................... 45
3.3.4. Subrutin Masukan Suhu Melalui Keypad…………………. 46
3.3.5. Subrutin Ambil Data ……………………………………… 49
3.3.6. Diagram Alir LCD ………………………………………… 51
3.3.6.1. Subrutin Kirim Data ke Tampilan ……………….. 52 BAB IV. HASIL PENGUKURAN DAN PEMBAHASAN ......................
54
4.1. Cara Kerja Alat Secara Umum ................................................... 54
4.2. Hasil Pengukuran Suhu Termometer Digital ............................. 57
4.3. Hasil Pengamatan Sistem Keseluruhan ...................................... 59
4.4. Karakteristik Sensor Suhu ........................................................... 60
4.5. Rangkaian Pengondisi Sinyal ..................................................... 61
4.6. Zero Crossing Detector .............................................................. 64
4.7. Triac dan MOC .......................................................................... 65
4.8. Pengamatan Suhu Air Saat Dipanaskan ..................................... 65
4.8.1. Pengamatan Suhu Air Tanpa Menggunakan Pengaduk ... 66
4.8.2. Pengamatan Suhu Air dengan Menggunakan Pengaduk 67 BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ....................................................
68 5.1. Kesimpulan .................................................................................
68 5.2. Saran............................................................................................
68
Daftar Tabel
Tabel 2.1. Macam-macam MOC30XX .......................................................... 16Tabel 2.2. Pin LCD ......................................................................................... 20Tabel 2.3. Karakteristik Regulator Tegangan Seri 78XX .............................. 22Tabel 3.1. Pengaruh Perubahan Suhu Terhadap Hambatan Pt100 ................ 27Tabel 3.2. Perubahan Tegangan Pt100 Terhadap Suhu ................................. 29Tabel 3.3. Kombinasi Baris dan Kolom Keypad Matrix 4 x 3 ..................... 33Tabel 3.4. Tombol Keypad dan Fungsinya ..................................................... 34Tabel 3.5. Konfigurasi Pengaturan untuk Port Masukan/Keluaran ................ 45Tabel 4.1. Data Pengukuran Sensor Suhu ....................................................... 57Tabel 4.2. Data Pengukuran Sensor Suhu (lanjutan)....................................... 58Tabel 4.3. Data Pengamatan Pemanas Air 1000 Watt ……………………... 59Tabel 4.4. Data Pengukuran pada Sensor Suhu .............................................. 61Tabel 4.5. Data Pengukuran pada Rangkaian Pengondisi Sinyal ................... 62Tabel 4.6. Hasil Perhitungan Penguat pada Rangkaian Pengondisi Sinyal .... 63Tabel 4.7. Pengamatan Suhu Air Tanpa Menggunakan Pengaduk ................. 66Tabel 4.8. Pengamatan Suhu Air dengan Menggunakan Pengaduk ............... 67
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. (a) Bentuk fisik Pt100, (b) Skema Pt100 ...................................... 5Gambar 2.2. Pin ATMega8535 .......................................................................... 9Gambar 2.3. Rangkaian Current Source ............................................................ 9Gambar 2.4. Penguat Diferensial ...................................................................... 11Gambar 2.5. Keypad Matrix ............................................................................. 12Gambar 2.6. V dan V Rangkaian Zero Crossing Terhadap Waktu ……….. 13out in
Gambar 2.7. Rangkaian Zero Crossing ............................................................. 13Gambar 2.8. Skema dari MOC30XX ............................................................... 15Gambar 2.9. (a) Simbol Triac, (b) Rangkaian Equivalen Triac ……………. 16Gambar 2.10. Kurva Karakteristik Triac .......................................................... 17Gambar 2.11. Prinsip Gelombang Sinus dari Teknik Zero-Point Switching .... 18Gambar 2.12. Tampilan LCD 2x16 karakter .................................................... 20Gambar 2.13. Bentuk fisik dari IC LM78XX .................................................. 22Gambar 2.14. Kapasitor Masukan dan Keluaran Terhadap RegulatorLM7805 ...................................................................................... 23
Gambar 3.1. Diagram Blok Perangkat Keras Sistem ........................................ 24Gambar 3.2. Sistem Minimal ATMega8535 ..................................................... 26Gambar 3.3. Rangkaian Sensor Suhu ................................................................ 28Gambar 3.4. Koneksi Keypad Matrix 4 x 3 ke Mikrokontroler ...................... 33Gambar 3.5. Antarmuka Zero Crossing Detektor ............................................ 36Gambar 3.6. Antarmuka Triac dengan Mikrokontroler ATMega8535 ........... 38Gambar 3.7. Untai Elektronis Penampil LCD ................................................. 40Gambar 3.8. Rangkaian Catu Daya dengan Mikrokontroler ATMega8535.... 41Gambar 3.9. Diagram Alir dari Program Utama ........................................... 42Gambar 3.10. Diagram Alir dari Program Utama (lanjutan) ........................... 43Gambar 3.11. Diagram Alir dari Program Utama (lanjutan) ........................... 44Gambar 3.12. Diagram Alir dari Keypad ......................................................... 46Gambar 3.13. Diagram Alir dari Keypad (lanjutan) ........................................ 47Gambar 3.15. Subrutin Ambil Data ................................................................ 49Gambar 3.16. Diagram Alir LCD .................................................................... 51Gambar 3.17. Diagram Alir Subrutin Kirim Data ke Tampilan …………….. 52Gambar 4.1. Tampilan saat alat pertama kali dinyalakan ................................. 54Gambar 4.2. Tampilan Saat Keypad Matrix Ditekan Angka 4 .......................... 55Gambar 4.3. Tampilan LCD saat pengguna memasukan input berlebihan ....... 55Gambar 4.4. Tampilan LCD saat tombol OK ditekan dengan masukan suhu yang salah ................................................................................... 55Gambar 4.5. Tampilan LCD saat tombol OK ditekan dengan masukan suhu yang benar ................................................................................... 56Gambar 4.6. Tampilan LCD saat tombol C (cancel) ditekan ........................... 56Gambar 4.7. Bentuk Gelombang Masukan dan Keluaran Rangkaian Zero...................................................................... 64
Crossing Detektor
DAFTAR LAMPIRAN
A. Gambar Rangkaian ..........................................................................................L1
B. Listing Program ................................................................................................L2
C. Data Sheet.........................................................................................................L3
Intisari
Pemanas air 1000 Watt berbasis mikrokontroler AVR Atmega8535 adalah alat yang digunakan untuk memanaskan dan menjaga suhu air agar konstan.
Perangkat ini terdiri dari, Pt100 sebagai sensor suhu, rangkaian sumber arus konstan, rangkaian penguat diferensial, rangkaian pendeteksi perubahan gelombang bolak-balik, tombol matrik sebagai masukan, LCD sebagai tampilan suhu serta mikrokontroler ATMEga8535 sebagai pengendali utamanya. Pt100 memiliki spesifikasi hambatan 100 Ω pada suhu 0˚C dan 139Ω pada suhu 100˚C. Agar keluaran Pt100 dapat digunakan sebagai masukan ADC mikrokontroler ATMega8535, terlebih dahulu harus melewati dua tahapan. Tahap pertama hambatan Pt100 diubah menjadi tegangan dengan mengalirkan arus konstan sebesar 1mA dari rangkaian sumber arus konstan, setelah tahap pertama selesai tahap selanjutnya adalah menguatkan tegangan Pt100 dengan rangkaian penguat diferensial. Sedangkan rangkaian pendeteksi sinyal tegangan bolak-balik digunakan sebagai penanda saat sinyal tegangan bolak-balik bernilai nol, dengan tujuan agar dapat menghemat daya saat pemanas dihidupkan.
Rentang suhu yang dapat diatur antara 25 ˚C-100˚C. Pemanas dapat dinyalakan jika syarat masukan terpenuhi (suhu masukan harus lebih dari atau sama dengan 25
˚C, kurang dari atau sama dengan 100˚C dan harus lebih besar dari suhu mula-mula) dan tombol OK ditekan. Jika suhu air telah sama dengan suhu yang diinginkan pengguna, pemanas akan mati dan hidup kembali saat suhu air kurang dari 1,1
˚C dari suhu yang diinginkan. Kata kunci : Pemanas air, Pt100, aplikasi mikrokontroler, pengontrol suhu
Abstract
Controller of 1000 Watt water heater based on AVR microcontroller Atmega8535 type is a device for heating and keeping the water temperature in constant condition.
This device consists of Pt100 as temperatures sensors, constant current source circuit, differential amplifier circuit, zero crossing detector, a keypad matrix as an input, LCD as a temperature display, and microcontroller ATMega8535 as the main controller. Pt100 has a specification resistance of 100
Ω at temperature 0 ˚C and 139Ω at temperature 100˚C. In order to apply the output of Pt100 as an input of ADC microcontroller ATMega8535, it must pass two step.
The first step is that the resistance Pt100 is changed into voltage by applying constant current 1mA from the constant current source. The next step is amplifying the voltage of Pt100 with differential amplifier. The zero crossing detector is used as detector when AC voltage signal goes to zero to save the power when heater is ON.
Temperature can be controlled between 25 ˚C-100˚C. Heater can be turn
ON if the input condition is fulfilled ( input temperature must be more than or equal to 25 ˚C, less than or equal to 100˚C and more than initial temperature input) and the OK button is pushed. If the water temperature has the same level as the input temperature, heather will be turn OFF and it will be turn ON when the water temperature is less than 1,1
˚C from the input temperature. Keywords : Water heater, Pt100, microcontroller application, temperature control.
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Judul Pemanas air 1000Watt berbasis mikrokontroler AVR ATMega8535.
1.2. Latar Belakang Masalah
Pemanas air 1000 Watt adalah alat yang digunakan untuk memanaskan dan menjaga suhu air agar konstan sesuai yang diinginkan oleh pengguna. Alat ini digunakan dalam Praktikum Prestasi Mesin di Lab Konversi Energi, Teknik Mesin, Universitas Sanata Dharma. Alat yang dipakai saat ini menggunakan sistem mekanik untuk menjaga suhu air agar konstan pada suhu tertentu, dengan magnetik kontaktor sebagai pengontrol
on/off. Magnetik kontaktor akan on saat suhu turun 1
˚C dari suhu yang diinginkan dan off saat suhu naik 1 ˚C dari suhu yang diinginkan. Keadaan
on/off tersebut menyebabkan magnetik kontaktor cepat rusak dan selain itu juga menimbulkan suara berisik yang mengganggu praktikan.
Oleh karena itu, muncul ide pembuatan alat pengontrol pemanas air 1000 Watt. Alat ini diharapkan dapat memperbaiki kekurangan alat yang telah dibuat sebelumnya, yaitu dengan mengganti pengontrol on/off pemanas air yang sebelumnya menggunakan mekanis menjadi elektronis.
Pemanas air 1000 Watt yang penulis rancang menggunakan keypad
matrix sebagai masukan suhu, triac sebagai pengontrol on/off,
mikrokontroler ATMega8535, LCD sebagai penampil dan rangkaian elektronik. Triac dipilih sebagai pengontrol menggantikan magnetik kontaktor karena triac lebih cepat dipicu, sehingga memberikan kontrol yang lebih akurat serta hanya membutuhkan energi yang kecil.
Mikrokontroler ATmega8535 dipilih karena mempunyai ADC internal beresolusi 10 bit, sehingga efisien untuk pembuatan alat ini tanpa harus menambah ADC eksternal. Selain itu mikrokontroler ATmega8535 juga memiliki 32 port I/O yang dapat difungsikan sebagai masukan dan keluaran sistem yang sangat penting untuk pengaksesan keypad dan juga LCD.
1.3. Tujuan dan Manfaat Penelitian
1.3.1. Tujuan Penelitian
Membuat suatu peralatan sebagai aplikasi Mikrokontroler ATMega8535 untuk mengendalikan pemanas air 1000 Watt.
1.3.2. Manfaat Penelitian
Diharapkan dapat digunakan pada Praktikum Prestasi Mesin di Lab Konversi Energi, Teknik Mesin, Universitas Sanata Dharma.
1.4. Batasan Masalah 1.
Alat ini digunakan untuk memanaskan air dan menstabilkan panas sesuai masukan suhu dengan spesifikasi 220Volt / 1000Watt / 50Hz.
2. Suhu yang diatur antara 25˚C sampai 100˚C dengan kenaikan 1˚C.
3. Pemanas off saat suhu air sama dengan suhu yang diinginkan oleh pengguna dan on saat suhu turun 1 ˚C dari suhu yang diinginkan.
4. Menggunakan Pt100 sebagai sensor suhu.
5. Menggunakan keypad matrix 4x3 sebagai masukan suhu bagi mikrokontroler ATMega8535.
6. Menggunakan LCD sebagai tampilan suhu dengan ketelitian satu angka di belakang koma.
7. Beban keluaran menggunakan heater 1000Watt.
1.5. Metode Penelitian
Metode penelitian yang digunakan dalam penyusunan dan penulisan Tugas Akhir ini ialah:
1. Perancangan rangkaian berdasar perhitungan teoritis dan kajian pustaka.
2. Pembuatan alat.
3. Pengujian.
4. Analisis data.
5. Kesimpulan.
1.6. Sistematika Penulisan
Penulisan laporan tugas akhir ini akan disusun dengan sistematika sebagai berikut:
BAB I. PENDAHULUAN Bab ini berisi latar belakang masalah, tujuan dan manfaat tugas akhir, batasan masalah, metodologi penelitian dan sistematika penulisan laporan. BAB II. DASAR TEORI Bab ini berisi teori dari beberapa komponen yang digunakan dalam
pembuatan alat pemanas air 1000 Watt berbasis mikrokontroler ATMega8535.
BAB III. PERANCANGAN SISTEM Bab ini berisi penjelasan perancangan pemanas air 1000 Watt berbasis mikrokontroler ATMega8535. BAB IV. HASIL PENGUKURAN dan PEMBAHASAN Bab ini berisi cara kerja alat keseluruhan dan analisis serta pembahasan mengenai hasil tugas akhir yang telah dibuat. BAB V. PENUTUP Bab ini ini berisi kesimpulan dari hasil tugas akhir yang telah dilakukan dan
saran yang berisi ide-ide untuk perbaikan atau pengembangan terhadap tugas akhir yang telah dilakukan.
BAB II DASAR TEORI
2.1. Sensor Suhu Pt100
Pt100 merupakan tipe sensor suhu yang banyak digunakan dalam industri. Sensor ini memiliki spesifikasi hambatan 100 Ω pada suhu 0˚C dan terbuat dari platina yang memiliki akurasi tinggi, murah dan mudah digunakan. Pt100 mempunyai dua variasi, yang umum memiliki hambatan 139,50
Ω pada suhu 100˚C dan yang lain memiliki hambatan 139,00Ω pada suhu 100 ˚C (populer di Jepang). Gambar dan skema Pt100 dapat dilihat pada Gambar 2.1.
(a) (b) Gambar 2.1. (a) Bentuk fisik Pt100, (b) Skema Pt100. Sensor Pt100 memiliki akurasi 0,2%, 0,1% dan 0,05% pada suhu 0°C. Semakin tinggi akurasinya semakin mahal harganya. Rentang suhu yang dapat dijangkau Pt100 yaitu antara -200°C sampai dengan 850°C, akan tetapi pada kenyataannya tergantung pada pembuatan probe.
Hambatan rendah pada Pt100 dapat menyebabkan galat pada penunjuk hambatan. Ada dua galat penunjuk hambatan, yaitu offset error yang disebabkan penunjuk itu sendiri dan galat yang disebabkan oleh panas. Pemanasan internal dapat menyebabkan galat, ini dikarenakan adanya arus yang melewati sensor. Arus yang besar memberikan sinyal yang bagus untuk elektronis tetapi juga memberi galat yang besar. Penggunaan arus yang baik adalah 1mA.
Pada Pt100, perubahan suhu 1°C akan menyebabkan hambatan berubah 0,384 Ω. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada persamaan berikut : 2 R = R ( t o
1 A . Δ t B ( ) Δ t ) (2-1)
+ +
dengan : A = 3,9083E-3
Ω/°C
2 B = -5,775E-7
Ω/°C R = Hambatan mula-mula = 100
o
Ω pada 0 °C R t = Hambatan saat suhu t t = Suhu (
˚C)
2.2. Mikrokontroler ATMega8535
Perkembangan dunia teknologi telah maju dengan pesat dalam bidang elektronika, khususnya dunia mikroelektronika. Atmel sebagai salah satu vendor yang mengembangkan dan memasarkan produk mikroelektronika telah menjadi suatu teknologi standar bagi para perancang sistem elektronika masa kini. Dengan perkembangan terakhir, yaitu generasi AVR (Alf and Vegard’s Risc Processor), perancang sistem elektronika telah diberi suatu teknologi yang memiliki kapabilitas yang amat maju.
Mikrokontroler AVR memiliki arsitektur RISC (Reduced Instruction
Set Computing) 8 bit, dengan semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit
(16-bits word) dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam 1(satu) siklus clock.
ATMega8535 memiliki bagian sebagai berikut: 1.
Saluran I/O sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C dan Port D.
2. ADC 10 bit sebanyak 8 saluran.
3. Tiga buah Timer/Counter dengan kemampuan pembanding.
4. CPU yang terdiri atas 32 buah register.
5. SRAM sebesar 512 byte.
6. Unit interupsi internal dan eksternal.
7. EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat operasi.
8. Antarmuka komparator analog.
2.2.1 Konfigurasi Pin ATMega8535 Kofigurasi pin ATMega8535 bisa dilihat pada Gambar 2.2.
Penjelasan secara fungsional sebagai berikut: 1.
VCC merupakan pin yang berfungsi sebagai masukan catu daya.
2. GND merupakan pin ground.
3. Port A (PA0..PA7) merupakan pin I/O dua arah dan pin masukan ADC.
4. Port B (PB0..PB7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu Timer/Counter, komparator analog dan SPI.
5. Port C (PC0..PC7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu TWI, komparator analog dan timer oscilator.
6. Port D (PD0..PD7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu komparator analog, interupsi eksternal dan komunikasi serial.
7. RESET merupakan pin yang digunakan untuk membuat mikrokontroler reset.
8. XTAL1 dan XTAL2 merupakan pin masukan tegangan untuk clock eksternal.
9. AVCC merupakan pin masukan tegangan untuk ADC.
10. AREF merupakan pin masukan tegangan referensi ADC.
Gambar 2.2. Pin ATMega8535.2.3. Constant Current Source
Constant Current source adalah rangkaian yang memberikan sumber arus konstan. Arus yang dihasilkan bernilai sama dengan arus referensinya.
Untuk itu, transistor yang digunakan harus identik Vbe maupun betanya. Rangkaian current source dapat dilihat pada Gambar 2.3. VCC
Q3 Q2 Q3
Io Io
Ix Rx RL1 RL2 Gambar 2.3. Rangkaian Current Source. Nilai I o sama dengan nilai I x , sedangkan I x dicari dari persamaaan :
Ix = Rx Vbe Vcc −
(2-2) dengan : I x = Arus Referensi (A)
V
cc
= Tegangan Catu Daya (V) V be = Tegangan Basis – Emitor ( 0,7V) I o = Arus Keluaran (A)
2.4. Penguat Diferensial
Operational amplifier adalah jenis penguat dengan gain yang sangat
besar. Secara umum, operational amplifier (op-amp) digunakan untuk menyediakan perubahan amplitudo tegangan, sebagai osilator, tapis dan beberapa untai instrumentasi. Kemasan penguat ini secara umum berupa rangkaian terintegrasi dengan bermacam-macam karakter dan isi.
Penggunaan op-amp secara praktis antara lain adalah sebagai penguat diferensial. Penguat diferensial seperti terlihat pada Gambar 2.4. merupakan gabungan dari penguat membalik ( Inverting Amplifier) dan penguat tak membalik ( Non Inverting Amplifier).
Gambar 2.4. Penguat Diferensial.E o dapat dicari dari persamaan :
Ro E o = (E 2 – E 1 ) (2-3)
Rf
dengan : E o = Tegangan keluaran
Ro
= Penguatan
Rf
E dan E = Tegangan masukan
1
2
2.5. Keypad Matrix
Keypad matrix digunakan untuk memasukkan data dari user yang
akan diproses oleh mikrokontroler, yaitu suhu. Selain itu, terdapat juga tombol ok dan cancel yang masing-masing digunakan untuk tanda program dijalankan dan membatalkan masukan yang sudah diberikan. Diagram rangkaian keypad matrix dapat dilihat pada Gambar 2.5.
KOLOM1 KOLOM2 KOLOM3 BARIS1 BARIS2 BARIS3 BARIS4 Gambar 2.5. Keypad Matrix.
Sistem kerja keypad matrix menggunakan sistem scanning process, yaitu dengan melakukan pemeriksaan terus-menerus oleh mikrokontroler.
Tahap pertama, mikrokontroler menentukan kolom yang akan diperiksa dengan cara mengirimkan data ke suatu baris. Dengan demikian hanya terdapat satu baris yang aktif. Kemudian mikrokontroler akan membaca kolom yang akan ditekan secara satu persatu untuk mengetahui tombol yang ditekan. Cara ini diulang-ulang untuk baris berikutnya sehingga semua kolom diperiksa.
2.6. Zero Crossing Detector
Zero crossing detector adalah pendeteksi perubahan sinyal dari
positif ke negatif dan menyediakan pulsa saat sinyal tersebut nol seperti pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6. V out dan V in Rangkaian Zero Crossing Terhadap Waktu.2.6.1 Transistor Sebagai Saklar
Transistor dapat digunakan sebagai saklar elektronik untuk komputer dan aplikasi kontrol. Rangkaian pada Gambar 2.7. merupakan rangkaian transistor sebagai saklar yang digunakan untuk pendeteksi perubahan sinyal dari positif ke negatif . VCC 1 1 T1 5 D1 Rb Vi 2 Q5 3 2N4401 Rc 2 VAC 220V/50Hz TRANSFORMER CT 4 8 6 D2 1 Gambar 2.7. Rangkaian Zero Crossing.
Sebagai catatan, tegangan keluaran V adalah kebalikan dari nilai
c
masukan yang berasal dari bagian basis. Saat masukan transistor on rancangan rangkaian harus dapat memastikan bahwa I b harus lebih besar dibandingkan nilai I b pada kurva saturasi. Untuk memperoleh I b terlebih dahulu harus dicari I c sat :
Vcc Ic (2-4) sat =
Rc
Untuk level saturasi kita harus dapat memastikan kondisi yang memenuhi syarat :
Icsat Ib > (2-5)
β dc Besarnya nilai
I b dapat dihitung dengan menggunakan perhitungan
sebagai berikut :
Vi
V
− ,
7 I b = (2-6)
Rb
Jika syarat diatas terpenuhi, maka nilai keluaran akan sama dengan
ground. Untuk Vi = V , Ib = μ A dan dapat diasumsikan Ic = Iceo = mA , tegangan jatuh pada Rc seperti terlihat
VRc = Ic . Rc = V , cc
sehingga keluaran akan bernilai tinggi = V . Kondisi ini adalah kondisi saat transistor off.
2.7. Triac Driver
Keluarga MOC30XX dari non-zero crossing triac drivers terdiri dari sebuah LED inframerah aluminium gallium aesenida, digabungkan pada
chip detector silikon. Dua chip ini dirakit pada enam paket pin DIP.
MOC30XX menyediakan 7,5KV penyekat antara LED dan detector
AC(peak)
pada keluaran. Chip detector pada keluaran ini dirancang memicu triac guna mengendalikan beban pada tegangan 115V dan 220V. Chip detector adalah sebuah alat yang berfungsi sama dengan sebuah triac kecil, sinyal yang dihasilkan oleh triac kecil digunakan untuk memicu triac yang besar. MOC30XX memiliki kemampuan untuk mengontrol triac daya besar dengan meminimumkan komponen tambahan.
Macam-macam MOC30XX dapat dilihat pada Tabel 2.1. Pembedaannya adalah berdasarkan blocking tegangan (V DM ) dan arus pemicu (I ).
FT
LED AlGaAs memiliki nominal 1,3V forward drop 10mA dan tegangan balik maksimal 3V. Sedangkan arus maksimal yang dapat dilewatkan adalah 60 mA.
Saat dipicu pada kondisi on, detector akan selalu on sampai drop arus dibawah arus holding (umumnya 100 µA). Setelah itu, detector menjadi
off. Detector dapat dipicu on dengan tegangan melebihi tegangan forward
blocking atau dengan foton dari LED. LED dijamin dapat memicu detector
menjadi on saat arus yang melewati LED sama, atau lebih dari I FT(MAX) . Bentuk MOC3021 dapat dilihat pada Gambar 2.8.
Gambar 2.8. Skema dari MOC30XX.Tabel 2.1. Macam-macam MOC30XX.2.8. Triac
Triac adalah Thyristor dua arah yaitu suatu piranti tiga terminal yang
dapat melewatkan arus dalam kedua arah melalui jalur utamanya. Terminal- terminal arus utama dikenal sebagai terminal utama-1 (T1) dan terminal utama-2 (T2), seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.9. (a).
Gambar 2.9. (a) Simbol Triac, (b) Rangkaian Equivalen Triac.Triac tersusun dari dua buah SCR yang dipasang paralel berkebalikan, seperti pada Gambar 2.9 (b).
SCR ( Silicon Controlled Rectifier) adalah suatu piranti semikonduktor yang hanya dapat melewati arus dalam satu arah. SCR sangat berguna untuk mengendalikan arus DC. Jika dua SCR digabung secara paralel berkebalikan, maka didapatkan suatu pengendali fasa AC dan disebut sebagai triac. Kedua terminal dapat berlaku sebagai katoda dan anoda.
Gambar 2.10. Kurva Karakteristik Triac.Karakteristik dari triac dapat dilihat pada Gambar 2.10. Jika tegangan yang dipasangkan pada gerbang sama dengan nol, maka triac mencegah aliran arus dalam kedua arah dan pada kondisi ini triac berada dalam keadaan blocking. Triac dapat dihidupkan oleh sinyal gerbang positif maupun negatif. Jika terminal T2 adalah positif terhadap T1, maka triac dapat dipicu on oleh suatu pulsa positif yang dipasang pada gerbang. Jika T2 negatif terhadap T1, maka triac akan dapat dipicu on dengan memberikan suatu pulsa negatif yang dipasang pada gerbang.
2.8.1 Zero Point Switching
Zero point switching adalah teknik yang mana triac dipicu on/off
pada periode tertentu. Teknik ini mengurangi turn-on transients dan EMI (elektro-magnetic interference) atau gangguan elektromagnetik. Daya pada beban dikontrol dengan memberikan pecahan dari gelombang sinus penuh pada beban seperti yang terlihat pada Gambar 2.11.
Gambar 2.11. Prinsip Gelombang Sinus dari Teknik Zero-Point Switching.2.9. Penampil LCD
Antarmuka HD44780U dengan mikrokontroler lain dapat dilakukan secara 4 bit dan 8 bit. Untuk pengoperasian 8 bit, dibutuhkan 8 jalur data, yaitu DB0 - DB7 dan untuk pengoprasian 4 bit, dibutuhkan 4 jalur data, yaitu DB4 - DB7. Pengoperasian internal pada layar LCD dikontrol oleh status jalur RS dan R/W.
Langkah pertama sebelum LCD digunakan untuk menampilkan karakter adalah proses inisiasi dan konfigurasi LCD. Proses ini dilakukan dengan mengirimkan beberapa intruksi ke register instruksi pada LCD yang dikontrol oleh jalur RS untuk kemudian dieksekusi oleh kontroler LCD.
2.9.1. DDRAM (Display Data RAM)
DDRAM digunakan untuk menyimpan tampilan data yang akan direpresentasikan dalam bentuk 8 bit kode karakter. DDRAM memiliki kapasitas 80 x 8 bit atau 80 karakter.
2.9.2. CGRAM (Character Generator RAM)
CGRAM merupakan RAM ( Random access Memory) berukuran 64 x 8 bit yang memungkinkan untuk memprogram karakter yang diinginkan.
Namun memori ini akan hilang saat catu daya tidak aktif, sehingga karakter akan hilang.
2.9.3. CGROM (Character Generator ROM)
CGROM merupakan ROM ( Read Only Memory) berukuran 80 x 8 bit yang mampu membangkitkan bentuk dot matrix berukuran 5 x 8 bit maupun 5 x 10 dari 8 bit kode karakter.
CGROM juga merupakan memori untuk menggambar pola sebuah karakter. Pola tersebut sudah ditentukan secara permanen dari HD44780 sehingga pengguna tidak dapat mengubah lagi. Pola karakter tidak akan hilang walaupun catu daya tidak aktif.
2.9.4. PIN LCD Gambar LCD dapat dilihat pada Gambar 2.12.
Gambar 2.12. Tampilan LCD 2x16 karakter.Sedangkan untuk fungsi dari pin-pin LCD dapat dilihat pada Tabel 2.2.
Tabel 2.2. Pin LCD. DB0 sampai DB7 merupakan jalur data yang dipakai untuk menyalurkan kode ASCII maupun perintah-perintah pengatur kerja LCD tersebut. RS (Register Select) dipakai untuk membedakan jenis data yang dikirim ke LCD. Jika RS = 0, maka data yang dikirim adalah perintah untuk mengatur kerja LCD tersebut. Sebaliknya jika RS = 1, maka data yang dikirim adalah kode ASCII yang ingin ditampilkan. R/W merupakan Read /Write. Jika R/W = 0, maka menandakan akan diadakan pengiriman data ke
LCD. Jika R/W = 1, maka menandakan akan diadakan pengambilan data dari LCD. E (Enable) merupakan sinyal sinkronisasi. Saat E berubah dari 1 ke 0, data di DB0 hingga DB7 akan diterima atau diambil dari atau oleh LCD.
2.10. Regulator Tegangan LM7805
Regulator LM7805 ini adalah IC regulator yang dapat menstabilkan tegangan searah positif dengan masukan 8 volt sampai 20 volt. LM7805 dapat mengeluarkan tegangan maksimum 5,35 V apabila dilengkapi peredam pada heat sink yang memadai dan daya kurang atau sama dengan
15 Watt. IC regulator seri LM7805 mempunyai karakteristik sebagai berikut:
a. Menstabilkan tegangan searah positif dengan masukan dari 8 Volt sampai 20 Volt DC.
b. Tegangan keluaran dapat mencapai 5,35 V.
c.
Tidak memerlukan tambahan komponen eksternal.
d. Pembatas arus hubungan singkat internal .
Seri LM7805 dapat diperoleh dalam kemasan TO-22C plastik dan logam. Gambar 2.13. menunjukkan bentuk fisik dari IC LM78xx yang digunakan dan karakteristiknya ditunjukkan dalam Tabel 2.3.
Gambar 2.13. Bentuk fisik dari IC LM78XX.Tabel 2.3. Karakteristik Regulator Tegangan Seri 78XX.Tipe Vout Iout (Ampere) Vin (Volt) (Volt) 78xxC 78Lxx 78Mxx Min Max
7805 5 1 0,1 0,5 7,5 20 7809 9 1 0,1 0,5 11 25 7812 12 1 0,1 0,5 14,8
27 7815 15 1 0,1 0,5 18 30 Penggunaan LM7805 untuk regulasi tegangan ditunjukkan dalam Gambar 2.14. U2 LM7805C/TO220
1
3 IN OUT
D
GN
C_reg_o 4700uF C_reg_i1uF
2 Gambar 2.14. Kapasitor Masukan dan Keluaran Terhadap Regulator LM7805.
Catu daya disusun dari regulator LM7805. Kapasitor masukan digunakan untuk mencegah osilasi dan kapasitor keluaran digunakan untuk memperbaiki tanggapan frekuensi. Fungsi kapasitor masukan dan keluaran terhadap regulator LM7805 adalah untuk memperbaiki respon transient (tanggapan frekuensi) pada tegangan keluaran teregulasi. Nilai yang sering digunakan untuk kapasitor pada pin 3 antara 0,1
μF sampai 1 μF. Sedangkan untuk kapasitor pada pin 1, datasheet regulator seri 78xx menyarankan nilai minimumnya sebesar 0,22 μF.
BAB III PERANCANGAN SISTEM
3.1. Gambaran Umum
Diagram blok perangkat keras yang menggambarkan interkoneksi masing-masing komponen sistem terlihat pada Gambar 3.1.
TRIAC + DRIVER S L E MCU C N HEATER D S
ADC
O
INT
R 220 K Vac E Y
ZERO P CROSSING A D
CATU DAYA
Jalur Data Catu Daya Jalur Kendali 220 Vac Gambar 3.1. Diagram Blok Perangkat Keras Sistem. Data suhu air diambil oleh sensor suhu dan diolah mikrokontroler untuk ditampilkan ke LCD. Pengguna memasukkan suhu yang diinginkan melalui keypad dan suhu masukan pengguna tersebut juga ditampilkan pada LCD. Kemudian pemanas akan mulai dinyalakan setelah pengguna memasukkan nilai suhu yang diinginkan. Ketika suhu yang diinginkan telah dicapai, sistem pengendali ini akan tetap mempertahankan suhu tersebut dan akan berhenti beroperasi jika dihentikan oleh pengguna melalui penekanan tombol cancel.
Komponen utama perangkat keras adalah modul LCD HD47780 sebagai penampil, keypad, rangkaian sistem minimal mikrokontroler ATMega8535, triac BT137 beserta driver-nya MOC3021, rangkaian zero
crossing detector, heater sebagai objek yang dikendalikan, rangkaian sensor suhu serta rangkaian catu daya.
3.2. Perancangan Perangkat Keras
3.2.1. Rangkaian Sistem Minimal Mikrokontroler ATmega8535
Rangkaian sistem minimal terdiri dari beberapa bagian, di antaranya mikrokontroler ATmega8535, rangkaian clock dengan menggunakan kristal 12 MHz, rangkaian reset, rangkaian regulator menggunakan ICLM7805. Soket antarmuka pemrogram digunakan untuk memudahkan pengguna dalam memprogram mikrokontroler. Gambar rangkaian sistem minimal dapat dilihat pada Gambar 3.2.
PB1 PA0 RST AVCC PB2 PD4 PC6 VCC PB6 PC3 PD2 PC2 PB4 C3 10n Tombol Reset SW PUSHBUTTON PB0 C2 22p PB5 PC4 X1 R_Reset 12 MHz 4.7k PB3 PB7 C1 22p C_Reset 10nF
IC1