dry box cabinet - digilib POLBAN

 DRY BOX CABINET
2012
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Mikrokontroler
Mikrokontroler adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai
masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus
dengan cara khusus, cara kerja mikrokontroler sebenarnya membaca dan menulis
data. Mikrokontroler merupakan komputer di dalam chip yang digunakan untuk
mengontrol
peralatan elektronik, yang menekankan efisiensi dan efektifitas biaya.
Secara
harfiahnya bisa disebut “pengendali kecil” dimana sebuah sistem
elektronik
yang
sebelumnya
banyak
memerlukan
komponen-komponen
pendukung seperti IC TTL dan CMOS dapat direduksi/diperkecil dan akhirnya
terpusat serta dikendalikan oleh mikrokontroler ini. Dengan penggunaan
mikrokontroler ini maka:
1. Sistem elektronik akan menjadi lebih ringkas.
2. Rancang bangun sistem elektronik akan lebih cepat karena sebagian besar
dari sistem adalah perangkat lunak yang mudah dimodifikasi.
3. Pencarian gangguan lebih mudah ditelusuri karena sistemnya yang kompak.
2.2
Mikrokontroler ATMega16
Mikrokontrol ATMega16 merupakan seri mikrokontrol buatan Atmel,
berbasis arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer) yang hampir semua
instruksi dieksekusi dalam satu sistem clock. Selain itu terdapat 32 register
general purpose, timer/counter fleksibel dengan mode compare, intrrupt internal
dan eksternal, serial UART, progammable watchdog timer, dan power setting,
ADC dan PWM internal.
2.1.1 Spesifikasi Mikrokontroler ATMega16
Berikut merupakan beberapa spesifikasi AMega16:
1. Arsitektur RISC dengan thoughtput mencapai 16 MIPS pada frekuensi 16
Mhz
POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara
4
DRY BOX CABINET
2012
2. Memiliki kapasitas flash memory 16 Kbyte, EEPROM 512 Byte dan Sram
1 Kbyte
3. Saluran port I/O sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C dan Port D
4. CPU yang terdiri atas 32 register
5. User interupsi internal dan eksternal
6. Port USART sebagai komunikasi serial
7. Konsumsi daya rendah (DC5V)
8. Fitur peripheral yang terdiri dari:
a. 2 buah counter/timer 8 bit dengan Prescaler terpisah dan Mode
Compare
b. 1 buah counter/timer 16 bit dengan Prescaler terpisah, Mode Compare
dan Mode Capture
c. 4 channel PWM
d. 8 channel, 10 bit ADC
-
8 Single-ended Channel
-
7 Differential Channel hanya pada kemasan TQFP
-
2 Differential Channel dengan Progammable Gain 1x, 10x atau
200x.
e. Byte-oriented Two-wire Serial Interface
f. Antarmuka SPI
g. Watchdog timer dan osilator internal
h. On chip analog comparator.
2.2.1
Konfigurasi Pena (Pin) ATMega16
Konfigurasi pin ATMega16 dengan kemasan 40 pin DIP (Dual In-Line
Package) dapat dilihat pada Gambar 2.1. Dari Gambar 2.1 dapat dijelaskan
masing-masing fungsi dari pin ATmega16 sebagai berikut:
1. Vcc merupakan pin yang berfungsi sebagai masukan catu daya.
2. GND merupakan pin Ground
3. Port A (PA0…7) merupakan pin input/output dua arah dan pin
masukan ADC
POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara
5
DRY BOX CABINET
2012
4. Port B (PB0…7) merupakan pin input/output dua arah dan pin dengan
fungsi khusus seperti SPI, MISO, MOSI, SS, AIN1/OC0, AIN0/INT2,
T1, T0, TI/XCK
5. Port C (PC0…7) merupakan pin input/output dua arah dan pin dengan
fungsi khusus seperti TOSC2, TOSC1, TDI, TD0, TMS, TCK, SDA,
SCL
6. Port D (PD0…7) merupakan pin input/output dua arah dan pin dengan
fungsi khusus seperti RXD, TXD, INT0, INT1, OC1B, OC1A, ICP1
7. RESET merupakan pin yang digunakan untuk me-reset mikrokontroler
8. XTAL1 dan XTAL2 merupakan pin masukan clock eksternal
9. AVCC merupakan pin masukan tegangan untuk ADC
10. AREF merupakan pin masukan tegangan referensi ADC.
Gambar 2.1 Konfigurasi Pin ATMega16
2.3
SHT 11
SHT 11 adalah sebuah single chip sensor suhu dan kelembaban relatif
dengan multi modul sensor yang output-nya telah dikalibrasikan secara digital. Di
bagian dalamnya terdapat kapasitif polimer sebagai elemen untuk sensor
kelembaban relatif dan sebuah pita regangan yang digunakan sebagai sensor
temperatur. Output kedua sensor digabungkan dan dihubungkan pada ADC 14 bit
dan sebuah interface serial pada satu chip yang sama. Sensor ini menghasilkan
sinyal keluaran yang baik dengan waktu respon yang cepat. SHT 11 dikalibrasi
POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara
6
DRY BOX CABINET
2012
pada ruangan dengan kelembaban yang teliti menggunakan hygrometer sebagai
referensinya. Koefisien kalibrasinya telah di programkan kedalam OTP memory.
Koefisien tersebut akan digunakan untuk mengkalibrasi keluaran dari sensor
selama
proses pengukuran. SHT 11 membutuhkan supply tegangan 2.4 sampai 5,5
volt. SCK (Serial Clock Input) digunakan untuk mensinkronkan komunikasi
antara mikrokontroller dengan SHT11. DATA (Serial Data) digunakan untuk
transfer data dari dan ke SHT 11. Berikut spesifikasi sensor SHT11:
 Suhu:
Terkalibrasi
: Celcius dan Fahrenheit
Daerah pengukuran
: (-40) – 123.8) °C
Akurasi
: ±0.4°C
 Kelembaban:
Terkalibrasi
: % RH
Daerah pengukuran
: (0-100)%
Akurasi
: ±3%
Tegangan sumber
: 2.4 V – 5.5 V
Output
: Serial dua jalur (two-wires serial)
Tersambung dengan kabel serat yang terbungkus GND (Ground) sepanjang 500
mm dengan female-connector pada ujung kabel.
Gambar 2.2 Sistem Sensor Kelembaban dan Temperatur
Sensor SHT11 ini mempunyai satu jalur data yang digunakan untuk perintah
pengalamatan dan pembacaan data. Pengambilan data untuk masing-masing
pengukuran dilakukan
dengan memberikan
perintah pengalamatan oleh
mikrokontroler. Port B pin 0 (PinB.0) mikrokontroler memberikan perintah
POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara
7
DRY BOX CABINET
2012
pengalamatan pada pin Data SHT11 00000101 untuk pengukuran kelembaban
relatif dan 00000011 untuk pengukuran temperatur. SHT 11 memberikan keluaran
data kelembaban dan temperatur pada pin Data secara bergantian sesuai dengan
clock
yang diberikan oleh mikrokontroler pada port B pin 1 (PinB.1) agar sensor
dapat
bekerja. Sensor SHT 11 memiliki ADC (Analog to Digital Converter) di
dalamnya sehingga keluaran data SHT11 sudah terkonversi dalam bentuk data
kemudian ditampilkan nilainya pada LCD.
2.4
Liquid Crystal Display ( LCD )
LCD display module 20x2 terdiri dari dua bagian, yang pertama merupakan
LCD sebagai media penampil informasi dalam bentuk huruf atau angka dua
panel
baris, masing-masing baris bisa menampung 20 huruf atau angka. Bagian kedua
merupakan sebuah sistem yang dibentuk dengan mikrokontroler yang ditempel
dibalik panel LCD,
sistem lain cukup mengirimkan kode-kode ASCII dari
informasi yang ditampilkan. Berikut ini pin konfigurasi dari LCD 20x2:
Gambar 2.3 Konfigurasi Pin LCD 20x2
Berikut penjelasan dari pin LCD 20 x 2:VSS = GND
1. VDD = Tegangan suplai positif 5 Volt
2. Vo = Tegangan untuk mengatur kontras dari tampilan karakter
3. RS (Regester Select)
4. R/W (1=Read, 0=Write).
5. E = pin 4 (RS) – pin 6 (E) digunakan untuk aktivasi LCD
6. D0
7. D1
8. D2
POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara
8
DRY BOX CABINET
2012
9. D3
10. D4
11. D5
12. D6
13. D7 = pin 7 (D0) – pin 14 (D7) digunakan untuk komunikasi data parallel
dengan pengendali
14. Anoda LED Backlight LCD
15. Katoda LED Backlight LCD.
2.5 Relay
Relay adalah komponen elektronika berupa saklar elektronik yang
digerakkan oleh arus listrik. Secara prinsip, relay merupakan tuas saklar yang
digerakan oleh gaya magnet yang timbul dari lilitan kawat pada batang besi
(solenoid). Ketika solenoid dialiri listrik maka akan timbul gaya magnet yang
akan menarik saklar sehingga akan menutup dan ketika arus dihentikan maka
posisi saklar akan kembali seperti semula.
Gambar 2.4 Relay
Kontak penghubung relay terdiri dari 2 bagian yaitu:
1. Kontak NC (Normally Close)
Kontak penghubung dalam kondisi menutup atau terhubung bila relay tidak
mendapat masukan tegangan pada kumparannya. Tetapi bila diberi tegangan
yang mencukupi pada kumparannya maka kontak penghubung menjadi
terbuka (kondisi awal sebelum diaktifkan close).
POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara
9
DRY BOX CABINET
2012
2. Kontak NO (Normally Open)
Kontak penghubung dalam kondisi terbuka bila relay tidak mendapat
tegangan pada kumparannya. Tetapi bila diberikan tegangan yang mencukupi
pada kumparannya maka kontak penghubung menjadi tertutup atau terhubung
(kondisi awal sebelum diaktifkan open).
3. Common
Kontak ini digunakan untuk dihubungkan antara NC atau NO. Jika relay yang
digunakan adalah NO maka dapat dihubungkan antara NO dengan Common,
dan jika relay yang dibutuhkan adalah NC maka dapat dihubungkan antara
NC dengan Common.
Berdasarkan jumlah kutub pada relay, maka relay dibagi menjadi 4 jenis:

SPST

SPDT = Single Pole Double Throw

DPST = Double Pole Single Throw

DPDT = Double Pole Double Throw
= Single Pole Single Throw
Pole adalah jumlah COMMON, sedangkan throw adalah jumlah terminal output
(NO dan NC). Untuk lebih memahami, dapat dilihat pada gambar 2.5.
Gambar 2.5 Skematik Tipe-Tipe Relay
1) Relay SPST (Single Pole Single Through )
Relay dengan satu induk saklar dengan satu saluran kontak (normally
closed).
POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara
10
DRY BOX CABINET
2012
2) Relay DPST (Double Pole Single Through)
Sama seperti SPST tetapi mempunyai dua buah saklar terpisah yang
bekerjanya serentak/bersamaan dan satu saluran kontak (normally closed)
untuk tiap saklar.
3) Relay SPDT (Single Pole Double Through)
Merupakan
relay
yang
mempunyai
satu
induk
saklar
untuk
menghubungkan dua saluran kontak (normally closed dan normally open)
yang dihubung bergantian.
4) Relay DPDT (Double Pole Double Through)
Sama seperti SPDT tetapi mempunyai dua buah saklar terpisah yang
bekerja serentak dan dua saluran kontak (normally closed dan normally
open) untuk tiap saklar.
2.6
Pemrograman C
Bahasa C dikatakan sebagai bahasa pemrograman terstruktur,
karena
strukturnya menggunakan fungsi-fungsi sebagai program-program bagian (sub
rutin). Fungsi utama yang pertama kali diproses adalah fungsi yang bernama
“main()”, selain itu adalah merupakan fungsi-fungsi bagian yang dapat ditulis
setelah fungsi “main()” atau diletakan di file pustaka (library).
Adapun struktur bahasa C sebagai berikut:
#include < file-file header> /* directive #include digunakan jika mengambil fungsifungsi libarary*/
main() /* fungsi utama sbg awal dimulainya pemrosesan program */
{
}
/*blok awal*/
/*blok akhir*/
Fungsi-fungsi lain()
{statemen-statemen
}
POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara
11
DRY BOX CABINET
2012
2.7
Termoelektrik (TEC)
Teknologi termoelektrik bekerja dengan mengonversi energi panas menjadi
listrik secara langsung (generator termoelektrik), atau sebaliknya, dari listrik
menghasilkan
dingin (pendingin termoelektrik). Untuk menghasilkan listrik,
material
termoelektrik cukup diletakkan sedemikian rupa dalam rangkaian yang
menghubungkan sumber panas dan dingin. Dari rangkaian itu akan dihasilkan
sejumlah listrik sesuai dengan jenis bahan yang dipakai.
Pendingin termoelektrik merupakan solid state technology yang bisa
menjadi alternatif pendingin selain sistem kompresi uap. Dibandingkan
dengan
teknologi kompresi uap yang masih menggunakan refrigeran sebagai
media penyerap panas, teknologi pendingin termoelektrik relatif lebih ramah
lingkungan, tahan lama, dan bisa digunakan dalam skala besar. Pendingin
termoelektrik ini mempunyai kemampuan mendinginkan dan memanaskan
sekaligus dimana perubahan polaritas tegangan akan membalikkan fungsi dari
panas ke dingin dan sebaliknya. Jika sebuah elemen termoelektrik dialiri arus
listrik DC maka kedua sisi elemen ini akan menjadi panas dan dingin. Sisi dingin
inilah yang dimanfaatkan sebagai pendingin udara ruangan dry box dengan
bantuan heatsink dan fan. Dengan demikian tidak diperlukan kompresor
seperti halnya
di
mesin-mesin
pendingin
konvensional,
sehingga
tidak
menimbulkan suara bising.
2.7.1
Sejarah Perkembangan Termoelektrik (TEC)
Fenomena termoelektrik pertamakali ditemukan oleh Thomas Johann
Seebeck pada tahun 1821 seorang ilmuwan yang berkebangsaan Jerman. Ia
menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian, dimana salah satu sisi
logam tersebut dipanaskan dan sisi logam yang lainnya didinginkan.
Ternyata perbedaan temperatur
yang terjadi menyebabkan adanya aliran
listrik. Fenomena tersebut kemudian dikenal dengan efek Seebeck, yang
kemudian digunakan sebagai prinsip pengukuran temperatur dengan termokopel.
Kemudian pada tahun 1834, seorang pembuat jam dan fisikawan paruh
waktu bernama Jean Charles Athanase Peltier, ketika meneliti efek Seebeck
menemukan bahwa ada fenomena kebalikan.
POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara
12
DRY BOX CABINET
2012
Jika arus listrik searah dialirkan pada suatu rangkaian tertutup yang
terdiri dari sambungan dua material logam yang berbeda, maka terjadi
penyerapan panas pada sambungan logam tersebut dan pelepasan panas pada
sambungan
yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini saling berbalik
begitu
arah arus dibalik. Ini kemudian dikenal dengan efek Peltier. Pada
tahun 1854, William Thomson atau lebih dikenal Lord Kelvin, memberikan
penjelasan yang lebih lengkap dari Efek Seebeck dan Efek Peltier, serta
menggambarkan hubungan timbal balik keduanya.
2.7.2
Prinsip Kerja Termoelektrik (TEC)
Sebuah modul termoelektrik tersusun dari pasangan-pasangan balok
semikonduktor (thermocouple) berbahan Bismuth Telluride yang telah diberi
impurities (doped). Semikonduktor Tipe-N telah diberi impurities oleh bahanbahan yang memberikan elektron tambahan, sehingga jumlah elektronnya menjadi
berlebih. Sebaliknya pada semikonduktor Tipe-P yang telah diberi impurities
bahan-bahan yang mengurangi jumlah elektron, sehingga terdapat lubang-lubang
(holes) yang nantinya akan menerima elektron dari Tipe-N. Ketika terjadi beda
potensial, elektron-elektron yang mengalir dari semikonduktor tipe-P ke tipe-N
akan menyerap energi kalor dari sisi dingin. Ketika elektron-elektron mengalir
dari semikonduktor tipe-N ke tipe-P akan dilepaskan energi kalor ke sisi panas.
Sehingga daerah di sekitar sambungan dingin akan menjadi dingin dan daerah di
sekitar sambungan panas harus diberikan alat penukar kalor agar modul tidak
rusak akibat overheating.
Prinsip kerja pendingin termoelektrik berdasarkan efek Peltier, yaitu
ketika arus DC dialirkan ke elemen Peltier, maka salah satu sisi elemen
Peltier menjadi dingin (panas diserap) dan sisi lainnya menjadi panas (panas
dilepaskan), seperti pada Gambar 2.6
POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara
13
DRY BOX CABINET
2012
Gambar 2.6 Susunan Elemen Peltier
Hal yang menyebabkan sisi dingin elemen Peltier menjadi dingin adalah
adanya
aliran elekton dari tingkat energi yang lebih rendah pada semikonduktor
tipe-P, ke tingkat energi yang lebih tinggi yaitu semikonduktor tipe-N. Supaya
elektron tipe P yang mempunyai tingkat energi yang lebih rendah dapat mengalir
maka elektron menyerap energi yang mengakibatkan sisi tersebut menjadi dingin.
Gambar 2.7 Termoelektrik Sisi Dingin
Sebaliknya pada sambungan sisi panas, elektron mengalir dari tingkat
energi yang lebih tinggi (semikonduktor tipe-N) ke tingkat energi yang lebih
rendah (semikonduktor tipe-P). Agar elektron dapat mengalir ke semikonduktor
tipe-P, kelebihan energi pada tipe-N dibuang ke lingkungan, sehingga sisi tersebut
menjadi panas.
Gambar 2.8 Termoelektrik Sisi Panas
POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara
14
DRY BOX CABINET
2012
Berdasarkan Gambar 2.7, elektron mengalir dari semikonduktor pada tipe
P yang kekurangan energi, menyerap panas pada bagian yang didinginkan
kemudian mengalir ke semikonduktor tipe N. Semikonduktor tipe N yang
kelebihan
energi membuang energi tersebut ke lingkungan dan mengalir ke
semikonduktor
tipe P dan seterusnya.
2.7.3
Sistem Pendingin Termoelektrik
Bagian penting dari sebuah sistem pendingin termoelektrik adalah
alat penukar panas (heat exchanger), seperti heatsink, heatpipe, dan sebagainya.
Bagian ini mutlak
dipertahankan
diperlukan,
konstan,
sebab
jika
sisi
panas
peltier
dapat
maka sisi dingin dari elemen peltier akan mampu
menyerap panas secara konstan pula. Sistem
pendingin
termoelektrik
memerlukan heatsink yang berfungsi untuk menyerap panas pada sisi dingin
elemen peltier dan membuang panas pada sisi panas peltier. Susunan dasar sistem
pendingin termoelektrik setidaknya terdiri dari elemen peltier dan heatsink baik
pada sisi dingin elemen peltier maupun pada sisi panas peltier, seperti pada
Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Susunan Dasar Sistem Termoelektrik
Bagian yang akan didinginkan dapat langsung dihubungkan dengan
sisi dingin elemen peltier. Dapat juga dihubungkan terlebih dahulu dengan
alat penukar panas sebelum dihubungkan dengan sisi dingin elemen peltier.
Alat penukar panas tersebut dapat berupa fluida atau dengan konveksi udara.
Sedangkan panas yang dihasilkan pada sisi panas elemen peltier juga dapat
POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara
15
DRY BOX CABINET
2012
disalurkan ke lingkungan melalui udara baik secara alami maupun konveksi paksa
atau dengan media pendingin air maupun fluida lainnya
Alat penukar panas ini dapat divariasikan penggunaannya seperti yang
terlihat
pada Gambar 2.10. Penyusunan sistem pendingin termoelektrik ini
bergantung
pada media penukar panas yang digunakan. Media penukar
panas dapat berupa zat gas/udara, cair, dan padat.
Gambar 2.10 Jenis Susunan Sistem Termoelektrik
Jenis susunan sistem pendingin termoelektrik yang penulis gunakan pada
aplikasi dry box yaitu aplikasi untuk media zat gas/udara, sehingga di kedua sisi
termoelektrik yaitu untuk sisi dingin dan sisi panas menggunakan heat sink untuk
transfer kalor yang dilakukan oleh termoelektrik dengan bantuan oleh fan.
POLBAN l Teknik Refrigerasi dan Tata Udara
16