karya tulis ilmiah - Universitas Udayana Repository

KARYA TULIS ILMIAH
MENGUKLUR TEMPERATUR OTOMATIS MENGGUNAKAN
TERMOKOPEL BERBASIS MIKROKONTROLER
Nyoman Wendri, S.Si., M.Si
I Wayan Supardi, S.Si., M.Si
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS UDAYANA
2015
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN ..........................................................................................ii
ABSTRAK ................................................................................................................... iii
DAFTAR ISI ............................................................................................................... iv
KATA PENGANTAR ..................................................................................................v
BAB I PENDAHULUAN
.......................................................................................1
1.1 Latar Belakang
......................................................................................1
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
...............................................................................2
2.1 Termokopel.................................................................................................2
2.2 Penguat Operasional ..................................................................................2
2.3 Analog to Digital........................................................................................3
2.4 ADC 0804..................................................................................................4
2.5. Mikrokontroler AT89S51...........................................................................4
BAB III METODELOGI PENELITIAN ..................................................................7
1.1 Tempat .......................................................................................................7
1.2 Cara Kerja Alat ...........................................................................................7
1.3 Pembuatan Software ...................................................................................8
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ..............................................................9
4.1 Kalibrasi sensor Termokopel.......................................................................9
4.2 Penganbilan Data .....................................................................................11
4.3 Analisis Data ...........................................................................................11
BAB V KESIMPULAN.............................................................................................13
DAFTAR PUSTAKA................................................................................................. 14
iii
ABSTRAK
Telah dilakukan pengukuran temperatur otomatis menggunakan termokopel
yang berbasis mikrokontroler AT89S51. Alat ukur ini akan bekerja pada jangkauan
pengukuran 0°C sampai 66°C yang mempunyai linieritas sensor sebesar 6,07%. Sensor
termokopel yang digunakan bekerja dengan mendeteksi perubahan temperatur yang
akan menghasilkan perubahan tegangan yang akan dibaca oleh mikrokontroler
AT89S51.
Kata kunci : Termokopel, Mikrokontroler AT89S51, ADC0804, Personal Computer
iv
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena berkat-Nyalah
penyusunan
makalah karya tulis dengan judul : MENGUKLUR
TEMPERATUR
OTOMATIS MENGGUNAKAN TERMOKOPEL BERBASIS MIKROKONTROLER
Terwujudnya Karya tulis ini tidak dapat terlepas dari bantuan berbagai pihak,
sehingga pada kesempatan yang baik ini dengan segala ketulusan hati penulis
menghanturkan terima kasih sedalam-dalamnya kepada yang terhormat :

Bapak Ir. S Poniman,M.Si selaku Ketua Jurusan Fisika pada Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Udayana

Bapak Ida Baugus Made Suaskara,
selaku Dekan Fakultas MIPA
Universitas Udayana

Teman-Teman Dosen Jurusan Fisika di lingkungan Fakultas Matematika
dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Udayana yang telah memberikan
bekal ilmu pengetahuan sehingga makalah ini dapat diselesaikan
Mengingat keterbatasan pengetahuan yang dimiliki, maka penulis menyadari
bahwa makalah Karya tulis ilmiah ini
belum sempurna. Oleh karenanya, pada
kesempatan ini penulis juga senantiasa mengharapkan kritik dan saran yang dapat
membawa kebaikan bagi semua pihak.
Bukit Jimbaran, September 2015
Penulis
V
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pengukuran fisis adalah salah satu langkah dalam akusisi data. Salah satu contoh
besaran fisis adalah temperatur, temperatur yang sering dipakai dalam sistem kontrol.
Temperatur memiliki keterkaitan dengan tegangan di mana setiap kenaikan suhu akan
menyebabkan perubahan karakteristik bahan yang akan menyebabkan kenaikan
tegangan. Tegangan adalah perbedaan potensial listrik antara dua titik. Biasanya
temperatur dan tegangan diukur secara manual dengan menggunakan termometer dan
voltmeter. Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dalam bidang elektronika
maka diperlukan alat penunjang yang serba digital.
Sensor berfungsi untuk mendeteksi adanya perubahan lingkungan fisik atau kimia,
salah satunya adalah sensor suhu yang mendeteksi perubahan temperatur seperti LM35,
termokopel dan yang lainnya.
Sensor suhu dapat dikontrol oleh mikrokontroler
sehingga dapat menampilkan hasil pengukuran secara digital. Salah satu jenis
mikrokontroler
adalah
AT89S51
yang
merupakan
keluaran
Atmel.
Dengan
menggunakan mikrokontroler AT89S51 sebagai pengontrol proses maka penulis
mencoba merancang pencatatan temperatur dan menggunakan termokopel yang
menampilkan data secara digital pada Personal Computer. Pada penelitian ini penulis
menggunakan
termokopel
tipe
K
sebagai
sensor
temperatur
karena
range
pengukurannya cukup besar dan lebih mudah ditemukan di pasaran.
Degan latar belakang diatas penulis ingin melakukan mengukur temperatur
otomatis dengan menggunakan termokopel tipe K berbasis mikrokontroler AT89S51
1
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Termokopel
Termokopel merupakan sensor suhu yang mengubah perbedaan suhu menjadi
perubahan tegangan, hal ini disebabkan karena perbedaan kerapatan yang dimiliki oleh
masing-masing logam dan bergantung pada massa jenis logam. Jika dua buah logam
disatukan pada kedua ujungnya kemudian dipanaskan maka elektron yang mempunyai
kerapatan yang tinggi akan bergerak ke arah logam yang mempunyai kerapatan yang
lebih rendah. Hubungan antara tegangan dengan perubahan suhu hampir linier dalam
rentang suhu tertentu.
Dari berbagai macam termokopel, termokopel tipe K yang paling baik digunakan
dalam pengukuran tenperatur karena Termokopel tipe K terdiri dari 90% nikel dan 10%
alumel. Alumel terdiri dari 95% nikel, 2% mangan, 2% aluminium dan 1% silikon.
Termokpel tipe K umumnya digunakan untuk penelitian dengan sensitvitas yang relatif
besar dibandingkan dengan sensor termokopel lainnya yaitu sebesar 40,6 µV/°C.
Termokopel tipe K mengalami ketidaklinieran antara output tegangan dengan suhu pada
sekitar suhu 150°C. Untuk rentang pengukuran yang kecil hubungan antara suhu dengan
tegangan bersifat linier. Selain itu termokopel tipe K relatif lebih murah dan mudah
ditemukan di pasaran, oleh karena itu dalam penelitian ini saya menggunakan
termokopel tipe K. (www.wfunda.com/desingstandards/sensors/thermocouple)
2.2. Penguat Operasional (Op Amp)
Penguat operasional adalah rangkaian terpadu yang berfungsi memperkuat sinyal
arus searah maupun arus bolak-balik dan memiliki lima buah terminal dasar seperti
diperlihatkan dalam Gambar 2.1
Gambar 2.1 Op-Amp [Arifin, Jaenal, 2009]
2
3
Berdasarkan cara penggunaanya penguat operasional ada dua jenis yaitu penguat linier
dan penguat tidak linier. Penguat linier adalah penguat yang mempertahankan bentuk
sinyal masukan seperti penguat instrumentasi, diferensial, tak membalik, dan membalik
sedangkan Penguat tak linear merupakan penguat yang sinyal keluarannya berbeda
dengan sinyal masukannya seperti komparator, integrator, dan diferensiator
Penguat Instrumentasi merupakan penguat serbaguna yang terdiri dari penguat
diferensial dan penguat penyangga. Rangkaian penguat instrumentasi terdiri dari tiga
penguat operasional dan tujuh tahanan seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.2
Gambar 2.2 Op-Amp Instrumentasi [Arifin, Jaenal, 2009]
Besarnya tegangan keluaran ditunjukkan oleh persamaan (2.1)
(2.1)
Dimana :
Vo = tegangan keluaran (Volt)
V1 = tegangan masukan 1 (Volt)
V2 = tegangan masukan 2 (Volt)
a = penguatan pada potensiometer R
Untuk mengatur besarnya tegangan keluaran maka kita dapat mengubah nilai a
2.3. Analog to Digital Converter (ADC)
4
ADC adalah suatu rangkaian yang berfungsi untuk mengubah sinyal analog
menjadi sinyal digital, biasanya sinyal analog tersebut berupa tegangan. ADC dapat
menganalisa sinyal- sinyal yang diakibatkan oleh suhu, tekanan, kecepatan angin, berat
benda dan lain-lain. Ketelitian sebuah ADC ditentukan oleh jumlah bit keluarannya.
Makin besar jumlah bit keluaran, makin tinggi ketelitiannya. Jika jumlah bit keluaran
adalah n maka ketelitiannya adalah : (Resia,1997)
(2.2)
Waktu konversi merupakan waktu yang diperlukan oleh ADC untuk mengubah
tegangan menjadi kombinasi bit.
Chip ADC yang banyak digunakan dan ditemukan di pasaran adalah ADC jenis
0804, 0808, dan 0809 yang dibuat dengan teknologi CMOS dan data keluarannya
adalah data digital 8 bit. Keistimewaan dari chip ADC ini adalah kecepatan konversi
yang cukup tinggi dan konsumsi daya yang rendah.
2.4. ADC 0804
ADC 0804 termasuk dalam tipe SAR yang memiliki waktu konversi 100 μs.
ADC 0804 memiliki dua prinsip dalam melakukan konversi diantaranya free running
dan mode control. ADC 0804 memiliki 20 pin seperti terlihat dalam Gambar 2.3
Gambar 2.3. Pin-Pin ADC 0804 [Datasheet ADC0804]
5
2.4 Mikrokontroler AT89S51
Mikrokontroler MCS-51 adalah buatan Atmel dengan dua versi yaitu versi 20 pin
dan versi 40 pin yang dilengkapi dengan Flash Programble Erasable Read Only
Memory (Flash PEROM) sebagai media memori program dan susunan kaki kedua IC
tersebut sama tiap versinya. Salah satu versi 40 kaki dari mikrokontroler MCS-51
adalah mikrokontroler AT89S51. Mikrokontroler bekerja pada frekuensi antara 4 MHz 40 MHz. (Budiharto, Widodo, 2005).
Beberapa karakteristik dari mikrokontroler AT89S51 adalah :
1) Memiliki 4 kB Flash PEROM yang dapat digunakan untuk menyimpan
program. Flash dapat ditulis dan dihapus sebanyak 1000 kali.
2) Tegangan operasi dinamis dari 4,5 - 5,5 volt.
3) Operasi clock dari 0-33 MHz.
4) Memiliki internal RAM 128x8 bit.
5) Memiliki I/O 32 line.
6) 2 buah timer/counter 16 bit.
7) Menagani 6 sumber interupsi
8) Memiliki port parallel.
Pin-pin dari mikrokontroler AT89S51 seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Pin-Pin Mikrokontroller AT89S51 [datasheet AT89S51]
Penjelasan masing-masing pin dari mikrokontroler AT89S51 yaitu :
1. Pin 1-8 Merupakan port 1 (P1.0 - P1.7) yang menjadi saluran
input/output 8 bit dua arah.
6
2. Pin 9 (Reset). Pin ini berfungsi untuk mereset mikrokontroler AT89S51
kembali kekondisi awal.
3. Pin 10-17 Merupakan
port 3 (P3.0-P3.7) yang menjadi saluran
input/output 8 bit dua arah, selain itu port 3 juga memiliki alternative.
4. Pin 18 (X2) Sebagai input ke rangkaian osilator internal
5. Pin 19 (X1) Sebagai input ke rangkaian osilator internal.
6. Pin 20 Merupakan ground sumber tegangan.
7. Pin 21-28 Merupakan port 2 (P2.0 - P2.7) yang menjadi saluran
input/output 8 bit dua arah.
8. Pin 29 Program Store Enable (PSEN) sebagai sinyal pengontrol yang
berfugsi untuk membaca program dari memori eksternal.
9. Pin 30 Addres Latch Enable (ALE) yang berfungsi menahan sementara
alamat byte rendah pada proses pengalamatan ke memori eksternal.
10. Pin 31 External Acces Enable (EA) merupakan pin untuk pilihan
program, menggunkan program internal atau eksternal.
11. Pin 32-39 Merupakan port 0 (P0.0 - P0.7) yang menjadi saluran
input/output 8 bit dua arah, dapat juga berfungsi sebagai jalur data dan
jalur alamat apabila mikrokontroler menggunakan memori luar
(eksternal).
12. Pin 40 Merupakan sumber tegangan positif (Vcc).
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1.Tempat
Penelitian dilakukan di laboratorium Fisika Instrumentasi Elektonika dan Komputer
Jurusan Fisika, FMIPA Universitas Udayana.
3.2. Cara Kerja Alat
Rangkaian pencatatan temperatur otomatis menggunakan termokopel berbasis
mikrokontroler AT89S51 ditunjukkan pada Gambar 3.1
10K
AT89S51
10K
LM324
10K
220K
0,047 F
ADC 0804
22Ω
Vcc
12MHz
MAX232
Gambar 3.1. Rangkaian Sistem Sensor Otomatis Suhu dan Tegangan
Berbasis Mikrokontroler AT89S51
Penelitian ini menggunakan Sensor Termokopel tipe K yang dikendalikan oleh
mikrokontroler AT89S51. Termokopel tipe K merupakan sensor yang bekerja
berdasarkan perubahan panas dan mengalami gradiasi suhu serta perubahan tegangan.
Perubahan tegangan akan dibaca oleh penguat dan dikirim ke ADC 0804 kemudian
diinputkan ke mikrokontroler AT89S51 melalui port 2. Pada mikrokontroler, perubahan
tegangan ini selain dikondisikan sebagai tegangan juga dikondisikan sebagai
temperatur. Keluaran dari mikrokontroler AT89S51 dikirim ke PC melalui port 3 untuk
7
8
dapat diproses sebagai data temperatur dan tegangan. Untuk menampilkan data
temperatur dan tegangan pada PC digunakan program Visual Basic 6
3.3 Pembuatan Software
Perangkat lunak sangat diperlukan dalam menunjang kemampuan mikrokontroler
dalam mengendalikan perancangan pencatatan otomatis temperatur. Perangkat lunak
yang digunakan dalam mikrokontroler adalah bahasa assembler. Diagram alir dari
perancangan pencatatan otomatis temperatur menggunakan termokopel ditunjukkan
dalam Gambar 3.2
Gambar 3.2 Diagram Alir Perangkat Lunak pada Mikrokontroler AT89S51
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Kalibrasi Sensor Temperatur
Adanya perubahan temperatur menyebabkan perubahan tegangan. Sebelum
dilakukan pengambilan data, sebagai langkah awal dari penelitian ini dilakukan
kalibrasi untuk menguji sensor temperatur dengan menggunakan es untuk menetapkan
titik bawah 0°C dengan menggunakan referensi termometer digital.
Langkah-langkah kalibrasi adalah sebagai berikut :
1. Letakkan es dalam heater, lalu ujung termometer digital dan sensor termokopel
diletakkan dalam heater.
2. Setelah semua siap maka rangkaian dihubungkan dengan sumber tegangan.
3. Temperatur yang ditampilkan oleh termometer digital dan Personal Computer
dicatat.
4. Setelah didapatkan data kalibrasi maka dibuat grafik hubungan antara
temperatur yang ditampilkan oleh termometer digital dengan temperatur yang
ditampilkan oleh Personal Computer.
Dari data yang diperoleh dibuat grafik hubungan antara kedua besaran dengan
menggunakan persamaan regresi linier yaitu :
y = ax + b
(4.1)
dengan :
y = tampilan suhu sensor pada Personal Computer (°C)
x = suhu termometer (°C)
maka a dan b dapat dicari dengan menggunakan persamaan regresi linier menurut
persamaan
(4.2)
(4.3)
Linieritas dari sensor dapat dicari dengan menggunakan persamaan 4.4
(4.4)
9
10
Dari data hasil kalibrasi dengan menggunakan persamaan 4.2 dan 4.3 maka diperoleh
konstanta a dan b sebagai berikut :
a = 0,197
b = 5,393
sehingga persamaan garis lurusnya menjadi :
y = 0,197x + 5,393
dengan tampilan grafik sebagai berikut :
Gambar 4.1. Grafik Perbandingan Temperatur pada Termometer dan Sensor Termokopel
Sedangkan untuk nilai linieritas sensor adalah
y maks  0,7785
y maks  18,395
y min  5,4127
linieritas 
0,7885
x100%
18,395  5,4127
 0,0607 x100%
 6,07%
11
Berdasarkan perhitungan linieritas sensor diperoleh nilai linieritas yang cukup
besar yaitu 6,07%. Dengan nilai linieritas dibawah 10% menunjukkan bahwa sensor
termokopel dengan temometer digital hampir linier.
4.2. Pengambilan Data
Setelah sensor dikalibrasi, lalu dilakukan pengambilan pencatatan temperatur.
Sensor termokopel berfungsi untuk mengubah temperatur menjadi tegangan yang
merupakan data analog. Rangkaian ADC diperlukan untuk mengubah keluaran sensor
termokopel yang berupa data analog menjadi data digital. Data yang diinputkan pada
ADC 0804 yaitu berupa tegangan analog yang dikuatkan oleh penguat instrumentasi.
Data analog ini diubah menjadi data digital oleh ADC dan diinputkan ke mikrokontroler
melalui port 2. Setelah diproses oleh mikrokontroler AT89S51 maka data ini
ditampilkan pada PC berupa suhu dan tegangan dengan menggunakan program Visual
Basic .
4.3. Analisis Data
Karena temperatur dinyatakan dalam bentuk tegangan listrik, maka dicari hubungan
antara kedua besaran tersebut merupakan hubungan polynomial sesuai dengan grafik
berikut :
Gambar 4.2. Grafik Hubungan antara Temperatur dan Tegangan
12
Berdasarkan grafik diatas besarnya perubahan suhu dengan tegangan
menunjukkan hubungan yang hampir linier, karena besarnya kenaikan temperatur
hampir sama dengan kenaikan tegangan.
BAB V
KESIMPULAN
5.1 Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat diambil dalam penelitian yang telah dilakukan adalah
hasil pengukuran dengan menggunakan temperatur otomatis menggunakan termokopel
tipe K memiliki range pengukuran 0°C-66°C dengan linieritas sensor sebesar 6,07%..
Sensor termokpel dapat digunakan sebagai alat pencatat temperature otomatis dengan
bantuan penguat intrumentasi,
13
DAFTAR PUSTAKA
Arifin, Jaenal. 2009. Sistem Akuisisi Data Suhu Menggunakan Mikrokntroler
AT89S51. Semarang : Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas
Diponegoro.
Blocher, Richard. 2003. Dasar Elektronika. Yogyakarta : Andi
Budiharto, Widodo. 2005. Perancangan Sistem dan Aplikasi Mikrokontroler. Jakarta :
Gramedia.
Muhsin, Muhammad. 2004. Elektronika Digital. Yogyakarta : Andi
Resia. 1997. Sistem Pencatat Temperatur Otomatis Menggunakan Komputer Pribadi.
Badung : Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Udayana.
Sari, Kartika Sekar. 2005. Perancangan Sistem Elektronika. Jakarta : UMB.
www.wfunda.com/designstandards/sensors/thermocouples/thmeple_intro.cfm. [diakses
tanggal 21 Mei 2009 ].
14