1 RANCANG BANGUN PENGONTROL SUHU

RANCANG BANGUN PENGONTROL SUHU OTOMATIS PADA SISTEM PEMANAS DAY OLD
CHICKEN (DOC)BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA8
1)Nia
1)Program
Syafitri, 1)Yudha Arman, 1)Boni Pahlanop Lapanporo
Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Tanjungpura, Pontianak
Email : c_nia32@yahoo,com
Abstrak
Telah dirancang dan dibuat sistem pengontrol suhu tempat perkembangbiakan DOC berbasis
mikrokontroler ATMega8. Sistem kontrol ini dapat mengendalikan suhu tempat perkembangbiakan
DOC dengan setting suhu 32 °C dan 35 °C. Mikrokontroler ATMega8 digunakan sebagai pengontrol
sistem dan sensor suhu DS1822 sebagai pendeteksi suhu. Tampilan informasi suhu akan
ditampilkan oleh LCD (Liquid Crystal Display) 16x2. Sistem ini menerapkan kontroler PI
(Proporsional Plus Integral) dalam mengontrol kondisi suhu tempat perkembangbiakan DOC, agar
tetap stabil di suhu 32 °C dan 35 °C. Dari hasil pengujian sistem secara keseluruhan didapatkan nilai
konstanta kontroler PI berupa Kp dan Ki sebesar 100 dan 0,8, dapat menjaga kestabilan pada suhu
35 °C, namun pada suhu 32 °C menghasilkan error sebesar ± 0,06 °C. Hal ini dikarenakan pada saat
pengujian, suhu sistem hampir mendekati suhu ruangan yaitu sebesar 28,5 °C.
Kata Kunci: Mikrokontroler ATMega8, Sensor Suhu DS1822, Kontroler PI
1. Pendahuluan
Suhu ideal dalam pembudidayaan anak
ayam atau DOC (Day Old Chicken) umur 1
(satu) hari sampai dengan 2 (dua) minggu
adalah 35 °C dan 32 °C (Sukardi, 2001).
Kondisi ini tidaklah mudah untuk dicapai
karena perubahan cuaca pada lingkungan ikut
berpengaruh terhadap perubahan suhu
lingkungan dalam tempat perkembangbiakan
DOC. Ketidakstabilan perubahan suhu inilah
yang dapat menjadi salah satu penyebab
kematian DOC.
Upaya yang dilakukan peternak DOC
dalam mengatasi kendala tersebut adalah
membuat alat pemanas buatan secara manual.
Alat pemanas ini berupa pembatas indukan
dari bahan seng setinggi 45 cm sampai dengan
50 cm. Sumber pemanas yang digunakan
berupa listrik, minyak tanah dan gas LPG
(Anita dan Widagdo, 2011). Upaya ini cukup
mengurangi tingkat kematian DOC, namun
terdapat kendala dari segi efisiensi sumber
pemanas yang dipilih. Efisiensi dapat
ditingkatkan dengan menerapkan sistem
kontrol pada penggunaan sumber pemanas
yang bekerja secara otomatis.
Dalam penelitian ini akan dibangun tempat
perkembangbiakan DOC dengan pemanas
otomatis, yang menerapkan sistem kontrol
suhu dalam upaya mempertahankan kondisi
suhu idealnya. Perangkat ini terdiri dari
sensor suhu DS1822 dan sistem pemanas
berupa 2 (dua) buah elemen heater. Seluruh
aktivitas pengontrolan sistem dilakukan oleh
mikrokontroler ATMega8.
Pada sistem ini, sensor DS1822 akan
mengirimkan data suhu yang terdeteksi ke
mikrokontroler ATMega8, yang kemudian
akan melakukan pemutusan aliran daya listrik
ke heater apabila suhu ideal telah tercapai.
Begitu juga pada proses sebaliknya, apabila
sensor suhu mendeteksi suhu berada di
bawah suhu ideal, maka sensor akan
mengirimkan data suhu ke mikrokontroler,
kemudian akan dilakukan penyambungan
aliran daya listrik ke heater. Perangkat ini juga
dilengkapi dengan 2 (dua) buah kipas untuk
mengatur sirkulasi udara pada tempat
perkembangbiakan DOC.
2. Sensor Suhu DS1822
Sensor DS1822 merupakan termometer
digital yang menyediakan pengukuran suhu
sebanyak 9-bit °C sampai dengan 12-bit °C.
Sensor suhu DS1822 bekerja berdasarkan
perubahan suhu yang dialami oleh material
sensor, dengan keluaran yang dihasilkan
berupa data suhu digital yang langsung dapat
dioperasikan ke dalam mikrokontroler.
Sensor suhu DS1822 memiliki kelebihankelebihan sebagai berikut : Jalur komunikasi
DS1822 hanya memerlukan satu jalur data
dipusat mikrokontroler (1-Wire Bus),
memiliki ketepatan ± 2 °C pada suhu 10 °C
1
sampai dengan 85 °C, jangkauan maksimal
suhu antara -55 °C sampai dengan 125 °C,
bekerja pada tegangan 3 Volt sampai dengan
5,5 Volt, konversi data suhu manjadi data
digital sebanyak 12-bit dengan waktu yang
diperlukan sebesar 750 ms, alarm sensor
DS1822 di-setting dalam keadaan non-volatile
(NV)
atau
permanen, aplikasi
yang
menerapkan sensor suhu DS1822 adalah
pengontrolan termostatik, sistem industri dan
termometer (MAXIM, 2007). Skema sensor
suhu DS1822 ditunjukkan oleh Gambar 1.
KONFIGURASI
PIN DS1822
DALLAS
1822
TO-92
DS1822
Tabel 1. Pembacaan Data Hasil Suhu Konversi
DS1822 (MAXIM, 2007)
Suhu (°C)
Output Digital
(Biner)
+ 125
+ 85
+ 25,0625
+ 10,125
+ 0,5
+0
- 0,5
- 10,125
- 25,0625
- 55
0000 0111 1101 0000
0000 0101 0101 0000
0000 0001 1001 0001
0000 0000 1010 0010
0000 0000 0000 1000
0000 0000 0000 0000
1111 0111 1101 0000
1111 0111 1101 0000
1111 1110 0110 1111
1111 1100 1001 0000
Output
Digital
(Hex)
07D0h
0550h
0191h
00A2h
0008h
0000h
FFF8h
FF5Eh
FE6Fh
FC90h
Grafik yang menyatakan hubungan akurasi
data terhadap suhu pada sensor suhu DS1822
ditunjukkan oleh Gambar 3.
1 2 3
GND
DQ
Vcc
Tampilan
Dasar
Gambar 1. Skematik Sensor Suhu DS1822
(MAXIM, 2007)
Sensor suhu DS1822 mengkalibrasi data
suhu ke dalam satuan °C. Sensor DS1822
dapat mengkonversi secara langsung data
suhu yang terbaca ke dalam data digital.
Adapun kode perintah untuk konversi data
suhu adalah Convert T [44h]. Saat perintah
convert T dioperasikan, sensor DS1822 akan
merespon sinyal 0 dan sinyal 1. Data suhu
yang telah terkonversi akan disimpan dalam
register suhu di memori scratchpad. Gambar 2
menunjukkan tampilan format penulisan isi
register suhu pada memori scratchpad.
bit 7
bit 6
bit 5
bit 4
2³
2²
2¹
2⁰
bit 3
bit 2
bit 1
bit 0
⁻¹
2⁻ ²
2⁻ ³
2⁻ ⁴
LS Byte
S
S
S
S
2⁷
2⁶
2⁵
2⁴
bit 15
bit 14
bit 13
bit 12
bit 11
bit 10
bit 9
bit 8
MS Byte
Gambar 2. Format Isi Register Suhu Pada
Memori Scratchpad (MAXIM, 2007)
Adapun pembacaan data suhu hasil konversi
oleh sensor DS1822 yang tersimpan pada
memori scratchpad dapat ditunjukkan pada
Tabel 1.
Gambar 3. Grafik Hubungan Akurasi Suhu
Sensor DS1822 (MAXIM, 2007)
3. Mikrokontroler ATMega8
Mikrokontroler merupakan sebuah chip
bersistem mikroprosesor yang mempunyai
masukan, keluaran dan kendali dengan
program yang bisa ditulis dan dihapus secara
khusus (Masruchin dan Widayanti, 2010).
ATMega8 merupakan mikrokontroler berdaya
rendah yang berkapasitas 8-bit dengan
arsitektur AVR RISC (Reduce Instruction Set
Compute). Instruksi dalam mikrokontroler
ATMega8 dikemas dengan kode16-bit dan
dijalankan hanya dengan satu siklus clock.
Kelebihan dari mikrokontroler ATMega8
adalah mempunyai 130 macam instruksi yang
hampir semua dieksekusi dalam 1 (satu)
clock, memiliki register memori serbaguna
yang berkapasitas 32 x 8-bit, memiliki data
memori berupa 8 Kbyte memori flash dengan
fasilitas ISP (In-System Programming), 1 Kbyte
SRAM (Sychronised Random Access Memory)
dan 512 byte internal EEPROM (Electronically
Erasable Programable Read Only Memory)
dengan program bersifat non-volatile (NV),
2
memiliki 2 (dua) timer yang berkapasitas 8-bit
dan 1 (satu) timer yang berkapasitas 16-bit,
memiliki 8 (delapan) channel ADC yang
berkapasitas 10-bit dan tegangan kerja
sebesar 4,5 Volt sampai dengan 5,5 Volt
(ATMEL, 2011). Skematik mikrokontroler
ATMega8 dapat ditunjukkan oleh Gambar 4.
lebih cepat dari kontroler integral, tetapi tidak
menghilangkan offset yang ditinggalkan oleh
kontroler P. Diagram konsep kontrol PI
ditunjukkan oleh Gambar 6.
Gambar 6. Diagram Kontrol PI
Gambar 4. Skematik Mikrokontroler ATMega8
(ATMEL, 2011)
Grafik hubungan antara arus program dan
sumber tegangan sistem pada mikrokontroler
ATMega8 ditunjukkan oleh Gambar 5.
Gambar 5. Grafik Hubungan Arus Program
Terhadap Sumber Tegangan Pada
Mikrokontroler ATMega8 (ATMEL, 2011)
4. Sistem Kontroler PI (Proporsonal Plus
Integral)
Sistem kontrol adalah sistem yang
berfungsi untuk mengontrol aksi terhadap
suatu objek melalui pengaturan masukannya.
Dalam sebuah sistem kontrol, kontroler
mempunyai peranan yang besar terhadap
perilaku sistem, Hal ini disebabkan karena
komponen penyusun sistem tersebut tidak
dapat diubah secara otomatis. Tugas dari
kontroler adalah meminimalisasi sinyal error
yang dihasilkan dari perbedaan antara sinyal
setpoint dan sinyal Actual Value (AV)
(Pitowarno, 2006).
Kontroler PI adalah kontroler gabungan
antara kontroler proporsional dan integral
yang dipasang secara paralel, dimana
bertujuan untuk memperbaiki proses respon
output. Kontroler PI menghasilkan respon
Berikut merupakan rumus matematika dari PI
kontroler sesuai dengan Gambar 6 :
t
Mv  Kp.e t   ki  e t dt ............................ (1)
0
Dengan Mv adalah hasil kontroler PI, Kp
adalah konstanta kontroler Proporsional (P)
dan Ki adalah konstanta kontroler Integral (I).
5. Metodelogi
5.1 Garis Besar Sistem Kerja
Garis besar sistem kerja dari seluruh
sistem pengontrol suhu dengan pemanas
otomatis tempat perkembangbiakan DOC
berbasis mikrokontroler ATMega8 tertera
pada Gambar 7. Sistem ini terdiri dari 4
(empat) bagian, bagian pertama adalah bagian
input atau masukan sistem yang berupa
sensor suhu DS1822, sensor waktu DS1307
dan tombol mulai (push switch).
Bagian kedua adalah bagian pemproses
data yang berupa mikrokontroler ATMega8.
Bagian ketiga adalah bagian output atau
keluaran sistem yang berupa LCD 16x2, driver
kipas dan driver heater. Bagian keempat
adalah bagian power supply atau sumber daya
listrik berupa power regulator IC 7805.
Gambar 7 menunjukkan blok diagram sistem
pengontrol suhu berbasis mikrokontroler
ATMega8.
Gambar 7. Blok Diagram Sistem Pengontrol
Suhu
3
5.2 Perancangan Tempat Perkembangbiakan
DOC
Perancangan tempat perkembangbiakan
DOC dalam penelitian ini berbentuk BOX atau
kotak yang berukuran (60 x 40 x 40) cm.
Tujuan perancangan mekanik ini adalah
sebagai media tempat pemeliharaan DOC,
yang sekaligus akan menunjang kerja sistem
pengontrol suhu.
Perancangan tempat perkembangbiakan
DOC ini terbuat dari bahan multriplek yang
memiliki tebal 1 (satu) cm. Pemakaian bahan
ini sebagai bahan dasar pembuatan tempat
perkembangbiakan DOC, dikarenakan pada
kemampuan bahan tersebut dalam menjaga
kestabilan suhu tempat perkembangbiakan
DOC. Selain itu, penggunaan bahan ini dapat
mengurangi kontaminasi suhu sistem dengan
suhu lingkungan luar. Adapun desain tempat
perkembangbiakan DOC dapat ditunjukkan
pada Gambar 8.
Mulai
Inisialisasi Mikrokontroler,
Crystal, Port, Variabel , LCD
Baca Suhu
LCD
Suhu <= SP ?
Ya
Tidak
Heater On
Heater Off
Kipas Sirkulasi Off
Kipas Sirkulasi On
t = 15 menit ?
Tidak
Ya
Kipas Sirkulasi On
2 menit
Tunda t = 1 detik
Gambar 8. Desain Tempat Perkembangbiakan
DOC
Adanya pemasangan kaca yang terletak di
bagian depan tempat perkembangbiakan DOC,
bertujuan untuk mempermudah pengawasan
terhadap keadaan DOC di dalamnya. Kaca
yang digunakan berukuran (40 x 20) cm
dengan ketebalan 3 (tiga) mm.
5.3 Perancangan Sistem Pengontrol Suhu
Perancangan sistem pengontrol suhu
dilakukan dalam dua tahap, tahap pertama
adalah merancang diagram alur sistem yang
berperan sebagai landasan algoritma dalam
pembuatan perangkat lunak sistem. Adapun
diagram alur sistem pengontrol suhu tempat
perkembangbiakan DOC dapat ditunjukkan
pada Gambar 9.
Kipas Sirkulasi Off
Gambar 9. Diagram Alur Sistem
Tahap kedua adalah merancang skematik
rangkaian sistem secara keseluruhan yang
berperan sebagai landasan rangkaian dalam
pembuatan perangkat keras sistem. Untuk
menghindari kesalahan dalam pembuatan
perangkat keras sistem dan pertimbangan
dalam kemudahan proses pengujian, maka
sistem ini dibuat dalam satu board PCB.
Adapun rangkaian keseluruhan dari sistem
pengontrol suhu tempat perkembangbiakan
DOC dapat ditunjukkan pada Gambar 10.
4
Gambar 10. Skematik Rangkaian Keseluruhan
6. Hasil dan Diskusi
Setelah proses perancangan sistem, maka
selanjutnya dilakukan pembuatan sistem
yang terdiri dari pembuatan tempat
perkembangbiakan DOC, perangkat keras
sistem untuk tempat peletakan komponenkomponen elektronik yang mendukung kerja
sistem dan perangkat lunak sistem. Adapun
hasil pembuatan tempat perkembangbiakan
DOC dan perangkat keras sistem dapat
ditunjukkan pada Gambar 11.
Proses pengujian sensor suhu DS1822
dilakukan dengan membandingkan hasil
pembacaan data suhu sensor DS1822 dengan
data suhu termometer digital KW06-308.
Pada Gambar 12 menunjukkan hasil proses
pengujian antara sensor suhu DS1822
dengan termometer suhu digital KW06-308.
Gambar 12. Pengujian Sensor Suhu DS1822
Gambar 11. Hasil Pembuatan Sistem
Pengontrol Suhu Tempat Perkembangbiakan
DOC
Setelah proses pembuatan sistem
dilakukan, maka selanjutnya dilakukan
proses pengujian. Tujuan adanya proses
pengujian adalah untuk mengetahui apakah
sistem yang telah dibuat bekerja sesuai
dengan yang diharapkan atau belum.
Proses pengambilan data dalam pengujian
sensor suhu dilakukan setiap 5 (lima) menit,
dimana suhu ruangan saat pengambilan data
adalah 29,4 °C. Adapun data hasil pengujian
sensor suhu DS1822 dan termometer suhu
digital KW06-308 dapat ditunjukkan pada
Tabel 2.
5
Tabel 2. Hasil Pembacaan Data Suhu Sensor
DS1822 dan Termometer Digital
KW06-308
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
KW06-308 DS1822
30,2 °C
30,2 °C
30,3 °C
30,4 °C
30,5 °C
30,6 °C
30,6 °C
30,8 °C
30,7 °C
31,1 °C
30,9 °C
31,4 °C
31,2 °C
31,6 °C
31,4 °C
31,9 °C
31,6 °C
32,2 °C
31,8 °C
32,5 °C
32,1 °C
32,8 °C
32,4 °C
33 °C
32,6 °C
33,3 °C
32,8 °C
33,6 °C
33,2 °C
33,8 °C
33,6 °C
34,1 °C
33,9 °C
34,4 °C
34,2 °C
34,6 °C
34,5 °C
34,9 °C
34,8 °C
35 °C
35 °C
35 °C
35 °C
35 °C
Rata-rata Error
Error
0 °C
0,1 °C
0,1 °C
0,2 °C
0,4 °C
0,5 °C
0,4 °C
0,5 °C
0,6 °C
0,7 °C
0,7 °C
0,6 °C
0,7 °C
0,8 °C
0,6 °C
0,5 °C
0,5 °C
0,4 °C
0,4 °C
0,2 °C
0 °C
0 °C
0,4 °C
Berdasarkan data pada Tabel 2, dapat
disimpulkan bahwa proses hasil pembacaan
suhu oleh sensor DS1822 lebih cepat
dibandingkan dengan termometer suhu
digital KW06-308, dengan nilai error ratarata yang dihasilkan dari kedua pembacaan
data suhu tersebut sebesar 0,4 °C. Adanya
perbedaan pembacaan suhu ini, dapat
disebabkan oleh faktor waktu sampling pada
proses pembacaan suhu kedua sensor.
Waktu sampling adalah waktu yang
diperlukan untuk 1 (satu) kali sistem
beroperasi. Untuk sensor suhu DS1822
dalam sistem, telah diprogram dengan waktu
sampling setiap 1 (satu) detik sekali dimana
keakuratan data suhu yang terbaca adalah
sebesar ± 2 °C, sedangkan untuk sensor suhu
pada termometer digital KW06-308 memiliki
waktu sampling setiap 2 (dua) detik sekali
dengan keakuratan data suhu yang terbaca
adalah sebesar ± 2 °C (Krisbow, 2013).
Proses pengujian sistem pengontrol suhu
dalam tempat perkembangbiakan DOC lebih
menekankan pada kestabilan suhu. Untuk
menjaga kestabilan suhu tempat DOC ini,
diperlukan suatu kontroler yang dapat
bereaksi cepat dengan tidak menghasilkan
keadaan offset atau menghasilkan data suhu
yang terlalu menyimpang dari data suhu
yang di-setting. Untuk mengatasi hal ini,
sistem kontroler yang diterapkan dalam
penelitian ini adalah sistem kontroler
Proporsional Plus Integral (PI), yang mana
suhu di-setting sebesar 35 °C pada minggu
pertama dan 32 °C pada minggu kedua.
Pengambilan data suhu dalam BOX DOC
menggunakan perangkat USB to TTL pada
COM4 yang terhubung langsung dengan
komputer. Data suhu ini dikirim setiap 1
(satu) detik sekali. Adapun hasil pengujian
sistem secara keseluruhan pada setting suhu
32 °C dan 35 °C dapat ditunjukkan pada
Gambar 13.
Gambar 13. Grafik Pergerakan Suhu Dalam
BOX DOC Pada Suhu 32 °C dan Suhu 35 °C
Data hasil proses pengujian sistem secara
keseluruhan berdasarkan pada Gambar 13,
menunjukkan bahwa pergerakan suhu dalam
tempat perkembangbiakan DOC dengan
setting konstanta kontroler PI berupa Kp dan
Ki sebesar 100 dan 0,8, dapat menjaga
kestabilan suhu 35 °C dengan waktu stady
state selama 3 (tiga) menit.
Namun, pada suhu 32 °C menghasilkan
nilai error sebesar ± 0,06 °C dengan waktu
stady state sebesar 2,38 menit, dimana
kondisi suhu ruangan saat pengujian sebesar
28,5 °C. Waktu stady state adalah waktu yang
diperlukan sistem untuk mencapai keadaan
stabil. Adapun kondisi DOC pada saat
pengujian sistem secara keseluruhan dengan
setting suhu sebesar 35 °C dapat ditunjukkan
pada Gambar 14.
6
Gambar 14. Kondisi Day Old Chicken (DOC)
Pada Saat Pengujian Sistem Suhu 35 °C
7. Kesimpulan
Berdasarkan penelitian yang telah
dilakukan, dapat disimpulkan bahwa
prototipe tempat perkembangbiakan DOC
(Day Old Chicken) dengan sistem pemanas
otomatis menggunakan sistem kontrol suhu
berupa sensor suhu DS1822 berbasis
mikrokontroler ATMega8 dapat bekerja
dengan baik sesuai perancangan.
Adapun hasil pengujian sistem diperoleh,
pada kondisi suhu ruangan bernilai 28,5 °C
dan kontroler PI berupa Kp dan Ki sebesar
100 dan 0,8, untuk nilai setting suhu 35 °C
menghasilkan data suhu sebesar (35 ± 0) °C
dengan waktu stady state 3 menit sedangkan
untuk nilai setting suhu 32 °C menghasilkan
data suhu sebesar (32 ± 0,06) °C dengan
waktu stady state 2,38 menit.
8. Daftar Pustaka
Anita dan Widagdo, 2011, Budidaya Ayam
Broiler 28 Hari Panen, Cetakan I,
Pinang Merah Publisher, Yogyakarta.
ATMEL, 2011, ATMEL 8-bit AVR with 8K
Bytes in system Programmable
Flash ATMega8, ATMEL Corporation,
San Jose, USA Revisi 2486Z-AVR02/11.
Krisbow,
2013,
KW060038
Digital
Thermometer Pen Type, serial number
13012921, Kawan Lama Sejahtera,
Jakarta.
MAXIM, 2007, DS1822 Econo 1-Wire
Digital Thermometer, Revisi 1011072007, Maxim Integrated Product Inc,
San Jose, USA.
Pitowarno, 2006, ROBOTIKA : Desain
Kontrol dan Kecerdasan Buatan,
Buku Teks, Penerbit Andi, Yogyakarta.
Sukardi, 2001, Budidaya Ayam Buras Umur
0-5 Bulan, LIPTAN (Lembar Informasi
Pertanian), BPTP, Karangploso.
7