MODUL KONTROL SUHU

DENGAN MIKROKONTROLER ARM NUC120

¹Ilham Yuda A. , ² M. Shofi Al Azmi, ³Samuel Beta, Dr, Ing.Tech, M.T.

Program Studi Teknik Elektronika, Politeknik Negeri Semarang

Intisari - ARM adalah prosesor dengan arsitektur set instruksi 32­bit RISC (Reduced Instruction Set Computer) yang dikembangkan oleh ARM Holdings. ARM merupakan singkatan dari Advanced RISC Machine (sebelumnya lebih dikenal dengan kepanjangan Acorn RISC Machine). Pada awalnya ARM prosesor dikembangkan untuk PC (Personal Computer) oleh Acorn Computers, sebelum dominasi Intel x86 prosesor­ Microsoft di IBM PC kompatibel menyebabkan Acorn Computers bangkrut. Untuk proyek ini digunakan ARM tipe NU120.

Modul Kontrol Suhu memanfaatkan kontrol tegangan AC menggunakan Thyristor. Jika sebuah saklar thyristor terhubung antara tegangan sumber bolak-balik (Alternating Current - AC) dan beban, daya yang mengalir dapat dikendalikan dengan mengatur nilai Vrms AC yang diberikan ke beban. Untuk mengukur suhu digunakan sensor thermocouple tipe-K yang mampu mengukur suhu tinggi. Nilai dari suhu yang terukur akan tertampil pada seven segment.

Pemakaiannya pengguna harus mengeset nilai suhu yang diinginkan terlebih dahulu menggunakan potensiometer yang kemudian potensiometer tersebut akan mengatur PWM untuk mengatur keluaran AC melalui Thyristor kemudian menekan tombol “Start” untuk mulai memanaskan filamen pemanas.

Kata Kunci : ARM, Kontrol Tegangan AC, Thyristor, Sensor Thermocouple, Potensiometer, PWM

Abstract - ARM is a processor with 32-bit RISC instruction set architecture (Reduced Instruction Set Computer) developed by ARM Holdings. ARM stands for Advanced RISC Machine (formerly known as the Acorn RISC Machine extension). At first ARM processor developed for PC (Personal Computer) by Acorn Computers, prior to Microsoft's dominance of Intel x86 prosesor on IBM PC compatible cause Acorn Computers bankrupt. For this project used ARM NU120 type.

Temperature Control Module utilizes AC voltage control using thyristor. If a thyristor switch is connected between the source of alternating voltage (Alternating Current - AC) and the load, the power flow can be controlled by adjusting the value of Vrms AC supplied to the load. Used to measure the temperature sensor type-K thermocouple is capable of measuring high temperatures. The value of the measured temperature will be displayed on the seven segment.

The user should set the desired temperature prior first to use a potentiometer in which will be set to regulate the output PWM AC through Thyristor then the "Start" button must be pressed to start heating the filament.

Keywords: ARM, Control Voltage AC, thyristor, Thermocouple sensor, potentiometer, PWM

I.          PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

ARM (Advanced RISC Machine) adalah prosesor dengan arsitektur set instruksi 32­bit RISC (Reduced Instruction Set Computer) yang dikembangkan oleh ARM Holdings. Pada dunia pendidikan, prosesor ini mulai banyak digunakan dalam pembelajaran seperti penggunaannya dalam modul-modul percobaan.

Saat ini proses pemanasan dapat dilakukan menggunakan metode konversi tegangan listrik ke panas/suhu menggunakan filamen pemanas. Aplikasi penggunaannya sudah sangat banyak seperti pada kompor listrik, pemanas air, dan lain – lain. Alat tersebut terdiri dari filamen pemanas, pengontrol suhu, sensor, dan display.

Sebagai media pembelajaran maka dibuatlah Modul Kontrol Suhu Menggunakan Microcontroller ARM yang memanfaatkan kontrol tegangan AC menggunakan Thyristor. Jika sebuah saklar thyristor terhubung antara tegangan sumber bolak-balik (Alternating Current - AC) dan beban, daya yang mengalir dapat dikendalikan dengan mengatur nilai Vrms AC yang diberikan ke beban. Untuk mengukur suhu digunakan sensor thermocouple tipe-K yang mampu mengukur suhu tinggi. Nilai dari suhu yang terukur akan tertampil pada seven segment.

1.1     Rumusan Masalah

Berdasarkan permasalahan yang terdapat pada latar belakang, disusun rumusan masalah sebagai berikut:

1.    Bagaimana menerapkan modul kontrol suhu sebagai media pembelajaran?

2.    Bagaimana merakit modul kontrol suhu menggunakan ARM NUC120?

3.    Bagaimana proses mengontrol suhu dan mengukurnya?

      

1.3     Tujuan

       Adapun tujuan yang ingin dicapai penulis yaitu:

1.   Membuat media belajar untuk mikrokontroller ARM NUC120.

2.   Merealisasikan rancangan hardware dan software modul kontrol suhu dengan menggunakan ARM NUC120.

3.   Mengetahui cara kerja alat kontrol suhu dan ARM NUC120.

II.             TINJAUAN PUSTAKA

Untuk mengetahui berbagai komponen dan peralatan yang dibutuhkan, maka disusunlah tinjauan pustaka sebagai acuan dalam merancang dan membuat aplikasi menggunakan mikrokontroler ARM NUC120 ini.

2.1      Mikrokontroler ARM NUC120

ARM NUC120 Board merupakan modul pengembangan mikrokontroler NUC120RD2BN yang berbasis CPU ARM Cortex-M0 dari Nuvoton. Modul ini dapat bekerja dengan kecepatan CPU sampai dengan 48 MHz. Modul ini juga telah dilengkapi dengan bootloader internal, sehingga tidak diperlukan lagi device program eksternal. Pemrograman melalui bootloader bisa dilakukan dengan menggunakan koneksi USB.

Gambar 2.1 ARM NUC120

Spesifikasi :

·       Berbasis mikrokontroler NUC120RD2BN (64 KB APROM, 8 KB SRAM, 4 KB Data Flash, CPU ARM Cortex-M0).

·       Terintegrasi dengan cystal eksternal 12 MHz.

·       Terintegrasi dengan osilator 32,768 KHz sebagai sumber clock RTC.

·       Memiliki 1x Port USB.

·       Memiliki 1 port RS-485.

·       Memiliki 3 kanal UART dengan level tegangan TTL 3,3VDC / 5VDC.

·       Tersedia port USB yang berfungsi untuk antarmuka serial sekaligus menuliskan program mikrokontroler, sehingga tidak membutuhkan programmer eksternal.

·       Memiliki port Serial Wire Debug untuk proses debuging dan programming.

·       Memiliki 45 jalur GPIO.

·       Terintegrasi dengan sensor suhu internal.

·       Memiliki port input 8 kanal ADC 12-bit.

·       Bekerja pada level tengan 3,3VDC / 5VDC dengan arus maksimum 800mA.

·       Input catu daya untuk board : 6,5VDC - 12VDC / 3,3VDC - 5VDC.

2.2       Sensor Thermocouple

Sensor termokopel adalah sensor yang mampu mengukur suhu sangat tinggi sehingga sensor suhu thermocouple ini sering digunakan untuk industri pengolahan minyak atau baja. Sensor suhu termokopel memiliki nilai output yang kecil pada kondisi level noise yang tinggi, sehingga memerlukan pengkondisi sinyal agar nilai output tersebut dapat dibaca.

Gambar 2.2. Sensor Thermocouple

Pada Alat ini tersusun atas dua konduktor listrik dari material yang berbeda yang dirangkai membentuk sebuah rangkaian listrik. Jika salah satu dari konduktor tersebut dijaga pada temperatur yang lebih tinggi daripada konduktor lainnya sehingga ada diferensial temperatur, maka akan timbul efek termoelektris yang menghasilkan tegangan listrik. Besar tegangan listrik yang terbentuk tergantung dari jenis material konduktor yang digunakan, serta besar perbedaan temperatur antara dua konduktor tersebut.

2.3       7 segment

Layar tujuh segmen (bahasa Inggris: Seven-segment display (SSD) adalah salah satu perangkat layar untuk menampilkan sistem angka desimal yang merupakan alternatif dari layar dot-matrix. Layar tujuh segmen ini seringkali digunakan pada jam digital, meteran elektronik, dan perangkat elektronik lainnya yang menampilkan informasi numerik.

Layar tujuh segmen ini terdiri dari 7 buah LED yang membentuk angka 8 dan 1 LED untuk titik/DP. Angka yang ditampilkan di seven segmen ini dari 0-9. Cara kerja dari seven segmen disesuaikan dengan LED. LED merupakan komponen diode yang dapat memancarkan cahaya. kondisi dalam keadaan ON jika sisi anode mendapatkan sumber positif dari Vcc dan katode mendapatkan sumber negatif dari ground.

Gambar 2.3 7 segment

2.4    Potensiometer

Potensiometer adalah resistor tiga terminal dengan sambungan geser yang membentuk pembagi tegangan dapat disetel. Jika hanya dua terminal yang digunakan (salah satu terminal tetap dan terminal geser), potensiometer berperan sebagai resistor variabel atau Rheostat. 

Cara paling umum untuk mengubah-ubah resistansi dalam sebuah sirkuit adalah dengan menggunakan resistor variabel atau rheostat. Sebuah rheostat adalah resistor variabel dua terminal dan seringkali didesain untuk menangani arus dan tegangan yang tinggi. Biasanya rheostat dibuat dari kawat resistif yang dililitkan untuk membentuk koil toroid dengan penyapu yang bergerak pada bagian atas toroid, menyentuh koil dari satu lilitan ke lilitan selanjutnya.

Gambar 2.4 Potensiometer

2.5      Kipas DC 12 volt

Pengertian Motor DC Motor listrik merupakan perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan,dll. Motor listrik digunakan juga di rumah (mixer, bor listrik, fan angin) dan di industri. Motor listrik kadangkala disebut “kuda kerja” nya industri sebab diperkirakan bahwa motor motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri.Motor DC memerlukan suplai tegangan yang searah pada kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Kumparan medan pada motor dc disebut stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang berputar).

Gambar 2.5 Kipas DC

2.6       Push button switch

Push button switch (saklar tombol tekan) adalah perangkat / saklar sederhana yang berfungsi untuk menghubungkan atau memutuskan aliran arus listrik dengan sistem kerja tekan unlock (tidak mengunci). Sistem kerja unlock disini berarti saklar akan bekerja sebagai device penghubung atau pemutus aliran arus listrik saat tombol ditekan, dan saat tombol tidak ditekan (dilepas), maka saklar akan kembali pada kondisi normal

. 

Gambar 2.6 Push button switch

III.   METODOLOGI PENELITIAN

Metodologi penelitian yang digunakan pada Tugas Proyek ARM adalah sebagai berikut:

1.    Studi Pustaka: Merumuskan teori secara analisis dengan mempelajari buku–buku yang diperoleh dari catatan kuliah, buku–buku perpustakaan dan mempelajari media internet yang berhubungan dengan rangkaian.

2.    Studi Laboratorium: Melakukan penelitian dan pengujian pada beberapa komponen elektronika berdasarkan data spesifikasi. Selanjutnya melakukan pengambilan data pada alat tersebut dan membandingkan dengan hasil teoritis.

3.    Metode Diskusi: Mengajukan beberapa pertanyaan kepada dosen pengajar serta rekan–rekan mahasiswa Teknik Elektro.

IV.   PERANGKAT ALAT

Bab ini membahas tentang perancangan dan pembuatan modul kontrol suhu menggunakan ARM NUC120. Pada perancangan sistem ini meliputi perancangan perangkat lunak (software) dan perangkat keras (hardware).

4.1    Penentuan Spesifikasi Alat

Dalam perencanaan sistem ini akan dibahas tentang kebutuhan-kebutuhan yang harus dipenuhi, agar alat ini dapat bekerja sesuai dengan apa yang direncanakan yaitu:

1.    Sumber untuk menghidupkan alat ini berasal dari Transformator yang mensuplai tegangan 5 Volt DC dan kekuatan arus 1 A.

2.    Board micro NUC120 dapat dinyalakan dengan menyuplai tegangan minimal sebesar 5 V.

3.    Dalam proyek ARM ini menggunakan Thermocople Tipe-K yang dapat mengukur suhu hingga 650°C dengan keluaran ADC.

4.    Display yang digunakan adalah 3 buah 7 segment common anoda yang akan menunjukkan 3 digit pembacaan suhu.

5.    Kontrol untuk mengatur suhu menggunakan potensiometer yang akan mengatur keluaran nilai dari PWM.

6.    Kipas DC digunakan untuk mendinginkan panci pemanas saat suhu telah mencapai batas yang diinginkan.

4.2    Perancangan Diagram Blok

Diagram blok sistem merupakan salah satu bagian terpenting dalam perancangan dan pembuatan alat ini, karena dari diagram blok dapat diketahui prinsip kerja keseluruhan rangkaian. Tujuan lain diagram blok ini adalah memudahkan proses perancangan dan pembuatan pada masing-masing bagian, sehingga akan terbentuk suatu sistem yang sesuai dengan perancangan sebelumnya.

Diagram blok sistem ditunjukkan dalam Gambar 4.1

Gambar 4.1 Diagram Blok Keseluruhan Sistem

Keterangan :

1)    Potensiometer digunakan untuk mengatur keluaran PWM yang digunakan untuk mendriver kontrol tegangan AC.

2)    Sensor thermocouple digunakan untuk mengukur nilai suhu.

3)    Push Button 1 digunakan untuk mulai mengaktifkan pemanasan kompor.

4)    Push Button 2 digunakan untuk mengaktifkan kipas DC.

5)    ARM NUC120 digunakan untuk mengatur masukan dan luaran.

6)    Kompor listrik digunakan sebagai pemanas.

7)    7 segment digunakan untuk display.

8)    Driver digunakan sebagai pengatur/pengendali.

4.3    Prinsip Kerja Alat

Konsep dasar dari modul alat pemanas ini adalah menggunakan sistem konrol tegangan AC. Jika sebuah saklar thyristor terhubung antara tegangan sumber bolak-balik (Alternating Current - AC) dan beban, daya yang mengalir dapat dikendalikan dengan mengatur nilai Vrms AC yang diberikan ke beban.

Saat pertama kali modul dinyalakan, pengguna harus mengeset terlebih dahulu suhu yang dinginkan untuk diproses. Kemudian tombol ditekan untuk memulai proses pemanasan filamen. Sensor thermocouple akan membaca suhu dalam panci. Sensor yang terbaca akan tertampil pada 7segment. Ketika telah mencapai 100°C, proses pemanasan akan berhenti. Pengguna dapat mempercepat pendinginan dengan mengaktifkan kipas DC.

4.4    Perancangan Perangkat Keras

Perancangan perangkat keras ini digunakan untuk mencatu tegangan pada rangkaian 7 segment, driver kontrol tegangan AC dan board ARM, dengan menggunakkan tengan bolak-balik (Alternating Current/AC) yang dihubungkan pada transformator dan dipilih tegangan 12 V dan 5 V.

Dalam perangkat keras ini menggunakan IC MOC3021 dan Thyristor sebagai komponen utama dalam rangkaian driver kontrol tegangan AC nya.

A.  Rangkaian Masukan

Dalam rangkaian masukan ini menggunakan push button switch .

Gambar 4.2 Push Button Switch

B.   Rangkaian Keluaran

Dalam merancang rangkaian luaran pada alat ini menggunakan 7 segment dan rangkaian kontrol tegangan AC.

Gambar 4.3 rangkaian kontrol tegangan AC

Gambar 4.4 rangkaian 7 segment

4.5    Perancangan Perangkat Lunak

Perangkat lunak ini berfungsi untuk mengatur kinerja keseluruhan dari sistem yang terdiri dari beberapa perangkat keras sehingga sistem ini dapat bekerja dengan baik. Perangkat lunak dirancang menggunakan ARM. Untuk memberikan gambaran umum jalannya program dan memudahkan pembuatan perangkat lunak, maka dibuat diagram alir yang menunjukan jalannya program. Diagram alir program ditunjukan pada gambar dibawah:

Gambar 4.4 Diagram Alir Fungsi Utama

4.1    Pengujian dan Analisis

Dalam bab ini membahas pengujian dan analisis alat yang telah dirancang dari peralatan yang telah dibuat. Pengujian dilakukan dengan pengukuran tiap-tiap blok dengan tujuan mengamati apakah blok-blok tersebut bekerja sesuai dengan yang diharapkan. Pengujian ini dilakukan berdasarkan pada masing-masing rangkaian pendukung secara keseluruhan. Pengujian yang dilakukan adalah pengujian terhadap:

A.  Pengujian 7 segment dan potensiometer

B.  Pengujian driver tegangan AC

C.  Pengujian thermocouple

D.  Pengujian Kipas DC

A.  Pengujian 7 segment dan potensiometer

Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui apakah set temperatur 0-100°C menggunakan potensiometer dan 7 segment 3 digit bekerja dengan baik. Berikut adalah hasil pengujiannya :

Posisi Potensiometer	Tampilan 7 segment
Posisi Minimum	000
Seperempat putaran	025
Setengah putaran	050
Tigaperempat putaran	075
Posisi Maksimum	100

B.   Pengujian driver tegangan AC

Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui nilai tegangan yang masuk ke filamen hasil pengaturan tegangan efektif melalui thyristor menggunakan PWM.

Posisi Potensiometer	Vout Driver (V)
Posisi Minimum	0
Seperempat putaran	55
Setengah putaran	110
Tigaperempat putaran	165
Posisi Maksimum	220

C.  Pengujian Thermocouple

Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui sensor thermocouple  bekerja dengan baik sesuai dengan yang diinginkan, berikut adalah hasil pengujiananya dari sensor thermocouple :

Posisi Pot.	Suhu (°C)
Posisi Minimum	0
Seperempat putaran	25
Setengah putaran	50
Tigaperempat putaran	75
Posisi Maksimum	100

D.  Pengujian Kipas DC

Pada pengujian ini bertujuan untuk melihat apakah kipas DC bekerja dengan baik. Berikut adalah hasil pengujiannya :

Vs	Keadaan PB	Keadaan kipas
+5 V	Logic “0”	Tidak bergerak
	Logic “1”	Berputar

 

III.    PENUTUP

5.1    Kesimpulan

Berdasarkan hasil pengujian pada Modul Kontrol Suhu ini dapat diambil beberapa kesimpulan yaitu:

a.     Modul kontrol suhu dirancang dari perangkat keras yakni:

·      Potensiometer sebagai pengatur PWM.

·      Sensor thermocouple sebagai pengukur suhu.

·      Push Button sebagai pengaktif sistem

·      ARM NUC120 sebagai pengatur masukan dan luaran.

·      Kompor listrik sebagai pemanas.

·      7 segment sebagai display.

·      Driver sebagai pengatur/pengendali.

b.  Software modul kontrol suhu ini menggunakan bahasa pemrograman yang masih satu keluarga dengan bahasa C. Aplikasi yang digunakan untuk melakukan pemrograman adalah CoIDE dengan aplikasi untuk mendownload program adalah NuMicro ISP Progrmming Tool.

c.  Prinsi kerja Modul Kontrol Suhu memanfaatkan kontrol tegangan AC menggunakan Thyristor. Jika sebuah saklar thyristor terhubung antara tegangan sumber bolak-balik (Alternating Current - AC) dan beban, daya yang mengalir dapat dikendalikan dengan mengatur nilai Vrms AC yang diberikan ke beban. Untuk mengukur suhu digunakan sensor thermocouple tipe-K yang mampu mengukur suhu tinggi. Nilai dari suhu yang terukur akan tertampil pada seven segment. Pemakaiannya pengguna harus mengeset nilai suhu yang diinginkan terlebih dahulu menggunakan potensiometer yang kemudian potensiometer tersebut akan mengatur PWM untuk mengatur keluaran AC melalui Thyristor kemudian menekan tombol “Start” untuk mulai memanaskan filamen pemanas.

REFERENSI

[1.]    Mahardhika, Rizky (2013). Alat Penggoreng Kue Risoles Otomatis. Riau : Universitas Muhammadiyah Riau

[2.]    Wijaya, Ade Mundari (2011).Rancang Bangun Alat Pemanas dan Pengaduk Terintegrasi dengan Temperatur dan Kecepatan Terkendali Berbasis Mikrokontroler.Depok : Universitas Indonesia.

[3.]    Syapaat, Yanuar, dkk.Rancang Bangun Pembuat Makanan Otomatis Berbasis PLC (Programmable Logic Control) Thosiba T1-MDR16SS.Bandung :  Institut Teknologi Bandung.

Nama penulis Ilham Yuda Arifin. Penulis dilahirkan di kota Surakarta pada tanggal 31 Agustus 1994. Penulis telah menempuh pendidikan formal di TK Aisyah Kampung Sewu, SD Muhammadiyah 1 Surakarta, SMP N 4 Surakarta, dan SMA N 4 Surakarta. Tahun 2012 penulis telah menyelesaikan pendidikan SMA. Pada tahun 2012 penulis mengikuti seleksi mahasiswa baru diploma (D3) dan diterima menjadi mahasiswa baru di kampus Politeknik Negeri Semarang  (Polines) dengan Program Studi D3 Teknik Elektronika, Jurusan Teknik Elektro. Penulis terdaftar dengan NIM 3.32.12.0.09. Apabila ada kritik, saran dan pertanyaan mengenai penelitian ini, bisa menghubungi 08972001870. atau melalui via email: ilhamyuda310894@yahoo.com

Nama penulis M. Shofi Al Azmi. Penulis dilahirkan di kota Tuban pada tanggal 16 Agustus 1994. Penulis telah menempuh pendidikan formal di RA Assyafiiyah Banyuurip, SD Banyu Urip 01 Senori ,Tuban, SMP N 2 Cepu, dan SMA N 1 Cepu. Tahun 2012 penulis telah menyelesaikan pendidikan SMA. Pada tahun 2012 penulis mengikuti seleksi mahasiswa baru diploma (D3) dan diterima menjadi mahasiswa baru di kampus Politeknik Negeri Semarang  (Polines) dengan Program Studi D3 Teknik Elektronika, Jurusan Teknik Elektro. Penulis terdaftar dengan NIM 3.32.12.0.17. Apabila ada kritik, saran dan pertanyaan mengenai penelitian ini, bisa menghubungi 085640614341. atau melalui via email: alazmi.xxx@gmail.com