Paper7 Pengatur Kecepatan Motor DC

8/17/2019 Paper7 Pengatur Kecepatan Motor DC

1/16

JETri, Volume 9, Nomor 1, Agustus 2009, Halaman 33 - 48, ISSN 1412-0372

* Alumni Jurusan Teknik Elektro FTI, Universitas Trisakti

PENGATUR KECEPATAN MOTOR DC DENGAN

SENSOR SUHU BERBASIS MIKROKONTROLER

ATMEGA16

Kiki Prawiroredjo, Kuat Rahardjo TS & Stevanus*

Dosen-Dosen Jurusan Teknik Elektro-FTI, Universitas Trisakti

Abstract A telecommunication cabinet usually uses a Direct Current fan with a Direct Current motor

(DC motor) to make the cabinet temperature does not exceed the temperature that is

allowed. Using a DC motor has weaknesses because it always rotates in full speed although

the temperature in the cabinet gets down already. It causes inefficiency of the power

consumption and the DC motor’s lifetime is not long enough.The prototype of DC motor

speed controller controls the speed of a DC motor with the temperature environment as its

reference. This circuit is built by a temperature sensor LM35, a microcontroller ATmega16

as the processor that analizes the input from the temperature sensor and relays. This

prototype is equipped with a Liquid Crystal Display (LCD) to display the temperature of the

cabinet and the DC motor speed. After the prototype is assembled and tested, it is known that

the circuit controls a DC motor speed according to the changes of the temperature that has

been determined by the software program. The DC motor stops rotating if the temperature

sensor senses the temperature below the minimum temperature level.

Keywords: DC motor, temperature sensor, LCD, microcontroller

1. Pendahuluan

Panel-panel peralatan elektronik harus dijaga temperaturnya agar tidak

melebihi spesifikasi temperatur yang diijinkan. Pengaturan temperatur

tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan kipas angin yang diputar

oleh motor DC untuk mengatur sirkulasi udara pada panel agar panas pada

rangkaian dapat disalurkan.

Biasanya kipas angin yang digunakan selalu berputar dengan kecepatan

tetap sehingga pemakaian daya listrik boros dan kipas angin sering ataucepat rusak karena bantalan pelurunya cepat aus.

Untuk dapat menghemat energi dan memperpanjang umur kipas

angin dapat dilakukan dengan mengatur kecepatan putar motor kipas angin

sesuai dengan temperature di dalam panel dan bahkan menghentikan

putarannya bila temperatur sudah cukup rendah.


2/16


34

Dengan menggunakan sensor suhu dan memproses keluaran sensor

pada sebuah mikrokontroler maka kecepatan kipas angin dapat diatur sesuai

temperature tertentu.

2. Diagram Blok

Pada Gambar 1. (pada halaman berikut) terdapat diagram blok dari

rangkaian pengatur kecepatan motor dc yang dirancang.

Sensor suhu LM35 merupakan sensor yang mendeteksi besaransuhu ruangan menjadi besaran tegangan analog yang perubahannya linear

terhadap perubahan suhu.

Sensor suhu LM35 ini bekerja pada daerah 0° C sampai dengan

100° C dengan perubahan 10 mV/°C.

Tegangan keluaran dari sensor suhu ini diperkuat oleh penguat non

inverting Op-Amp dari IC LM324 (Boylestadt, 1987: 642).

Keluaran tegangan dari penguat ini diterima oleh mikrokontroler

untuk diproses menjadi tegangan digital oleh ADC yang terdapat pada

mikrokontroler tersebut.

Mikrokontroler ATmega16 mengolah tegangan digital tersebut

dengan perangkat lunak untuk menghasilkan keluaran-keluaran yang

diinginkan yaitu:

- keluaran untuk tampilan LCD

- keluaran untuk rangkaian photocoupler untuk menggerakkan motor DC

- keluaran untuk rangkaian relay yang digunakan untuk mendeteksi

kerusakan pada motor DC dan untuk mendeteksi temperature ruangan

jika melebihi temperature maksimum yang telah ditentukan.

Pengatur batas suhu 1 sampai dengan 4 adalah pengaturan suhuyang ditentukan secara manual untuk dibandingkan dengan suhu ruangan

sehingga mempunyai kecepatan putar motor DC yang tertentu.

Pengatur batas kecepatan 1 dan 2 adalah rangkaian pengaturan

kecepatan motor DC secara manual untuk menentukan kecepatan putar

motor DC bila mencapai suhu ruangan tertentu


3/16

Kiki Prawiroredjo, Kuat Rahardjo TS & Stevanus. PENGATUR KECEPATAN MOTOR DC

35

Gambar 1. Diagram Blok Rangkaian Pengatur Kecepatan Motor DC

M i k r o k o n t r o l e r A T m e g a 1 6

Sensor suhu

LM35

Penguat

Non

Inverting

Rangkaian

Photocouler

LCD 2 x 16

Rangkaian

Relay

Motor DC

Pengatur

Batas

Kecepatan 1

PengaturBatas

Kecepatan 2

Pengatur

Batas

Suhu 4

Pengatur

Batas

Suhu 3

Pengatur

Batas

Suhu 2

Pengatur

Batas

Suhu 1


4/16


36

3. Rangkaian Alat

Gambar 2. pada halaman berikut merupakan Rangkaian Pengatur

Kecepatan Motor DC.

Prototype pengatur kecepatan motor DC menggunakan trigger

masukan berupa tegangan dari sensor suhu LM35 yang diproses oleh

mikrokontroler ATmega16.

Kecepatan motor DC diatur sesuai dengan pengaturan batas suhu

dan kecepatan yang dinginkan. Tegangan keluaran sensor suhu LM35dimasukkan ke rangkaian Analog to Digital Converter (ADC) internal

mikrokontroler ATmega16 untuk diproses dan dibandingkan dengan

tegangan sebagai batas suhu yang diatur secara manual dengan

menggunakan variable resistor dan dikonversi oleh rangkaian ADC internal

mikrokontroler.

Dengan mengatur batas suhu dan kecepatan yang berbeda, maka

setiap perubahan suhu yang terbaca oleh rangkaian sensor suhu akan

menghasilkan kecepatan motor yang berbeda sesuai yang diinginkan.

Pada Gambar 3 terdapat karakteristik dari sensor suhu LM35

menunjukkan grafik antara temperatur terhadap tegangan keluaran yangdihasilkan.

Gambar 3. Karakteristik Sensor LM35


5/16


37

Gambar 2. Rangkaian Pengatur Kecepatan Motor DC


6/16


38

Nilai suhu yang terbaca oleh sensor suhu, batas suhu dan kecepatan

dapat dilihat dengan menggunakan LCD yang dihubungkan ke

mikrokontroler pada port D. Dengan tampilan LCD, pengaturan terhadap

batas suhu maupun kecepatan menjadi lebih mudah dilakukan.

Mikrokontroler ATmega16 memiliki 40 pin yang dibagi menjadi 4

port yaitu:

a.

PORT A

b. PORT B

c.

PORT Cd. PORT D.

Keempat port ini dapat berfungsi sebagai input maupun output. Port

A memiliki fungsi khusus sebagai port ADC. Pin 10, 30 dan 32

dihubungkan dengan Vcc dan pin 11 dan 31 dihubungkan dengan GND.

Batas tegangan catu daya untuk mikrokontroler agar dapat bekerja

secara normal sebesar 4,5 VDC sampai dengan 5,5 VDC. Pin 9 dari

ATMega16 dihubungkan dengan rangkaian reset. Reset dapat pula

dilakukan secara manual dengan cara menekan push-button pada rangkaian

reset (ATmel, 2002 : 2).

Pin 12 dan 13 pada ATmega16 dihubungkan dengan kristal. Kristal

digunakan untuk men-drive on-chip oscillator dan kedua kapasitor 22 pF

pada kaki input oscillator digunakan untuk menstabilkan sistem.

Pada rangkaian oscillator ATmega16 dapat digunakan kristal

sampai dengan 16 MHz. Pada rangkaian ini digunakan kristal 4 MHz

(ATmel, 2002 : 1).

f cycle = 4 MHz

Tcycle = 1/ 4 MHz

= 25 ns

Pin 30 (AVCC) merupakan pin masukan tegangan untuk ADC

sedangkan pin 32 (AREF) merupakan pin masukan tegangan referensi

ADC. Pada rangkaian ini tegangan referensi yang digunakan sebesar Vcc.


7/16


39

Pada Tabel 1. diperlihatkan penggunaan pin dan port mikrokontroler

ATmega16.

Tabel 1. Konfigurasi Pin Pada Mikrokontroler ATmega16

No PIN PORTInput /

OutputKegunaan

1 40 A Input Masukan tegangan sensor yang

telah diperkuat oleh rangkaian

penguat non-inverting

2 39-34 A Input Masukan tegangan keluaran

dari variable resistor multiturn

3 14-16, 18-21 D output Terhubung dengan LCD

4 4 B Output Keluaran sinyal PWM yang

terhubung dengan rangkaian

Photocoupler

5 25-29 C Output Keluaran Relay, sebagai

indikator overheat dan

indikator motor fail

PORTB.3 merupakan port khusus yang dapat mengeluarkan signal

Pulse Width Modulator (PWM). Duty cycle dari signal PWM diatur oleh

perangkat lunak sesuai dengan pengaturan suhu dan kecepatan yang

diinginkan (Andrianto, 2008 : 139). Signal PWM ini digunakan untuk

menggerakkan motor DC dengan kecepatan tertentu sesuai duty cycle yang

telah ditentukan (Didik, 2007 : 158).

Photocoupler digunakan sebagai rangkaian switching antara signal

PWM dan motor DC yang berguna sebagai rangkaian isolasi yang

mempunyai kecepatan switching yang tinggi sehingga sesuai dengan

kecepatan perubahan PWM.

Nilai tegangan rata-rata dari signal PWM ini setara dengan nilai

tegangan DC yang diberikan kepada motor DC sehingga dapat mengatur

kecepatan gerak motor (Pulse Width Modulator, 2009 : 1). Karena keluaran

motor DC yang ingin diatur ada 4 buah, maka digunakan IC photocoupler

TLP521-4 yang memiliki 4 buah phototransistor (Toshiba, 2002: 1).


8/16


40

TIDAK

4. Perancangan Perangkat Luna

Pada Gambar 3. merupakan diagram Alir Perangkat Lunak

Gambar 3. Diagram Alir Perangkat Lunak (kontinyu)

SIGNAL PWM ON, MOTOR DC

ON, KEC. MOTOR = “RANGE

KECEPATAN 2” %

A.2A.1

START

INISIALISASI ADC,

SETTING PARAMETER

RANGE

TIDAK

YAJIKA SUHU

TERBACA KURANG DARI

BATAS SUHU 1

SINYAL PWM OFF,

KEC. MOTOR DC 0%

TIDAK

YAJIKA SUHU TERBACADIANTARA RANGE SUHU 1

DAN RANGE SUHU2

SIGNAL PWM ON, MOTOR DCON, KEC. MOTOR = “RANGE

KECEPATAN 1” %

TIDAK

YAJIKA SUHU TERBACA

DIANTARA RANGE SUHU 2

DAN RANGE SUHU3


9/16


41

Gambar 3. Diagram Alir Perangkat Lunak (sambungan)

Pada saat rangkaian pengatur kecepatan motor DC diberikan Vcc dan

Gnd yang berasal dari catu daya, maka mikrokontroler melakukan

inisialisasi pada ADC untuk sensor suhu LM35, batas suhu dan kecepatan.

Setelah melakukan inisialisasi, perangkat lunak akan

membandingkan suhu yang terbaca dari sensor suhu LM35 dengan batas

suhu, mulai dari batas suhu 1sampai dengan batas suhu 4. Apabila suhu

yang terbaca dari sensor suhu LM35 kurang dari batas suhu 1, maka

mikrokontroler tidak akan mengeluarkan sinyal PWM pada port B.3 dan

motor tidak bekerja.

Ketika suhu yang terbaca di antara batas suhu 1 dan batas suhu 2

maka mikrokontroler akan mengeluarkan sinyal PWM sesuai dengan batas

kecepatan 1. Ketika suhu meningkat lagi dan suhu yang terbaca di antara

batas suhu 2 dengan batas suhu 3, maka sinyal PWM pada port B.3 dan

kecepatan motor DC akan sesuai dengan batas kecepatan 2.

A.2

YAJIKA SUHU TERBACADIANTARA RANGE SUHU 3

DAN RANGE SUHU4

SIGNAL PWM ON, MOTOR DC

ON, KEC. MOTOR = 100%

TIDAK

A.1

YAJIKA SUHU TERBACADIATAS RANGE SUHU 4

SIGNAL PWM ON, MOTOR DCON, KEC. MOTOR = 100% DAN

RELAY ON (OVER HEAT)

TOMBOL

POWER OFF

END

TIDAK


10/16


42

Vc

Vc

Apabila mikrokontroler membaca suhu yang terbaca di atas batas

suhu 3, maka sinyal PWM pada port B.3 akan mempunyai duty cycle

100%, yang artinya kecepatan motor DC akan maksimum. Bila suhu yang

terbaca oleh mikrokontroler melewati batas suhu 4 maka sinyal PWM dan

kecepatan motor DC akan sama dengan kondisi suhu di atas batas suhu 3

dan relay indikator “Over Heat ” akan on

5. Pengujian

5.1. Pengujian Tegangan Keluaran Sensor Suhu LM35Tujuan pengujian ini adalah untuk mengetahui karakteristik tegangan

keluaran sensor suhu LM35 terhadap perubahan suhu yang terjadi.

Langkah-langkah pengujian yang dilakukan adalah:

1.

Sensor suhu LM35 dirangkai sesuai dengan rangkaian pada gambar 4.

2. Rangkaian sensor suhu LM35 dihubungkan dengan Vcc dan Gnd.

3. Sensor suhu LM35 didekatkan dengan pemanas (solder) bersamaan

dengan thermometer.

4. Keluaran sensor dihubungkan dengan positif voltmeter dan grounddihubungkan dengan negatif voltmeter.

5. Tegangan keluaran sensor dan suhu dari thermometer diamati pada

suhu 50oC, 45oC,40 oC,35 oC,30 oC,25 oC.

6.

Tegangan diukur pada suhu yang berbeda-beda.

Gambar 5. Rangkaian Pengujian Tegangan keluaran Sensor Suhu LM35


11/16


43

Tabel 2. Perbedaan Antara Data Pengujian dengan Data Karakteristik

Sensor Suhu

Pada hasil pengujian menunjukan bahwa terdapat sedikit perbedaan

dari datasheet sensor suhu yang memiliki karakteristik kenaikan tegangan

keluaran sebesar 10 mVDC/oC.

Pada Tabel 2. menunjukan perbedaan antara tegangan keluaran

sensor suhu berdasarkan karakteristik dengan hasil pengujian. Perbedaan

tersebut diakibatkan karena kesalahan pada pembacaan suhu yang terdapat

pada thermometer.

Perbedaan suhu antara thermometer dan sensor suhu LM35 dan

perbedaan toleransi setiap sensor yang berbeda-beda pada masing-masing

produksi. Rata-rata kesalahan adalah 3%.

5.2. Pengujian Bentuk Signal PWM

Tujuan pengujian ini adalah untuk membuktikan adanya perubahan

kecepatan motor sesuai perubahan duty cycle signal PWM. Semakin besar

nilai duty cycle maka kecepatan motor semakin tinggi.

No

Suhu Terbaca

pada

Thermometer

(oC )

Tegangan Keluaran

Sensor Suhu LM35

Sesuai Data Pengujian

( VDC )

Tegangan keluaran

Sensor Suhu LM35

Sesuai Data Karakteristik

( VDC )

1 50 0,53 0,50

2 45 0,46 0,45

3 35 0,36 0,35

4 30 0,32 0,30

5 27 0,26 0,27

6 25 0,25 0,25


12/16


44

Langkah-langkah pengujian yang dilakukan:

1. Rangkaian pengatur kecepatan motor DC dirangkai seperti Gambar 6.

Gambar 6. Rangkaian Pengujian Bentuk Sinyal PWM

Mikrokontroler Atmega16

Titik Uji


13/16


45

2. Rangkaian pengatur kecepatan motor DC dihubungkan dengan catu

daya 5 VDC.

3. Batas suhu mulai dari batas suhu 1, 2, 3, 4 dan batas kecepatan 1 dan

batas suhu kecepatan 2.

a) Batas suhu 1 diatur sampai 26oC

b) Batas suhu 2 diatur sampai 30oC

c) Batas suhu 3 diatur sampai 35 oC

d)

Batas suhu 4 diatur sampai 40 oC

e)

Batas kecepatan 1 diatur sampai 40%f) Batas kecepatan 2 diatur sampai 80%

4. Sensor suhu didekatkan ke pemanas (solder)

5.

Probe osiloskop dihubungkan pada keluaran sinyal PWM di port B.3

dan ground pada osiloskop dihubungkan pada ground dari rangkaian.

6. Perubahan sinyal PWM untuk setiap perubahan suhu diantara 2 buah

batas suhu diamati.

7. Gambar bentuk gelombang dari sinyal PWM untuk semua suhu yang

berbeda-beda direkam.

Hasil pengujian

Gambar 7. Bentuk Gelombang Suhu di Bawah Batas Suhu 1 dengan PWM

Off pada Suhu Sensor 23oC

Batas 0 VDC

Volt/ Div : 5 V/ DivTime/ Div : 50 µS

Duty Cycle : 0 %


14/16


46

Gambar 8. Bentuk Gelombang Suhu di antara batas suhu 1 dan batas suhu 2

dengan Batas Kecepatan 40% pada Suhu Sensor 28oC

Gambar 9. Bentuk Gelombang Suhu di antara batas suhu 2 dan batas suhu 3

dengan Batas Kecepatan 80% pada Suhu Sensor 33oC

Gambar 10. Bentuk Gelombang Suhu di antara batas suhu 3 dan batas suhu

4 dengan PWM Full ON pada Suhu Sensor 38oC

Volt/ Div : 5 V/ Div

Time/ Div : 50 µS

Duty Cycle : 75%

Volt/ Div : 5 V/ DivTime/ Div : 50 µSDuty Cycle :85%

Volt/ Div : 5 V/ DivTime/ Div : 50 µS

Duty Cyle : 100%


15/16


47

Pada hasil pengujian dengan mendekatkan sensor suhu dan

thermometer dengan solder sebagai pemanasnya, di dapat bahwa:

a. Pada saat suhu sensor terbaca di bawah 26oC, maka sinyal PWM

menghasilkan duty cyle sebesar 0%

b.

Pada saat suhu sensor terbaca 28oC, maka sinyal PWM seharusnya

menghasilkan duty cycle sebesar 40% namun kenyataannya duty cycle

75% hal ini bisa terjadi karena perhitungan yang salah dalam

pemrograman dan penggunaan Bahasa C yang masih kurang sempurna

dalam pemrograman mikrokontroler

c.

Pada saat suhu sensor terbaca 33

o

C, maka sinyal PWM seharusnyamenghasilkan duty cycle sebesar 80% namun kenyataannya duty cycle

85% hal ini bisa terjadi karena perhitungan yang salah dalam

pemrograman dan penggunaan Bahasa C yang masih kurang sempurna

dalam pemrograman mikrokontroler

d.

Pada hasil pengujian saat suhu sensor terbaca 38oC maka sinyal PWM

menghasilkan duty cycle 100%

6. Kesimpulan

Setelah melalui proses perancangan serta pengujian alat diambil

beberapa kesimpulan sebagai berikut:

1. Terdapat perbedaan tegangan keluaran sensor LM35 dari hasil pengujian

dengan karakteristik tegangan keluaran dari datasheet dengan rata-rata

perbedaan sebesar 3 %.

2. Terdapat kesalahan yang cukup besar pada signal PWM yang

dikehendaki terhadap hasil pengujian terutama pada duty cycle 40 %

pada perangkat lunak dihasilkan duty cycle sebesar 75 % pada

pengujian. Hal ini dapat terjadi karena perangkat lunak yang digunakan

dalam bahasa C yang masih kurang sempurna dalam pemrograman

mikrokontroler.

Daftar Pustaka

1. ATMEL, ATmega16, ATmega16L, 2002, (Online),

(http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2466.pdf,

12 November 2009: 20.22 WIB).

2. Toshiba, TLP 521-1, TLP 521-2, TLP 521-4, 2002, (Online),

(http://www.datasheetcatalog.com, 15 November 2009, 20:51WIB).

3. Wiyono, Didik S.T. 2007, Panduan Praktis Mikrokontroler Keluarga

AVR , Surabaya:Innovative Electronics.


16/16


48

4. Andrianto, Heri. 2008, Pemrograman Mikrokontroler AVR

ATMEGA16 Menggunakan Bahasa C (CodeVision AVR), Bandung :

INFORMATIKA.

5. Pulse Width Modulator , (Online),

(http://en.wikipedia.org/wiki/Pulse_Width_Modulator, 28 Desember

2009, 20:25 WIB).

6. Boylestadt, Robert dan Louis Nashelsky. 1987. Electronic Device and

Circuit Theory. Fourth Edition. USA : Prentice Hall, Inc.

Documents

Paper7 Pengatur Kecepatan Motor DC