KARYA TULIS ILMIAH

MENGUKLUR TEMPERATUR OTOMATIS MENGGUNAKANTERMOKOPEL BERBASIS MIKROKONTROLER

Nyoman Wendri, S.Si., M.SiI Wayan Supardi, S.Si., M.Si

JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS UDAYANA2015

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 termokopelyang berbasis mikrokontroler AT89S51. Alat ukur ini akan bekerja pada jangkauanpengukuran 0°C sampai 66°C yang mempunyai linieritas sensor sebesar 6,07%. Sensortermokopel yang digunakan bekerja dengan mendeteksi perubahan temperatur yangakan menghasilkan perubahan tegangan yang akan dibaca oleh mikrokontrolerAT89S51.

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

P E N D A H U L U A N

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

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 :

oV = tegangan keluaran (Volt)

1V = tegangan masukan 1 (Volt)

2V = tegangan masukan 2 (Volt)

a = penguatan pada potensiometer R

Untuk mengatur besarnya tegangan keluaran maka kita dapat mengubah nilai a

3

2.3. Analog to Digital Converter (ADC)

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]

4

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.

5

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).

6

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

10K10K

10K

220K22Ω

0,047F

12MH

z

Vcc

LM

324 AT89S51

MA

X232

AD

C0804

Gambar 3.1. Rangkaian Sistem Sensor Otomatis Suhu dan TeganganBerbasis 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

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

8

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)

24

9

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

7785,0 maksy

395,18maksy

4127,5min y

%1004127,5395,18

7885,0xlinieritas

%07,6

%1000607,0

x

10

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

11

Berdasarkan grafik diatas besarnya perubahan suhu dengan tegangan

menunjukkan hubungan yang hampir linier, karena besarnya kenaikan temperatur

hampir sama dengan kenaikan tegangan.

12

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 MikrokntrolerAT89S51. Semarang : Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, UniversitasDiponegoro.

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. [diaksestanggal 21 Mei 2009 ].

14