APLIKASI ARDUINO UNTUK PENGATUR SUHU RUANG

¹Fajar Kurniawan, ²Osi Sabila J, ³Leonardo Argita R.D

Prodi Elektronika Jurusan Elektro Politeknik Negeri Semarang

Jl. Prof. H.  Soedarto, SH, Tembalang, Semarang, 50275

E-mail : ¹fajar_kur@ymail.com , ²osisabila@ymail.com , ³rama_gilabalap@rocketmail.com

Abstrak

Arduino Uno adalah board mikrokontroler berbasis ATmega328 (datasheet). Memiliki 14 pin input dari output digital  dimana 6 pin input tersebut dapat digunakan sebagai output PWM dan 6 pin input analog, 16 MHz osilator kristal, koneksi USB, jack power, ICSP header, dan tombol reset. Untuk mendukung mikrokontroler agar dapat digunakan, cukup hanya menghubungkan Board Arduino Uno ke komputer dengan menggunakan kabel USB atau listrik dengan AC yang-ke adaptor-DC atau baterai untuk menjalankannya.

Pada pembahasan kali ini akan dibahas mengenai aplikasi Arduino yaitu deteksi suhu dengan output menggunakan SSR ( Solid State Relay ). Dimana sensor suhu digunakan sebagai input dan SSR ( Solid State Relay ) digunakan sebagai output ( sakelar otomatis ). Untuk memanaskan suhu pada ruangan maka menggunakan lampu dan untuk menormalkan suhu kembali menggunakan kipas angin.

         

Kata kunci : Arduino Uno, Kipas Angin, Lampu, Sensor Suhu, Solid State Relay

The Arduino Uno is a microcontroller board based on the ATmega328 (datasheet). It has 14 digital input pins of the output of the input pins of which 6 can be used as PWM outputs and 6 analog input pin, 16 MHz crystal oscillator, a USB connection, a power jack, an ICSP header, and a reset button. To support the microcontroller to be used, quite simply connect the Arduino Uno board to the computer using the USB cable or the AC electrical-to-DC adapter or battery to run it.

This paper will discuss the application of the Arduino is detection of temperature by using output of the SSR ( Solid State Relay). Where the temperature sensor is used as input and SSR ( Solid State Relay ) is used as the output ( automatic switch ). To heat at room temperature and then use light to re-normalize the temperature using a fan.

   Keyword :  Arduino Uno, Lamp, Fan, Temperature Sensor, Solid State Relay

I.          PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Seiring dengan perkembangan teknologi dan ilmu pengetahuan, akhir-akhir ini bidang elektronika mengalami kemajuan yang pesat. Dengan kemajuan tersebut, membuat manusia selalu berusaha memanfaatkan teknologi yang ada untuk mempermudah kehidupannya.

Misal dalam pengaturan suhu ruangan biasanya menggunakan kipas angin ataupun AC. Oleh karena itu jika pengukuran suhu dilakukan secara manual maka hasil yang didapat yaitu pengukuran yang kurang tepat.

Pengukuran suhu secara otomatis akan memudahkan pembacaan dan keakuratan yang tepat. Dan juga ditambahkan lampu indikator pada output. Sehingga jika sensor suhu menunjukkan suhu yang diatur maka lampu indikator akan hidup.

Berdasarkan permasalahan tersebut maka dirancang suatu alat dengan sensor suhu dilengkapi dengan lampu indikator agar memudahkan pengguna dalam melakukan pembacaan.

1.2 Rumusan Masalah

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

1)       Bagaimana cara merancang rangkaian dengan input sensor suhu ?

2)       Bagaimana cara merancang SSR ( Solid State Relay ) pada output ?

3)       Bagaimana cara mengatur lampu agar ruangan mencapai suhu yang telah ditentukan ?

4)       Bagaimana agar kipas angin bisa menormalkan suhu ruangan ?

1.3 Ruang Lingkup

       Berdasarkan rumusan masalah diatas, agar pembahasan terfokus pada pokok pembahasan maka masalah yang akan dibahas pada alat ini adalah sebagai berikut :

1)    Tegangan yang diukur hanya sebatas 0 – 5 V.

2)    Lampu digunakan untuk memanaskan suhu ruangan.

3)    Kipas angin digunakan untuk menormalkan suhu ruangan.

1.4 Tujuan

       Tujuan dari pembuatan alat ini adalah merancang suatu alat dengan sensor suhu dilengkapi dengan lampu indikator agar memudahkan pengguna dalam melakukan pembacaan.

   II.         TINJAUAN PUSTAKA

Penjelasan dan uraian teori penunjang yang digunakan dalam membuat alat ini diperlukan untuk mempermudah pemahaman tentang cara kerja rangkaian maupun dasar-dasar perencanaan pembuatan alat. Teori – teori yang akan dijelaskan dalam bab ini meliputi Arduino Uno, NTC, PTC, LM35DT, LM335, DT18B20 dan SSR.

2.1 Arduino Uno R3

Arduino UNO adalah sebuah board mikrokontroler yang didasarkan pada ATmega328 (datasheet). Arduino UNO mempunyai 14 pin digital input/output (6 di antaranya dapat digunakan sebagai output PWM), 6 input analog, sebuah osilator Kristal 16 MHz, sebuah koneksi USB, sebuah power jack, sebuah ICSP header, dan sebuat tombol reset. Arduino UNO memuat semua yang dibutuhkan untuk menunjang mikrokontroler, mudah menghubungkannya ke sebuah computer dengan sebuah kabel USB atau mensuplainya dengan sebuah adaptor AC ke DC atau menggunakan baterai untuk memulainya.

 Gambar 2.1 Arduino Uno

      Sumber :http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno

Setiap 14 pin digital pada Arduino Uno dapat digunakan sebagai input dan output, menggunakan fungsi pinMode(), digitalWrite(), dan digitalRead(). Fungsi-fungsi tersebut beroperasi di tegangan 5 Volt. Setiap pin dapat memberikan atau menerima suatu arus maksimum 40 mA dan mempunyai sebuah resistor pull-up (terputus secara default) 20-50 kOhm. Selain itu, beberapa pin mempunyai fungsi-fungsi spesial:

§ Serial: 0 (RX) dan 1 (TX). Digunakan untuk menerima (RX) dan memancarkan (TX) serial data TTL (Transistor-Transistor Logic). Kedua pin ini dihubungkan ke pin-pin yang sesuai dari chip Serial Atmega8U2 USB-ke-TTL.

§ External Interrupts: 2 dan 3. Pin-pin ini dapat dikonfigurasikan untuk dipicu sebuah interrupt (gangguan) pada sebuah nilai rendah, suatu kenaikan atau penurunan yang besar, atau suatu perubahan nilai. Lihat fungsi attachInterrupt() untuk lebih jelasnya.

§ PWM: 3, 5, 6, 9, 10, dan 11. Memberikan 8-bit PWM output dengan fungsi analogWrite().

§ SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Pin-pin ini mensupport komunikasi SPI menggunakan SPI library.

§ LED: 13. Ada sebuah LED yang terpasang, terhubung ke pin digital 13. Ketika pin bernilai HIGH LED menyala, ketika pin bernilai LOW LED mati.

Arduino UNO mempunyai 6 input analog, diberi label A0 sampai A5, setiapnya memberikan 10 bit resolusi (contohnya 1024 nilai yang berbeda). Secara default, 6 input analog tersebut mengukur dari ground sampai tegangan 5 Volt, dengan itu mungkin untuk mengganti batas atas dari rangenya dengan menggunakan pin AREF dan fungsi analogReference(). Di sisi lain, beberapa pin mempunyai fungsi spesial:

§ TWI: pin A4 atau SDA dan pin A5 atau SCL. Mensupport komunikasi TWI dengan menggunakan Wire library

Ada sepasang pin lainnya pada board:

§ AREF. Referensi tegangan untuk input analog. Digunakan dengan analogReference().

§ Reset. Membawa saluran ini LOW untuk mereset mikrokontroler. Secara khusus, digunakan untuk menambahkan sebuah tombol reset untuk melindungi yang memblock sesuatu pada board.

2.2 NTC dan PTC

Termistor PTC memiliki perbedaan dengan NTC antara lain:

1.     Koefisien temperatur dari thermistor PTC bernilai positif hanya dalam interfal temperatur tertentu, sehingga diluar interval tersebut akan bernilai nol atau negative

2.     Harga mutlak dan koefisien temperatur dari termistor PTC jauh lebih besar dari pada termistor NTC. Ntc Termistor dengan koefisien yang negatif Nilai tahanan akan naik jika temperatur turun dan nilai tahanan akan turun jika temperatur naik

 Prinsip kerja ntc

•  Resistansi ntc thermis - diterima oleh seluruh partisipan   berkurang secara proporsional dengan peningkatan suhu.

•  Resistansi temperatur thermistor hubungan dapat diperkirakan oleh,karakteristik sebuah termistor ntc adalah satu di mana daya resistensi nol berkurang dengan peningkatan suhu tubuh. Ptc termistor dengan koefisien yang positif nilai/besar tahanannya berubah sesuai perubahan suhu.nilai tahanan akan naik jika temperatur naik, dan turun jika temperatur turun

 Prinsip kerja ptc

•  Elemen-PTC pemanas sensitif mengatur kekuatan sesuai dengan temperatur yang diperlukan. Para input daya tergantung pada output yang diminta panas.

•  Karena Perlawanan khusus suhu-karakteristik, ada suhu ada tambahan peraturan atau perangkat keselamatan diperlukan sementara mencapai tinggi tingkat daya panas ketika menggunakan area resistansi rendah Sebuah termistor PTC adalah salah satu di mana daya resistensi nol meningkat dengan peningkatan suhu tubuh.

2.3 LM35DT

Sensor termal  berupa IC LM35DT adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. IC LM35DT adalah sebagai sensor suhu yang terkemas dalam bentuk Integrated Circuit. Sensor ini mempunyai koefisien sebesar 10 mV/°C yang berarti bahwa setiap kenaikan suhu 1°C maka akan terjadi kenaikan tegangan sebesar 10 mV. LM35DT tidak memerlukan pengkalibrasian atau penyetelan dari luar karena ketelitiannya kurang lebih sampai seperempat derajat celcius. Pada komponen ini mempunyai jangkauan (range) pengukuran suhu yang cukup besar, dari suhu –55°C sampai 150°C, serta tingkat ketelitian pengukuran cukup tinggi. Setiap perubahan suhu 1°C tegangan keluaran berubah sebesar 0,01 volt (10 mV). Komponen ini bekerja pada arus 450 mA sampai 5 mA sertamempunyai impedansi masukan kurang dari 1W.

Gambar 2.3 LM35DT

Sensor LM35DT mempunyai 3 pin, dimana pin 1 adalah input (tegangan), pin 2 sebagai output dan pin 3 sebagai ground.

2.4 LM335

IC LM335 adalah salah satu sensor untuk mengukur suhu. IC LM335 digunakan untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik. IC sensor LM335 ini mempunyai bentuk fisik seperti transistor mempunyai tiga buah kaki, diantaranya anoda, katoda, dan adjust (kontrol). Isinya berupa zener yang peka(sensitive) pada temperature. IC LM335 merupakan tranduser yang dikemas dalam bentuk rangkaian terintegrasi yang tegangan keluarannya berbanding linier terhadap perubahan temperatur , jadi apabila suhu lingkungan rendah maka tegangan yang keluar dari IC tersebut adalah rendah. Demikian juga sebaliknya apabila suhu yang disekitar IC tinggi, maka tegangan yang dihasilkan dari keluaran IC tersebut adalah besar. Dengan kata lain perubahan tegangan yang dihasilkan tranduser IC LM335 sesuai dengan perubahan temperaturnya.

Karena sensor ini dapat mensuplai, maka sensor bekerja sebagai penyetabil tegangan yang besarnya sesuai dengan temperature terukur. IC sensor ini mengubah temperature menjadi tegangan listrik sesuai dengan kenaikan 10mv / derajat celcius. Untuk mengkalibrasikan sensor ini maka tahanan variable harus diatur agar tegangan keluar sebesar 2980mV sehingga setara dengan 25 derajat celcius. Besaran analog yang dihasilkan oleh sensor suhu ini mempunyai resistansi 10mV untuk setiap kenaikan 1 derajat celcius.

Gambar 2.4 LM335

Keuntungan dari IC LM335 adalah mempunyai sensor temperatur yang linier kalibrasinya langsung dalam Celcius, sehingga tidak diperlukan tegangan konstan yang besar dari keluaran skala Celcius Sensor ini bekerja untuk mengirimkan sebuah sinyal tegangan yang sesuai dengan keadaan suhu yang dipantau dan diterima oleh pemproses.

Selain LM335 ada juga LM135 dan 235, perbedaannya terletak pada batas ukur suhunya. Apabila LM335 bekerja pada batas ukur -40 derajat celcius sampai 100 derajat celcius. Sedangkan pada LM135 bekerja pada batas ukur -55 derajat celcius sampai 150 derajat celcius, adan pada LM235 bekerja pada batas ukur -40 derajat celcius 125 derajat celcius.

Spesifikasi sensor LM335 ini adalah :

• Mudah dikalibrasi

• Presisi

• Impedansi rendah (kurang dari 1 ohm impedansi dinamis)

• Tegangan pada 25 derajat celcius adalah 2980mV

• Kenaikan suhu per derajatnya menambah tegangan 10mV dan sebaliknya

• Daerah ukur -40 derajat celcius sampai dengan 100 derajat celcius

• Arus bias 0,4mA sampai dengan 5mA

2.5 DS18B20

Sensor suhu DS18B20  merupakan sensor yang memiliki kemampuan tahan air (waterproof).  DS18B20 cocok digunakan untuk mengukur suhu pada tempat yang sulit atau basah.  Karena ouput data sensor suhu ini merupakan data digital, maka tidak perlu khawatir terhadap degradasi data ketika menggunakan untuk jarak yang jauh. DS18B20 menyediakan 9 hingga 12-bit (yang dapat dikonfigurasi) data.

Karena setiap sensor DS18B20 memiliki silicon serial number yang unik, maka beberapa sensor DS18B20 dapat dipasang dalam 1 bus. Hal ini memungkinkan pembacaan suhu dari berbagai tempat. Meskipun secara datasheet sensor ini dapat membaca bagus hingga 125°C, namun dengan penutup kabel dari PVC disarankan untuk penggunaan tidak melebihi 100°C. Bentuk sensor DS18B20 adalah sebagai berikut:

Gambar 2.5 DS18B20

2.6 Solid State Relay

Solid State Relay (SSR) adalah relay/saklar elektronik semikonduktor yang memiliki kelebihan dan kekurangan dibandingkan dengan relay konvensional (elektro mekanik). Sistem isolasi pada solid state relai pada umumnya terisolasi secara optik sedangkan relay konvensional (elektro mekanik) terisolasi secara fisik, akondisi ini akan memberikan keuntungan dan kerugian tersendiri antara solid state relay dan relay konvensioanl. Kelebihan dan kekurangan antara solid state relay dengan relay konvensional (elektro mekanik) dapat dilihat dari sisi pengoperasiannya dan performasinya. Beberapa kelebihan dan kekurangan yang dimiliki solid state relay (SSR) diantaranya sebagai berikut.

1. Pada solid-state relay tidak terdapat bagian yang bergerak seperti halnya pada relay. Relay mempunyai sebuah bagian yang bergerak yang disebut kontaktor dan bagian ini tidak ada pada solid-state relay. Sehingga tidak mungkin terjadi ‘no contact’ karena kontaktor tertutup debu bahkan karat.
2. Tidak terdapat ‘bounce’, karena tidak terdapat kontaktor yang bergerak paka pada solid-state relay tidak terjadi peristiwa ‘bounce’ yaitu peristiwa terjadinya pantulan kontaktor pada saat terjadi perpindahan keadaan. Dengan kata lain dengan tidak adanya bounce maka tidak terjadi percikan bunga api pada saat kontaktor berubah keadaan.
3. Proses perpindahan dari kondisi ‘off’ ke kondisi ‘on’ atau sebaliknya sangat cepat hanya membutuhkan waktu sekitar 10us sehingga solid-state relay dapat dengan mudah dioperasikan bersama-sama dengan zero-crossing detektor. Dengan kata lain opersai kerja solid-state relay dapat disinkronkan dengan kondisi zero crossing detektor.
4. Solid-State relay kebal terhadap getaran dan goncangan. Tidak seperti relay mekanik biasa yang kontaktornya dapat dengan mudah berubah bila terkena goncangan/getaran yang cukup kuat pada body relay tersebut.
5. Tidak menghasilkan suara ‘klik’, seperti relay pada saat kontaktor berubah keadaan.
6.  Kontaktor output pada solid-state relay secara otomatis ‘latch’ sehingga energi yang digunakan untuk aktivasi solid-state relay lebih sedikit jika dibandingkan dengan energi yang digunakan untuk aktivasi sebuah relay. Kondisi ON sebuah solid-state relay akan di-latc sampai solid-state relay mendapatkan tegangan sangat rendah, yaitu mendekati nol volt.
7. Solid-State relay sangat sensitif sehingga dapat dioperasikan langsung dengan menggunakan level tegangan CMOS bahkan level tegangan TTL. Rangakain kontrolnya menjadi sangat sederhana karena tidak memerlukan level konverter.
8. Masih terdapat couple kapasitansi antara input dan output tetapi sangat kecil sehingga arus bocor antara input output sangat kecil. Kondisi diperlukan pada peralatan medical yang memerlukan isolasi yang sangat baik

Kekurangan Solid State Relay (SSR)

1. Resistansi Tegangan transien. Tegangan yang diatur/dikontrol oleh solid-state relay benar-benar tidak bersih. Dengan kata lain tidak murni tegangannya berupa sinyal sinus dengan tegangan peak to peak 380 vpp tetapi terdapat spike-spike yang dihasilkan oleh induksi motor atau peralatan listrik lainnya. Spike ini level tegangannya bervariasi jika terlalu besar maka dapat merusakkan solid-state relay tersebut. Selain itu sumber-sumber spike yang lain adalah sambaran petir, imbas dari selenoid valve dan lain sebagainya.
2. Tegangan drop. Karena solid-state relay dibangun dari bahan silikon maka terdapat tegangan jatuh antara tegangan input dan tegangan output. Tegangan jatuh tersebut kira-kira sebesar 1 volt. Tegangan jatuh ini menyebabkan adanya dissipasi daya yang besarnya tergantung dari besarnya arus yang lewat pada solid-state relay ini.
3. Arus bocor-‘Leakage current’. Pada saat solid-state relay ini dalam keadaan off atau keadaan open maka dalam kondisi yang idel seharusnya tidak ada arus yang mengalir melewati solid-state relay tetapi tidak demikian pada komponen yang sebenarnya. Besarnya arus bocor cukup besar untuk jika dibandingkan arus pada level TTL yaitu sekitar 10mA rms.
4. Susah untuk dimplementasikan pada aplikasi multi fasa.
5. Harga solid state relay jauh lebih mahal darirelay konvensional (elektro mekanik) dengan kemampuan sama dengan relay konvensional.
   
   

3.3. Prinsip Kerja Alat

              Alat ini menggunakan 5 sensor suhu sebagai input yaitu NTC, PTC, LM35, LM335, dan DS18B20 sedangkan outputnya menggunakan SSR AC yang terhubung dengan lampu dan SSR DC yang terhubung dengan kipas angin. Sebelumnya atur batas suhu yang akan dibaca melalui arduino agar dapat dipanaskan lampu. Saat program dijalankan, maka sensor suhu akan membaca suhu ruangan tersebut. Tetapi setelah sensor diberi suhu panas, arduino akan membaca batas kenaikan suhu yang telah diatur. Suhu akan naik setelah dinaikkan suhunya oleh lampu. Jika suhu sudah mencapai batas kenaikan suhu yang ditentukan maka lampu akan padam dan data akan diolah oleh arduino dan akan mengirimkan sinyal analog ke solid state relay (SSR) sehingga kontak pada SSR akan tersambung kipas angin akan menyala . Ketika suhu kembali ke suhu ruangan, SSR DC akan terputus dan kipas angin akan mati.

Gb 3.3a Flowchart

Gb 3.4b Diagram Blok

3.4. Perancangan Perangkat Keras

Pada perangkat keras yang digunakan terdapat beberapa sensor suhu yang akan digunakan sebagai input pada arduino. Setiap sensor disatur suhunya agar dapat menghidupkan SSR.

Sensor	Suhu
NTC	30°
PTC	30°
LM35DT	30°
LM335	30°
DS18B20	30°

Gb 3.4 Tabel Perangkat Sensor

3.4.1. Rangkaian Sensor Suhu dan SSR

Gb 3.4.1 Rangkaian sensor suhu dan SSR

   III.        PENGUJIAN DAN ANALISA

Berdasarkan hasil pengujian yang telah dilakukan, output pada setiap sensor suhu mempunyai perbedaan. Dimana perbedaan tersebut didapatkan pada pembacaan suhu awal (suhu ruangan). Namun perbedaan tersebut hanya mempunyai selisih sedikit. Berikut hasil pengujian yang telah dilakukan.

 Gb 3.5 Tabel Pengukuran Suhu Awal

Pada hasil pengukuran suhu awal, dapat terbaca, namun terdapat beberapa beda pengukuran, hal ini dapat disebabkan oleh karakteristik masing-masing sensor, dimana tiap sensor memilik karakteristik sendiri.

 IV.        Kesimpulan

Berdasarkan hasil percobaan aplikasi arduino pada sensor suhu yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa :

1.     Setiap sensor suhu memiliki pembacaan temperatur yang berbeda, hal ini dikarenakan perbedaan nilai tahanan, kalibrasi, ataupun karakteristik.

2.     Pada percobaan ini lampu digunakan sebagai indikator output ketika suhu telah melewati batas yang ditentukan. Hal ini dikarenakan pada SSR AC/DC tidak seperti relay yang berbunyi ketika terjadi perpindahan dari on ke off atau sebaliknya, sehingga harus menggunakan indikator lampu agar dapat mengetahuipada saat suhu berubah.

REFERENSI

1.       http://blogelektronikadi.blogspot.jp/2012/03/pengenalan-termistor-ntc-dan-ptc.html

2.       http://elektronika-dasar.web.id/artikel-elektronika/kelebihan-dan-kekurangan-solid-state-relay-ssr/

3.       http://elektronikadasar.info/sensor-suhu.htm

4.       http://ilmubawang.blogspot.jp/2011/04/sensor-suhu-lm335.html

5.       http://www.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/2812