Sistem kendali

SISTEM KONTROL KECEPATAN PUTAR SPIN COATING

BERBASIS MIKROKONTROLER ATmega8535

Oleh:

ERUS RUSTAMI

G74101018

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

2008

ii

ABSTRAK

ERUS RUSTAMI. Sistem Kontrol Kecepatan Putar Spin Coating Berbasis Mikrokontroler

ATmega8535. Dibimbing oleh Ir. Hanedi Darmasetiawan, MS. dan Ahmad Aminudin, M.Si

Metode pelapisan spin coating memiliki keunggulan dari sisi kemudahan, biaya, dan

kesederhanaan alat yang digunakan. Kecepatan putar merupakan salah satu parameter penting

dalam metode spin coating. Sistem kontrol loop tertutup (close loop control system) digunakan

untuk meningkatkan kestabilan kecepatan putar. Prinsip dasar sistem kontrol loop tertutup adalah

membandingkan nilai perintah (set point) dengan nilai kenyataan (preset value) melalui teknik

umpan balik. Selisih nilai diantara keduanya disebut sebagai kesalahan (error). Sistem akan

mengurangi error yang terjadi secara otomatis sampai pada batas ketepatan tertentu. Pengontrolan

kecepatan dilakukan oleh mikrokontroler ATmega8535 menggunakan bahasa pemrograman Basic Compiler. Kecepatan putar yang dihasilkan ditampilkan pada layar Personal Computer (PC)

melalui komunikasi serial. Pengujian kalibrasi untuk nilai uji 800 rpm menghasilkan ketelitian

98,01% dan ketepatan 99,50%, nilai uji 1600 rpm ketelitian 99,69% dan ketepatan 98,60% dan

nilai uji 2400 ketelitian 99,75% dan ketepatan 98,80%. Pengujian perbandingan set point dan

preset value menghasilkan ketelitian 98,97 % dan ketepatan 99,63 %. Pengujian karakterisitk alat

menyatakan bahwa sinyal perintah mengalami overshoot, settling time bernilai 6 detik, dan steady

state error bernilai 1,75% untuk nilai uji 800 rpm, 1,75% untuk nilai ui 1200 rpm, dan 1,15%

untuk nilai uji 2000 rpm. Alat deposisi spin coating yang menggunakan sistem kontrol kecepatan

mampu mengeluarkan kecepatan pada nilai yang diperintahkan.

Kata kunci: spin coating, close loop control system, mikrokontroler ATmega8535, steady state error

iii

SISTEM KONTROL KECEPATAN PUTAR SPIN COATING

BERBASIS MIKROKONTROLER ATmega8535

Skripsi

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains

pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Pertanian Bogor

ERUS RUSTAMI

G74101018

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

2008

iv

Judul : Sistem Kontrol Kecepatan Spin Coating Berbasis Mikrokontroler ATmega 8535

Nama : Erus Rustami

NRP : G74101018

Menyetujui:

Pembimbing I, Pembimbing II,

Ir. Hanedi Darmasetiawan, M.S Ahmad Aminudin, M.Si

NIP : 130 367 084

Mengetahui:

Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Pertanian Bogor

Dr. Drh. Hasim, DEA

NIP : 131 578 806

Tanggal Lulus:

v

RIWAYAT HDUP

Penulis dilahirkan di Sukabumi pada tanggal 26 Februari 1983 sebagai

anak ketiga dari tiga bersaudara dari pasangan Sutawijaya dan Lilis

Fatimah.

Penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SD Negeri Cimanggu II

pada tahun 1995, kemudian melanjutkan ke pendidikan menengah tingkat pertama di Madrasah Tsanawiyah Negeri Cikembar tahun 1998, dan

selanjutnya menyelesaikan pendidikan menengah atas di SMU Negeri 1

Cibadak.

Pada tahun 2001, penulis diterima di Institut Pertanian Bogor melalui

jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) sebagai mahasiswa di Departemen Fisika, Fakultas

Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.

Selama kuliah penulis aktif di berbagai kegiatan kemahasiswaan antara lain Himpunan

Mahasiswa Fisika (HIMAFI) di Departemen Pengembangan Sumberdaya Manusia pada tahun

2001-2002, Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI) di Departemen Kerohanian pada tahun 2002-

2003, Badan Kerohanian Islam Mahasiswa (BKIM) sebagai ketua Departemen Pembinaan pada

tahun 2002-2003. Badan Kerohanian Islam Mahasiswa (BKIM) sebagai ketua Harian II Wilayah Baranang Siang pada tahun 2003-2004. Penulis juga pernah menjadi Asisten Fisika Dasar I dan II,

Elektronika I dan II, serta Elektronika Digital.

vi

PRAKATA

Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, taufiq

dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul ”Sistem Kontrol Kecepatan Putar Spin Coating Berbasis Mikrokontroler ATmega8535”. Penulisan karya ilmiah ini

dilakukan untuk memenuhi tugas akhir guna mendapatkan gelar Sarjana Sains pada Departemen

Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Shalawat dan

salam semoga senantiasa tercurah kepada tauladan seluruh manusia Rasulullah Muhammad SAW

para sahabatnya, keluarganya, dan ummatnya hingga akhir zaman.

Sebuah kebahagiaan yang sangat besar karya ini dapat diselesaikan. Tentu saja keberhasilan

ini diwujudkan melalui perjuangan dan kesabaran serta dukungan dari berbagai pihak. Pada

kesempatan ini patutlah kiranya penulis sampaikan rasa terima kasih kepada:

Bapak Hanedi Darmasetiawan dan Bapak Ahmad Aminudin selaku pembimbing dalam

penelitian ini yang telah membimbing dan mengarahkan dengan penuh kesabaran, petunjuk, dan motivasi dari awal hingga akhir.

Bapak Irzaman selaku pembimbing pertama atas tawaran ide penelitiannya.

Pak Firman atas bantuan administrasinya juga pak Mus, Pak Yani pak Faisal atas

bantuannya untuk menggunakan fasilitas laboratorium dan bengkel.

Pak Tony atas bantuannya dalam penggunaan fasilitas laboratorium elektronika.

Ibu, Bapak, kakakku tercinta Tita Novianti, dan Arie Maulana yang senantiasa

memotivasi dan memberikan yang terbaik untuk penulis.

Ihsan dan Rizal yang telah menjadi teman seperjuangan dan diskusi panulis.

Subhi, Taofik, Fahmi, Azzam, Agung, Ario, Roni, Dian atas semangat kebersamaan

yang telah dijalani selama melakukan penelitian di laboratorium mikrokontroler.

Kang Dadang, mas Wahyu, kang Rokim, Zahrul, Nazmi, Kunta, Agus, Bayin, Fadli,

atas dukungan dan kebersamaanya yang mampu membangkitkan semangat. Seluruh teman yang telah memberikan dukungan dan motivasi.

Sehebat apapun pekerjaan yang dilakukan manusia pasti ada celah kelemahan di dalamnya,

tak ada gading yang tak retak. Begitu juga dengan karya ini, pasti ada kekurangan dan bagian yang

perlu ditambahkan. Untuk itu penulis membutuhkan saran dan kritik dari siapapun untuk

perbaikan di masa yang akan datang. Semoga apa yang dilakukan dan disampaikan penulis bisa

memberikan manfaat bagi kita semua.

Bogor, Mei 2008

Erus Rustami

vii

DAFTAR ISI

Halaman

PRAKATA ............................................................................................................................ i

DAFTAR ISI ......................................................................................................................... ii

DAFTAR TABEL .................................................................................................................. iii

DAFTAR GAMBAR .............................................................................................................. iii

DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................................... iv

PENDAHULUAN

Latar Belakang ......................................................................................................... 1

Tujuan Penelitian .................................................................................................... 1

TINJAUAN PUSTAKA Metode Spin Coating ................................................................................................. 1

Teori Sistem Kontrol ................................................................................................ 2

Digital to Analog Converter ...................................................................................... 2

Pulse Width Modulations .......................................................................................... 3

Actuator ................................................................................................................... 4

Sensor ...................................................................................................................... 4

Frequency to Voltage Converter ................................................................................ 4

Mikrokontroler ATmega 8535 ................................................................................... 5

Komunikasi Serial .................................................................................................... 5

METODOLOGI PENELITIAN

Waktu dan Tempat Penelitian .................................................................................... 5

Alat dan Bahan ......................................................................................................... 6 Metode Penelitian ..................................................................................................... 6

Merancang Diagram Blok Fungsional ........................................................................ 6

Merancang Rangkaian Masing-masing Blok Fungsional ............................................ 6

Pembuatan dan Pengujian Rangkaian Secara Terpisah ............................................... 6

Pembuatan Software .................................................................................................. 7

Kalibrasi Alat ............................................................................................................ 7

Pengambilan Data ..................................................................................................... 7

HASIL DAN PEMBAHASAN

Digital to Analog Converter ...................................................................................... 7

Rangkaian Pembalik.................................................................................................. 8

Motor Controller ....................................................................................................... 9 Motor........................................................................................................................ 11

Magnetic Encoder ..................................................................................................... 12

Rangkaian Pengkondisi ............................................................................................. 12

Frequency to Voltage Converter ................................................................................ 12

Analog to Digital Converter ..................................................................................... 13

Sistem Kontrol .......................................................................................................... 14

Data Pengujian Alat .................................................................................................. 16

SIMPULAN DAN SARAN

Simpulan .................................................................................................................. 18

Saran ........................................................................................................................ 18

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................. 18

LAMPIRAN

ii

viii

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1. Tabel keluaran DAC 0808 ......................................................................................... 7

Tabel 2. Tabel keluaran rangkaian pembalik ............................................................................ 8

Tabel 3. Tabel keluaran tegangan rata-rata PWM .................................................................... 10

Tabel 4. Tabel frekuensi keluaran motor .................................................................................. 11

Tabel 5. Tabel pengujian karakteristik F/V .............................................................................. 13

Tabel 6. Tabel pengujian ADC ................................................................................................ 13

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1. Hubungan antara kecepatan putar dan ketebalan lapisan ....................................... 2

Gambar 2. Sistem kontrol loop tertutup ................................................................................. 2 Gambar 3. Skema sederhana DAC weighted resistor ............................................................. 2

Gambar 4. Proses pembentukan sinyal PWM ........................................................................ 3

Gambar 5. Nilai tegangan rata-rata PWM ............................................................................. 3

Gambar 6. Rangkaian pengontrol tegangan motor ................................................................. 3

Gambar 7. Rangkaian internal IC LM2917 8-pin .................................................................. 5

Gambar 8. Pengiriman data serial ......................................................................................... 5

Gambar 9. Diagram alir penelitian ........................................................................................ 6

Gambar 10. Diagram blok fungsional rancangan alat deposisi spin coating ............................. 6

Gambar 11. Diagram blok fungsional alat deposisi spin coating .............................................. 7

Gambar 12. Rangkaian DAC menggunakan DAC 0808 .......................................................... 7

Gambar 13. Hubungan antara keluaran DAC dan bilangan biner ............................................. 8

Gambar 14. Rangkaian pembalik tegangan .............................................................................. 8 Gambar 15. Hubungan antara tegangan pembalik dan keluaran DAC ....................................... 8

Gambar 16. Rangkaian pengkondisi tegangan.......................................................................... 9

Gambar 17.a Sinyal PWM ketika Vref = 0 V .......................................................................... 9

Gambar 17.b Sinyal PWM ketika Vref = 2,5 V ........................................................................ 10

Gambar 17.c Sinyal PWM ketika Vref = 5 V ........................................................................... 10

Gambar 18. Hubungan antara Vrata-rata dan bilangan biner ......................................................... 10

Gambar 19. Motor tipe UGFMED B1 20E buatan Yaskawa .................................................... 11

Gambar 20. Hubungan antara frekuensi dan Vsupply .................................................................. 11

Gambar 21. Bentuk pulsa keluaran encoder ............................................................................ 12

Gambar 22. Rangkaian pengkondisi sinyal ............................................................................. 12

Gambar 23. Rangkaian F/V lengkap ....................................................................................... 12 Gambar 24. Hubungan antara frekuensi dan tegangan pada rangkaian F/V ............................... 13

Gambar 25. Hubungan antara tegangan dan bilangan biner ...................................................... 14

Gambar 26. Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran yang menampilkan

nilai aktual dan terbaca ........................................................................................ 16


nilai aktual dan terbaca ......................................................................................... 16


nilai aktual dan terbaca ........................................................................................ 16

Gambar 29. Perbandingan kecepatan antara set point dan preset value ..................................... 17

Gambar 30. Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran

pada nilai uji 800 rpm .......................................................................................... 17 Gambar 31. Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran

pada nilai uji 1200 rpm ........................................................................................ 17

Gambar 32. Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran

pada nilai uji 2000 rpm ........................................................................................ 17

iii

ix

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1. Data Pengujian Kalibrasi Putaran ....................................................................... 21

Lampiran 2. Data Perbandingan Set point dan Preset value .................................................... 22

Lampiran 3. Data Pengujian Settling Time dan Steady State Error ......................................... 23

Lampiran 3. Gambar Alat Deposisi Spin Coating................................................................... 24 Lampiran 4. Skema Rangkaian Pembangkit Sinyal PWM ..................................................... 25

Lampiran 5. Skema Rangkaian Catu Daya ............................................................................. 26

Lampiran 6. Skema DT-AVR Low Cost Micro System ........................................................... 27

Lampiran 7. Datasheet ATmega 8535 .................................................................................. 28

Lampiran 8. Datasheet DAC 0808 ........................................................................................ 30

Lampiran 9. Datasheet IC LM2917 Frequency to Voltage Converter .................................... 32

Lampiran 10. Datasheet Motor UGFMED B1 20E Produksi Yaskawa .................................... 34

Lampiran 11. Datasheet Magnetic Encoder UTMSI-01BNA .................................................. 35

iv

1

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Perkembangan teknologi material

merupakan salah satu bagian yang mendapat

perhatian besar para peneliti di dunia.

Banyak penelitian dilakukan untuk

menghasilkan material dengan karakteristik

yang baru sesuai dengan kebutuhan. Salah satu cara yang digunakan untuk

menghasilkan material yang diinginkan

adalah dengan teknik pelapisan material.

Berbagai macam metode pelapisan

material telah dikembangkan untuk

mendukung perkembangan teknologi

material. Secara garis besar ada dua macam

metode pembuatan lapisan yaitu metode

konvensional dan sol-gel. Spin coating, dip

coating, electrophoresis, thermoporesis, dan

settling (sedimentation) merupakan bagian dari metode sol-gel. Metode pelapisan spin

coating merupakan metode sol-gel yang

paling mudah, murah, dan sederhana

(Asrorudin 2004).

Alat deposisi spin coating yang telah

dibuat masih memiliki beberapa

keterbatasan, yaitu kecepatan putar hanya

dihasilkan pada nilai tertentu dan proses

pengontrolannya masih bersifat manual.

Kecepatan putaran yang dinyatakan dalam

satuan rotation per minute (rpm) merupakan parameter yang penting pada metode spin

coating. Semakin banyak nilai kecepatan

yang dapat dihasilkan akan membuat proses

pelapisan material menjadi semakin beragam

dan sangat mungkin mendapatkan hasil akhir

yang lebih baik. Faktor penting lain dalam

proses spin coating adalah kestabilan putaran

yang dikeluarkan dan kemampuan untuk

menghasilkan nilai kecepatan putaran yang

sama dengan nilai yang diperintahkan.

Pada bagian lain, di bidang teknik

berkembang sebuah metode untuk mendapatkan nilai keluaran yang tepat,

mengurangi error yang terjadi, dan tanggap

terhadap perubahan, metode ini disebut

sebagai sistem kontrol otomatis. Metode ini

bekerja secara otomatis dalam proses

pengontrolan alat atau mengeluarkan nilai

yang diinginkan. Proses pengontrolannya

dapat dilakukan secara analog yaitu dengan

menggunakan komponen elektronika, atau

secara digital melalui instruksi-instruksi

dalam bahasa pemrograman tertentu. Penggunaan sistem kontrol kecepatan

pada spin coating masih jarang ditemukan

pada alat-alat spin coating yang beredar di

pasaran. Kalaupun ada harga yang harus

dibayar masih terlalu mahal. Oleh karena itu

penulis merancang alat deposisi spin coating

yang menggunakan sistem kontrol kecepatan

secara otomatis, memiliki kemampuan yang

tinggi dengan biaya yang lebih murah.

Tujuan Penelitian

Penelitian ini bertujuan untuk merancang alat deposisi spin coating yang

menitikberatkan pada sistem pengontrolan

kecepatan putar motor. Alat yang dibuat

adalah alat deposisi spin coating yang

memiliki karakteristik tingkat akurasi

keluaran yang tinggi lebih di atas 90%,

variasi nilai kecepatan yang beragam, dan

kecepatan putaran motor yang stabil.

TINJAUAN PUSTAKA

Metode spin coating

Proses spin coating dibagi menjadi empat

yaitu tahap deposisi, spin-up, spin-off, dan

evaporasi. Tahap pertama dimulai dari

diteteskan atau dialirkannya cairan pelapis

berupa gel di atas substrat. Pada tahap deposisi substrat belum diputar. Kemudian

pada tahap berikutnya substrat mulai diputar.

Akibat gaya sentrifugal cairan menjadi

tersebar secara radial keluar dari pusat

putaran menuju tepi piringan. Pada tahap ini

substrat mengalami percepatan. Sedangkan

pada kedua tahap berikutnya laju putaran

mulai konstan, artinya tidak ada percepatan

sudut pada substrat. Pada tahap spin-off

sebagian cairan yang berlebih akan menuju

ke tepi substrat dan akhirnya terlepas dari

substrat membentuk tetesan-tetesan. Semakin menipis lapisan yang terbentuk

semakin berkurang tetesan-tetesan yang

terbuang. Hal ini dipengaruhi oleh adanya

penambahan hambatan alir dan viskositas

pada saat lapisan semakin tipis. Tahap

terakhir, evaporasi, merupakan mekanisme

utama dari proses penipisan lapisan.

Ketebalan lapisan yang terbentuk

ditentukan oleh dua parameter utama yaitu

viskositas dan laju putaran (angular speed)

disamping parameter-parameter lainnya seperti waktu dan kerapatan cairan.

(Asrorudin 2004).

2

Kecepatan putar merupakan salah satu

faktor terpenting dalam proses spin coating.

Kecepatan putar pada substrat berpengaruh

terhadap sudut gaya sentrifugal yang

mengenai cairan resin selain kecepatan dan

turbullence udara diatasnya. Secara lebih

spesifik tingkat kecepatan putar yang tinggi

menetukan ketebalan lapisan yang terbentuk.

Gambar 1 menunjukkan kurva hubungan

antara kecepatan putar dan ketebalan lapisan

(www.cise.columbia.edu).

Gambar 1. Hubungan antara ketebalan lapisan dan

kecepatan putar

Teori Sistem Kontrol

Sistem kontrol merupakan sekumpulan alur logika yang dibuat dengan tujuan agar

alat mampu bekerja dengan optimal. Aliran

prosesnya secara sederhana dimulai dari

adanya perintah yang dilanjutkan dengan

manipulasi proses dan berakhir pada bagian

tampilan keluaran.

Berdasarkan ada atau tidaknya umpan

balik (feedback), Ogata (1985) membagi

sistem kontrol menjadi dua jenis yaitu

sistem kontrol loop tertutup (close loop

control system) dan sistem kontrol loop

terbuka (open loop control system) . Sistem kontrol loop terbuka lebih

sederhana dan mudah dibuat, tetapi memiliki

kelemahan dalam hal merespon gangguan

dari luar sistem. Apabila terjadi gangguan

sistem kontrol loop terbuka tidak memiliki

mekanisme pengurangan error secara

otomatis. Sehingga nilai keluarannya

berbeda dengan yang diperintahkan.

Sistem kontrol loop tertutup adalah

sistem kontrol yang sinyal keluarannya

diumpankan kembali ke masukan sehingga aksi pengontrolan dipengaruhi oleh nilai

keluaran tersebut. Istilah loop tertutup

bermakna menggunakan aksi umpan balik

untuk memperkecil kesalahan sistem.

Nilai keluaran yang berasal dari sensor

disebut sebagai nilai sebenarnya (preset

value). Sebelum masuk ke dalam proses

pengendalian nilai tersebut akan

dikondisikan terlebih dahulu agar sesuai

dengan karakteristik masukan pengendali

(controller). Tahapan berikutnya adalah

proses perbandingan antara preset value

dengan nilai yang diperintahkan (set point)

oleh controller. Perbedaan atau selisih nilai

diantara keduanya disebut sebagai kesalahan

(error). Dalam sistem kontrol loop tertutup

controller akan memberikan perintah untuk

memperkecil error tersebut kepada bagian

aksi kendali (actuator) secara otomatis.

Berdasarkan proses tersebut sistem kontrol

loop tertutup sering disebut sistem kontrol otomatis (automatic control system). Gambar

2 menunjukkan proses yang terjadi pada

sistem kontrol loop tertutup (Ogata 1985;

Jacob 1989).

Gambar 2. Sistem kontrol loop tertutup

Digital to Analog Converter

Digital to Analog Converter (DAC) adalah sebuah rangkaian yang berfungsi

untuk mengubah nilai digital dalam bentuk

bilangan biner menjadi besaran analog

seperti tegangan dan arus. Rangkaian

internal DAC secara sederhana digambarkan

terdiri atas kombinasi resistor dan Op Amp,

sebagaimana yang terlihat pada Gambar 3:

Gambar 3. Skema sederhana DAC

weighted resistor

Tegangan keluaran DAC dapat ditentukan dengan persamaan sebagai

berikut:

n

AnAAVout

2.....

4

1

2

0 x Vref (1)

Keterangan :

Vout : Tegangan keluaran analog (V)

Vref : Tegangan referensi (V)

n : Jumlah bit yang dicari

3

M

PWM output MOSFET

Vs

DC motor

DAC yang mempunyai lebar data 8 bit

akan memiliki 28 = 256 tingkat nilai analog.

Nilai tegangan keluaran dapat digabungkan

dengan rangkaian pengubah tegangan ke arus

jika keluaran yang yang dibutuhkan adalah

arus (Priyonoto 2004).

Pulse Width Modulations

Pulse Width Modulations (PWM)

merupakan sebuah teknik pengontrolan tegangan menggunakan metode pengaturan

lebar pulsa. Sebuah PWM biasanya

merupakan gabungan antara rangkaian

pembangkit sinyal segitiga dengan nilai

tegangan referensi yang dapat diatur. Kedua

kompenen tersebut kemudian dihubungkan

dengan sebuah comparator.

Pengaturan lebar pulsa dilakukan dengan

mengatur nilai tegangan referensi. Jika level

tegangan sinyal segitiga lebih besar dari

tegangan referensi maka tegangan keluaran komparator bernilai positif (kondisi on),

sedangkan jika level tegangan sinyal segitiga

lebih kecil dari tegangan referensi maka

keluaran komparator benilai nol (kondisi

off). Semakin tinggi nilai referensi akan

mengakibatkan kondisi on semakin kecil

atau sempit, sebaliknya semakin kecil nilai

tegangan referensi akan menyebabkan

kondisi on akan semakin besar atau lebar.

Asrorudin (2004) menunjukkan proses

pembentukan sinyal PWM pada Gambar 4.

Gambar 4. Proses pembentukan sinyal PWM

Perbandingan lebar pulsa on dengan

periode gelombang keluaran PWM disebut

dengan istilah siklus kerja (duty cycle).

Sebagai contoh apabila lama waktu on-nya

setengah dari periode gelombang PWM

yang dihasilkan, maka siklus kerja

gelombang kotak tersebut adalah 50%. Siklus kerja atau duty cicle (D) sebuah

gelombang kotak dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan berikut:

%100xT

tD on (2)

Keterangan:

D : Duty Cycle (%)

ton : Lama waktu on (s)

T : Perioda gelombang kotak (s)

Siklus kerja gelombang kotak sebanding

dengan nilai tegangan rata-rata dc (dc

average voltage) yang dikeluarkan. Sebagai

contoh gelombang kotak dengan tegangan maksimum 100 V dan siklus kerja 75% akan

memiliki rata-rata tegangan dc sebesar 75 V,

yaitu 75% dari 100 V. Nilai tegangan rata-

rata inilah yang nantinya akan diterima oleh

bagian lain sebagai tegangan keluaran PWM.

Gambar 5 menunjukkan nilai tegangan rata-

rata untuk siklus kerja yang berbeda.

Gambar 5. Nilai tegangan rata-rata PWM

Nilai tegangan rata-rata keluaran PWM

digunakan untuk menggerakkan motor. Arus

keluaran PWM tidak terlalu besar sehingga

tidak dapat langsung dihubungkan dengan motor. Diperlukan rangkaian tambahan

sebagai pengontrol tegangan motor. Gambar

6 merupakan salah satu contoh rangkaian

pengontrol tegangan motor.

Gambar 6. Rangkaian pengontrol tegangan motor

Rangkaian pengontrol motor di atas

menggunakan teknik penyaklaran untuk

menyalurkan tegangan rata-rata dari

4

gelombang kotak. Alat penyaklaran

(switching device) yang biasa digunakan

adalah transistor, SCR, dan sebagainya.

Komponen jenis ini dipilih karena memiliki

kemampuan penyaklaran yang tinggi dengan

kapasitas arus yang besar. Rangkaian pada

gambar di atas menggunakan transistor jenis

MOSFET.

Actuator

Actuator merupakan perangkat keras

yang menjadi objek sistem kendali. Bagian

ini akan memproses masukan yang diterima

untuk dikonversi menjadi aksi keluaran yang

seusai.

Pada rancangan alat deposisi spin coating

yang berfungsi sebagai actuator adalah

motor listrik arus searah (direct current)

yang dihubungkan dengan substrate holder.

Kecepatan angular motor dipengaruhi oleh

torsi yang dihasilkan dari gaya lorentz FL

sebagaimana dituliskan dalam persamaan berikut ini:

= FL x r dan (3)

FL = IBl sin (4)

Keterangan :

FL : gaya lorentz (N)

r : lengan gaya (m)

I : arus (A)

B : medan magnet (T)

L : panjang kawat berarus (m)

: sudut antara vektor normal permukaan loop dan medan magnet.

Nilai torsi digunakan untuk

menggerakkan substrate holder berbentuk cakram melalui poros yang langsung

dihubungkan. Pada cakram tidak ada torsi

eksternal netto yang dikerjakan. Menurut

hukum kekekalan momentum angular, jika

torsi eksternal yang bekerja pada sebuah

benda sama dengan nol, maka momentum

angular total sistem adalah konstan

0dt

dL atau

L = I = konstan (5)

adalah kecepatan angular dan I adalah momen inersia cakram padat yang bernilai ½

MR2 (Sadiku 2001). Gaya yang dihasilkan

dari putaran cakram dengan arah menuju luar

cakram digunakan untuk membuat lapisan

tipis.

Dari persamaan (4) dan (5) terlihat

hubungan antara kecepatan angular cakram

dan arus yang diberikan ke motor. Semakin

besar arus yang diberikan maka semakin

besar kecepatan angular yang dihasilkan.

Motor yang digunakan dalam

perencanaan ini adalah DC motor yang

menggunakan magnet permanen pada bagian

stator-nya. Magnet permanen motor

mempunyai kurva hubungan antara

kecepatan dan torsi yang linier dalam rentang yang lebar. Keunggulan penggunaan

magnet permanen adalah motor tidak

membutuhkan daya listrik untuk

menghasilkan medan stator, sehingga daya

dan pendinginan yang diperlukan lebih

sedikit dibandingkan motor yang

menggunakan prinsip kerja elektromagnet.

Sensor

Sensor merupakan komponen elektronika yang berfungsi untuk mengubah besaran

fisik menjadi nilai lain seperti tegangan,

arus, atau yang lainnya.

Pada penghitungan nilai kecepatan putar

sensor yang dapat digunakan diantaranya

opotocoupler, photodioda, atau encoder

(magnetic dan optical). Masing-masing

komponen memiliki kelebihan dan

kekurangan dilihat dari sisi ketepatan,

ketelitian, ataupun dari aspek ekonomi.

Magnetic encoder dipilih sebagai sensor pencacah putaran dengan pertimbangan

bahwa sensor ini telah terintegrasi dalam

motor yang digunakan, sehingga dirasakan

lebih ekonomis dengan tanpa mengurangi

sisi keakuratan pembacaaan data.

Berdasarkan datasheet yang diberikan

encoder mampu mencacah dengan ketelitian

pencacahan sebesar 116 pulsa/putaran.

Frequency to Voltage Converter

Rangkaian frequency to voltage converter (F/V) berfungsi sebagai pencacah frekuensi

keluaran dari encoder dan mengubahnya

menjadi tegangan. Tegangan yang dihasilkan

berbanding lurus dengan jumlah frekuensi

cacahan. Nilai tegangan ini selanjutnya akan

dijadikan sebagai preset value (Thiang et al.

1999).

Komponen utama rangkaian F/V adalah

IC LM2917 8-pin. Komponen ini dipilih

karena memiliki beberapa keunggulan yaitu

memiliki dioda zener internal sebagai penyedia tegangan yang stabil, nilai

tegangan referensi sinyal 0 V, dan harga

5

yang terjangkau. Gambar 7 memperlihatkan

rangkaian internal IC LM2917 8-pin.

Gambar 7. Rangkaian internal

IC LM2917 8-pin

Agar LM2917 beroperasi dengan optimal

maka harus diperhatikan pemasangan

komponen tambahan pada kaki-kakinya,

terutama pada empat kaki utama yaitu:

Kaki 1 : sinyal masukan

Kaki 2 : C1 ke ground Kaki 3 : C2 pararel R1 ke ground

Kaki 8 : ground

. Pada saat nilai masukan lebih besar atau

kecil dari referensi maka charge pump akan

aktif. Cara kerja charge pump mirip dengan

kapasitor. Semakin tinggi frekuensi sinyal

yang masuk, maka proses pengisian muatan

menjadi semakin cepat sehingga nilai

tegangan dc yang dikeluarkan pun semakin

besar, begitu juga sebaliknya ketika

frekuensi semakin kecil maka nilai tegangan dc yang dihasilkan akan semakin kecil pula.

Berdasarkan datasheet LM2917 besarnya

tegangan yang dihasilkan dapat dihitung


Vout = Vsup x R1 x C1 x fin (6)

Keterangan:

Vout : tegangan keluaran (V) Vsup : tegangan supply (V)

R1 : nilai resistor pada kaki 3 () C1 : nilai kapasitor pada kaki 2 (F)

fin : frekuensi masukan (Hz)

Mikrokontroler ATmega8535

Mikrokontroler ATmega8535 adalah

jenis mikrokontroler low-power CMOS 8-bit

yang berdasarkan arsitektur AVR (Alf and

Vergard’s Risc processor) RISC. Pelaksanaan instruksinya menggunakan

siklus clock tunggal dengan throughputs

mendekati 1 MIPS (Mega Instructions per

Second) tiap MHz. Terdapat 4 buah port

(PortA, PortB, PortC dan PortD) yang

kesemuanya mempunyai kemampuan

sebagai I/O 8-bit bi-directional. Khusus

untuk PortA selain fungsi di atas juga dapat

digunakan sebagai sebagai ADC internal 10-

bit yang mampu mengubah nilai analog

menjadi data digital dengan nilai maksimal

1023.

Dalam penelitian ini mikrokontroler

ATmega8535 yang dipakai sudah

terintegrasi dalam modul DT-AVR low cost micro system buatan inovative electronics.

Komunikasi Serial

Komunikasi serial adalah mekanisme

pengiriman data secara berurutan dapat

secara sinkron (Synchronous) atau secara

asinkron (Asynchronous). Pada komunikasi

data serial sinkron, clock dikirimkan

bersama-sama dengan data, sedangkan pada

komunikasi data serial asinkron clock tidak dikirimkan bersama data serial, tetapi

dibangkitkan secara sendiri-sendiri baik pada

sisi pengirim (transmitter) maupun pada sisi

penerima (receiver). Mikrokontroler

berkomunikasi dengan perangkat luar

menggunakan sistem USART (Universal

Synchronous and Asynchronous serial

Receiver and Transmitter).

Kecepatan pengiriman data (baud rate)

dan fase clock pada transmitter dan pada

receiver harus sinkron. Untuk itu diperlukan sinkronisasi antara pengirim dan penerima.

Hal ini dilakukan oleh bit ’Start’ dan bit

’Stop’. Ketika saluran transmisi dalam

keadaan idle, keluaran adalah dalam keadaan

logika ’high’. Ketika transmitter akan

mengirimkan data, keluaran akan diset lebih

dulu ke logika ’low’ untuk nilai satu bit.

Sinyal ini pada receiver akan dikenali

sebagai sinyal ’Start’ yang digunakan untuk

mensinkronkan fase clock sehingga sinkron

dengan fase clock pengirim. Selanjutnya,

data akan dikirim secara serial dari bit paling rendah (bit 0) sampai bit tertinggi dan akan

dikirim sinyal ’Stop’ sebagai akhir dari

pengiriman data serial (Prasetia et al. 2004)

Gambar 8. Pengiriman data serial

Nilai baud rate dapat dipilih bebas dalam

rentang tertentu, biasanya nilai yang sering dipakai adalah 9600. Alat-alat yang akan

berkomunikasi harus diatur pada nilai baud

rate yang sama.

6

METODOLOGI PENELITIAN

Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dilakukan di laboratorium

elektronika, dan laboratorium hardware dan

kontrol Departemen Fisika, Fakultas

Matematika dan Ilmu Pegetahuan Alam,

Institut Pertanian Bogor mulai Juli 2005 sampai dengan April 2008.

Alat dan Bahan

Bahan-bahan yang digunakan pada

penelitian ini meliputi komponen

elektronika, PCB (Printed Board Circuit)

matriks, timah solder, kotak logam (chasis),

dan logam alumunium.

Alat yang digunakan pada penelitian

meliputi, signal generator, microcontroler tranier, osiloskop, frequency counter,

multimeter, variable power supply, solder,

penyedot timah, bor tangan, dan alat-alat

perbengkelan..

Metode Penelitian

Diagram alir metode penelitian

ditunjukkan pada Gambar 9.

Gambar 9. Diagram alir penelitian

1. Merancang Diagram Blok Fungsional

Langkah pertama yang dilakukan adalah

menggambarkan rancangan alat dalam

bentuk blok fungsional, sebagaimana yang

terlihat pada Gambar 10.

Gambar 10. Diagram blok fungsional rancangan alat deposisi spin coating

Fungsi masing-masing blok adalah

sebagai berikut:

a. ATmega8535

Menerima perintah dari PC dan mengirimkan nilai biner yang sesuai ke

DAC.

b. DAC

Mengubah nilai biner perintah dari PC

menjadi nilai analog dalam bentuk

tegangan.

c. Analog PID Controller

Mengurangi error yang terjadi antara set

point dengan preset value secara

otomatis.

d. Driver Motor Rangkaian penggerak objek yang

dikontrol yaitu motor dc.

e. Motor

Objek yang akan dikontrol nilai

keluarannya.

f. Sensor

Menghitung jumlah putaran yang

dihasilkan oleh motor.

g. Frequency to Voltage Converter

Mengubah nilai frekuensi yeng terukur

menjadi tegangan yang sesuai.

h. PC (Personal Computer) Menerima perintah dalam bentuk set

point dan waktu kemudian menampilkan

kecepatan aktual sebagai preset value.

2. Merancang Rangkaian Masing-masing

Blok Fungsional

Tahapan perancangan blok fungsional

dimulai dari penelusuran literatur,

perhitungan nilai-nilai komponen yang akan

digunakan, sampai pada simulasi rangkaian menggunakan Multisim 7.1.

3. Pembuatan dan Pengujian Rangkaian

Secara Terpisah

Skema yang telah dirancang diuji

menggunakan protoboard kemudian dibuat

7

dalam bentuk rangkaian jadi. Pengujian

rangkaian secara terintegrasi dilakukan

setelah semua blok rangkaian dapat bekerja

dengan baik.

4. Pembuatan Software

Pembuatan program pada mikrokontroler

dilakukan menggunakn Bascom AVR

1.11.8.7.

5. Kalibrasi Alat

Kalibarasi dilakukan terhadap ketepatan

sensor dalam mencacah jumlah putaran yang

dihasilkan. Tingkat ketelitian dan ketepatan

yang dihasilkan berpengaruh terhadap

kelayakan penggunaan alat tersebut.

6. Pengambilan Data

Data yang akan didapatkan adalah jumlah putaran aktual dalam satuan rpm yang

ditampilkan oleh PC bersamaan dengan nilai

putaran yang diperintahkan.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Setelah melalui serangkaian uji coba

didapatkan rancangan akhir blok fungsional alat deposisi spin coating seperti yang


Gambar 11. Diagram blok fungsional alat

deposisi spin coating

Diagram blok fungsional pada Gambar

11 merupakan pengembangan dari rancangan

sebelumnya. Blok fungsional PID Controller dihilangkan karena tidak dapat beroperasi

secara optimal. Pengontrolan dilakukan

melalui algoritma pada pemrograman

mikrokontroler ATmega8535.

Aliran perubahan data dari set point

menjadi tegangan, kecepatan putar,

frekuensi, sampai akhirnya menjadi preset

value ditunjukkan oleh panah warna hitam.

Panah berwarna putih merupakan daya yang

disediakan oleh power supply untuk semua

blok fungsional.

Digital to Analog Converter

Digital to Analog Converter yang digunakan adalah DAC 8-bit buatan National

Semiconductor tipe DAC0808 dengan nilai

tegangan referensi 5 V dan resolusi 0.02 V.

Keluaran DAC0808 yang masih dalam

bentuk arus dikonversi menjadi tegangan

menggunakan rangkaian pengubah arus ke

tegangan. Rangkaian ini dibangun dari

sebuah Op Amp LM741. Gambar 12

menunjukkan rangkaian lengkap DAC.

Gambar 12. Rangkaian DAC Menggunakan

DAC0808

Pengujian DAC dilakukan dengan

memberikan nilai biner berbeda melalui PC

dan mengukur tegangan keluarannya. Data

hasil pengujian rangkaian DAC dapat dilihat

pada Tabel 1:

Tabel 1. Tabel keluaran DAC0808

No Bilangan

biner

Keluaran DAC

(V)

1 0 0

2 25 0.50

3 50 1.01

4 75 1.52

5 100 2.02

6 125 2.50

7 150 3.00

8 175 3.47

9 200 3.98

10 225 4.48

11 255 5.00

Berdasarkan data dari Tabel 1 dapat

dikatakan bahwa DAC telah bekerja dengan

8

sangat baik. Kenaikan nilai biner berbanding

lurus dengan kenaikan nilai tegangan

keluaran DAC. Dalam bentuk grafik data

tersebut membentuk garis yang linier seperti


Kurva hubungan antara keluaran DAC dan bilangan biner

0

1

2

3

4

5

6

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 255

Bilangan biner

Kel

uara

n D

AC

(V)

Gambar 13. Hubungan antara keluaran DAC dan

bilangan biner

Rangkaian Pembalik

Rangkaian pembalik merupakan rangkaian pengkondisi sinyal yang dipasang

antara DAC dengan masukan PWM.

Tegangan yang dikeluarkan oleh PWM

berbanding terbalik dengan nilai tegangan

referensi yang diberikan oleh DAC.

Karaktersitik PWM seperti ini mengganggu

proses perbandingan antara preset value

yang menyatakan kecepatan motor aktual

dengan set point yang berasal dari DAC.

Cara kerja rangkaian pembalik ini adalah

dengan mengubah kemiringan data DAC.

Nilai maksimal yang dihasilkan DAC akan dikonversi menjadi nilai minimal, dan

sebaliknya nilai minimal DAC akan

dikonversi menjadi nilai maksimal. Proses

pengubahan nilai dilakukan dengan

menggunakan rangkaian pengurang

differensial dan penguatan inverting yang

dilakukan oleh Op Amp LF347 buatan

National Semiconductor. Gambar 14

menunjukkan rangkaian pembalik secara

lengkap.

Gambar 14. Rangkaian pembalik tegangan

Berdasarkan prinsip kerja rangkaian

pengurang diferensial tegangan referensi

dikurangi dengan tegangan sebesar 5 V.

Hasil pengurangan kemudian dihubungkan

dengan rangkaian inverting amplifier yang

nilai penguatannya satu kali. Fungsi dari

rangkaian ini adalah mengubah nilai negatif

hasil proses sebelumnya menjadi positif.

Sebagai contoh tegangan referensi 5 V akan

dikurangi 5 V menjadi 0 V kemudian

dikalikan dengan faktor penguatan -1

sehingga nilai akhirnya menjadi 0 V. Proses

yang sama terjadi untuk nilai tegangan

keluaran lainnya.

Pengujian rangkaian dilakukan dengan membandingkan nilai tegangan keluaran

DAC dan tegangan keluaran rangkaian

pembalik menggunakan multimeter. Data

hasil pengukuran rangkaian pembalik

ditunjukkan pada Tabel 2:

Tabel 2. Tabel keluaran rangkaian pembalik

No Keluaran

DAC (V)

Tegangan

Pembalik (V)

1 0 5,11

2 0,41 4,69

3 0,82 4,28

4 1,22 3,88

5 1,64 3,45

6 2,04 3,05

7 2,44 2,66

8 2,84 2,26

9 3,25 1,84

10 3,64 1,46

11 4,04 1,06

12 4,41 0,68

13 4,83 0,26

14 5,08 0,01

Gambar 15 menunjukkan kurva

hubungan antara tegangan pembalik dan

keluaran DAC.

Hubungan antara tegangan pembalik dan keluaran DAC

0

1

2

3

4

5

6

0 0,41 0,82 1,22 1,64 2,04 2,44 2,84 3,25 3,64 4,04 4,41 4,83 5,08

Keluaran DAC (V)

Tega

ngan

pem

balik

(V)

Gambar 15. Hubungan antara tegangan pembalik

dan keluaran DAC

Dari data di atas terlihat bahwa rangkaian

pembalik bekerja dengan sangat baik.

Rangkaian mampu menghasilkan tegangan

yang berkebalikan dengan tegangan DAC.

9

2

2

1

3

1

R

V

R

VRVout

Motor Controller

Blok diagram motor controller terdiri

dari dua bagian utama, yaitu pembangkit

sinyal PWM dan pengontrol tegangan motor.

Blok pembangkit sinyal PWM terdiri atas

pembangkit sinyal segitiga dan komprator.

Rangkaian pembangkit sinyal PWM

dibangun dari sebuah IC LM324 yang

bekerja pada catu daya single 12 V dan

tegangan offset 6 V. Berdasarkan hasil percobaan didapatkan

informasi bahwa sinyal segitiga yang

dihasilkan adalah sebesar 5 V peak to peak

dengan nilai referensi 6 V. Sinyal tersebut

berayun dari nilai tegangan puncak bawah

3,5 V sampai 8,5 V sebagai nilai puncak

atasnya. Sementara itu nilai DAC yang

dijadikan sebagai tegangan referensi pada

bagian comparator memiliki rentang nilai

dari 0 sampai 5 V. Agar dihasilkan sinyal

PWM yang bagus dibutuhkan rangkaian tambahan berupa rangkaian pengkondisi

yang berfungsi untuk menyesuaikan

tegangan DAC dengan karakterisitik sinyal

segitiga. Gambar 16 menunjukkan rangkaian

pengkondisi tegangan secara lengkap.

Gambar 16. Rangkaian pengkondisi tegangan

Rangkaian pengkondisi tegangan terdiri

atas inverting summing amplifier dan

inverting amplifier. Rangkaian pertama

berfungsi untuk menaikkan tegangan DAC

dengan cara melakukan operasi penjumlahan

tegangan. Op-amp yang digunakan adalah

adalah op-amp yang terdapat pada IC KF347

buatan Fairchild dengan catu daya simetris.

Nilai tegangan hasil penjumlahan dicari


(7)

Nilai R1=R2=R3=100K, sehingga besar nilai

tegangan keluaran hanya dipengaruhi nilai

V1 dan V2. Potensiometer 10K pada

tegangan V2 berfungsi untuk mengatur

tegangan pengurang sampai mendekati nilai

3,5 V. Rangkaian inverting amplifier dengan

penguatan sebesar satu kali berfungsi untuk

membalik nilai tegangan keluaran yang

tadinya negatif menjadi positif.

Rangkaian pengkondisi tegangan telah

dapat bekerja dengan baik, hal ini dibuktikan

dengan terbentuknya sinyal PWM yang

siklus kerjanya berubah dari 0% sampai

100% ketika tegangan keluaran DAC

dikonversi secara bertahap dari 0 – 5 V.

Siklus kerja maksimum terjadi ketika

tegangan DAC 5 V dan siklus kerja minimum ketika 0 V.

Sinyal PWM yang telah dihasilkan

dihubungkan dengan rangkaian pengontrol

tegangan motor. Proses pengaturan tegangan

dengan prinsip penyaklaran listrik dilakukan

oleh transistor MOSFET IRFZ34 bertipe N-

channel. Transistor ini dipilih karena

kemampuan penyaklarannya yang sangat

tinggi, yaitu sampai angka 1 MHz.

Sementara itu PWM yang dibuat bekerja

pada nilai frekuensi 500 Hz. Selain itu, transistor ini juga mampu menangani arus

sampai 30 A. Nilai arus yang besar

dibutuhkan untuk memutar motor DC.

Pengujian kinerja rangkaian PWM

dilakukan terhadap siklus kerja. Pengujian

siklus kerja dilakukan menggunakan

osiloskop Caltek CA8020 20MHz pada

channel A dengan setting tegangan 5 V/div

dan waktu 0,5 ms/div. Dipilih tiga kondisi

pengujian yaitu tegangan referensi 0 V, 2,5

V, dan 5 V. Nilai tegangan ini bersumber dari keluaran DAC yang diprintahkan

melalui bilangan biner. Nilai tegangan

supply pada rangkaian pengontrol tegangan

bernilai 11,95 V.

Pada pengujian siklus kerja selain

mengamati siklus kerja yang terbentuk juga

dilakukan perhitungan tegangan rata-rata

PWM secara teoritis. Nilai tegangan rata-

rata hasil perhitungan akan dibandingkan

dengan hasil pengukuran aktual pada tahapan

pengujian berikutnya. Hasil pengujian siklus

kerja untuk nilai tegangan referensi 0 V ditunjukkan pada Gambar 17.a di bawah:

Gambar 17.a Sinyal PWM ketika Vref = 0 V

Gambar di atas memperlihatkan bahwa

tegangan referensi 0 V tidak menghasilkan

sinyal kotak, tetapi berupa sebuah garis lurus

10

pada nilai 0 V. Siklus kerja sinyal PWM ini

adalah 0%. Nilai tegangan rata-rata yang

dihasilkan berdasarkan perhitungan yaitu

sebesar 0% dari 11,95 V yaitu 0 V. Pada

kondisi ini motor belum dapat berputar.

Pengujian berikutnya dilakukan terhadap

nilai tegangan referensi 2,5 V. Hasil

pengujian ditunjukkan oleh Gambar 17.b:

Gambar 17.b Sinyal PWM ketika Vref = 2,5 V

Pada pengujian ini terbentuk sinyal kotak

dengan siklus kerja 50%. Puncak bawah

sinyal bernilai 0 V dan puncak atasnya

bernilai 11,95 V. Secara teoritis tegangan

rata-rata yang dikeluarkan oleh PWM adalah

50% dari 11,95 V yaitu sekitar 5,975 V. Pada

kondisi ini motor berputar dengan kecepatan

setengah dari kecepatan putar maksimal yang

mampu dihasilkan.

Pengambilan data siklus kerja terakhir dilakukan dengan memberikan nilai

tegangan referensi sebesar 5 V. Gambar 17.c

menunjukkan siklus kerja ketika tegangan

referensi bernilai 5 V.

Gambar 17.c Sinyal PWM ketika Vref = 5 V

Nilai tegangan referensi maksimal yaitu

5 V menghasilkan sinyal PWM yang

berbentuk garis lurus pada nilai 11,95 V.

Siklus kerja pad hasil pengujian ini adalah

100%. Nilai tegangan yang terukur cocok dengan hasil perhitungan untuk siklus kerja

sinyal 100% yang menghasilkan tegangan

rata-rata maksimal sebesar 11.95 V. Pada

kondisi ini motor berputar dengan kecepatan

putar maksimal.

Untuk mendapatkan gambaran

karakteristik PWM yang lebih lengkap dan

akurat, maka dilakukan pengukuran tegangan

keluaran rata-rata PWM secara langsung

Pemberian tegangan referensi berbeda

dilakukan menggunakan DAC melalui

perintah dalam bentuk bilangan biner. Pengukuran tegangan keluaran dilakukan

menggunakan multimeter. Data hasil

pengukuran dapat dilihat pada Tabel 3: Tabel 3. Tabel keluaran tegangan rata-rata PWM

No

Bilangan

biner

Vrata-rata

1 0 0

2 20 0,70

3 40 2,75

4 60 5,38

5 80 7,32

6 100 8,50

7 120 9,39

8 140 9,99

9 160 10,43

10 180 10,83

11 200 11,09

12 220 11,17

13 240 11,92

14 255 11,95

Gambar 18 memperlihatkan kurva

hubungan antara tegangan rata-rata (Vrata-rata)

dan bilangan biner

Hubungan antara Vrata-rata dan bilangan biner

0

2

4

6

8

10

12

14

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 255

Bilangan biner

Vrat

a-ra

ta P

WM

(V)

Gambar 18. Hubungan antara Vrata-rata dan

bilangan biner

Data hasil pengujian menunjukkan bahwa

tegangan rata-rata yang dihasilkan PWM

tidak linier. Pada bilangan biner yang kecil

sampai pada nilai 120 tegangan rata-rata naik secara cepat, tetapi untuk bilangan biner

berikutnya perubahan kenaikan tegangan

menjadi lebih kecil bahkan hampir tidak ada.

Nilai aktual yang didapatkan berbeda dengan

hasil perhitungan menggunakan rumus siklus

kerja. Sebagai contoh untuk nilai referensi

2,5 V yang sebanding dengan bilangan biner

126. Berdasarkan perhitungan dari Gambar

17.b didapatkan nilai tegangan rata-rata

sebesar 5,975 V. Pada kenyataannya nilai

tegangan rata-rata yang terukur berada pada rentang 9,39 – 9,99 V. Pada bagian lain,

hasil pengukuran ketika tegangan referensi

minimal dan maksimal menunjukkan nilai

11

yang sama dengan hasil perhitungan yaitu 0

V dan 11,95 V.

Berdasarkan analisis rangkaian,

kemungkinan terbesar yang menyebabkan

tegangan tidak linier adalah proses

penyaklaran yang dilakukan oleh MOSFET

IRFZ34. Hal ini dikarenakan blok

pembangkit sinyal yang menjadi masukan

rangkaian pengontrol tegangan telah

berfungsi dengan baik. Sinyal PWM mampu

menghasilkan siklus kerja yang bersesuaian dengan nilai referensi yang perintahkan.

Selain itu, frekuensi PWM yang bernilai 500

Hz juga sangat memungkinkan menjadi

penyebab ketidaklinieran tegangan keluaran

PWM. Literatur menunjukkan bahwa

frekuensi PWM yang sering digunakan

dalam penelitian-penelitian berada pada

rentang satuan kHz.

Motor

Motor yang digunakan sebagai actuator

adalah motor DC tipe UGFMED B1 20E

buatan Yaskawa dengan catu daya maksimal

12 V. Beberapa keunggulan yang dimiliki

yaitu bentuknya yang kompak, ringan, dan

ekonomis juga memiliki sensor putaran yang

terintegrasi berupa magnetic encoder

ditambah fasilitas reduction of torque ripple.

Gambar 19 memperlihatkan bentuk fisik

motor yang digunakan.

Gambar 19. Motor tipe UGFMED B1 20E

buatan Yaskawa

Pengujian karakteristik motor meliputi

uji linieritas dan kecepatan putar maksimum.

Pengujian linieritas ditujukan untuk

mengetahui karakteristik hubungan antara

tegangan yang diberikan dengan kecepatan

putar yang dihasilkan.

Uji linieritas dilakukan dengan mengukur

frekuensi yang dihasilkan untuk tiap

tegangan yang diberikan. Nilai frekuensi

didapatkan dari pulsa yang dikeluarkan oleh magnetic encoder dengan ketelitian cacahan

116 pulsa/putaran. Kecepatan putar tiap

menit (rpm) dicari dengan membagi

frekuensi cacahan dengan 116 agar didapat

rotation per second (rps) kemudian dikalikan

dengan 60. Perhitungan ini akan digunakan

dalam penentuan kecepatan putar dalam

proses berikutnya. Pengukuran jumlah pulsa

dilakukan menggunakan multimeter pada

fasilitas pengukur frekuensi dalam satuan

kHz yang kemudian dikonversi menjadi Hz.

Tegangan yang diberikan berasal dari DC

variable power supply dengan nilai

maksimum 12 V, sesuai dengan karaktersitik

motor. Data hasil pengukuran frekuensi

motor dapat dilihat pada Tabel 4:

Tabel 4. Tabel frekuensi keluaran motor

No

Tegangan

(V)

Frekuensi

(Hz)

1 0 0

2 1 0

3 2 484

4 3 949

5 4 1344

6 5 1768

7 6 2170

8 7 2600

9 8 3000

10 9 3420

11 10 3850

12 11 4250

13 12 4700

Gambar 20 memperlihatkan kurva

hubungan antara frekuensi dan tegangan

yang diberikan (Vsupply).

Hubungan antara frekuensi dan Vsuplly

0500

100015002000250030003500400045005000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Vsupply (V)

Frek

uens

i (H

z)

Gambar 20. Hubungan antara frekuensi

dan Vsupply

Hasil uji linieritas motor menunjukkan

bahwa daerah operasi motor adalah dari

tegangan 1 V sampai 12 V. Motor tepat akan

berputar ketika nilai tegangan sama dengan

1,2 V. Pada rentang nilai tegangan ini

putaran motor berbanding lurus dengan

tegangan yang diberikan. Kecepatan putar

maksimal adalah 2431 rpm, nilai ini merupakan hasil konversi dari nilai frekuensi

maksimal 4700 Hz.

12

Pengukuran frekuensi juga memberikan

informasi tambahan berupa kestabilan

putaran motor. Putaran motor mulai stabil

pada nilai 1344 rpm, yaitu ketika diberi

tegangan 4 V. Pada kecepatan kurang dari

1344 rpm data yang terbaca berubah-ubah,

walaupun perubahannya hanya dalam orde

satuan.

Berdasarkan karakteristik putaran motor

maka dapat dikatakan bahwa alat deposisi

spin coating yang dibuat dapat menangani proses pelapisan material pada rentang

kecepatan 0 – 2431 rpm.

Magnetic Encoder

Berdasarkan datasheet-nya diketahui

bahwa magnetic encoder yang digunakan

adalah tipe UTMSI-01BNA. Sebuah encoder

single channel yang hanya mengeluarkan

pulsa pada satu jalur keluaran dengan

ketelitian pencacahan sebesar 116 pulsa/putaran. Pulsa yang dihasilkan bernilai

5 V pada kondisi off dan 0 V ketika kondisi

on. Agar pulsa dapat dibaca oleh peralatan

lain perlu ditambahkan full-up resistor pada

bagian keluaran sensornya. Resistor yang

digunakan pada penelitian ini adalah resistor

5,1 k dengan tegangan supply sebesar 5 V. Gambar 21 menunjukkan bentuk pulsa

keluaran encoder.

Gambar 21. Bentuk pulsa keluaran encoder

Rangkaian Pengkondisi

Rangkaian pengkondisi sinyal berfungsi

untuk menyesuaikan sinyal keluaran encoder

dengan masukan F/V. Rangkaian F/V hanya

dapat mencacah sinyal yang berayun

melewati nilai referensi 0 V, puncak atasnya

postitf dan puncak bawahnya negatif.

Sementara itu, karakteristik pulsa keluaran

magnetic encoder adalah puncak bawahnya 0 V dan puncak atasnya 5 V.

Cara untuk mengatasi perbedaan nilai

tersebut adalah dengan menurunkan sinyal

keluaran magnetic encoder sebesar 2,5 V.

Proses penurunan sinyal dilakukan oleh

rangkaian pengurang diferensial. Gambar 22

memperlihatkan rangkaian pengkondisi

sinyal secara lengkap.

Gambar 22. Rangkaian pengkondisi sinyal

Rangkaian pengurang diferensial

dibangun dari Op Amp LF347 buatan

National Semiconductor. Masukan inverting

diberi tegangan tetap sebesar 2,5 V sedangkan masukan non inverting menerima

sinyal masukan yang berasal dari encoder.

Nilai keluaran rangkaian merupakan hasil

proses pengurangan bagian non inverting

dengan inverting.

Rangkaian pengkondisi telah berfungsi

dengan baik, hal ini ditandai dengan

terbentuknya sinyal baru dengan frekuensi

tetap yang memiliki puncak atas 2,5 V dan

puncak bawah -2,5 V. Setelah melalui

rangkaian pengkondisi ini pulsa dari encoder dapat dicacah oleh rangkaian F/V.

Frequency to Voltage Converter

Rangkaian akhir F/V lengkap dengan

komponen yang dipasang pada masing-

masing kakinya diperlihatkan pada Gambar

23 di bawah ini:

Gambar 23. Rangkaian F/V lengkap

Sinyal masukan dihubungkan dengan

kaki 1 untuk selanjutnya dibandingkan

dengan nilai referensi pada kaki 8 yaitu 0 V.

Berdasarkan persamaan (6) terlihat

bahwa nilai tegangan berbanding lurus

dengan frekuensi yang dicacah. Pemilihan

komponen dilakukan dengan tujuan agar

ketika nilai frekuensi maksimal maka F/V

mengeluarkan nilai tegangan 5 V. Setelah

13

mengetahui nilai frekuensi maksimal yaitu

4700 Hz, bagian berikutnya adalah

menentukan nilai R1, C1, dan C2. Selain itu,

terdapat syarat lainnya yaitu nilai C1 harus

lebih besar dari 500 pF agar tidak terjadi

error pada arus yang mengalir ke R1.

Sebaliknya, R1 tidak boleh terlalu besar agar

tidak ada gangguan pada impedansi

keluaran.

Setelah melalui perhitungan dan

pengujian maka didapatkan nilai komponen

yang dipasang adalah R1 = 36 k dan C1 = 3,9 nF dengan Vsup = 7,5 V. Untuk

mendapatkan hasil yang baik R1 merupakan

gabungan secara seri resistor 33 k dan

potensiometer 20 k, sehingga nilai R1 dapat dikonversi sedikit demi sedikit sampai

didapatkan nilai tegangan keluaran yang

tepat. Nilai kapasitor C2 = 0,47 F dipilih agar ripple tegangan tidak terlalu besar. Kaki

4 dan kaki 7 dihubungkan dengan tujuan

agar Op Amp bekerja sebagai voltage

follower, yaitu rangkaian buffer yang akan

membuat nilai tegangan keluaran lebih

stabil.

Pengujian karakteristik F/V dilakukan

dengan memberikan frekuensi yang berbeda

kemudian mengukur tegangan keluarannya. Data hasil pengujian karakteristik F/V


Tabel 5. Tabel pengujian karakteristik F/V

No

Frekuensi

(Hz)

Tegangan

(V)

1 0 0

2 482 0,52

3 947 1,01

4 1355 1,45

5 1768 1,89

6 2140 2,30

7 2600 2,79

8 2990 3,18

9 3400 3,61

10 3840 4,08

11 4130 4,53

12 4700 5,01

Nilai frekuensi merupakan hasil cacahan

magnetic encoder yang menjadi masukan

rangkian F/V. Nilai tegangan keluaran F/V

diukur menggunakan multimeter. Pada

pengujian awal tegangannya bernilai 0 V,

karena ketika itu motor belum berputar.

Nilai–nilai frekuensi selanjutnya

menghasilkan tegangan yang naik secara

bertahap sampai nilai maksimal 5,01 V

ketika frekuensinya maksimal.. Gambar 24

menunjukkan kurva karakterisik rangkaian

F/V yang menampilkan hubungan antara

frekuensi dan tegangan keluaran F/V

Hubungan antara tegangan dan frekuensi pada rangkaian F/V

0

1

2

3

4

5

6

0 482 947 1355 1768 2140 2600 2990 3400 3840 4130 4700

Frekuensi (Hz)

Tega

ngan

(V)

Gambar 24. Hubungan antara tegangan dan

frekuensi pada rangkaian F/V

Hasil pengujian yang ditampilkan pada

Gambar 23 menunjukkan bahwa rangkaian

telah berfungsi dengan sangat baik, terlihat

dari data yang naik secara bertahap dan

linier.

Analog to Digital Converter

Analog to Digital Converter (ADC)

merupakan rangkaian elektronik yang

berfungsi untuk mengubah besaran analog

berupa arus atau tegangan menjadi digital.

Pada alat spin coating besaran yang akan dikonversi adalah tega ngan yang dihasilkan

oleh F/V. Nilai biner hasil konversi diproses

di dalam mikrokontroler.

Konversi tegangan ke biner dilakukan

menggunakan ADC internal 10-bit yang

terdapat pada port A mikrokontroler

ATmega8535. Bilangan biner terbesar yang

dapat dihasilkan adalah 1023 dengan

tegangan referensi 5 V. Data hasil pengujian

ADC untuk beberapa nilai tegangan


Tabel 6. Tabel pengujian ADC

No

Tegangan

(V)

Bilangan

biner

1 0 0

2 0,5 103

3 1,0 205

4 1,5 307

5 2,0 408

6 2,5 511

7 3,0 614

8 3,5 716

9 4,0 819

10 4,5 922

11 5,0 1023

14

Gambar 25 menunjukkan karakteristik

DAC dalam bentuk hubungan antara

tegangan dan bilangan biner.

Hubungan antara bilangan biner dan tegangan

0

200

400

600

800

1000

1200

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,51 5tegangan (V)

bila

ngan

bin

er

Gambar 25. Hubungan antara tegangan dan

bilangan biner

Data hasil pengujian ADC menunjukkan

bahwa ADC internal telah berfungsi dengan

baik. Hal ini ditandai dengan kemampuannya

untuk mengubah tegangan yang diberikan menjadi bilangan biner dalam rentang 0

sampai 1023 secara linier.

Sistem Kontrol

Sistem kontrol yang dipakai tidak jadi

menggunakan Analog PID controller.

Rangkaian PID analog yang telah dibuat

tidak dapat bekerja dengan baik. Sebagai

gantinya sistem pengontrolan dilakukan oleh

mikrokontroler ATmega8535 menggunakan

bahasa pemrograman Bascom AVR 1.11.8. Alur pemrograman yang lakukan dimulai

dari adanya perintah set point dari user,

mengirimkannya ke DAC, membaca

tegangan keluaran F/V melalui ADC internal

mikrokontroler sebagai preset value,

membandingkannya dengan set point,

kemudian melakukan aksi pengendalian agar

error yang dihasilkan menjadi lebih kecil.

Mekanisme kontrol menggunakan umpan

balik sangat penting untuk mengurangi

kesalahan yang diakibatkan oleh karakteristik PWM yang tidak linier.

Berikut adalah source code pemrograman

pengendalian pada mikrokontroler

ATmega8535 menggunakan program

Bascom AVR: $regfile = "m8535.dat"

$crystal = 4000000

$baud = 9600

Config PortB = output

Config Adc = Single, Prescaler = Auto

Start Adc

Const x = 225/2400

Const y = 1023/225

Const z = 2400/1023

do

Mulai:

Print " "

Input "Masukkan nilai SetPoint (0

~ 2400 RPM) : " , Rpm

If Rpm > 2400 Then

Print “ maaf nilai yang anda

masukkan salah “

Goto mulai

End if

Input "Lama waktu spin coating: "

, waktu

Print ">> Tekan escape untuk

mengakhiri <<"

Print "##################” Chr(10)

Conv_sp = rpm * x

SP = round (Conv_sp)

SP_bin = SP

SP_out = SP_bin

Ulang = 0

Do

‘nilai batas kecepatan

If Rpm >= 2400 Then

SP_bin = 255

Gosub baca_adc

Goto kirim

End if

'perbandingan SP dengan aktual

Gosub baca_adc

Error = Sp_bin - V_bin

If Error <> 0 Then Gosub Banding

‘mengirim data ke DAC

Kirim:

Ulang = ulang + 1

PortB = SP_out

Print “ kecepatan perintah “;rpm ;

“ kecepatan aktual “;rpm_aktual

Waitms 1000

Loop until ulang = waktu

Loop until inkey () = 27

Print ">> Pengambilan data Selesai

<<" ; Chr(10)

End

Baca ADC:

Adc_in = Getadc(7)

Conv_value = Adc_in * y

V_aktual = round (Conv_value)

V_bin = V_aktual

Conv_rpm= ADC_in * z

Rpm_aktual = round (conv_rpm)

return

Banding:

If V_bin < SP_bin Then

SP_out = SP_out + 1

End If

If V_bin > SP_bin Then

SP_out = SP_out - 1

End If

return

Komunikasi mikrokontroler dengan pengguna dilakukan melalui PC

menggunakan fasilitas hyperterminal.

Komunikasi dilakukan pada nilai baudrate

9600 dan mikrokontroler menggunakan

crystal dengan nilai 4 Mhz.

15

Pemilihan PortB sebagai keluaran

dilakukan dengan perintah Config PortB

= output. ADC internal mikrokontroler

diaktifkan melalui perintah Config Adc =

Single, Prescaler = Auto. ADC

yang digunakan adalah ADC 10-bit yang

memiliki nilai keluaran maksimal 1023.

Pengontrolan kecepatan putar melibatkan

banyak besaran dengan rentang nilai yang

berbeda. Sebagai contoh kecepatan putar

maksimal adalah 2400 sementara DAC yang

menerima perintah mikrokontroler memiliki

nilai maksimal 225. Agar proses pengontrolan dapat berjalan dengan tepat

maka dibutuhkan beberapa nilai sebagai

faktor konversi. Nilai tersebut dituliskan

dalam bentuk konstanta

Const x = 225/2400

Const y = 1023/225

Const z = 2400/1023

Konstanta x digunakan untuk mengubah

nilai kecepatan menjadi biner, konstanta y

mengubah nilai ADC menjadi biner, dan

konstanta z mengubah nilai ADC menjadi

kecepatan aktual.

Sistem akan menanyakan nilai kecepatan

yang dinginkan dalam satuan rpm kemudian mengubahnya menjadi bilangan biner.

Perintah round digunakan untuk

membulatkan hasil pembagian. Kecepatan

putar yang boleh dimasukkan dibatasi

sampai 2400 rpm. Apabila nilai

kecepatannya lebih besar dari 2400 maka

sistem akan meminta user untuk

memasukkan nilai kecepatan yang sesuai.

Input "Masukkan nilai SetPoint (0 ~

2400 RPM) : " , Rpm

Conv_sp = rpm * x

SP_in= round (conv_sp)

‘nilai batas kecepatan

If Rpm > 2400 Then

Print “ maaf nilai yang anda

masukkan salah “

Goto mulai

End if

Untuk menghindari overflow sebagai

hasil proses perbandingan, maka nilai kecepatan putar 2400 langsung mengirimkan

nilai 255 ke DAC melalui PortB. Nilai ADC

dibaca sebagai sumber data untuk

menampilkan kecepatan aktualnya.

If Rpm >= 2400 Then

SP_in = 255

Gosub Baca_adc

Goto Kirim

End If

Langkah selanjutnya adalah membuat

program untuk membaca preset value.

Proses pembacaan dilakukan oleh ADC pada

subroutine baca_adc. Nilai kecepatan motor

dihitung dalam rentang 0-1023. Agar proses

perbandingan antara set point dengan preset

value dapat dilakukan dengan tepat, maka

nilai hasil pembacaan ADC harus dikonversi

menjadi rentang 0-255. Pengubahan

dilakukan menggunakan faktor konversi y.

Adc_in = Getadc(2)

Conv_PV = Adc_in * y

V_bin = round (Conv_PV)

Conv_rpm= ADC_in * z

Rpm_aktual = round (conv_rpm)

Nilai ADC juga dijadikan sebagai sumber

untuk menentukan kecepatan putar aktual.

Pengubahan nilai ADC menjadi kecepatan

aktual dilakukan menggunakan faktor

konversi z. Nilai kecepatan putar disimpan

dalam variabel Rpm_aktual. Nilai hasil konversi kemudian dikirim ke komputer

seabgai nilai kecepatan putar aktual. Proses

spin coating berlangsung selama waktu yang telah yang ditentukan.

Bagian terpenting dalam pemrograman

ini adalah proses pengendalian kecepatan

putar. Tujuannnya adalah agar preset value

yang dihasilkan tidak berbeda jauh dengan

set point yang diperintahkan. Set point

dituliskan dalam variabel Sp_bin sedangkan preset velue dituliskan dalam variabel

V_bin.Proses perbandingan dilakukan

dalam subroutine banding

If V_bin < SP_bin Then

SP_Out = SP_out + 1

End If

If V_bin > SP_bin Then

SP_out = SP_out - 1

End If

Algoritma pengendaliannya sangat sederhana, yaitu membandingkan antara

SP_bin dan V_bin. Apabila nilai V_bin

lebih besar dari SP_bin maka mikrokontroler akan melakukan penambahan

nilai satu bit ke DAC. Begitu juga

sebaliknya, apabila nilai V_bin lebih kecil

dari SP_bin maka mikrokontroler akan melakukan pengurangan nilai satu bit ke

DAC. Proses ini terus berulang sampai

perbedaan nilai diantara keduanya tidak

terlalu besar.

Data akhir berupa perbandingan nilai

kecepatan yang diperintahkan dan keceptan

aktual ditampilkan pada komputer melalui komunikasi serial

16

Print“ kecepatan perintah “;rpm;

“kecepatan aktual“;

rpm_aktual

Untuk mengkahiri proses maka pengguna harus menekan tombol <Escape> terlebih

dahulu.

Semua sourcecode dituliskan dalam

bahasa Basic yang kemudian dikonversi

menjadi bahasa mesin menggunakan

perintah compile. Bahasa mesin yang

dimengerti oleh mikrokontroler kemudian

dituliskan ke dalam memori mikrokontroler

melalui fasilitas In System Programming

(ISP) yang sudah termasuk dalam modul

DT-AVR low cost micro system.

Penggunaan alat spin coating dapat melalui fasilitas hyperterminal pada menu

program secara langsung atau dapat juga

melalui program Bascom AVR.

Data Pengujian Alat

Pengambilan data dilakukan setelah

semua sistem digabungkan dengan tujuan

untuk mengetahui karakteristik alat secara

keseluruhan. Pengujian dilakukan dengan

memberikan set point pada layar hyperterminal kemudian mencatat nilai

kecepatan putar yang ditampilkan.

Dilakukan dua tahapan pengujian yaitu

kalibrasi kecepatan putar dan uji ketepatan

kecepatan putar. Kalibrasi alat diperlukan

untuk mengetahui kemampuan dan

spesifikasi alat yang telah dibuat. Cara

kalibrasi alat dilakukan dengan

membandingkan antara nilai kecepatan yang

ditampilkan dengan alat lain yang berfungsi

sebagai kalibrator.

Pada pengujian alat spin coating ini kalibrator yang digunakan adalah multimeter

pada bagian penghitung frekuensi dalam

satuan kHz yang kemudian dikonversi

menjadi Hz. Motor diperintahkan untuk

mengeluarkan nilai kecepatan tertentu

melalui layar komputer, kemudian nilai

tersebut dibandingkan dengan hasil cacahan

multimeter. Nilai frekuensi hasil cacahan

multimeter dikonversi menjadi kecepatan

putar dengan cara membaginya dengan 116

agar didapatkan putaran per detik kemudian mengalikan dengan 60 sehingga didapatkan

nilai akhir berupa putaran tiap menit.

Pengujian hanya dilakukan terhadap tiga

nilai kecepatan yaitu 800 rpm, 1600 rpm, dan

2400 rpm. Nilai kecepatan tersebut dipilih

dengan pertimbangan bahwa data yang

dihasilkan dari ketiga nilai uji tersebut telah

mewakili karakteristik sistem secara

keseluruhan. Pengambilan data dilakukan

setiap 100 ms. Nilai kecepatan putar yang

ditampilkan alat spin coating ditulis dalam

variabel kecepatan terbaca, sedangkan

kecepatan putar hasil pencacahan frekuensi

ditulis dalam variabel kecepatan aktual.

Kurva perbandingan nilai kecepatan putar

terbaca dan aktual untuk nilai uji 800 rpm

ditunjukkan oleh Gambar 26, nilai uji 1600

rpm pada Gambar 27, dan nilai uji 2400 rpm

pada Gambar 28. Data yang ditampilkan pada gambar menunjukkan titik-titik yang

saling berhimpitan antara nilai kecepatan

aktual dan terbaca.

Hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran

0

200

400

600

800

1000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19Ulangan pengukuran

Kec

epat

an p

utar

(rpm

)

terbaca

aktual

Gambar 26. Hubungan antara kecepatan putar dan

ulangan pengukuran yang menampilkan nilai aktual dan terbaca


0

300

600

900

1200

1500

1800

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Ulangan pengukuran

Kec

epat

an p

utar

(rpm

)

terbaca

aktual




0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Ulangan pengukuran

Kec

epat

an p

utar

(rpm

)

terbaca

aktual



Nilai ketelitian dan ketepatan untuk nilai

uji 800 rpm adalah 98.01% dan 99.50%.

Sedangkan nilai ketelitian dan ketepatan

untuk nilai uji 1600 rpm adalah 99.69% dan

17

98.60%. Untuk nilai uji 2400 ketelitian dan

ketepatannya adalah 99.75% dan 98.80%.

Berdasarkan nilai ketelitian dan ketepatan

yang didapatkan dapat dikatakan bahwa nilai

kecepatan yang ditampilkan oleh alat spin

coating sudah mendekati kecepatan yang

sebenarnya. Data lengkap hasil pengujian

dapat dilihat pada Lampiran 1.

Pengujian berikutnya adalah pengujian

hasil proses pengontrolan kecepatan

menggunakan algoritma pemrograman. Dilakukan perbandingan antara nilai set

point yaitu kecepatan yang diperintahkan

dengan preset value yaitu kecepatan yang

dihasilkan alat spin coating. Pengujian

dilakukan untuk beberapa nilai set point

dengan waktu pencuplikan tiap 100 ms

sebanyak 20 data. Nilai preset value yang

dibandingkan dalam grafik adalah nilai rata-

rata. Gambar 29 menunjukkan kurva

perbandingan antara nilai set point dan

preset value rata-rata

Kurva perbandingan antara Set Point dan Preset Value rata-rata

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1 2 3 4 5 6 7Nilai pengukuran

Kec

epat

an p

utar

(rpm

)

SP

PV

Gambar 29. Perbandingan kecepatan

antara set point dan preset value

Data hasil pengukuran menunjukkan

bahwa kecepatan putar yang dihasilkan

mendekati nilai yang diperintahkan. Hal ini

menunjukkan bahwa proses pengontrolan

menggunakan algoritma telah berhasil

mengurangi kesalahan yang diakibatkan oleh

karakteristik PWM yang tidak linier.

Ketelitian rata-rata hasil pengujian 98,97 %

dan ketepatan rata-rata 99,63 %.

Salah satu karakteristik pengontrolan

dengan mekanisme pengurangan dan penambahan biner adalah sistem tidak dapat

mengeluarkan nilai yang stabil sesuai dengan

yang diperintahkan. Nilai keluaran akan

berosilasi di sekitar nilai yang seharusnya

secara terus menerus, kesalahan seperti ini

disebut sebagai steady state error. Data

lengkap hasil pengujian perbandingan set

point dan preset value dapat dilihat pada

Lampiran 2.

Pengujian berikutnya adalah untuk

menentukan karakteristik sistem kontrol loop

tertutup berupa settling time dan nilai steady

state error. Pengujian dilakukan terhadap

beberapa nilai set point yaitu 800 rpm, 1200

rpm, dan 2000 rpm. Data hasil pengujian

pada nilai uji 800 rpm ditampilkan pada

Gambar 30, nilai uji 1200 pada Gambar 31,

dan nilai uji 2000 rpm pada Gambar 32.


0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Ulangan pengukuran

Kec

epat

an p

utar

(rpm

)


ulangan pengukuran pada nilai uji 800 rpm

Kurva hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran

0

300

600

900

1200

1500

1800

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19Ulangan pengukuran

Kec

epat

an p

utar

(rpm

)



Kurva hubungan antara kecepatan putar dan ulangan pengukuran

0

400

800

1200

1600

2000

2400

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Ulangan pengukuran

Kec

epat

an p

utar

(rpm

)



Data hasil pengujian menunjukkan

karakateristik alat ketika menerima perintah.

Terlihat bahwa alat tidak dapat langsung

mencapai nilai yang diperintahkan, tetapi

mengalami overshoot sampai beberapa nilai di atas set point. Semakin tinggi nilai set

point yang diperintahkan ternyata nilai

overshoot semakin rendah, hal ini

disebabkan oleh karakteristik motor yang

kurang stabil pada putaran rendah.

18

Waktu yang dibutuhkan alat untuk

sampai pada nilai yang diperintahkan

(settling time) rata-rata sama bernilai sekitar

6 detik. Artinya setelah 6 detik kecepatan

putar yang dihasilkan cenderung mendekati

nilai yang seharusnya. Nilai steady state

error yang dihasilkan pada nilai uji 800 rpm

yaitu sebesar 1,75 %, pada nilai uji 1200 rpm

1,75 %, dan pada nilai uji 2000 rpm sebesar

1,15 %. Semua nilai steady state error

berada dalam rentang yang diperbolehkan dalam teori sistem kontrol, yaitu harus lebih

kecil dari 2 %. Dapat dikatakan bahwa

sistem kontrol kecepatan putar yang

dibangun telah dapat berfungsi dengan baik.

Data lengkap pengujian karakteristik sistem

kontrol dapat dilihat pada Lampiran 3.

SIMPULAN DAN SARAN

Simpulan

Blok-blok fungsional yang telah dibuat dapat bekerja dengan sangat baik sesuai

dengan fungsi masing-masing. Kecuali

pada bagian PWM yang keluarannya

tidak linier.

Alat deposisi spin coating beroperasi

pada rentang kecepatan 0 – 2400 rpm.

Proses pengontrolan menggunakan

mekanisme umpan balik terlah berhasil

mengurangi kesalahan yang diakibatkan

oleh bagian PWM.

Nilai kecepatan yang dihasilkan mendekati nilai yang sebenarnya. Hal ini

dibuktikan pada pengujian kalibrasi.

Ketelitian untuk nilai uji 800 rpm adalah

98.01% dan ketepatannya 99.50%.

Untuk nilai uji 1600 rpm nilai ketelitian

99.69% dan ketepatan 98.60% dan

untuk nilai uji 2400 rpm ketelitian

adalah 99.75% dan ketepatan 98.8%

Alat deposisi spin coating mampu

menghasilkan preset value yang

mendekati set point. Ketelitian rata-rata hasil pengujian untuk beberapa nilai set

point adalah 98,97 % dan ketepatan

99,63 %.

Nilai steady state error untuk nilai uji

800 rpm adalah 1, 75 %, untuk nilai uji

1200 rpm 1,75 %, dan untuk nilai uji

2000 rpm 1,15 %. Waktu untuk sampai

pada nilai yang diperntahkan (setling

time) rata-rata bernilai 6 detik.

Secara keseluruhan alat deposisi spin

coating yang telah dibuat bekerja sangat

baik, sehingga dapat dipakai untuk

melakukan proses pelapisan material.

Saran

Rangkaian PWM diperbaiki dengan menggunakan pemrograman pada

mikrokontroler.

Motor yang digunakan sebaiknya

memiliki kecepatan putar yang lebih

tinggi dengan tingkat kestabilan putaran

yang juga tinggi. Agar alat deposisi spin

coating mampu menangani teknik

pelapisan pada putaran tinggi.

Pengontrolan kecepatan melalui

pemrograman dapat ditingkatkan dengan

menggunakan teori-teori sistem kontrol

yang sering dipakai seperti digital PID controller, fuzzy logic, dan sebagainya.

Interfacing dengan komputer

menggunakan bahasa pemrograman

tingkat tinggi seperti Visual Basic.

Untuk memudahkan penggunaan,

komunikasi dengan komputer dilakukan

menggunakan port USB.

DAFTAR PUSTAKA

Asrorudin U. 2004. Perancangnan Alat

Deposisi Spin Coating [Skripsi]. Bogor:

Fakultas Matematika dan Ilmu

Pengetahuan Alam, Institut Pertanian

Bogor.

Data Sheet ATmega8535.

http://www.atmel.com

Data Sheet LM2917. http://www.NationalSemiconductor.com

Jacob JM. 1989. Industrial Control

Electronics, Applications and Design.

Prentice-Hall Inc. (4-5).

Ogata K. 1985. Teknik Kontrol Automatik

(Sistem Pengaturan) jilid 1. Edi

Laksono, penerjemah; Jakarta: Penerbit

Erlangga. Terjemahan dari: Modern

Control Enginering. (4-6).

Prasetia, Retna, Widodo CE. 2004.

Interfacing Port Paralel dan Port Serial

Komputer dengan Visual Basic 6.0, Teori dan Praktek. Jakarta : Penerbit

Andi.

19

Pratomo A. 2005. Panduan Praktis

Pemrograman AVR Mikrokontroler

AT90S2313. Yogyakarta: Penerbit

Andi.Yogyakarta.

Priyonoto A. 2004. Pembuatan

Diskriminator Berbasis Mikrokontroler

AT89C52 yang dikendalikan PC untuk

diterapkan pada Sistem Pencacah

Radiasi [Skripsi]. Bogor: Fakultas

Matematika dan Ilmu Pengetahuan

Alam, Institut Pertanian Bogor. Sadiku M.N.O. 2001. Elements of

Electromagnetics. Third Edition. Oxford

University Press. New York. (316-317).

Spin Coat Theory

http://www.cise.columbia.edu/clean/pro

cess/spintheory.pdf

Thiang, Hanawati, Widagdo, Resmana.1999.

Implementasi Fuzzy Logic Pada

Microcontroller Untuk Kendali Putaran

Motor DC. Di dalam: Prosiding

Industrial Electronic Seminar 1999 (IES’99); Surabaya, 27-28 Oktober

1999.

20

LAMPIRAN

21

Lampiran 1. Data Hasil Pengujian Kalibrasi Putaran

Nilai Uji

Ulangan ke 800 rpm 1600 rpm 2400 rpm

Terbaca

(rpm)

Aktual

(rpm)

Terbaca

(rpm)

Aktual

(rpm)

Terbaca

(rpm)

Aktual

(rpm)

1 781 801 1591 1614 2384 2405

2 791 816 1595 1614 2388 2426

3 807 813 1593 1624 2400 2431

4 826 818 1595 1624 2400 2436

5 823 806 1600 1629 2400 2431

6 814 811 1602 1619 2400 2431

7 800 812 1602 1624 2388 2421

8 786 801 1602 1614 2400 2410

9 777 809 1607 1624 2400 2431

10 779 815 1602 1634 2400 2431

11 791 806 1598 1614 2400 2421

12 812 802 1605 1624 2384 2431

13 819 800 1600 1619 2388 2436

14 826 811 1598 1619 2400 2431

15 819 803 1593 1629 2400 2431

16 807 809 1591 1629 2400 2421

17 798 794 1602 1624 2388 2410

18 807 801 1605 1624 2400 2431

19 807 803 1607 1629 2400 2431

20 791 806 1602 1619 2400 2421

Rata-rata 803,05 806,73 1599,50 1622,59 2396,00 2425,86

Standar deviasi 15,77 5,05 6,36

Ketelitian (%) 98,01 99,69 99,75

Ketepatan (%) 99,50 98,60 98,80

Keterangan:

Pembanding : Multimeter (fasilitas penghitung frekuensi) Selang waktu pengambilan data: 100 milidetik

22

Lampiran 2. Data Perbandingan Set point dan Preset value

Set Point

Ulangan ke

0

rpm

400

rpm

800

rpm

1200

rpm

1600

rpm

2000

rpm

2400

rpm

1 0 392 781 1211 1591 2001 2384

2 0 401 791 1204 1595 2004 2388

3 0 390 807 1192 1593 2001 2400

4 0 406 826 1192 1595 2001 2400

5 0 408 823 1192 1600 2004 2400

6 0 415 814 1194 1602 2004 2400

7 0 411 800 1204 1602 2006 2388

8 0 415 786 1206 1602 2008 2400

9 0 406 777 1208 1607 2013 2400

10 0 389 779 1208 1602 2001 2400

11 0 396 791 1199 1598 2002 2400

12 0 387 812 1204 1605 2001 2384

13 0 399 819 1201 1600 2004 2388

14 0 408 826 1204 1598 2006 2400

15 0 425 819 1206 1593 2001 2400

16 0 427 807 1206 1591 2004 2400

17 0 415 798 1213 1602 2001 2388

18 0 394 807 1196 1605 1999 2400

19 0 399 807 1199 1607 2001 2400

20 0 413 791 1201 1602 2004 2400

Rata-rata 0,00 404,80 803,05 1202,00 1599,50 2003,30 2396,00

Standar deviasi 11,62 15,77 6,32 5,05 3,21 6,36

Ketelitian (%) 97.00 98.00 99,50 99,70 99,85 99,75

Ketepatan (%) 98,70 99,62 99,83 99,97 99,85 99,83

Keterangan: Selang waktu pengambilan data: 100 milidetik

23

Lampiran 3. Data Pengujian Settling Time dan Steady State Error

Ulangan ke Nilai Uji

800 rpm 1200 rpm 2000 rpm

1 0 0 0

2 1117 1600 2062

3 1164 1670 2083

4 1025 1499 2086

5 833 1372 2065

6 793 1236 1999

7 784 1213 2013

8 823 1199 2011

9 781 1192 2008

10 793 1201 2008

11 791 1196 2004

12 807 1194 2015

13 805 1204 2006

14 788 1196 2006

15 793 1201 2006

16 802 1196 2001

17 795 1194 2006

18 809 1206 2001

19 795 1215 1992

20 795 1206 2008

Keterangan:

Selang waktu pengambilan data: 1 detik

24

Lampiran 4. Gambar Alat Deposisi Spin Coating

25

Lampiran 5. Skema Rangkaian Pembangkit Sinyal PWM

26

Lampiran 6. Skema Rangkaian Catu Daya

27

Lampiran 7. Skema DT-AVR Low Cost Micro System

28

Lampiran 8. Datasheet ATmega8535

29

Lampiran 8. (lanjutan)

30

Lampiran 9. Datasheet DAC 0808

31


32

Lampiran 10. Datasheet IC LM2917 Frequency to Voltage Converter

33


34

Lampiran 11. Datasheet Motor UGFMED B1 20E Produksi Yaskawa

35

Lampiran 12. Datasheet Magnetic Encoder UTMSI-01BNA

Science

Sistem kendali