PERANCANGAN SERVOMEKANISME POSISI PADA MESIN COCONUT MILL
BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA8535
Abstrak
Mesin coconut mill adalah mesin yang digunakan untuk memarut kelapa. Mesin coconut mill konvensional yang banyak dijumpai di pasaran hanya mampu memarut kelapa dengan satu macam tingkat kelembutan. Mesin coconut mill konvensional tidak dapat menyelesaikan masalah pada kondisi dimana dibutuhkan hasil parutan kelapa dengan variasi tingkat kelembutan. Kasus pada mesin coconut mill untuk menghasilkan parutan kelapa dengan variasi tingkat kelembutan dapat diselesaikan dengan memodifikasi mesin tersebut sedemikian rupa sehingga mata parutan memiliki gradasi besar yaitu mata parutan sebelah kanan merupakan mata parutan yang memiliki bentuk paling besar, semakin kekiri bentuk mata parutan semakin kecil. Pengendalian servomekanisme posisi digunakan untuk mengatur posisi feeder pemarutan kelapa. Logika fuzzy dengan fuzzy inference system Sugeno digunakan sebagai metode untuk mengendalikan servoposisi.
Hasil perancangan servoposisi untuk mengatur tingkat kekasaran hasil parutan kelapa adalah servomekanisme posisi dapat bekerja sesuai dengan referensi posisi yang diberikan pada sistem. Hasil perancangan servoposisi menyebabkan mesin coconut mill dapat digunakan untuk memarut kelapa
dengan variasi tingkat kelembutan.
I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Mesin coconut mill merupakan mesin yang digunakan untuk memarut kelapa. Pada mesin coconut mill konvensional, mesin hanya dapat digunakan untuk memarut kelapa hanya dengan satu tingkat kelembutan. Pada kondisi yang membutuhkan hasil parutan kelapa dengan berbagai tingkat kelembutan maka mesin coconut mill konvensional tidak mampu menyelesaikan masalah. Masalah yang dihadapi mesin coconut mill konvensional dapat diselesaikan dengan memodifikasi mata parutan. Mata parutan pada mesin coconut mill dibuat sedemikian rupa sehingga mata parutan mempunyai gradasi bentuk dan ukuran. Mata parutan paling kanan mempunyai bentuk dan ukuran paling besar, semakin kekiri maka bentuk dan ukuran mata parutan semakin kecil. Servomekanisme posisi digunakan untuk mengendalikan posisi pemarutan kelapa. Sugeno fuzzy logic controller digunakan sebagai metode untuk mengendalikan servomekanisme posisi. Mikrokontroler ATmega8535 digunakan sebagai pengorganisasi input output, wadah bagi hasil perancangan Sugeno fuzzy logic controller dan wadah bagi algoritma diagram ruang keadaan ketika ditanamkan.
1.2 Tujuan
Tujuan dari tugas akhir ini adalah merancang servomekanisme posisi untuk mengendalikan tingkat kelembutan parutan kelapa menggunakan Sugeno fuzzy logic controller berbasis mikrokontroler ATmega8535.
1.3 Pembatasan Masalah
Pada pembuatan tugas akhir ini penulis membatasi permasalahan sebagai berikut :
1.Plant yang digunakan adalah modul servomekanisme posisi pada mesin coconut mill.
2.Servomekanisme posisi digunakan untuk mengendalikan tingkat kelembutan parutan kelapa.
3.Penggerak pada servomekanisme posisi adalah motor arus searah dengan pengendalian jangkar.
4.Sensor posisi pada servomekanisme posisi adalah potensiometer wirewound yang difungsikan sebagai pembagi tegangan.
5. Sugeno fuzzy logic controller digunakan untuk mengendalikan servomekanisme posisi pada mesin coconut mill.
6. Mikrokontroler yang digunakan adalah mikrokontroler ATmega8535.
7. Perangkat lunak yang digunakan untuk memprogram mikrokontroler adalah Code Vision AVR.
8. Perangkat lunak Borland Delphi digunakan untuk membuat program monitoring sistem kendali servomekanisme posisi.
II. DASAR TEORI
2.1 Servomekanisme Posisi
Servomekanisme adalah sistem kontrol berumpan balik dengan keluaran berupa posisi, kecepatan, atau percepatan mekanik. Istilah servomekanisme dan sistem pengontrolan posisi, kecepatan maupun percepatan pada dasarnya adalah sinonim, namun untuk lebih memperjelas keluaran sistem yang berupa posisi maka istilah servomekanisme diperjelas menjadi sevomekanisme posisi. Servomekanisme posisi pada mesin coconut mill digunakan untuk mengendalikan tingkat kelembutan parutan kelapa dengan cara mengatur posisi pemarutan kelapa. Gambar 1 merupakan diagram skematik servomekanisme posisi pada mesin coconut mill.
Gambar 1 Diagram skematik servomekanisme posisi pada mesin coconut mill.
2.2 Sugeno Fuzy Logic Controller
Fuzzy berarti samar, kabur atau tidak jelas. Teori himpunan fuzzy pertama kali diperkenalkan oleh Lotfi A. Zadeh pada bulan Juli 1964. Pada dasarnya himpunan fuzzy merupakan teori himpunan dimana masing – masing anggota himpunan dibedakan dengan anggota himpunan yang lain berdasarkan derajat keanggotaannya. Fuzzy logic controller merupakan aplikasi logika fuzzy yang digunakan sebagai metode pengontrolan sistem. Pada prinsipnya pengendali logika fuzzy merupakan pengendali yang bertugas mengendalikan sistem agar keluaran sistem sama dengan masukan yang diharapkan, perbedaannya pengendali logika fuzzy menggunakan salah satu metode fuzzy inference system dalam memproses masukan sistem menjadi keluaran berupa sinyal
kontrol. Sugeno fuzzy logic controller merupakan fuzzy logic controller yang menggunakan arsitektur Sugeno di dalam memproses masukan tegas ataumasukan fuzzy menjadi keluaran tegas. Gambar 2 merupakan arsitektur Sugeno fuzzy inference system.
Gambar 2 Arsitektur Sugeno fuzzy inference system.
2.3 Sensor Posisi
Sensor posisi merupakan perangkat yang digunakan untuk mendeteksi perpindahan ulir pada mekanika sistem servomekanisme posisi. Prinsip kerja sensor posisi menggunakan resistor sebagai pembagi tegangan. Gambar 3 merupakan diagram skematik sensor posisi.
Gambar 3 Diagram skematik sensor posisi.
2.4 Diagram Ruang Keadaan
Diagram ruang keadaan atau diagram state merupakan diagram yang menggambarkan masukan, kondisi state, keluaran sistem pada suatu saat. Diagram ruang keadaan merupakan sebuah algoritma yang digunakan pada mesin sekuensial. Pada diagram ruang keadaan keluaran sebuah sistem dipengaruhi oleh kondisi state dan kondisi masukan. Pada diagram ruang keadaan dikenal istilah finite state machine atau mesin yang memiliki keadaan berhingga. Finite state machine pada dasarnya adalah metode untuk merancang sebuah mesin sekuensial yang memiliki kombinasi masukan, state, dan keluaran yang berhingga.
2.5 Mikrokontroler ATmega8535
Mikrokontroler ATmega8535 merupakan mikrokontroler 8 bit dengan konsumsi daya rendah produksi ATMEL yang telah didukung penuh dengan program dan sarana pengembangan seperti compiler C, simulator program, emulator dalam rangkaian dan kit evaluasi. Gambar 4 merupakan konfigurasi pin – pin pada mikrokontroler Atmega8535.
III. PERANCANGAN
3.1 Perancangan Perangkat Keras
Perancangan sistem servomekanisme posisi untuk mengendalikan tingkat kelembutan kelapa pada mesin coconut mill terdiri atas dua bagian yaitu perancangan perangkat keras dan perancangan perangkat lunak. Diagram skematik perancangan perangkat keras ditunjukkan pada Gambar 5.
3.1.1 Perancangan Sistem minimum ATmega8535
Perancangan sistem minimum mikrokontroler ATmega8535 merupakan perancangan sistem mikrokontroler paling minimal yang dibutuhkan oleh mikrokontroler untuk bekerja. Gambar 6 merupakan rangkaian sistem minimum mikrokontroler ATmega8535. Gambar 6 merupakan rangkaian sistem minimum mikrokontroler ATmega8535.
3.1.2 Perancangan Keypad
Perancangan keypad merupakan perancangan input mikrokontroler ATmega8535 menggunakan lima buah tombol push button sebagai tombol pengendali pada servomekanisme posisi. Gambar 7 merupakan rangkaian keypad pada servomekanisme posisi untuk mengendalikan tingkat kelembutan parutan kelapa pada mesin coconut mill. Gambar 7 merupakan rangkaian keypad pada servomekanisme posisi.
3.1.3 Perancangan Aktuator Motor DC
Aktuator motor DC servomekanisme posisi untuk mengendalikan tingkat kelembutan parutan kelapa pada mesin coconut mill adalah rangkaian HBridge. Gambar 8 merupakan perancangan aktuator motor DC.
3.1.4 Perancangan LCD
Pada perancangan servomekanisme posisi mesin coconut mill, LCD M1632 pada Gambar 9 digunakan sebagai penampil program yang menunjukkan kondisi atau state program yang sedang aktif. Gambar 9 merupakan perancangan LCD M1632 pada mesin coconut mill.
3.1.5 Perancangan Komunikasi Serial RS232
Komunikasi serial menggunakan RS232 merupakan sarana monitoring servomekanisme posisi pada mesin coconut mill menggunakan bantuan personal computer. Gambar 10 merupakan rangkaian yang digunakan pada komunikasi serial RS 232 menggunakan IC MAX232.
3.2 Perancangan Perangkat Lunak
Perancangan perangkat lunak merupakan perancangan algoritma program untuk merealisasikan servomekanisme posisi pada pengendalian tingkat kehalusan parutan kelapa menggunakan Sugeno fuzzy logic controller. Gambar 11 merupakan diagram skematik perancangan perangkat lunak servomekanisme posisi pada mesin coconut mill.
3.2.1 Perancangan Finite State Machine
Perancangan finite state machine merupakan perancangan diagram ruang keadaan sistem servomekanisme posisi agar sistem mampu melakukan beberapa organisasi input dan output mikrokontroler, pembacaan nilai ADC, tampilan LCD, pemanggilan fungsi Sugeno fuzzy logic controller, dan keluaran PWM pada suatu saat sesuai. Gambar 12 merupakan hasil perancangan finite state machine sistem servomekanisme posisi pada mesin coconut mill.
. 
3.2.2 Perancangan Sugeno Fuzzy Logic Controller
Perancangan Sugeno fuzzy logic controller merupakan perancangan Sugeno fuzzy model kedalam program di dalam mikrokontroler. Perancangan Sugeno logic controller terdiri dari perancangan fungsi keanggotaan, perancangan basis aturan dan perancangan defuzzifikasi. Gambar 13 merupakan perancangan fungsi keanggotaan error sedangkan Gambar 14 merupakan fungsi keanggotaan delta error.
3.2.3 Perancangan Program Monitoring Menggunakan Delphi
Perancangan program monitoring menggunakan bantuan perangkat lunak Borland Delphi pada dasarnya bertujuan untuk mengetahui respon keluaran sistem servomekanisme posisi berdasarkan nilai referensi yang diberikan. Gambar 15 merupakan tampilan program monitoring menggunakan Borland Delphi.
IV. PENGUJIAN DAN ANALISIS
Pengujian servomekanisme posisi pada mesin coconut mill dilakukan dalam dua tahap yaitu pengujian perangkat keras yang meliputi pengujian sensor posisi dan pengujian respon sistem.
4.1 Pengujian Sensor Posisi
Pengujian sensor posisi dilakukan untuk menguji linearitas sensor posisi. Gambar 16 merupakan pengujian sensor posisi.
Hasil pengujian sensor posisi pada Gambar 16 adalah bahwa grafik sensor posisi terhadap tegangan yang dihasilkan berupa garis lurus. Dengan demikian grafik hubungan tegangan dan posisi dapat dikatakan linier. Hubungan antara tegangan sensor posisi dengan posisi sistem servoposisi dapat dinyatakan dalam perhitungan di bawah ini.
V(t) = k.x(t)……………………………(2)
Dengan :
v(t) = tegangan sensor posisi (volt).
K = konstanta hubungan sensor posisi dengan
tegangan(volt/milimeter).
X(t) = jarak atau posisi sistem servoposisi (mm).
Pada harga maksimal didapatkan bahwa
v (t) = k.(t)
5 = k.170
K = 0,0294 volt/mm
4.2 Pengujian Respon Sistem Servomekanisme Posisi
Pada pengujian sistem servomekanisme posisi digunakan dua jenis pengujian yaitu pengujian respon sistem servomekanisme posisi dengan referensi posisi maksimal yaitu 170 mm dengan kondisi awal posisi 0 mm dan pengujian respon sistem servomekanisme posisi dengan referensi posisi minimal yaitu 0 mm dengan kondisi awal posisi sebesar 170 mm. Gambar 17 merupakan pengujian respon sistem servomekanisme posisi dengan referensi posisi maksimal yaitu 170 mm dengan kondisi awal posisi 0 mm. Berdasarkan Gambar 17 dapat diambil beberapa informasi mengenai waktu naik (rise time), waktu tunda (delay time), waktu puncak (peak time), lonjakan maksimum (maximum overshoot), dan waktu penetapan (settling time). Waktu naik adalah waktu yang diperlukan tanggapan untuk naik dari prosentase 10 % hingga 90 % dari nilai akhir atau dari 0% hingga 100% dari nilai akhir
Berdasarkan definisi dari waktu naik maka waktu naik pada pengujian respon sistem servomekanisme posisi dengan nilai referensi lebih besar daripada nilai output adalah r t = 11 detik. Waktu tunda didefinisikan sebagai waktu yang diperlukan tanggapan untuk mencapai setengah dari nilai akhir yang pertama kali. Dengan demikian waktu tunda merupakan setengah dari nilai waktu naik sehingga p t = 11/2 detik = 5,5 detik. Waktu puncak didefinisikan sebagai waktu yang diperlukan tanggapan untuk mencapai puncak lewatan yang pertama kali. Berdasarkan definisi waktu puncak, respon sistem servomekanisme posisi pada Gambar 17 tidak mempunyai puncak lewatan sehingga pada pengujian respon servomekanisme posisi pada Gambar 17 tidak mempunyai waktu puncak. Lonjakan maksimum didefinisikan sebagai prosentase nilai puncak kurva tanggapan terhadap nilai pada keadaan tunaknya. Dari definisi tersebut maka lonjakan maksimum tidak terdefinisi karena tidak ada waktu puncak, dengan demikian lonjakan maksimum tidak dapat ditentukan pada respon sistem servomekanisme posisi pada Gambar 17. Waktu penetapan didefinisikan sebagai waktu yang diperlukan kurva tanggapan untuk menetap dalam daerah di sekitar nilai akhir yang ukurannya ditentukan dengan presentase mutlak dari nilai akhir (biasanya 5% atau 2%). Berdasarkan definisi tersebut nilai akhir yang ukurannya biasanya 5% atau 2% berada pada waktu lebih besar daripada 8,25%. Setelah waktu tersebut output sistem servomekanisme posisi sama dengan referensi. Dengan demikian nilai waktu penetapan adalah s t = 11 detik. Gambar 18 memperlihatkan pengujian respon sistem servomekanisme posisi dengan referensi posisi minimal yaitu 0 mm dengan kondisi awal posisi sebesar 170 mm. Berdasarkan definisi tentang waktu naik maka pada perhitungan waktu naik, persepsi tentang pengujian respon sistem naik maupun turun dianggap nilai mutlak sehingga perhitungan waktu naik menjadi r t = 10,75 detik.
Berdasarkan definisi waktu tunda bahwa nilai waktu tunda adalah setengah nilai waktu naik sehingga
Berdasarkan definisi waktu puncak maka perhitungan waktu puncak pada Gambar 18 tidak dapat dilakukan karena tanggapan sistem tidak pernah melewati nilai referensi yang telah diberikan atau tidak memiliki lewatan, dengan demikian waktu puncak tidak dapat didefinisikan. Berdasarkan definisi lonjakan maksimum maka perhitungan terhadap lonjakan maksimum tidak dapat dilakukan karena sistem tidak mempunyai lonjakan atau overshoot. Dengan demikian lonjakan maksimum atau overshoot tidak dapat didefinisikan. Berdasarkan definisi waktu penetapan bahwa waktu penetapan merupakan waktu yang diperlukan sistem untuk menetap di daerah disekitar nilai akhir sekitar 2% sampai dengan 5 % maka waktu penetapan pada tanggapan sistem di Gambar 4.7 adalah s t = 9,5 detik. Nilai tersebut diberikan karena setelah melewati waktu 9,5 detik nilai keluaran sistem servomekanisme posisi bergerak naik turun dengan toleransi sebesar 5%
V. PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Beberapa kesimpulan yang dapat diambil pada Perancangna servomekanisme posisi pada mesin coconut mill adalah sebagai berikut :
1. Pada pengujian sensor servoposisi didapatkan hasil bahwa grafik hubungan antara tegangan keluaran sensor dengan posisi yang dideteksi adalah linear dengan konstanta perbandingan sebesar 0,0294 volt /mm.
2. Pengujian respon sistem servomekanisme posisi pada referensi posisi maksimal yaitu 170 mm dengan kondisi awal posisi 0 mm didapatkan hasil berupa waktu naik r t =11 detik, waktu tunda p t = 5,5 detik, tidak terdapat waktu puncak dan lonjakan maksimum yang disebabkan karena respon
sistem tidak pernah melewati nilai referensi yang telah diberikan, dan waktu penetapan sebesar s t = 11 detik karena setelah waktu tersebut nilai output selalu sama dengan nilai referensi.
3. Pada pengujian respon sistem servomekanisme posisi dengan referensi posisi minimal yaitu 0 mm dengan kondisi awal posisi sebesar 170 mm didapatkan hasil berupa waktu naik r t = 10,75 detik, waktu tunda p t = 5,375 detik, tidak terdapat waktu puncak dan lonjakan maksimum yang disebabkan karena respon sistem tidak pernah melewati nilai referensi yang telah diberikan, dan waktu penetapan sebesar s t = 9,5 detik yang disebabkan karena setelah melewati waktu 9,5 detik nilai output bergerak naik turun dengan toleransi 5%.
