Kipas Otomatis yang Dikendalikan Oleh Suhu

# Kipas Otomatis yang dikendalikan oleh suhu (Fan Cooler) menggunakan Arduino ## **Kelompok 6** | Nama | NIM | |:---------------------------:|:----------:| | Syahrul Reza Ananda | 1103210113 | | Muhammad Nadhim Abdirrahman | 1103210018 | | Sam Alim Ramadhan | 1103210236 | | Sulthan Nauval Abdillah | 1103213065 | | Muhammad Alfi Syahrin | 1103213144 | | Hafidz Shidiq | 1103210184 | ## Daftar Isi > [TOC] ## Pendahuluan ### Latar Belakang Dalam dunia teknologi modern, pengembangan sistem otomatis menjadi semakin penting untuk meningkatkan efisiensi dan kenyamanan. Salah satu aspek yang paling relevan adalah pengendalian suhu dalam berbagai perangkat elektronik yang menjadi penunjang hidup setiap manusia. Penerapan kontrol otomatis pada sistem suhu dapat membawa manfaat signifikan dalam mengoptimalkan kinerja perangkat, menghemat energi, dan meningkatkan keandalan. Pengendalian suhu menjadi krusial dalam berbagai aplikasi, termasuk di dalam ruangan seperti gedung perkantoran, rumah tangga, atau perangkat elektronik yang rentan terhadap perubahan suhu. Sementara di luar ruangan, pengendalian suhu dapat mempengaruhi kenyamanan manusia dan keberlanjutan perangkat elektronik atau mesin yang beroperasi di lingkungan tersebut. ### Tujuan Proyek 1. **Pengembangan Sistem Otomatis**: Membuat sistem kendali otomatis yang dapat mengukur suhu benda dan secara adaptif mengatur kecepatan kipas sesuai dengan perubahan suhu tersebut. 2. **Optimisasi Konsumsi Energi**: Mengurangi konsumsi energi dengan mengaktifkan kipas hanya saat dibutuhkan, berdasarkan suhu aktual, sehingga menciptakan solusi yang lebih efisien secara energi. 3. **Kenyamanan Lingkungan**: Meningkatkan kenyamanan pemakaian benda dengan menjaga suhu dalam kisaran yang diinginkan, menciptakan pengalaman yang lebih baik untuk pekerjaan atau kegiatan sehari-hari. 4. **Pengurangan Beban Manusia**: Mengurangi keterlibatan manusia dalam mengatur suhu secara manual, sehingga membebaskan waktu dan upaya untuk tugas-tugas lain yang memerlukan perhatian lebih intensif. 5. **Penerapan Konsep Sistem Kendali**: Memahami dan mengaplikasikan konsep-konsep dasar dalam sistem kendali seperti umpan balik dan kontrol proporsional-integral-derivatif (PID) untuk mencapai pengaturan suhu yang stabil. ## Rancangan Sistem Kendali Loop Tertutup PID * **Sistem Kontrol** adalah sistem pengaturan atau pengendalian terhadap satu atau beberapa besaran (variabel, parameter) sehingga berada pada suatu harga atau dalam satu kisaran (range) nilai tertentu. Dalam istilah lain disebut juga teknik pengaturan, sistem pengendalian, atau sistem pengontrolan. Tujuan utama dari suatu sistem kontrol adalah untuk mendapatkan optimasi. Dimana hal ini dapat diperoleh berdasarkan fungsi dari pada sistem kontrol itu sendiri, yaitu: Pengukuran (measurement), Pembandingan (comparison), Pencatatan dan perhitungan, dan Perbaikan (correction). * **Respon Waktu (Transient)** adalah perilaku sementara dari suatu sistem ketika bergerak dari satu titik keseimbangan ke titik keseimbangan lainnya sebagai respons terhadap perubahan. Ini mencakup overshoot awal, waktu penyelesaian, dan segala osilasi sebelum mencapai keseimbangan baru. * **PID (Proportional Integral Derivative controller)** merupakan kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut. Pengontrol PID akan memberikan aksi kepada Control Valve berdasarkan besar error yang diperoleh. Control valve akan menjadi aktuator yang mengatur aliran dalam proses sistem yang terjadi. Titik batas yang diinginkan disebut dengan Set Point. Error adalah perbedaan dari Set Point dengan titik aktual. * **Closed Loop System** merupakan sitem kendali yang sinyal keluarannya mempunyai pengaruh langsung terhadap aksi pengendaliannya. Dengan kata lain sistem kendali loop tertutup adalah sistem kendali berumpan-balik. Sinyal kesalahan penggerak, yang merupakan selisih antara sinyal masukan dan sinyal umpan-balik (yang dapat berupa sinyal keluaran atau suatu fungsi sinyal keluaran dan turunannya), diumpankan ke elemen kendali untuk memperkecil kesalahan dan membuat agar keluaran sistem mendekati harga yang diinginkan. Hal ini berarti bahwa pemakaian aksi umpan-balik pada loop tertutup bertujuan untuk memperkecil kesalahan sistem. * Gambar Close Loop System ![WhatsApp Image 2024-01-08 at 08.23.22](https://hackmd.io/_uploads/BkAfyC__p.jpg) * Rangkaian Alat ![1](https://hackmd.io/_uploads/HkOHA0OO6.jpg) **Alat alat yang digunakan :** 1. **Arduino Uno R3** adalah papan pengembangan mikrokontroler yang berbasis chip ATmega328P. Pada rangkaian, alat ini berfungsi sebagai penghubung sumber arus dan semua hardware yang digunakan. Selain itu, Arduino juga memiliki ground yang digunakan untuk tempat menyalurkan arus listrik agar tidak terjadi kebocoran jika terdapat beda potensial pada rangkaian. 3. **Breadboard** adalah papan yang berfungsi untuk menempatkan dan menyusun komponen-komponen elektronika menjadi rangkaian elektronika tanpa penyolderan. Seperti fungsinya, alat ini digunakan sebagai media penyusun rangkaian yang dapat digunakan dengan mudah oleh pengguna. 5. **DC Motor** adalah suatu perangkat yang mengubah energi listrik menjadi energi kinetik atau gerakan (motion). Pada Rangkaian, alat ini befungsi sebagai media untuk output yang dihasilkan. Sederhananya, motor akan berputar sesuai dengan input yang diberikan oleh sensor termal. 6. **Temperature Sensor** atau sensor termal berupa adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. Pada rangkaian, alat ini berfungsi sebagai media input berupa suhu ruangan dimana rangkaian berada. Alat ini akan menerima suhu dan menyalurkan tegangan pada pusat rangkaian sehingga menghasilkan output tertentu berdasarkan suhu yang diterima. 7. **LCD 16×2** adalah salah satu penampil yang sangat populer digunakan sebagai interface antara mikrokontroler dengan user nya. Pada rangkaian, alat ini bekerja untuk menampilkan indikator suhu/temperatur yang diterima oleh sensor termal. 8. **Resistor** adalah komponen elektronika yang bersifat menghambat arus listrik. Pada rangkaian, alat ini berfungsi sebagai pemberi hambatan terhadap arus listrik yang mengalir ke LCD. Hambatan tersebut bersifat mutlak sehingga tidak bisa diubah-ubah kecuali diganti ke resistor yang ukuran hambatannya berbeda. 9. **Potensiometer** adalah peralatan elektronik yang termasuk dalam jenis resistor. Pada rangkaian, alat ini berfungsi sebagai pemberi hambatan arus listrik yang mengalir ke LCD. Hambatan tersebut dapat diatur oleh pengguna sehingga sederhananya, alat ini hanya berfungsi sebagai media ON dan OFF untuk LCD. 10. **Kabel jumper** adalah suatu istilah kabel yang ber-diameter kecil yang di dalam dunia elektronika digunakan untuk menghubungkan dua titik atau lebih dan dapat juga untuk menghubungkan 2 komponen elektronika. Seperti fungsinya, alat ini digunakan untuk menghubungkan titik-titik dari komponen-komponen elektronika yang digunakan pada rangkaian. ## Mekanik Motor DC Fungsi transfer adalah representasi matematis yang mencirikan hubungan antara masukan dan keluaran suatu sistem dinamis. Dalam kasus motor DC yang dikendalikan medan, fungsi transfer menggambarkan hubungan antara tegangan jangkar dan kecepatan sudut (atau kecepatan putaran) poros motor. Hubungan ini sangat penting untuk merancang pengontrol dan memprediksi kinerja motor dalam berbagai kondisi. Berikut merupakan tipe mekanik yang digunakan pada Motor DC. TF = Output/Input Artinya, output yang keluar dari DC motor yang berupa rpm dari motor bergantung pada input yang dimasukkan pada komponen tersebut. semakin tinggi input yang dimasukkan, semakin tinggi pula output yang dikeluarkan dan begitu pula sebaliknya. ## Analisis Transient Respon Berdasarkan kode Arduino di atas, sistem kontrol PID yang digunakan untuk mengatur kecepatan kipas berdasarkan suhu ruangan. Sistem ini memiliki tiga konstanta PID, yaitu KP, KI, dan KD. Kondisi nilai KP, KI, dan KD yang membuat sistem paling cepat stabil adalah dengan nilai KP yang tinggi, nilai KI yang rendah, dan nilai KD yang sedang. Hal ini dikarenakan nilai KP yang tinggi akan membuat sistem bereaksi lebih cepat terhadap kesalahan, nilai KI yang rendah akan mencegah sistem berosilasi, dan nilai KD yang sedang akan membantu sistem untuk mencapai setpoint dengan cepat dan akurat. Berikut adalah grafik respon transient untuk kondisi nilai KP, KI, dan KD yang membuat sistem paling cepat stabil: ``` Kp = 100 Ki = 0.01 Kd = 10 ``` Kondisi nilai KP, KI, dan KD yang membuat sistem memiliki error paling besar adalah dengan nilai KP yang rendah, nilai KI yang tinggi, dan nilai KD yang sedang. Hal ini dikarenakan nilai KP yang rendah akan membuat sistem bereaksi lebih lambat terhadap kesalahan, nilai KI yang tinggi akan menyebabkan sistem berosilasi, dan nilai KD yang sedang akan membantu sistem untuk mencapai setpoint dengan cepat dan akurat. Berikut adalah grafik respon transient untuk kondisi nilai KP, KI, dan KD yang membuat sistem memiliki error paling besar: ``` Kp = 10 Ki = 1 Kd = 10 ``` Untuk Pengujian Steady State Error (SSE) kami menggunakan nilai KP, KI, dan KD yang menurut kami paling cepat stabil, sehingga dihasilkan: ``` Case 1: SSE = |Output Diinginkan - Output Aktual| SSE = |50 - 53| SSE = 3 Case2: SSE = |Output Diinginkan - Output Aktual| SSE = |179 - 184| SSE = 5 Case2: SSE = |Output Diinginkan - Output Aktual| SSE = |131 - 130| SSE = 1 Jadi SSE yang didapatkan sebesar ±1-5 ``` Berdasarkan grafik respon transient untuk kondisi nilai KP, KI, dan KD yang membuat sistem memiliki error paling besar, yaitu dengan nilai KP = 10, KI = 1, dan KD = 10, sistem berosilasi selama beberapa waktu sebelum akhirnya mencapai titik (bahkan hanya sebentar di titik stabilnya). Hal ini dapat dilihat dari grafik yang berulang kali bolak-balik melewati setpoint. Tabel Time: | Kecepatan Kipas | Delay Time (Td) | Rise Time (Tr) | Peak Time (Tp) | Settling Time (Ts) | |:---------------:|:---------------:|:--------------:|:--------------:|:------------------:| | 53 | 0s | 2s | 5s | 10s | | 50 | 0,5s | 2,5s | 6s | 12s | | 47 | 1s | 3s | 7s | 14s | ### Kode Arduino ``` #include <LiquidCrystal.h> #include "DHT.h" #define DHTPIN 7 #define DHTTYPE DHT11 LiquidCrystal lcd(13, 10, 5, 4, 3, 2); const int fan = 6; int motorSpeed = 0; // PID Constants double Kp = 100; // Proportional gain double Ki = 0.01; // Integral gain double Kd = 10; // Derivative gain double setpoint = 30.0; // Set Point untuk Temperatur double error, lastError, integral, derivative, PIDValue; DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); void setup() { Serial.begin(9600); lcd.begin(16, 2); pinMode(fan, OUTPUT); dht.begin(); } void loop() { float currentTemperature = dht.readTemperature(); // Kalkulasi PID error = currentTemperature - setpoint; integral += error; derivative = error - lastError; PIDValue = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative; // Batas pada Kecepatan Kipas motorSpeed = constrain(PIDValue, 0, 255); // Update Kecepatan Kipas analogWrite(fan, motorSpeed); // Update Error untuk Iterasi Selanjutnya lastError = error; // Display Serial Monitor Serial.print(currentTemperature); Serial.print(" "); Serial.println(motorSpeed); // Display LCD lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("Temp: "); lcd.print(currentTemperature); lcd.print(" C "); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Fan Speed: "); lcd.print(motorSpeed); lcd.print(" "); delay(200); // Delay untuk jeda pembacaan } ```  ### Gambar plot * Sebelum dilakukan tuning PID ![image](https://hackmd.io/_uploads/HkQIvEKOp.png) * Setelah dilakukan tuning PID ![image](https://hackmd.io/_uploads/ByK5bEKda.png) Keterangan: * Channel1 = Suhu Ruangan * Channel2 = Kecepatan Kipas ## Analisis Mekanika  ### Pengukuran Mekanik Gear Gear yang terpasang pada Motor DC memiliki 11 gerigi dengan diameter 0.5 cm. Jarak diantara gerigi-gerigi pada gear disebut circular pitch. Circular pitch tersebut bisa didapatkan dengan menggunakan rumus berikut. Circular Pitch = (π x d)/z Keterangan: * d = diameter Gear * z = jumlah gerigi dengan rumus tersebut didapatkan hasil 0.1428 cm  ### Analisis Kecepatan Motor terhadap Beban Pada rangkaian, Fan yang digunakan memiliki dimensi 4 x 4 x 1 cm dengan kipas seberat 7 gram didalamnya. Kipas tersebut menjadi salah satu parameter yang mempengaruhi perputaran dari motor karena langsung terhubung dengan gear yang ada pada motor. Selain kipas, input listrik dan input suhu dari termal sensor juga mempengaruhi kecepatan perputaran motor. Dengan adanya pengaturan otomatis putaran kipas berdasarkan suhu dari sensor termal, saat motor dinyalakan tanpa beban, kecepatan putaran kipas akan mencapai nilai tertentu. Penambahan beban secara bertahap akan mengurangi kecepatan tersebut, seiring dengan peningkatan torsi yang diperlukan untuk mengatasi beban tambahan. Peningkatan beban juga akan mengakibatkan peningkatan arus yang mengalir ke motor, sesuai dengan hukum Ohm dan hukum kerja listrik. Jika beban terus ditambahkan hingga motor berhenti berputar, penerapan gear dapat menjadi solusi. Dengan menggunakan rangkaian gear yang tepat, beban tersebut tetap dapat diputar oleh motor. Ini terjadi karena penggunaan gear dapat meningkatkan torsi yang dihasilkan oleh motor, memungkinkan motor untuk mengatasi hambatan beban tambahan. Dengan demikian, pengaturan komposisi gear menjadi kunci dalam memastikan motor dapat memberikan kecepatan dan torsi yang cukup untuk menjalankan beban tambahan dengan efisien. Peningkatan beban pada motor listrik, khususnya pada kecepatan kipas, memunculkan fenomena Counter Electromotive Force (CEMF). CEMF adalah tegangan yang dihasilkan oleh motor sebagai respons terhadap perubahan fluks magnetik dalam kumparan kawat. Dengan bertambahnya beban, kecepatan perputaran motor dapat melambat, menghasilkan CEMF yang lebih besar sesuai dengan hukum Faraday. Peningkatan beban menyebabkan CEMF yang lebih tinggi, memengaruhi karakteristik arus motor dengan menghambat aliran listrik. Fenomena ini merupakan respons alami motor untuk menjaga keseimbangan antara beban dan daya yang diberikan, memengaruhi efisiensi operasional motor. Dalam konteks kecepatan kipas, perlu dicatat bahwa kipas mungkin tidak dapat memulai putaran sendiri jika kecepatannya belum mencapai 80 dari kondisi mati, menunjukkan adanya suatu ambang batas (threshold) kecepatan minimal yang diperlukan. Sebaliknya, jika kecepatan turun ke 40 dari kondisi nyala dengan putaran penuh, kipas dinyatakan sudah mati atau berhenti. Jika dalam putaran penuh sistem menggunakan tegangan sebesar 5V, maka untuk memulai perputaran yang kecepatannya sebesar 80 sistem perlu munggunakan 1,5V agar kipas mulai berputar dengan sendirinya dari keadaan mati. Sedangkan putaran kipas akan mulai berhenti saat kecepatannya 40 dari keadaan hidup yang menandakan tegangannya sebesar 0,8V.  ## Hasil dan Saran Link GitHub: https://github.com/sulthannauval/FanCooler-SKM-Kelompok6 Hasil Dalam pengembangan sistem otomatis, tujuan utama adalah menciptakan solusi kendali adaptif yang mampu mengukur suhu benda dan secara dinamis mengatur kecepatan kipas sesuai dengan perubahan suhu. Hal ini bertujuan untuk mengoptimalkan konsumsi energi dengan mengaktifkan kipas hanya saat diperlukan, berdasarkan suhu aktual, sehingga menciptakan solusi yang lebih efisien secara energi. Selain itu, sistem ini memiliki fokus pada meningkatkan kenyamanan lingkungan dengan menjaga suhu dalam kisaran yang diinginkan, menciptakan pengalaman yang lebih baik untuk pekerjaan atau kegiatan sehari-hari. Dengan mengurangi keterlibatan manusia dalam pengaturan suhu secara manual, sistem ini juga berkontribusi pada pengurangan beban manusia, membebaskan waktu dan upaya untuk tugas-tugas lain yang memerlukan perhatian lebih intensif. Penerapan konsep sistem kendali, termasuk penggunaan umpan balik dan kontrol PID, menjadi kunci dalam mencapai pengaturan suhu yang stabil dan efektif. Kemudian hasil percobaan yang telah dilakukan menunjukkan bahwa kipas akan menyala jika suhu di atas 30 derajat dan mati jika di bawah 30 derajat, dengan informasi tampilan suhu dan kecepatan kipas pada layar LCD. Namun, kendala muncul ketika suhu benda mencapai 30.80 C. Kipas seharusnya berputar, tetapi dikarenakan kami menggunakan Arduino yang dimana hanya memiliki tegangan mencapai 5 volt, sedangkan kipas memerlukan tegangan minimal 12 volt. Ini mengakibatkan kipas tidak berputar seperti yang diharapkan. Beban pada kipas juga mempengaruhi putaran dan, akibatnya, besar angin yang dihasilkan. Saran Saran untuk pengembangan proyek ini melibatkan peningkatan efisiensi dan fungsionalitas. Pertama, mengintegrasikan sensor suhu yang lebih presisi jika tersedia. Selain itu, konfigurasikan sensor lain atau tambahan seperti sensor kelembaban dapat meningkatkan respons sistem. Serta jika ingin integrasi lebih lanjut gunakan Raspberry Pi. Hal ini tidak hanya meningkatkan kompleksitas proyek tetapi juga menghadirkan potensi pengembangan lebih lanjut. Terakhir, pastikan dokumentasi laporan mencakup skema sirkuit yang jelas dan langkah-langkah implementasi untuk mempermudah pemahaman dan replikasi proyek. ## Referensi Kumparan. (2023). Pengertian Breadboard beserta Fungsi dan Prinsip Kerjanya. Kumparan.com. https://kumparan.com/berita-terkini/pengertian-breadboard-beserta-fungsi-dan-prinsip-kerjanya-21R5nC9SaI1/3 Dickson Kho. (2022). Pengertian Motor DC: Prinsip Kerja DC Motor. TeknikElektronika.com. https://teknikelektronika.com/pengertian-motor-dc-prinsip-kerja-dc-motor/ Egi Anugrah. (2016). Menampilkan Text di LCD dengan Arduino. CodePolitan. https://www.codepolitan.com/menampilkan-text-di-lcd-dengan-arduino/ Kompas Skola. (2022). Resistor: Pengertian, Fungsi, Rumus, dan Jenisnya. Kompas.com. https://www.kompas.com/skola/read/2022/08/02/160000169/resistor--pengertian-fungsi-rumus-dan-jenisnya Detikcom. (2023, 29 Desember). Mengenal Potensiometer: Jenis dan Prinsip Kerjanya. detik.com. https://www.detik.com/bali/berita/d-6439724/mengenal-potensiometer-jenis-dan-prinsip-kerjanya Elearning Unpatti. (2020). Sistim Pengendali. Universitas Pattimura. https://kuliah.unpatti.ac.id/mod/page/view.php?id=45 Electrical Engineering Info. (2017). Transfer Function in Field-Controlled DC Motor. Electrical Engineering Info. https://www.electricalengineeringinfo.com/2017/05/transfer-function-field-controlled-dc-motor.html Elga Aris Prastyo. (2022). Pengertian dan Prinsip Kerja Motor DC. Arduino Indonesia. https://www.arduinoindonesia.id/2022/10/pengertian-dan-prinsip-kerja-motor-dc.html?m=1 ## Rubrik Penilaian | Penilaian Indikator Ketercapaian CLO | Bobot | | -------- | -------- | | Mahasiswa mampu mengevaluasi dan optimasi sistem kendali PID (soal CLO 4). | 50 % | |Mahasiswa mampu mendemonstrasikan sistem mekanisme transfer daya sederhana menggunakan gear dan motor DC (soal CLO 5)|50%| ### Kriteria Nilai | 80-100 | 65-80 | 50-65 | 40-50 | 0-40 | | ----- | ----- | ------ | ----- | ---- | | CLO 4 | | | | | Mampu menjelaskan konsep kendali umpan balik, merancang sistem kendali PID, hingga mengevaluasi dan optimasi sistem kendali PID.| Mampu menjelaskan konsep kendali umpan balik, merancang, dan mengevaluasi sistem kendali PID.|Mampu menjelaskan konsep kendali umpan balik dan merancang sistem kendali PID.|Mampu menjelaskan konsep kendali umpan balik dan PID, tetapi kesulitan dalam merancang dan mengevaluasi sistem kendali PID.| Kesulitan dalam menjelaskan konsep kendali umpan balik dan PID.| | CLO 5 | | | | Mampu mendapatkan fungsi transfer sistem dari mekanisme transfer daya, menganalisis hubungan antara torsi dan kecepatan motor, menjelaskan cara kerja dan karakteristik motor listrik, serta mendemonstrasikan sistem mekanisme transfer daya sederhana menggunakan gear dan motor DC.| Mampu mendapatkan fungsi transfer sistem dari mekanisme transfer daya, menganalisis hubungan antara torsi dan kecepatan motor, menjelaskan cara kerja dan karakteristik motor listrik, tetapi kesulitan dalam mendemonstrasikan sistem mekanisme transfer daya sederhana menggunakan gear dan motor DC. |Mampu mendapatkan fungsi transfer sistem dari mekanisme transfer daya, menganalisis hubungan antara torsi dan kecepatan motor, tetapi kesulitan dalam menjelaskan cara kerja dan karakteristik motor listrik. | Mampu mendapatkan fungsi transfer sistem dari mekanisme transfer daya dan menganalisis hubungan antara torsi dan kecepatan motor. |Tidak dapat menentukan satu langkah pun untuk menjelaskan mengenai mekanisme transfer daya.|