PERANCANGAN SISTEM PENDINGIN THERMO ELECTRIC COOLING BERBASIS MIKROKONTROLER AT89C51
A gus  Basukesti
Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto Jl.  Janti Blok-R Lanud Adi e-mail:  agus_basukesti@yahoo.com
A bstrak
Tulisan  ini  akan  m em bahas  m anfaat  thermo  electric  cooling  sebagai  pendingin  dengan dukungan  M ikrokontroler  sebagai pengendali  otomatis.  Rancangan  dapat dim anfaatkan pada sistem   pengendalian  peralatan,  kinerja  sistem terpengaruh  panas,  sistem -sistem   lain  yang berbaya  jika  bekerja  pada  suhu  tinggi,  serta  dikendalikan  dari  jarak  jauh.  Kebutuhan perangkat keras rancangan ini  adalah  thermo electric cooling,  M ikrokontroler AT89C51,  IC LM 35,  A /D   Converter,  penampil,  dan  Regulator  7805  serta  didukung  bahasa  Assembler earth.asm .  Sebelum perancangan  dilaksanakan  pengujian  peralatan-peralatan,  supaya  sistem dapat berjalan  dengan  baik  dan  sesuai  dengan  fungsinya  masing-masing.  Untuk  m engetahui kinerja  sistem  pendingin  ini  dengan  cara  m engam ati  data  hasil  simulasi  pada  tiga  keadaan kondisi  suhu  prosesor  dan  heatsink  prosesor  pertam a  m enggunakan  heatsink  standar,  kedua w ater  block  dan  ketiga  w ater  block  ditambah  therm o  electric  cooling.  Dari  hasil  grafik menunjukkan  bahw a  system   pendingin  therm o  electric  cooling  paling  efektif  dibandingkan dengan heatsink dan w ater block.
Dengan  melihan  hasil  tersebut  rancangan  pendingin  berbasis  mikrokontroler  ini  dapat sebagai  tam bahan  pengetahuan  bahkan  dapat  dikembangkan  untuk  m em enuhi  kebutuhan dan m engatasi perm asalahan  d a ta / informasi yang banyak dibutuhkan.
K ata kunci: A ssem b ler, th e r m o e le c t r ic  c o o lin g ,  h e a t s in k ,  w a t e r  b lo c k

## 1. Pendahuluan
Sistem  pendingin  prosesor  sebagai  bahan  uji,  pada  um um nya  hanya  m enggunakan heatsink  dan  ditambah  dengan  fan.  Efektifitas  sistem  pendingin  tergantug  pada  suhu  ruang, sehingga  pendingan  prosesor  maksim al  akan  sam a  dengan  suhu  ruang.  Dengan  demikian perlu  dirancang  pendingin  yang  lebih  baik  dari  standar  yang  ada.  M engingat  bahwa pendingin  prosesor  sangat  berpengaruh  pada  kinerja,  m anfaat  lainnya  prosesor  tidak  cepat rusak.  Pendingin  yang baik tidak boleh  tergantung  suhu  sekitar  atau  ruangan  sehingga  perlu ditambahkan  pendingin  tam bahan  agar  lebih  efektif  dan  efisien  yaitu  dengan  therm o  electric cooling.

## 2. Tujuan
Tujuan perancangan ini untuk memberika  gam baran  sistem  kerja pendingin yang effisien dengan  tidak  tergantung  suhu  ruang  sekitar.  Dengan  m em anfaatkan  Therm o  Electric  C ooling (TEC1-12706)  didalam nya terdiri dari batang Bism uth Telluride  kalau diberi tegangan  DC 12-
15  V  salah  satu  sisinya  menjadi  panas  dan  sisi  yang  lainnya  dingin,  dengan  perbedaan  suhu 65  0C.
3. M etodologi
1) A lat dan  B ah a n .T herm o electric  cooler is  cooling,  M icrocontroller A T89C51,  IC  LM 35,  A   /   D Converter,  viewer,  and  Regulator  7805  and supported earth.asm  Assem bler language.
2) Pengujian  setiap  kom ponen  agar  dapat  berfungsi  dan  sesuai  dengan  kinerja  yang dibutuhkan.
3) Melakukan rancangan perangkat keras  sebagai berikut:
4) Perancangan dan pengujian perangkat lunak Assembler.

## 4. Landasan Teori
1) Sistem   Pendingin.  Sistem  pendingin  m erupakan  suatu  cara  untuk  menjaga  suhu  suatu kom ponen  elektronik  dapat  bekerja  pada  suhu  yang  diperbolehkan  agar  dapat  bekerja maksimal.  Sehingga  prosesor  harus  dijaga  suhunya,  bahkan  dijaga  agar  suhunya  masih dibawah  suhu  maksimal  agar  kinerjanya  lebih  handal.  Pem benam   panas  atau  heatsink berfungsi  m enyerap  panas  dan  m engeluarkan  ke  udara  selanjutnya  ditambahkan  kipas agar  pelepasan  ke  udara  lebih  cepat.  M aterial  dasar  heatsink  m em punyai  daya  hantar bagus  sehingga  banyak  digunakan  alum inium   dan  tem baga.  Perm ukaan  heatsink  harus luas  m aka  ditambah  sirip-sirip  untuk  m enam bah  luas  perm ukaan.  H eatsink  dirancang aerodinam is  yang  bagus  agar  udara  m udah  mengalir  dan  m udah  m enghantarkan  panas dari  sumber  ke  perm ukaan  sirip-sirip  serta  perm ukaan  heatsink  yang  kontak  dengan panas harus rata  supaya dapat terjadi m irror effect.
2) Sistem   K endali.  Kontrol  PID  m erupakan  algoritm a  kontrol  yang  banyak  digunakan  di industri  proses  karena  bentuknya  yang  sederhana  dan  m udah  diimplementasikan.  Pada kondisi  operasi  tertentu  (seperti  m isalnya  sering  terjadi  gangguan  pada  proses  atau param eter  proses  yang  berubah-ubah),  param eter  control  ini  harus  sering  di-tuned  agar kinerjanya  tetap  baik.  Salah  satu  teknik  dalam   sistem  kontrol  yang  sering  dilakukan
untuk  m engatasi  perm asalahan  ini  adalah  dengan  m enggunakan  m etode  PID   Gain Scheduling,  dim ana  param eter  kontrol  diubah  secara  otomatis  jika  terjadi  perubahan kondisi  operasi  yang  m enyebabkan  kinerja  kontrol  m enurun.  Penggunaan  fuzzy  logic  di bidang  kontrol  proses,  m aka  selanjutnya  akan  dibahas  salah  satu  m etode  PID  gain scheduling  dengan m enggunakan  fuzzy  logic.  M etode  ini  dinam akan  Fuzzy  PID  gain scheduling.  Fuzzy  berfungsi  m enghitung  param eter  kontrol  PID  (Kp,  Ti  dan  Td), berdasarkan kondisi signal error  (E)  dan perubahan error (AE).
P ada  rancangan  ini  m enggunakan  pengendali  M ikrokontroler  A T89C51,  m erupakan m ikrokontroler  populer  saat  ini,  telah  memiliki  flash  EPROM  kapasitas  4  Kbyte  dan dengan  m em erlukan  tam bahan  tiga  kapasitor,  satu  resistor,  dan  1  XTAL  untuk  dapat bekerja  pada  tegangan  5  Volt.  M ikrokontroler  AT89C51  m em punyai  40  pin,  32  pin diantaranya  untuk  keperluan  port  parallel  8  bit.  Satu  port  parallel  8  bit  sehingga m em punyai 4 port paralel m asing-m asing port 0,  port 1,  port 2,  dan port 3.
3) Therm o  Electric  C ooling  (T EC 1-12706), m erupakan  komonen  elektronika  yang dibungkus  dengan  keramik  tipis  didalam nya  terdiri  dari  batang  Bism uth  Telluride  kalau diberi  tegangan  DC  12-15  V  salah  satu  sisinya  menjadi  panas  dan  sisi  yang  lainnya dingin,  dengan  perbedaan  suhu  65  0C.  Elektron  yang  m elewati  konduktor  tem baga dengan  m em asuki  sisi  panas  melalui  semikonduktor  P,  electron  akan  mengisi  hole  dan berada  pada  tingkat  energy  yang  lebih  rendah  dengan  melepaskan  panas.  Selanjutnya menuju  konduktor  tem baga  pada  sisi  dingin  dan  memiliki  tingkat  energi  yang  tinggi dengan m enyerap  panas.  Elektron yang m elewati konduktor tem baga  dengan  mem asuki sisi  dingin  melalui  semikonduktor  N,  elektron  akan  m engeluarkan  energi  yang  besar dengan  m enyerap  panas.  Selanjutnya  meninggalkan  semikonduktor  N  menuju konduktor tem baga dan memiliki tingkat energi yang rendah  dengan melepas panas.
5. Pengujian  peralatan
1) Pengujian  H e a t s in k   dan  C ooler  Sensor  digunakan  untuk  m engetahui  range  suhu  yang dapat  dideteksi  LM 35  pada  saat  diaplikasikan  pada  CPU   load  100%.  Tabel  Hasil pengujian heatsink dan  cooler sensor
No. Test Point Tagan gan Vdc Suhu  °C Keterangan 1 Pin INQ heatsink 0,16 16 Suhu Rendah 0,42 42 Suhu Tinggi 2 Pin IN1 cooler 0,14 14 Suhu Rendah 0,32 32 Suhu Tinggi
Dari
tabel di atas heatsink dapat m endinginkan prosesor antara 16 0C sampai dengan 4 2   0C, sedangkan cooler mendinginkan prosesor antara 14 0C sampai dengan 32  0C.  Dari  hasil  tersebut  bahw a  dipasi  panas  hetsink  telah  diserap oleh  cairan  pendingin  dan  diturunkan  suhunya  oleh  w ater  cooler  tank.  Cairan  pendingin ini  disirkulasikan  kembali  ke  heatshink  prosesor  sehingga  digunakan  untuk  proses pendingan selanjutnya.
2) Pengujian  LM 35.  Untuk m engetahui  suhu  digunakan  therm om eter  analog  sensor  LM35 dengan hasil pengujian sebagai berikut:  Tabel Hasil Pengujian LM 35
No. V out LM 35 Vdc Suhu  °C 1 0,013 0 2 0,102 10 3 0,204 20 4 0,306 30 5 0,401 40 6 0,505 49 7 0,606 59 8 0,702 68 9 0,804 77 10 0,908 86 11 1,000 96
Dari tabel LM 35  tersebut tam pak pada  suhu 0  sam pai 4 0 0C adalah linear  dan m endekati nilai LM 35  satu  (titik didih) nilai suhu m em punyai toleransi 4%  .
3)  Pengujian A D C.  Pengujian  ADC  0809  untuk m engetahui hasil konversi  suhu  yang dikirim ke  M ikrokontroler  sebagai  tegangan  referensi  ADC  Vref .   Nilai  keluaran  ADC  m em punyai ketepatan 20 mV untuk 1 bit kode LSB.
Tabel Hasil konversi ADC ke 8 bit No Vin ADC (mV) Keluaran ADC No Vin ADC (mV) Keluaran ADC 1 0 0000 0000 11 2750,0 1000  1101 2 19,0 0000 0001 12 3000,0 1001  1010 3 580,0 0001  1110 13 3240,0 1010 0110 4 1010,0 0011  0100 14 3490,0 1011  0011 5 1250,0 0100 0000 15 3750,0 1100 0000 6 1500,0 0100 1101 16 4000,0 1100  1101 7 1760,0 0101  1011 17 4230,0 1101  1001 8 2010,0 0110 0111 18 4490.0 1110 0110 9 2260,0 0111  0100 19 4760,0 1111  0100 10 2500,0 1000 0000 20 4980,0 1111  1111
Sedangkan  pengujian  clock  generator  adalah  melalui  pin  CLOCK  ADC  dengan  nilai tegangan  DC  0,5  V  kondisi  L(low)  dan  4,8  V  pada  kondisi  H(high).  Clock  tersebut dihasilkan dari frekuensi kom ponen Kristal resonator 455  kHz  dengan nilai toleran si 3%.
4) Pengujian  M ikrokontroler  dan  LCD.  Pengujian  M ikrokontroler  dan  LCD  untuk m engetahui  status  tegangan  pada  Reset,  XTal1,  XTal2,  serta  kontras  LCD  tyEE)  yang sesuai dengan Tabel berikut:  Tabel Hasil Pengujian M ikrokontroler  dan  LCD.
No. Test Point Tegangan Vdc Keterangan 1 Pin RST 0 Reset,  pasif 4,98 Reset,  aktif 2 Pin XTAL1 2,14 Tegangan XTAL1 3 Pin XTA L2 2,26 Tegangan XTA L2 4 Pin VEE 0,86 Tegangan VEE
Dari  Tabel  tersebut  tegangan  reset  aktif  m encapai  4,98  V  dc,  dan  mikrokontroler  dapat m em baca  logika  1  pada  nilai  m asukan  tegangan  3,5  Vdc.  Dengan  kapasitor  10^F  dan resistor 8 kQ  dengan w aktu tunda resetnya sebesar  14,68  milisekon.
5) Pengujian  D riv er R e la y .  Pengujian D river R elay dipakai  untuk m engetahui  aktifitas  pada saat  mengendalikan  relay  dan  fan  berdasar  status  kontrol  yang  terhubung.  Tabel  Hasil pengujian driver relay
No. Test Pint Tegangan Vdc K eterangan 1 Pin 4B Cooler O N /O F F 4,98 Relay cooler,  ON 0,02 Relay cooler,O FF 2 Pin 4C  Relay 0,02 Relay,  ON 12,14 Relay,  OFF 3 Pin 5B  Fan O N /O F F 4,98 Kontrol fan,  ON 0,02 Kontrol fan,OFF 4 Pin 5C M otor  Fan 0,02 Fan,  ON 12,14 Fan,  OFF
Dari tabel tersebut jika  C ooler dan Fan kondisi tinggi H  "O N "  dan saluran keluaran R elay dan  M otor  Fan kondisi rendah  L "O F F ",  proses  pengendalian  akan tembus lilitan internal relay  dan  m otor  fan  akan  disalurkan  ke  GND.  Sehingga  akan  terjadi  beda  potensial antara  relay  dan  m otor  fan  sehingga  akan  kondisi  hidup.  Sebaliknya  Cooler  dan  Fan kondisi  rendah  L  "O FF " dan  saluran  keluaran  R elay  dan  M otor  Fan  kondisi  tinggi  H "O N ",  proses  pengendalian  akan  tembus  lilitan  internal  R elay  dan  m otor  fan  tidak  akan disalurkan  ke  GND.  Sehingga  tidak  terjadi  beda  potensial  antara  relay  dan  m otor  fan sehingga  akan  kondisi  mati.  R elay  dengan  resistor  internal  120Q  dengan  tegangan  12 Vdc  sehingga  arusnya  101,167  m A,  sedangkan  m otor  fan  dengan  resistoQ5dengan tegangan  12 Vdc  arus 216,78  mA.
5) Pengujian  Catu  Daya.  Pengujian  Catu  Daya  untuk  m engetahui  rangkaian  dengan beban dan tanpa beban pada rangkaian lengkap  dengan hasil sebagai berikut:
No. Test Point Tegangan Vac Keterangan 1 Pin Vin 12,34 Vss Tanpa  Beban 2 Pin Vin 12,14 Vss  Dengan Beban 3 Pin Vout 5,04 Vcc  Tanpa  Beban 4 Pin Vout 5,00 Vcc  Dengan Beban
Dari  tabel  Vss  tanpa  beban  tegangan  lebih  tinggi  dari  dengan  beban  dengan  kerugian tegangan 2%  dan Vcc  dengan rugi tegangan 1  %.
7. H asil R ancangan
1) Sim ulasi  rancangan  system ,  pendingin  berbasis  m ikrokontroler  dengan  m enggunakan aplikasi  yang  dijalankan  oleh  PC  dengan  top  load  perform a  100%.  Dengan  kondisi  tiga kategori  H eatsink  Standar  dengan  Fan,  W ater  Block tanpa  Therm oelectric  Cooling,  dan  W ater B lock dengan  Therm oelectric C ooling dengan hasil sebagai berikut:
No Suhu Prosesor  0C Suhu Indikator  LCD  0C W aktu (menit) Model 1 Model 2 M odel 3 M odel 1 Model 2 Model 3 1 31 28 28 33 30 30 0 2 40 35 34 34 32 32 3 3 41 36 35 35 33 32 6 4 41 37 35 35 34 32 9 5 41 38 35 35 34 32 12 6 41 38 36 35 35 32 15 7 41 39 36 35 35 33 18 8 41 39 36 35 36 33 21 9 41 40 36 35 36 33 24 10 41 40 36 35 36 33 27 11 41 40 36 35 36 33 30 12 41 41 36 35 37 33 33 13 41 41 37 35 37 33 36 14 41 41 37 35 37 33 39 15 41 41 37 35 37 33 42 16 41 41 37 35 37 33 45 17 41 41 37 35 37 33 48 18 41 41 37 35 37 33 51 19 41 41 37 35 37 33 54 20 41 41 37 35 37 33 57 21 41 41 37 35 37 33 60

## Indikator LCD
60 40
20
0 1  3  5  7  9  11  13  15  17  19  21
(a)
(b)
Gambar 1.  ( a ) Grafik suhu pada tampilan LCD  ( b) Grafik suhu pada Prosesor

## 2)  D iagram  R ancangan
Berikut ini blok diagram  keseluruhan dari sistem pendingin berbasis mikrokontroler

## 8.  K esim pulan
Therm o  electric  cooling  sebagai  pendingin  dengan  dukungan  Mikrokontroler  sebagai pengendali otom atis  dapat diambil kesimpulan:
1) Rancangan  dapat  dimanfaatkan  pada  sistem  pengendalian  peralatan,  kinerja  sistem terpengaruh panas,  bekerja pada suhu tinggi,  serta  dapat dikendalikan.
2) Hasil pengujian  kom ponen  LM 35  suhu  0  sam pai 4 0   0C  adalah  linear  dan  mendekati nilai satu  (titik didih)  dengan toleransi 4%.
3) Hasil  simulasi  dan  grafik  pada  tiga  keadaan  kondisi  suhu  prosesor  dan  heatsink  prosesor pertam a m enggunakan heatsink standar,  kedua w ater block dan ketiga w ater block ditambah thermo  electric  cooling.  Dari  hasil  grafik  menunjukkan  bahw a  system   pendingin  thermo electric cooling paling efektif dibandingkan dengan heatsink dan w ater block.

## Saran
Rancangan  pendingin  berbasis  mikrokontroler  ini  dapat  sebagai  tam bahan  pengetahuan bahkan  dapat  dikembangkan  untuk  m em enuhi  kebutuhan  serta  diaplikan  pada  sistem dengan pendalian  otomatis
D aftar Pustaka
Andi  W .,  2008,  M ikrokontroler  A V R   A T m ega8/32/16/8535  dan  Pem rogram annya  dengan  Bahasa  C pada W inAVR,  Informatika, Jakarta
Agfianto  E.p.,  2002,  B elajar M ikrokontroler A T 89C  51/52/55, Gava Media, Yogyakarta.
Balza  A.,  W ahyu  S.,  2008,  Sistem   A lram   M obil  M enggunakan  M ikrokontroler  A T89C 52  Berbasis SM S,  Tekomnika, Vol 6  No.1,  April 2008,  UAD Yogyakarta.
Benedictus  B.  S.,  2005,  Belajar  A larm   Berbasis  Sensor  Getaran,  PT.  ElekMedia  Komputindo, Jakarta
Roger  L.  Tokheim,  1995,  Elektronika D igital,  Erlangga, Jakarta
W idodo  B.  H.,  2004,  Elektronika D igital dan M ikroprosesor, Andi, Yogyakarta
W idodo  B.  H.,  2004,  Interfacing  C om puter  dan  M ikrokontroler,  PT  Elekmedia  Komputindo, Jakarta