Scilab untuk Elektronika dan Instrumentasi Dasar

SCILAB untuk Elektronika dan Instrumentasi Dasar ___________________________________________________________________

Mirza Nur Hidayat

für dich

Copyright © 2014 Mirza Nur Hidayat. All rights reserved.

DAFTAR ISI ___________________________________________________________________

PENDAHULUAN Tentang tulisan ini SCILAB/XCOS Apa itu Xcos? Launch Xcos PEMODELAN DAN SIMULASI DENGAN SCILAB/XCOS Pendahuluan Teori dasar sirkuit 𝑅𝐶 Transformasi Laplace, diagram blok, dan fungsi transfer sirkuit 𝑅𝐶 Pemodelan dan simulasi sirkuit 𝑅𝐶 dengan Scilab/Xcos EKSPERIMEN DENGAN SCILAB/XCOS DAN ARDUINO Pendahuluan Instalasi Serial Communication Toolbox pada Scilab Instalasi Arduino pada Scilab Desain sistem dinamis sirkuit 𝑅𝐶 pada Scilab/Xcos Kalibrasi kartu akuisisi data Akuisisi data sistem dinamis sirkuit 𝑅𝐶 REFERENSI

1 1 2 2 2 6 6 6 7 8 12 12 12 13 14 17 18 21

PENDAHULUAN ___________________________________________________________________

Tentang tulisan ini Tulisan kecil ini merupakan seri kedua dari tulisan tentang Scilab yang penulis buat. Di seri pertama, Scilab untuk Pemula Tingkat Dasar, telah diuraikan dasar-dasar Scilab. Untuk seri kedua ini, akan disajikan aplikasi Scilab dalam pemodelan, simulasi, dan eksperimen di bidang sains dan teknik, khususnya dalam elektronika dan instrumentasi dasar. Secara umum, tulisan terdiri atas tiga pokok bahasan, yaitu Scilab/Xcos; pemodelan dan simulasi dengan Scilab/Xcos; serta eksperimen dengan Scilab/Xcos dan modul Arduino. Tulisan dibuat dengan sasaran pembaca yaitu mahasiswa fisika atau teknik elektro/elektronika yang diharapkan telah mempunyai bekal akan dasar-dasar elektronika dan instrumentasi, termasuk juga dasar-dasar Scilab dan modul Arduino. Masyarakat umum yang tertarik akan bidang-bidang tersebut juga menjadi sasaran tulisan ini. Seperti seri pertama, dokumen ini ditulis berdasarkan pengalaman penulis dalam menggunakan Scilab baik semenjak masih di bangku kuliah maupun saat mengajar di kampus, serta didasarkan pada referensi yang penulis gunakan dalam tulisan ini. Tulisan ini juga dapat digunakan dan disebarluaskan secara bebas untuk tujuan pendidikan dan pembelajaran. Untuk diskusi, masukan, kritik, dan saran dapat dikirimkan ke email penulis: [email protected].

1

SCILAB/XCOS ___________________________________________________________________

Apa itu Xcos? Selain jendela Console dan SciNotes, Scilab juga menyediakan fasilitas Xcos. Xcos adalah editor blok diagram dan GUI untuk pemodelan dan simulasi sistem dinamis. Xcos terdiri atas tiga elemen, yaitu Editor, Palette browser, dan Simulator. Editor merupakan tempat untuk mendesain sistem yang akan dibangun. Desain ini berbentuk flow chart, dimulai dari input sistem, proses, dan output sistem. Bagian kedua adalah Palette browser. Palette browser berisi blokblok yang telah dikelompokkan berdasarkan kategori-kategori, semisal sistem kontinyu, sistem diskrit, operasi matematis, matriks, elektrikal, dan yang lain. Bagian terakhir adalah Simulator. Sistem dinamis yang telah didesain kemudian disimulasikan, dalam bentuk grafik misalnya, dengan menggunakan Simulator Xcos. Launch Xcos Untuk membuka jendela Xcos dapat dilakukan dengan 2 cara, yaitu dengan mengetik perintah “xcos” pada Scilab Console kemudian tekan tombol Enter atau Return.

Cara yang lain yaitu dengan mengklik toolbar Xcos pada Scilab Console (Gambar 1).

2

Gambar 1 Launch Xcos. Klik toolbar Xcos, maka jendela Xcos akan tampil.

Tampilan jendela Xcos saat dijalankan adalah seperti ditunjukkan dalam Gambar 2 berikut.

Gambar 2 Jendela Xcos. Jendela editor ini sebagai tempat untuk mendesain sebuah sistem dinamis.

3

Untuk dapat mendesain sebuah sistem dinamis di jendela Xcos, dibutuhkan blok-blok Palette browser. Palette browser dapat dipanggil dengan cara mengklik menu View di jendela Xcos, kemudian pilih Palette browser (Gambar 3).

Gambar 3 Cara membuka Palette browser pada Xcos. Klik menu View, kemudian pilih Palette browser.

Dalam jendela Palette browser (Gambar 4), terlihat beberapa blok-blok yang sudah dikelompokkan berdasarkan beberapa kategori, diantaranya adalah Commonly Used Blocks, Continuous time systems, Discrete time systems, Mathematical Operations, Electrical, Signal Processing, Sinks, Sources, dan lain-lain. Blok-blok dalam Palette browser tersebut untuk selanjutnya dapat digunakan sebagai komponen dalam membuat atau mendesain sebuah sistem dinamis pada jendela Xcos.

4

Gambar 4 Jendela Palette browser pada Xcos. Pada Palette browser terdapat blok-blok yang sudah dikelompokkan berdasarkan kategori-kategori.

5

PEMODELAN DAN SIMULASI DENGAN SCILAB/XCOS ___________________________________________________________________

Pendahuluan Dalam tulisan ini, sistem dinamis yang akan digunakan sebagai contoh pemodelan dan simulasi adalah sistem dinamis sirkuit resistor-kapasitor 𝑅𝐶. Sirkuit 𝑅𝐶 merupakan salah satu sirkuit yang sering dibahas dan berperan penting dalam dasar-dasar elektronika dan instrumentasi. Sub pokok bahasan ini terdiri atas dua pokok bahasan, yaitu sedikit pembahasan tentang teori dasar sirkuit 𝑅𝐶, serta pemodelan dan simulasi sistem dinamis sirkuit 𝑅𝐶 dengan Xcos. Teori dasar sirkuit 𝑹𝑪 Sebuah sirkuit 𝑅𝐶 terdiri atas komponen resistor 𝑅, kapasitor 𝐶, dan sumber tegangan 𝐸 yang disusun secara seri. Sirkuit tersebut ditunjukkan dalam Gambar 5. i

R Eo

E

C

Gambar 5 Sirkuit 𝑅𝐶. Sirkuit terdiri atas komponen resistor 𝑅, kapasitor 𝐶, dan sumber tegangan 𝐸 yang disusun secara seri. Beda potensial 𝐸o adalah beda potensial yang ada pada komponen kapasitor 𝐶.

Sirkuit 𝑅𝐶 mempunyai persamaan 1

𝑅𝑖 + ∫ 𝑖𝑑𝑡 = 𝐸 𝐶

(i)

dengan 𝑅 = resistor (Ω), 𝐶 = kapasitor (F), dan 𝑡 = waktu (s). 6

Persamaan (i) tersebut jika ditulis dalam bentuk lain akan menjadi

𝑖=

𝐸−𝐸o

(ii)

𝑅 1

𝐸o = ∫ 𝑖𝑑𝑡 𝐶

(iii).

Transformasi Laplace, diagram blok, dan fungsi transfer sirkuit 𝑹𝑪 Transformasi Laplace dari persamaan (ii) dan persamaan (iii) berturut-turut adalah

I(s) =

E(s)−Eo (s)

(iv)

R

Eo (s) =

I(s)

(v).

Cs

Diagram blok dari kedua persamaan (iv) dan (v) yaitu E(s)

I(s) +

1/R

-

Eo(s) Gambar 6 Diagram blok dari persamaan (iv).

I(s)

Eo(s) 1/Cs

Gambar 7 Diagram blok dari persamaan (v).

Dari kedua diagram blok di atas (Gambar 6) dan (Gambar 7) dapat dibuat menjadi sebuah diagram blok yaitu seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.

7

E(s)

I(s) +

1/R

-

Eo(s) 1/Cs

Gambar 8 Diagram blok sirkuit 𝑅𝐶. Dari diagram blok terlihat bahwa output dari 1 sistem dinamis adalah Eo (s), input berupa E(s), dan gain G(s) = . RCs

Fungsi transfer sirkuit 𝑅𝐶 yang merelasikan output sistem Eo (s) dan input sistem E(s) memenuhi persamaan Eo (s) E(s)

=

1 RCs+1

(vi).

Pemodelan dan simulasi sirkuit 𝑹𝑪 dengan Scilab/Xcos Pemodelan dan simulasi sirkuit 𝑅𝐶 pada bahasan ini dengan asumsi bahwa nilai resistor dan nilai kapasitor masing-masing sebesar 𝑅 = 10KΩ dan 𝐶 = 1mF, serta waktu pengukuran (akuisisi data) selama 𝑡 = 120s. Blok-blok Palette Xcos yang digunakan yaitu seperti ditunjukkan dalam Tabel 1. Dengan menggunakan blok-blok Palette yang ada pada Tabel 1, dirangkai sebuah desain sistem dinamis sirkuit 𝑅𝐶 seperti pada Gambar 9 (desain ini berdasar pada diagram blok Gambar 8). Pada jendela Xcos (Gambar 9), pilih menu Simulation, klik Setup, dan isikan parameter Final integration time dengan nilai 120. Maksud dari nilai ini adalah pengukuran dilakukan selama 120s. Berikutnya pilih kembali menu Simulation, klik Set Context, dan ketik R=10000 C=0.001

Ini adalah nilai resistor 𝑅 = 10KΩ dan kapasitor 𝐶 = 1mF. 8

Untuk membuat properti dari masing-masing blok yaitu dengan cara klik kanan dari sebuah blok, dan klik Block Parameters... (Ctrl+B). Kemudian diisikan properti masing-masing blok seperti dalam Tabel 1 kolom ke-3. Tabel 1 Daftar blok-blok Palette Xcos untuk pemodelan dan simulsai sirkuit 𝑅𝐶 Kategori Palettes

Blok

Block Parameters

Continuous time systems

Numerator (s) = 1 Denominator (s) = R

Continuous time systems

Numerator (s) = 1 Denominator (s) = C*s

Mathematical Operations

Sinks

Ymin = -1 Ymax = 2 Refresh period = 120

Sources

Period = 0.1 Initialisation Time = 0.1

Sources

Step Time = 0 Initial Value = 0 Final value = 1

Desain lain dapat juga dengan mengikuti persamaan (vi), yaitu fungsi transfer sirkuit 𝑅𝐶. Desain ini praktis lebih ringkas dan sederhana. Dengan mengurangi satu blok CLR dan blok SUMMATION, desain sistem dinamis ini ditunjukkan dalam Gambar 10. 9

Gambar 9 Desain sistem dinamis sirkuit 𝑅𝐶 pada jendela Xcos. Dari desain terlihat bahwa blok-blok terhubung dengan garis-garis dan tanda anah panah.

Gambar 10 Desain sistem dinamis yang lebih ringkas.

10

Jika desain pemodelan pada jendela Xcos pada Gambar 9 dan Gambar 10 dijalankan, yaitu dengan cara pilih menu Simulation kemudian klik Start, atau dengan langsung klik toolbar Start, akan menghasilkan grafik seperti Gambar 11.

Gambar 11 Grafik fungsi transfer sistem dinamis sirkuit 𝑅𝐶 hasil pemodelan dan simulasi dengan Xcos.

Grafik pada Gambar 11 di atas memperlihatkan pola respons sistem dinamis sirkuit 𝑅𝐶 dengan pola eksponensial, dan grafik tersebut merupakan pola charge pada sirkuit 𝑅𝐶. Grafik ini nantinya dijadikan sebagai acuan dan pembanding bagi grafik hasil eksperimen pada pokok bahasan berikutnya. Selain proses charge, pembaca juga diharapkan mencoba mendesain pemodelan dan simulasi sistem dinamis sirkuit 𝑅𝐶 untuk proses discharge.

11

EKSPERIMEN DENGAN SCILAB/XCOS DAN ARDUINO ___________________________________________________________________

Pendahuluan Sebagai kelanjutan dari pemodelan dan simulasi sistem dinamis sirkuit 𝑅𝐶, akan dilakukan sebuah eksperimen dari desain tersebut. Hasil eksperimen nantinya akan dianalisis dan dibandingkan dengan hasil pemodelan dan simulasi. Bahan-bahan yang digunakan dalam eksperimen adalah modul Arduino (Arduino Uno R3), resistor 𝑅 10KΩ, dan kapasitor 𝐶 1mF. Tahapan eksperimen secara garis besar meliputi beberapa hal, yaitu instalasi Serial Communication Toolbox dan Arduino pada Scilab, desain sistem dinamis pada Xcos, kalibrasi, serta proses pengukuran atau akuisisi data. Pada eksperimen seperti ini, modul Arduino lazimnya berfungsi dan dikenal sebagai kartu akuisisi data (data acquisition card). Instalasi Serial Communication Toolbox pada Scilab Ketika pertama kali diinstal, fasilitas Serial Communication Toolbox pada Scilab belumlah ada. Oleh karena itu perlu dilakukan proses instalasi. Serial Communication Toolbox merupakan toolbox yang digunakan sebagai komunikasi antara Scilab dengan piranti/instrumen luar via port serial (USB misalnya). Dibutuhkan koneksi internet untuk melakukan instalasi ini. Metode instalasi ada dua, yaitu a. Via jendela Scilab  Buka program Scilab  Pada jendela Scilab Console, pilih menu Applications, klik Module manager - ATOMS  Pilih kategori Instruments Control  Pilih Serial Communication Toolbox 12

 Klik Install  Restart program Scilab b. Download module ATOMS (AuTomatic mOdules Management for Scilab) via ATOMS Portal. ATOMS Portal sebelumnya dikenal sebagai Scilab Toolboxes Center.  Masuk ke halaman web http://atoms.scilab.org  Pilih kategori Instruments Control  Pilih Serial Communication Toolbox  Download file serial (dengan ekstensi -src.zip atau .bin.zip)  Install di komputer Instalasi Arduino pada Scilab Sama seperti Serial Communication Toolbox, pertama kali Scilab diinstall, Arduino toolbox belumlah ada pada program Scilab. Oleh karena itu perlu dilakukan instalasi Arduino pada Scilab. Toolbox ini menyediakan fasilitas untuk komunikasi Arduino dengan Scilab/Xcos via serial port. Cara instalasi toolbox Arduino ini sama seperti pada instalasi Serial Communication Toolbox, baik via jendela Scilab maupun dengan metode download module ATOMS via ATOMS Portal. Hanya saja setelah sampai tahap Pilih kategori Instruments Control, kemudian pilih Arduino. Setelah Arduino diinstal, buka program Scilab, kemudian buka jendela Xcos, pilih View, dan klik Palette browser, maka akan terlihat Palette browser - Xcos yang sudah terinstal Arduino (Gambar 12). Langkah terakhir yang perlu dilakukan yaitu upload “firmware” toolbox_arduino_v3.ino ke modul Arduino Uno R3. Kini, Arduino telah siap digunakan sebagai kartu akuisisi data (data acquisition card) pada sistem dinamis 𝑅𝐶 dengan Scilab/Xcos.

13

Gambar 12 Jendela Palette browser yang telah terinstal toolbox Arduino. Pada jendela terlihat ada empat kategori pada Arduino, yaitu Configuration, Digital, Analog, dan Motors.

Desain sistem dinamis sirkuit 𝑹𝑪 pada Scilab/Xcos Blok-blok Palette Xcos yang perlu disiapkan untuk desain sistem dinamis sirkuit 𝑅𝐶 ditunjukkan dalam Tabel 2.

14

Tabel 2 Daftar blok-blok Palette Xcos untuk akuisisi data sistem dinamis sirkuit 𝑅𝐶 Kategori Palettes

Blok

Block Parameters

Arduino Configuration

Identifier of Arduino card = 1 Serial com port number = 3

Arduino Configuration

Duration of acquisition (s) = 120 Sampling period (s) = 0.1 Display curvs continuously = 1

Arduino Configuration

Arduino Analog

Analog Pin = 0 Arduino card number = 1

Palettes Mathematical Operations

Gain = 1/1023

Dengan menggunakan blok-blok Palette yang ada pada Tabel 2, dirangkai sebuah desain akuisisi data sistem dinamis sirkuit 𝑅𝐶 seperti ditunjukkan pada Gambar 13. Pada jendela Xcos, pilih menu Simulation, klik Setup, dan isikan parameter Final integration time dengan nilai 120. Maksud dari nilai ini adalah proses akuisisi data atau pengukuran dilakukan selama 120s.

15

Gambar 13 Desain akuisisi data sistem dinamis sirkuit 𝑅𝐶 pada jendela Xcos. Dari desain terlihat bahwa modul Arduino terhubung dengan COM 3 dengan komputer. Data analog yang diambil berasal dari Pin ANALOG IN A0 Arduino dan akuisisi data dilakukan selama 120s.

Bagan sistem akuisisi data sistem dinamis sirkuit 𝑅𝐶 ditunjukkan dalam Gambar 14.

Gambar 14 Bagan sistem akuisisi data sistem dinamis sirkuit 𝑅𝐶. Sistem terdiri atas sirkuit 𝑅𝐶, Arduino Uno R3, serta Scilab/Xcos.

16

Kalibrasi kartu akuisisi data Kalibrasi dilakukan untuk melihat reliabilitas, akurasi, dan presisi dari kartu akuisisi data. Kalibrasi dilakukan dengan cara mengukur tegangan +5V dari USB komputer. Untuk proses kalibrasi ini, parameter Gain pada blok Xcos GAIN_f (seperti tertera pada Tabel 2) diisi dengan Gain = 5/1023. Maksud dari perintah ini adalah untuk melihat tegangan +5V dari USB komputer. Arduino dihubungkan via USB dengan komputer (misal pada USB port ke-1). Berikutnya, Pin ANALOG IN A0 pada Arduino dihubungkan dengan Pin 1 USB (+5V VCC), dan Pin GND Arduino dengan Pin 4 USB (GND). Pin 1 USB dan Pin 4 USB ini semisal berasal dari USB port ke-2 dari komputer.

Gambar 15 Grafik hasil kalibrasi kartu akuisisi data dengan cara mengukur tegangan +5V USB komputer. Dari grafik terlihat bahwa tegangan +5V terukur dengan nilai yang konstan selama 120s.

17

Buka jendela Xcos (seperti pada Gambar 13), kemudian pilih menu Simulation, klik Start. Grafik pada Gambar 15 di atas menunjukkan hasil kalibrasi kartu akuisisi data dengan cara mengukur tegangan +5V USB komputer. Kini, kartu akuisisi data telah dikalibrasi, dan siap digunakan dalam proses akuisisi data sistem dinamis sirkuit 𝑅𝐶. Akuisisi data sistem dinamis sirkuit 𝑹𝑪 Proses akuisisi data atau pengukuran dilakukan dengan cara seperti desain yang ada pada Gambar 13 dan Gambar 14. Untuk mengukur beda potensial 𝐸o pada komponen kapasitor 𝐶, parameter Gain pada blok Xcos GAIN_f (seperti tertera pada Tabel 2) diisi dengan Gain = 5/1023.

Gambar 16 Grafik pola beda potensial 𝐸o pada kapasitor 𝐶 hasil akuisisi. Grafik beda potensial membentuk pola eksponensial.

18

Hasil pengukuran beda potensial tersebut ditunjukkan dalam Gambar 16. Dari gambar terlihat bahwa grafik naik membentuk pola eksponensial. Setelah selang waktu selama 18s, beda potensial berada pada titik maksimal, yaitu +5V, dan ini adalah setara dengan tegangan masukan, yaitu +5V USB komputer. Proses berikutnya adalah akuisisi data fungsi transfer sistem dinamis 𝑅𝐶. Untuk proses ini, parameter Gain pada blok Xcos GAIN_f (seperti tertera pada Tabel 2) diisi dengan Gain = 1/1023. Gambar 17 berikut merupakan grafik hasil akuisisi data fungsi transfer sistem 𝑅𝐶.

Gambar 17 Pola fungsi trasfer sistem 𝑅𝐶 hasil akuisisi. Grafik membentuk pola eksponensial, dan setelah 18s, nilai respon sistem mencapai nilai 1. Fungsi transfer ini memperlihatkan respon sistem, yaitu perbandingan nilai ouput sistem 𝐸 dengan nilai input sistem, o ). 𝐸

19

Hasil eksperimen tersebut (Gambar 17) jika dibandingkan dengan hasil pemodelan dan simulasi (Gambar 11), memberikan pola yang sama. Pola tersebut adalah grafik naik secara eksponensial, yang pada akhirnya mencapai nilai maksimum 1. Namun, ada perbedaan dalam hal waktu respon sistem. Hasil eksperimen terlihat dibutuhkan waktu selama 18s untuk mencapai nilai maksimum, sedangkan pada pemodelan dan simulasi, dibutuhkan waktu 54s. Perbedaan ini yang perlu dilakukan analisis dan pembahasan. Pemodelan dan simulasi mencerminkan suatu kondisi/sistem yang ideal, namun saat eksperimen, banyak variabel yang ikut menentukan hasil eksperimen. Penulis berasumsi bahwa perbedaan ini salah satunya dikarenakan oleh faktor komponen yang digunakan saat eksperimen, baik kapasitor maupun resistornya. Dan analisis serta pembahasan yang lebih variatif dan mendalam dari pembaca adalah suatu hal yang menarik. Termasuk juga variasi dalam jumlah pengukuran, ralat, dan sebagainya. Last but not the least, Gambar 18 berikut adalah modul Arduino dan sirkuit 𝑅𝐶 yang penulis gunakan dalam eksperimen akuisisi data fungsi transfer sistem dinamis 𝑅𝐶.

Gambar 18 Modul Arduino Uno R3 dan sirkuit 𝑅𝐶.

20

REFERENSI ___________________________________________________________________

ATOMS homepage: http://atoms.scilab.org. Caignot, A., et. al. 2013. Scilab/Xcos pour l’enseignement des sciences de l’ingénieur. Versailles: Scilab Enterprises. Scilab Enterprises. 2013. Xcos for very beginners. Versailles: Scilab Enterprises. Scilab online help: http://help.scilab.org.

21