OTOMATISASI SISTEM PENGOLAHAN AIR LAUT MENJADI AIR

OTOMATISASI SISTEM PENGOLAHAN AIR LAUT MENJADI AIR
TAWAR DENGAN PRINSIP REVERSE OSMOSIS BERBASIS
MIKROKONTROLER
(Sub Judul : “ Sensor dan Monitoring Sistem ”)
Renny Rakhmawati, ST. MT1 Ir.Hendik Eko HS, MT2 Zulva Tri Dianti3
, Dosen Pembimbing 1 Dosen Pembimbing2 Mahasiswa Jurusan Elektro Industri3
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya(PENS)
Institut Teknologi Sepuluh Nopember(ITS), Surabaya, Indonesia
Email : [email protected]
ABSTRAK
Reverse Osmosis merupakan suatu sistem pengolahan air dari yang mempunyai konsentrasi tinggi
menjadi air tawar yang mempunyai konsentrasi agak rendah (encer) dikarenakan adanya tekanan
osmosis. Penerapan sistem ini lebih efisien dan dapat diandalkan karena air melewati membrane
semipermiabel yang kerapatannya 0,0001 mikron. Teknologi ini menggunakan driver Chopper untuk
mengontrol air masuk dan keluar. Visualisasinya agar kita dapat mengetahui kinerjanya secara
langsung adalah dengan Mikrokontroler ATMega 16.
Pada teknologi ini juga terdapat sensor kadar garam (TDS), sensor pH, sensor level air dan sensor
tekanan. Sensor-sensor yang ada dalam teknologi ini berfungsi untuk membantu keakuratan data yang
diambil. Masing-masing sensor mempunyai fungsi sendiri-sendiri yaitu untuk mengetahui kadar
garam yang ada pada air baik sebelum dipompa maupun setelah dipompa, sensor pH untuk
mengetahui pH air yang dihasilkan, sensor level air untuk mengetahui level air yang terdapat pada
sistem dan sensor tekanan untuk mendeteksi tekanan yang dihasilkan dalam sistem.
Kata Kunci : Mikrokontroler ATMega 16, Reverse Osmosis, Sensor pH, Sensor TDS, Sensor Level
Air, Sensor Tekanan
1.
PENDAHULUAN
Air merupakan sumber daya alam
yang sangat penting bagi kehidupan di
bumi. Persediaan akan air layak pakai
dirasakan semakin berkurang dan perlu
adanya sebuah teknologi yang dapat
mendaur ulang air menjadi air yang
layak konsumsi. Air banyak digunakan
oleh manusia, tidak hanya pada
keperluan rumah tangga, tetapi juga
untuk
keperluan
industri.
Jika
ketersediaan air layak pakai terus
menurun akan membawa dampak
negatif, terutama bidang kesehatan.
Teknologi penyaringan air dapat
dilakukan secara otomatis dengan
bantuan
mikrokontroler
dimana
aplikasinya dapat kita tentukan melalui
bahasa pemrograman.
Proses Reverse Osmosis terdiri dari
beberapa peralatan seperti pompa
tekanan tinggi (Booster Pump), Katup
On/Off, sensor tekanan air, TDS meter
(Total Dissolved Solid), pH meter, prefilter water treatment, dan filter Reverse
Osmosis. Dari beberapa alat tersebut
akan dikombinasi dengan mikrokontroler
untuk otomatisasi sistem Reverse
Osmosis. Mikrokontroler akan mengatur
keseimbangan arus inlet air laut dan arus
outlet air limbah. Mikrokontroler juga
memonitor besarnya tekanan air yang
bekerja pada sistem untuk mengetahui
kualitas produk dari sistem Reverse
Osmosis.
Pada proyek akhir ini dijelaskan
bahwa kualitas air tawar diukur dengan
sensor pH dan TDS meter. Kedua sensor
tersebut sebagai monitoring air sebelum
dan sesudah proses. Sebelum air diproses
secara Reverse Osmosis terlebih dahulu
air laut di ukur kadar garamnya dengan
TDS meter dan nantinya akan
dibandingkan dengan hasil kadar garam
air tawar setelah proses Reverse
Osmosis. Begitu juga dengan sensor pH
(derajat keasaman), sensor ini juga
sebagai monitoring antara air yang
belum diproses dan setelah diproses.
Pada sensor tekanan air, diharapkan
tekanannya konstan antara 40 – 50 Psi
(pound per square inch) yang merupakan
output dari pompa tekanan tinggi
(Booster Pump). Setelah tekanan air pada
filter terpenuhi, maka dihasilkan air
tawar dengan tingkat kekeruhan yang
lebih rendah dan pH yang sesuai. Air
yang tidak berhasil melewati membran
Reverse Osmosis akan keluar melalui
Reject Valve sebagai limbah.
Dari penjelasan di atas dapat
diketahui beberapa target dari pembuatan
proyek akhir ini adalah sebagai berikut :
1. Kapasitas Booster Pump 100 PSI
(pound per square inch)
2. Pressure Filter (40 – 50 PSI)
3. Kadar garam air tawar 20% 30% dari TDS air laut
4. Derajat Keasaman air tawar 6.5
– 7.5 (±5%)
1.1 Tujuan
Pembuatan proyek akhir Otomatisasi
Sistem Pengolahan Air Laut Menjadi Air
Tawar dengan Prinsip Reverse Osmosis
Berbasis Mikrokontroler, selain sebagai
persyaratan
penyelesaian
studi
Pendidikan Diploma III Politeknik
Elektronika Negeri Surabaya, juga
mempunyai
tujuan
khusus
yaitu
membuat prototype sistem pengolahan
air dengan metode reverse osmosis untuk
skala
rumah
tangga
berbasis
mikrokontroler. Selain itu alat ini
berfungsi untuk menghasilkan air tawar
yang lebih bersih dan sehat dengan cara
pengukuran pH dan kadar garam yang
terkandung dalam air hasil olahan.
Tampilan dari prototype sistem ini
adalah dengan menggunakan LCD
(Liquid Crystal Displays) 16x4
1.2 BatasanMasalah
Pada rincian permasalahan, maka
didapat rumusan masalah pada hardware
sebagai berikut :
1. Bagaimana cara mengidentifikasi
tekanan
air
yang
masuk
menggunakan pressure gauge sensor
?
2. Bagaimana
cara
menampilkan
tekanan dan level air pada LCD 16x4
?
3. Bagaimana cara mengatur besar
kecilnya PWM (Pulse Width
Modulation) untuk kecepatan motor ?
4. Bagaimana cara otomatisasi sistem
dengan mikrokontroler ATMega16 ?
tegangan dan PWM (Pulse Width
Modulation) ?
2. Perencanaan dan PembuatanAlat
Pada pembuatan sistem monitoring
untuk proyek akhir Sistem Pengolahan
Air dengan Prinsip Reverse Osmosis ini
terdapat berbagai rancangan yang
tersebut dibawah ini.
2.1 Blok Diagram
2.1.1 Konfigurasi Input Output
Alamat
Port A.0
Port A.1
Port A.2
Port A.3
Port A.4
Port B.0
Port B.1
Port B.2
Port B.3
Port B.4
Port B.5
Port B.6
Port B.7
Port C.0-7
Port D.0
Pin D.2
Pin D.3
Pin D.4
Pin D.5
Keterangan
Sensor Tekanan
Tegangan Output Buck
Tegangan Accu
Sensor level Output
Tegangan Charging
Buzzer
Input Valve
Lampu Stop
Output Valve
Lampu Run
Lampu Full
Lampu Medium
Lampu Low
LCD
Switch Accu
Level 1
Level 2
Level 3
Push button start stop
Pin D.6
Pressure switch
Port D.7
Sinyal PWM
2.1.2 Perancangan sistem
Output Level
Sensor
Pressure
Sensor
Pressure Gauge
Low
Full
Medium
Contaminated
Water Tank
2
2.1.3 Perancangan Sensor Tekanan
Sensor tekanan pada sistem ini
digunakan
sebagai
pembanding
antara manometer atau pressure
gauge dengan sensor tekanan analog
yang digunakan untuk mendeteksi
tekanan pada filter reverse osmosis.
Selain itu, rangkaian sensor tekanan
ini juga digunakan sebagai umpan
balik untuk mikrokontroler. Dibawah
ini merupakan gambar rangkaian
sensor tekanan.
Booster Pump
Input Valve
1
Storage Tank
Pressure
Switch
Pressure Gauge
Output Valve
5
3
4
Faucet
Product
Reject Tank
Dalam proyek akhir Sistem
Pengolahan Air ini, terdapat banyak
perancangan
dari
hardware,
diantaranya adalah pembuatan sistem
seperti yang tampak pada Gambar 3.2.
Penulis membuat sebuah box yang
ditunjukkan pada Gambar 3.3 yang
didalamnya berisi semua komponen
yang mendukung Sistem pengolahan
Air. Dalam box juga terdapat kontrol
panel sistem yang nantinya akan
memudahkan user untuk mengetahui
prosesnya.
Berikut
Spesifikasi
alat
Reverse
Osmosis:
1. Sediment 5 Micron
Membuang partikel-partikel seperti
debu, karat, tanah, dsb.
2. Sediment 1 Micron
Menyaring partikel-partikel dengan
ukuran lebih kecil.
3. Granular Active Carbon (GAC)
Berbentuk butiran untuk menyerap zatzat
berbahaya
seperti:
kaporit,
karsinogen, detergen, insektisida dll
4. Membran Reverse Osmosis
Membuang polutan – polutan
berbahaya sampai tingkat terkecil
melalui membran berukuran 1 / 10.000
micron
5. Post-Carbon
Menyerap bau; mengembalikan rasa
serta menghambat pertumbuhan microorganisme.
Gambar 3.3: Rangkaian Sensor
Tegangan
ada Gambar 3.3, rangkaian sensor
tegangan diatas cara kerjanya adalah
sebagai berikut. Rangkaian sensor ini
mendapat sumber dari battery kotak 9
volt lalu masuk ke regulator tegangan
IC7805 yang keluarannya adalah 5
volt dan dilanjutkan ke rangkaian
jembatan wheatstone yang terdiri dari
4 resistor dan salah satu dari resistor
tersebut untuk strain gauge. Setelah
itu keluaran dari strain gauge masuk
ke
rangkaian
op-amp
untuk
penguatan. Dalam hal ini yang
digunakan adalah penguat noninverting.
Berikut ini adalah desain dari rangkaian
penguat non-inverting :
R1 = R2 = R3 = 120 ohm
R4 = 119.5 ohm
Maka :
𝑅3
𝐸𝑜 = 𝑅3+𝑅1 𝑉𝑖𝑛 −
𝐸𝑜 =
𝑅4
𝑅4+𝑅2
𝑉𝑖𝑛
120
119.5
5−
5
120 + 120
119.5 + 120
𝐸𝑜 = 2.5 − 2.49
Eo = 0.01
Karena Vout op-amp 2 volt, dan Gain
diinginkan menjadi 200 (yaitu 2/0.01)
maka untuk mencari Rf adalah
Gain = 1 + (Rf/ Rin)
200 = 1 + (Rf/ 100)
Rf = 19.900 ohm
Rf maksimal adalah 100Kohm
Dibawah ini merupakan hasil dari
pengukuran sensor tekanan yang terbaca
pada layar LCD
Vout
Tekanan
Tekanan
No
sensor
%Error
(Psi)
(LCD)
(V)
1
0
2.089 0.08 psi
8
2
10
2.476 9.87 psi
1.3
19.79
3
20
2.95
1.05
psi
30.03
4
30
3.29
0.1
psi
40.11
5
40
3.583
0.275
psi
50.30
6
50
3.96
0.006
psi
2.1.4 Perancangan Sensor Level Air
Blok indikator ini terdiri dari 3 LED
berwarna putih yang disusun secara
vertikal. Ada 3 buah LED yang
menunjukkan level air pada tangki
penampungan air. Apabila level air pada
tangki penampungan air dalam keadaan
penuh, maka LED paling atas sendiri
akan nyala, apabila air dalam keadaan
separuh maka LED kedua akan nyala dan
apabila air sedikit atau rendah maka LED
ketiga yang akan nyala diiringi bunyi
buzzer. Dari kondisi tersebut maka dapat
disusun menjadi sebuah algoritma
pemrograman
dengan
mengamati
kombinasi beberapa sensor seperti tampak
pada Tabel 3.2 berikut ini.
Tabel 3.2: Algoritma Sensor
Level
Input Kondisi
Hexa
Air
1
2
3
Full
ON
ON
ON
0x38
Medium ON
ON
OFF
0x30
Low
ON
OFF
OFF
0x20
Empty
OFF
OFF
OFF
0x00
Dalam pengujian level sensor terdapat 2
buah level sensor pada sistem yaitu yang
tertera pada panel sistem dan analog yang
berada pada reject tank. Level sensor
analog pada reject tank ini berfungsi
untuk mengetahui seberapa tinggi air
yang telah keluar pada tank. Apabila
reject tank telah penuh dengan air maka
secara otomatis sistem akan mati. Gambar
dibawah ini merupakan gambar dari
output level sensor yang berada pada
reject tank. Sebagai actuatornya adalah
potensio yang maksimal terukur pada
mikrokontroler adalah 3.6 volt.
Conductor
Strip
LV_3
LV_2
PD.4
PD.3
PD.2
GND
LV_1
GND
Gambar 3.4: Output Level Sensor pada
Panel
80
Gambar 3.5: Output Level Sensor Reject
Tank
Kedua sensor level ini langsung
dihubungkan dengan mikrokontroler
sebagai pengendali sistem.
2.2 pH Meter
Perencanaan
pH
Meter
digunakan untuk mengetahui asam
atau basa dari air pengujian. Dalam
perencanaan ini, yang digunakan
adalah pH meter digital yaitu hasil
dari indikator air uji langsung
tercantum pada LCD. Spesifikasi
dari pH meter yang digunakan
adalah sebagai berikut :
meter merk HM Digital TDS-3 adalah
sebagai berikut :
Gambar 3.7: TDS Meter
Spesifikasi :
TDS Range : 0 – 9990 ppm (mg./l)
Temp. Range : 0 – 800ᵒC
Akurasi
: sampai dengan 2%
Battery Life : 1000 jam pemakaian
Dimensi
: 15.5 x 3.1 x 2.3 cm
Sumber
: 2 x 1.5 volt (button cell
batteries)
2.4 Flowchart
Mulai
Inisialisasi
PORT
Void full ()
Void full2 ()
Void off ()
Void UP ()
Void DOWN ()
Void charge ()
Y
Pb_Sts==0
STS=~STS
T
Y
STS=1
Valve1=1, valve2=1,
L_Run=1, L_Stop=0,
Inisialisasi adc
Lv2==0||Lv3==0
Y
UP()
T
T
Lv1==0&&Lv2==1&&
Lv3==1
Gambar 3.6: pH Meter
Spesifikasi :
Taster Range : 0.0 – 14.0 pH
Akurasi
: sampai 0.3 pH
Temperature : 0 – 50ᵒC
Battery Life
: DC 4x1.5 volt
Y
L_Low=1, buzzer=1,
L_Medium=0, L_Full=0
T
Lv1==0&&Lv2==0&&
Lv3==1
Y
L_Low=0, L_Medium=1,
L_Full=0
T
Lv1==0&&Lv2==0&&
Lv3==0
Y
L_Low=0, L_Medium=0,
L_Full=1
T
2.3 TDS Meter
Dalam perancangan sistem ini, untuk
menghasilkan air yang benar-benar tawar
maka salah satu sensor pendeteksinya
adalah menggunakan sensor TDS (Total
Dissolve Solid). Spesifikasi dari TDS
Lv1==1&&Lv2==1&&
Lv3==1
Y
STS=0
OFF() DOWN()
OCR2=0, BUZZER=0,
VALVE1=0, L_Stop=1,
valve2=0, L_Run=0,
L_Full=0, L_Medium=0,
L_Low=0, S_Aki=0
Y
OFF()
STS=0
T
Y
Reject>20
STS=0, buzzer=1
T
T
Y
P_Switch==0
T
STS=0, buzzer=1
2.5 Pengujian ADC
Pengujian program ini untuk perangkat
antarmuka merupakan langkah awal
sebelum
pengujian
alat
secara
keseluruhan. Pada bagian ini yang
dilakukan adalah pengujian terhadap
ADC mikrokontroler AVR ATMega16
dengan
menggunakan
output
10
bit.dihubungkan langsung ke sensor
tegangan. Sebagai masukan ADC,
menggunakan Port A karena port ini
mengijinkan untuk masukan analog
dengan batas minimum ground dan
maksimum Vreff. ADC yang dipakai
adalah 5 pin. Pada ADC menggunakan
tegangan referensi 5 volt. Berikut ini
merupakan perhitungan dari analog ke
digital.
Pada saat tegangan input 1 volt, yang
terbaca di ADC adalah 0.0786. V reff dari
mikrokontroler adalah 5 volt maka untuk
mencari V max adalah 5/0.0786 = 63.6.
Jika ingin mengkonversinya ke dalam
desimal maka 210 =1023/ 63 =16.2. Dapat
disimpulkan bahwa 1 volt mewakili 16.2
desimal. Berikut perumusan konversi ke
bilangan desimal :
ADC decimal =
1023
63
x Vin
Tujuan pengujian untuk mengaambil data
melalui ADC dan ketepatan pembacaan
ADC. Pada Tabel 4.1 nilai prosentase
error maksimal adalah 13.58% dan ratarata error adalah 2.79%. Sedangkan untuk
keakurasian pada ADC mikrokontroler
AVR ATMega16 tidak sempurna sekitar
±2 LSB. Sehingga didapatkan hasil uji
ADC seperti pada tabel berikut.
Tabel 4.1: Pengujian ADC
%Error
V
analog
0.15
0.5
0.99
1.49
1.99
2.49
2.98
3.48
Vin
Vadc
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0
0.43
0.92
1.48
1.91
2.4
2.95
3.51
Decimal
adc
0
7
15
24
31
39
48
57
Decimal
teori
0
8.1
16.2
24.3
32.4
40.5
48.6
56.7
0
13.58
7.41
1.23
4.32
3.70
1.23
0.53
3.99
4.49
4.98
5.49
5.98
6.48
6.98
7.48
7.98
8.47
8.97
9.47
9.97
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
4
4.49
5.04
5.6
6.09
6.64
7.08
7.63
8.18
8.74
9.23
9.78
10.27
65
73
82
91
99
108
115
124
133
142
150
159
167
64.8
72.9
81
89.1
97.2
105.3
113.4
121.5
129.6
137.7
145.8
153.9
162
0.31
0.14
1.23
2.13
1.85
2.56
1.41
2.06
2.62
3.12
2.88
3.31
3.09
3. Kesimpulan
Setelah proses pembuatan sistem dan
finishing
secara
keseluruhan
dari
pengerjaan proyek akhir yang berjudul
”Otomatisasi Sistem Pengolahan Air Laut
Menjadi Air Tawar dengan Prinsip
”Reverse
Osmosis”
Berbasis
Mikrokontroler (Sub Judul: Sensor dan
Monitoring Sistem) maka dapat diambil
beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Sistem Filter Reverse Osmosis ini
berfungsi untuk menghasilkan air tawar
dengan prosentase kadar garam sebesar
20% – 30% dari TDS air laut dan nilai
pH sebesar 6.8 – 7.2.
2. Sistem ini terdiri dari 3 filter sebelum
masuk ke filter reverse osmosis yang
mempunyai penyaringan dan fungsi
yang berbeda pada setiap filternya.
3. Pada pengujian ADC (Analog to
Digital Converter) untuk rangkaian
buck converter terdapat error antara
pembacaan tegangan analog dan
tegangan yang terbaca oleh ADC. Hal
ini dapat terjadi karena pengaruh dari
rangkaian sensor tegangan yang kurang
akurat.
4. Pada sistem terdapat level sensor yang
berfungsi sebagai parameter ketinggian
air. Jika air yang akan diproses tidak
memenuhi persyaratan maka akan
terjadi umpan balik dari sistem yaitu
buzzer atau jika level air sudah
maksimal pada tempat keluaran maka
sistem akan secara otomatis berhenti.
5. Pengerjaan proyek akhir ini dilengkapi
dengan
mikrokontroler
untuk
mengontrol semua sensor dan sumber
agar dapat dikendalikan sesuai dengan
kehendak user.
4. DaftarPustaka
[1]
[2]
[3]
[4]
Andrianto
Heri,
“Pemrograman
Mikrokontroler
AVR
ATMega16”.2008.
Informatika:
Bandung
Puspitasari Ratih, “Rancang Bangun
Alat
Ukur
Resistansi
Belitan
Transformator Menggunakan Injeksi
Arus
Berbasis
Mikrokontroler
(Software)”. 2008. PENS-ITS.
Idaman Said, “Teknologi Reverse
Osmosis”, BAB10.pdf
Malvino,
“Prinsip-Prinsip
Elektronika”. 1984. Erlangga: Jakarta