Sistem Penguji Kualitas Air Minum Berdasarkan Nilai Konduktivitas

BAB III
PERANCANGAN ALAT
Pada bab tiga ini akan dijelaskan perancangan alat, yaitu perancangan perangkat
keras dan perangkat lunak. Perancangan perangkat keras terdiri dari perangkat elektronik
dan instalasi perangkat keras.
3.1.
Gambaran sistem
Pada gambar 3.1. menunjukkan blok diagram dari keseluruhan alat yang dibuat .
Pada gambar 3.2. menunjukkan gambaran dari keseluruhan sistem yang dirancang.
Gambar 3.1. Blok Diagram Keseluruhan Sistem yang Dirancang.
16
Gambar 3.2. Gambaran Keseluruhan Sistem yang Dirancang.
Keterangan:
1. Pompa air baku digunakan untuk mengambil air baku untuk dibawa ke tempat
pengujian. Pompa tersebut menggunakan submersible pump dengan spesifikasi
220 V 50 Hz. daya 33 Watt dan kapasitas aliran maksimal 2000 liter/jam.
2. Pompa air murni digunakan untuk mengambil air murni untuk dibawa ke tempat
pengujian sebagai pembilas ruang pengujian setelah pengujian dengan air baku
17
selesai dilakukan. Pompa tersebut menggunakan submersible pump dengan
spesifikasi 220 V 50 Hz. daya 33 Watt dan kapasitas aliran maksimal 2000
liter/jam.
3.2.
Perancangan Dan Realisasi Perangkat Keras
Pada bagian ini dijelaskan mengenai perancangan dari perangkat keras yang
dirancang. Perancangan perangkat keras yang akan dijelaskan yaitu perancangan perangkat
elektronik dan perangkat pengkondisi sinyal sensor.
3.2.1.
Perangkat Elektronik
Pada perangkat elektronik ini terdiri dari box pengendali utama, Catu daya DC,
pengkondisi sinyal konduktivitas dan pH, driver pompa dan solenoid valve, serta relay
12VDC. Pada gambar 3.3. merupakan realisasi dari perangkat elektronik.
Gambar 3.3. Realisasi Perangkat Elektronik.
3.2.2.
Pengendali utama
Pada Pengendali utama ini Terdiri dari board mikrokontroler, LCD karakter 20x4
dan keypad matriks 4x4. Pada gambar 3.4. merupakan realisasi dari box pengendali utama.
18
Gambar 3.4. Realisasi Pengendali Utama.
3.2.3.
Board Mikrokontroler
Board mikrokontroler yang dirancang dalam skripsi ini dilengkapi dengan LCD
karakter 20x4 , keypad matriks 4x4, dan driver relay menggunakan IC optocoupler PC817
dan ULN2803. Mikrokontroler yang digunakan dalam perancangan skripsi ini adalah
Arduino Mega2560 yang berfungsi sebagai pengontrol utama dari keseluruhan alat.
Konfigurasi penggunaan pin/port mikrokontroler Arduino Mega2560 dapat
dilihat dalam tabel 3.1 dan skema board mikrokontroler dapat dilihat dalam gambar 3.5.
Tabel 3.1. Konfigurasi penggunaan pin/port Arduino Mega2560.
Pin Port
Keterangan
A8
Input Sensor suhu
A9
Input Sensor pH
A10
Input sensor konduktivitas (VH)
A11
Input sensor konduktivitas (VL)
A12
Input sensor konduktivitas (V1)
A13
Input sensor konduktivitas (V2)
D34
Output Driver Relay Catu Daya
D39
Output Driver Water Valve (inlet-1)
D41
Output Driver Water Valve (inlet-2)
D43
Output Driver Water Valve (outlet)
D45
Output Driver Water Valve (RO-outlet)
D47
Output Driver Water Valve (UV-Outlet)
19
D49
Output Driver Water Valve (Aquades-inlet)
D51
Output Driver Pompa AC (air baku)
D53
Output Driver Pompa AC (air akuades)
D32
Output LCD Karakter 20x4 (RS)
D30
Output LCD Karakter 20x4 (Enable pin)
D28
Output LCD Karakter 20x4 (D4)
D26
Output LCD Karakter 20x4 (D5)
D24
Output LCD Karakter 20x4 (D6)
D22
Output LCD Karakter 20x4 (D7)
D23
Keypad matriks 4x4 (baris-1)
D25
Keypad matriks 4x4 (baris-2)
D27
Keypad matriks 4x4 (baris-3)
D29
Keypad matriks 4x4 (baris-4)
D31
Keypad matriks 4x4 (kolom-1)
D33
Keypad matriks 4x4 (kolom-2)
D35
Keypad matriks 4x4 (kolom-3)
D37
Keypad matriks 4x4 (kolom-4)
Gambar 3.5. Skema board mikrokontroler Arduino Mega2560[18].
20
Gambar 3.6. Board mikrokontroler Arduino Mega2560.

Driver relay
Driver relay dalam skripsi ini menggunakan IC PC817 dan IC ULN2803.
IC PC817 atau Optocoupler merupakan merupakan komponen penggandeng
(coupling) antara rangkaian input dengan rangkaian output yang menggunakan
media cahaya (opto) sebagai penghubung. Optocoupler sendiri terdiri dari 2
bagian, yaitu pengirim (transmitter) dan penerima (receiver). IC PC817
Digunakan untuk memisahkan sistem antara sistem mikrokontroler dengan sistem
solenoid valve, untuk tetap menjaga kestabilan sekaligus menghindari kerusakan
pada sistem mikrokontroler, karena pada sistem, menggunakan pompa AC sebesar
220 volt. IC ULN2803 adalah IC yang didalamnya merupakan susunan transistor
NPN yang terpasang secara darlington. IC ULN2803 digunakan sebagai saklar
untuk mengaktifkan relay. Output relay dihubungkan dengan beban berupa
komponen yang aktif pada tegangan DC 12V untuk mengoperasikan solenoid
valve dan AC 220V untuk mengoperasikan pompa air baku dan pompa air
akuades. Jika relay aktif, maka beban yang dihubungkan ke bagian output relay
akan aktif pula. Berikut ini rangkaian realisasi dari driver relay yang
menggunakan IC PC817 dan IC ULN2803.
21
Gambar 3.7. Rangkaian Driver Relay.
Gambar 3.8. Realisasi Rangkaian Driver Relay.

LCD Karakter 20x4
LCD karakter digunakan untuk menampilkan nilai TDS, pH, suhu, menu
dan segala bentuk kerja yang sedang dilakukan mikrokontroler. Menu yang
ditampilkan di LCD dapat dipilih dengan menekan tombol di keypad 4×4.
22
Gambar 3.9. Realisasi LCD.

Keypad 4x4
Keypad yang digunakan dalam skripsi ini adalah 4x4 (4 baris dan 4 kolom).
Keypad disini berfungsi untuk memilih menu pengujian apakah akan dilakukan
pengujian manual atau otomatis.
Gambar 3.10. Realisasi Keypad.
3.2.4.
Catu Daya
Tegangan yang dihasilkan pada gambar adalah +5V dan -5V . Tegangan tinggi
AC 220 V diturunkan oleh transformator CT, keluaran tegangan dari transformator masih
tegangan bolak-bailk (AC) sehingga disearahkan dengan dioda agar menjadi searah (DC).
Setelah melewati proses penyearahan gelombang AC mejadi DC, diberikan kapasitor C1
untuk menekan ripple yang terjadi dari proses penyearahan gelombang AC, sehingga
keluaran nya sudah murni menjadi tegangan DC yang sempurna. Kemudian untuk
memangkas tegangan menjadi +5V dan -5V maka digunakanlah IC regulator 7805 dan
7905. Keluaran dari IC regulator ada kapasitor akhir C2 sebagai penstabil keluaran DC,
23
disini kualitas gelombang searah atau DC sudah baik dan siap digunakan untuk mensupplai
beban yang ada.
Gambar 3.11. Rangkaian Catu daya +5V dan -5V[19].
Pada gambar diperlihatkan realisasi dari rangkaian Catu daya +5V dan -5V:
Gambar 3.12. Realisasi rangkaian Catu daya +5V dan -5V.
3.2.5.
Pengkondisi Sinyal Sensor Konduktivitas
Sensor konduktivitas menggunakan sepasang elektroda dari stainless steel yang
kemudian di gabungkan dengan rangkaian pengkondisi sinyal. Dengan tiga buah hambatan
yang mendapat catu tegangan dua arah dengan jenis rangkaian seri, maka total tegangan
sumber akan terbagi kepada masing-masing hambatan sesuai dengan beban hambatan
tersebut, dimana nilai tegangan yang terbagi dipengaruhi besarnya perbandingan nilai pada
masing-masing hambatan.
24
Gambar 3.13. Skematik Pembagi Tegangan
Besaran arus yang melewati sensor dapat diketahui dengan menambahkan dua
buah resistor secara seri pada masing-masing ujung probe sensor (Rs1 dan Rs2) atau dengan
mengukur arus nya secara langsung.
Besar VH, VL, V1, dan V2 diukur dengan ADC untuk mendapatkan V HL (tegangan
input) dan V12 (tegangan pada beban). Dengan rumus pembagi tegangan yang diperlihatkan
pada persamaan (1) [3].
V12
=
R/ (R+Rs1+Rs2) x VHL
(3.1)
V12 x (R+Rs1+Rs2)
= R x VHL
(3.2)
V12 x (Rs1+Rs2)
= R x VHL - V12 x R
(3.3)
V12 x (Rs1+Rs2)
= R x (VHL - V12)
(3.4)
R
=
V12 x (Rs1+Rs2) / (VHL - V12)
(3.5)
Dari nilai R yang telah dihitung, dapat dicari nilai konduktivitas elektrik nya dari
persamaan 2.1. Karena pengukuran konduktivitas bergantung dengan suhu, maka besar
konduktivitas bergantung dengan suhu dapat digunakan rumus pada persamaan 2.6.
Kemudian terdapat pula Cell Constant, yang merupakan rasio jarak antar elektroda
dengan luas penampang elektroda yang masuk ke dalam larutan. Besarnya Cell Constant
mempengaruhi jarak pengukuran konduktivitas optimal. Pada sistem ini digunakan
sepasang elektroda yang memiliki spesifikasi berdiameter (D) sebesar 0,25cm, bagian yang
kontak dengan media air memiliki tinggi (t) 0,9cm, dan jarak antar elektroda (d) sebesar 0,7
25
cm. Sehingga jika dihitung mendapatkan besar Cell Constant (K) = 0,97 (cm-1) . Berikut
realisasi sensor dan perhitungan nya:
Gambar 3.14. Realisasi Sensor Konduktivitas
Dari persamaan 2.2, kemudian dapat dihitung besar cell constant nya adalah
sebesar:
K =
(3.6)
K =
(3.7)
=
K =
= 0,97
(cm-1)
(3.8)
Didapatkan besar Cell Constant (K) sebesar 0,97. Pemilihan nilai tersebut karena
jarak ukur pembacaan TDS akan masih di dalam jarak ukur pembacaan TDS dalam
spesifikasi sistem ini. Kemudian TDS sampel air berdasarkan nilai konduktivitas yang
terukur dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.5.
Teknik pengukuran pada metode ini tidak bisa dilakukan jika sumber masukan
(VHL) diberikan arus satu arah (DC), hal ini karena air dan NaCl (dalam sistem ini
pengujian dilakukan dengan memberikan polutan NaCl sebagai polutan mineral) tersusun
26
dari molekul-molekul dwi kutub yang jika mendapatkan arus searah, maka molekulmolekul ini akan diarahkan dan ion Na+ akan tertarik ke kutub negatif , sedangkan ion Clke kutub positif. Akibatnya hasil pengukuran tidak mencerminkan besar resistansi larutan
karena hasil nya akan selalu berubah2 [3].
Tegangan input (VHL) yang diberikan adalah berupa tegangan dua arah. Dengan
teknik ini maka molekul-molekul air dan ion-ion
Na+ dan Cl- , akan relative pada
tempatnya jika frekuensi yang diberikan berorde kilo hertz. Frekuensi yang rendah dapat
menyebabkan molekul air dan ion-ion Na+ dan Cl- sempat mengadakan perubahan susunan,
sehingga resistansi yang diukur kurang sesuai dengan kenyataan.
Gambar 3.15. Skematik penghasil tegangan dua arah (AC) dengan
frekuensi 150Khz
Pada rangkaian di atas, adalah penghasil sinyal kotak dengan frekuensi 150Khz
(duty cycle 50%) menggunakan IC timer 555 dengan pemberian besar R4 = 4KΩ dan C1 =
1.2 nF. Fungsi dari R4 disini sebagai pengisi kapasitor (saat keluaran timer berlogika High)
dan pengosong (saat keluaran timer berlogika Low). Diketahui frekuensi sebesar 150Khz,
maka besar R4 dan C1 didapatkan dari perhitungan [4]:
(3.10)
(3.11)
27
(3.12)
Keluaran dari timer, di arahkan ke IC LM324 sebagai komparator. Di gunakan
dua komparator, keluaran komparator pertama HIGH ketika sinyal pulsa keluaran timer
555 HIGH, ketika keluaran timer 555 LOW, komparator akan juga bernilai LOW. Kondisi
terbalik pada komparator kedua, keluaran LOW ketika sinyal pulsa keluaran timer 555
HIGH, ketika keluaran timer 555 LOW, komparator akan bernilai HIGH. Keluaran dari
kedua komparator ini kemudian akan di berikan kepada masing-masing probe sensor.
Dengan pemberian 2 komparator tersebut, arus yang masuk ke dalam air akan
berjalan dua arah, dan akan di dapat besar resistansi yang relatif stabil.
Gambar 3.16. Rangkaian komparator
Penentuan besar R1 = R2 dengan menggunakan prinsip pembagi tegangan, agar
masukan ke komparator pertama (Vinv) dan ke komparator kedua (Vnon-inv) bernilai 1 volt.
Perhitungan besar R1 dan R2 adalah sebagai berikut:
Ditentukan; Vin = 5V , Vout = 1/2Vcc = 2,5V , Iout = 10mA, maka:
VR1 = Vin – Vout
= 5 – 2,5 v = 2,5V
28
R1
=
=
= 250 Ω
VR2 = Vout – Vground
= 2,5v – 0v = 2,5V
R2
=
=
= 250 Ω
Maka didapat R1 = R2 = 250 Ω. Jika dihitung dengan rumus pembagi tegangan,
akan didapatkan:
Pada gambar diperlihatkan realisasi dari Rangkaian pengkondisi sinyal sensor
konduktivitas :
Gambar 3.17. Rangkaian Realisasi Pengkondisi Sinyal
Sensor Konduktivitas
3.2.6.
Pengkondisi sinyal Sensor pH
Pada sensor pH digunakan pH electrode buatan Lutron type PE-03. Sensor PE-03
ini mampu mendeteksi tingkat keasaman dari 0-14 pH. Sensor pH ini hanya memerlukan 1
buah pin pada mikrokontroler dan pada tugas akhir ini diberikan pada Port ADC9. Dalam
proses pengukuran kadar pH diperlukan sebuah pengkondisian sinyal, agar sinyal yang
dihasilkan oleh sensor ini dapat terbaca oleh mikrokontroler. Dalam rangkainya,
29
pengkondisi sinyal ini menggunakan IC TL072. Rangkaian pengkondisi sinyal
diperlihatkan pada gambar 3.17.
Gambar 3.18. Rangkaian Pengkondisi Sinyal untuk pH
Gambar 3.19. Realisasi Rangkaian Pengkondisi Sinyal untuk pH
Rangkaian pengkondisi sinyal untuk sensor pH Lutron PE-03 yang dirancang pada
sistem ini merupakan rangkaian penguat tak membalik, dengan menggunakan 2 penguat.
Penguat pertama dari sensor untuk membaca tegangan atau nilai yang didapat dari air yang
diukur, sedangkan rangkaian kedua digunakan sebagai pembanding untuk nilai yang
didapat dari sensor.
30
3.2.7.
Perancangan Tempat Pengujian Air
Tempat pengujian air baku menggunakan pipa-pipa PVC yang dibatasi oleh
solenoid valve pada tiap ujung nya untuk membatasi air yang masuk ke dalam pipa
pengujian. Rangka luar tempat pengujian tersebut dibuat dari akrilik dan mempunyai
ukuran panjang 65 cm, lebar 45 cm, dan tinggi 55 cm. Pemberian rangka luar ini bertujuan
sebagai dudukan dalam peletakan pipa-pipa PVC tempat pengujian air, sekaligus sebagai
tempat peletakan rangkaian pengontrol utama keseluruhan alat. Pada gambar 3.20
ditunjukkan maket yang sudah dibuat.
Gambar 3.20. Maket Yang Sudah Dibuat. (a) Tampak depan. (b) Tampak samping kiri.
(c) Tampak samping kanan
3.2.8.
Solenoid valve
Solenoid valve diberikan pada setiap ujung masukan dan keluaran pipa sebagai
pembatas sekaligus penahan air pada saat proses pengujian. Total solenoid valve dalam
sistem ini ada 6 buah. Pada gambar 3.21 ditunjukkan Solenoid Valve Dalam Sistem.
31
Gambar 3.21. Solenoid Valve Dalam Sistem
3.2.9.
Pompa Air Baku
Pada pompa air baku ini menggunakan submersible pump akuarium. Pompa
tersebut diletakkan tandon air baku. Pompa ini nanti yang akan mengambil air dari tandon
untuk dibawa ke ruang pengujian dalam pipa.
3.2.10.
Pompa Air Akuades
Pada pompa air akuades ini menggunakan submersible pump akuarium. Pompa
tersebut diletakkan tandon air akuades. Pompa ini nanti yang akan mengambil air dari
tandon untuk dibawa ke ruang pengujian dalam pipa dan melakukan pembilasan ruang uji
kemudian langsung dibuang keluar kembali dari dalam ruang uji.
3.3.
Perancangan Perangkat Lunak
Pada bagian ini dijelaskan mengenai perancangan perangkat lunak. Perancangan
perangkat lunak akan dijelaskan dalam diagram alir keseluruhan alat.
32
3.3.1. Diagram Alir Keseluruhan Alat
Pada Gambar 3.22 akan ditunjukkan diagram alir program mikrokontroler secara
keseluruhan.
Gambar 3.22. Diagram Alir Keseluruhan Alat.
Alat
33
Penjelasan diagram alir program mikrokontroler adalah sebagai berikut :

Pada saat alat dinyalakan maka program akan melakukan inisialisasi.

Setelah inisialisasi selesai maka sistem akan menampilkan tampilan pembuka
berupa judul skripsi dan nama penulis pada LCD karakter 20x4.

Kemudian sistem masuk pada state menu, dimana akan tertampil pada LCD
karakter, 2 pilihan menu yaitu “Pengujian Manual” dan “Pengujian Otomatis”.

Ketika diberikan pilihan ‘1”, maka akan masuk ke bagian pengujian manual.
Pengujian manual dimulai dengan state pembilasan ruang uji dengan air murni
terlebih dahulu, kemudian selanjutnya ke state pengisian air baku sampel yang
akan diuji. Air sudah masuk ke dalam ruang uji, proses pengukuran dimulai dan
dilanjutkan pengolahan data, diakhiri dengan hasil yang ditampilkan pada LCD
karakter 20x4. Hasil yang terbaca ini kemudian disaring, apakah pH yang
terbaca sensor memenuhi kriteria diantara 6,5-8,5. Jika tidak memenuhi akan
tertampil pesan bahwa air tidak memenuhi kriteria pH yang diinginkan dan
selanjutnya menuju state pembilasan dan selesai, kembali ke state menu awal.
Jika memenuhi, maka akan disaring data sensor TDS, apakah TDS berada dalam
jarak 0-200ppm dan suhu berada pada +/- 3oC dari suhu udara yang terbaca.
Jika memenuhi kriteria maka, langkah selanjutnya adalah pengisian air baku
untuk dibawa ke saluran UV. Akan tetapi jika tidak memenuhi kriteria maka,
langkah selanjutnya adalah pengisian air baku akan dibawa ke saluran RO.

Ketika diberikan pilihan ‘2”, maka akan masuk ke bagian pengujian Otomatis.
Langkah kerja pengujian dan pengolahan data sama. Yang membedakan adalah
pada proses terakhir, saat pengisian air baku ke saluran RO atau UV, delay
waktu pengujian akan menyala selama satu jam, kemudian ketika sudah
mencapai satu jam, sistem akan melakukan pengujian kembali secara otomatis.
Saat proses pengujian otomatis ini berlangsung, jika ketika pengolahan data
ditemukan hasil keluaran pH yang tidak memenuhi kriteria, maka akan tertampil
pesan bahwa air tidak memenuhi kriteria pH yang diinginkan dan selanjutnya
menuju state pembilasan, sekaligus secara otomatis keluar dari mode pengujian
otomatis, dan kembali ke state menu awal.
34