detektor emisi gas buang dalam mobil dengan dilengkapi

MAKALAH SEMINAR TUGAS AKHIR
DETEKTOR EMISI GAS BUANG DALAM MOBIL
DENGAN DILENGKAPI ANTARMUKA KOMUNIKASI SERIAL
Irfan Aulino Budi Satrio*, Adian Fatchur Rochim**, Trias Andromeda**
Abstrak- Polutan dari emisi kendaraan bermotor disebabkan oleh beberapa faktor yaitu : sistem pembakaran mesin, jenis bahan
bakar, kemacetan lalu lintas, perilaku pengemudi, jenis kendaraan, kontrol emisi, fungsi penegakan hukum dan lain-lain. Polutan
yang dihasilkan oleh emisi kendaraan bermotor meliputi : Karbon Monoksida (CO), Sulfur Dioksida (SO2), Nitrogen Monoksida
(NOX), Hidrokarbon (HC), Partikel Timbal (PB), asap dan abu. Polutan tersebut dapat menimbulkan gangguan pada manusia,
hewan, tumbuhan dan benda lainnya.
Umumnya perangkat detektor yang kita temui ditempat-tempat pengujian emisi dilakukan diluar kabin penumpang melalui
saluran pembuangan / knalpot mobil. Tetapi bagaimana dengan reaksi polutan terhadap penumpang mobil tersebut ?
Pada tugas akhir ini dirancang suatu perangkat detektor yang akan menampilkan 4 (empat) kadar polutan emisi gas buang
mobil yang masuk kedalam kabin penumpang dengan dukungan antarmuka komunikasi serial.
Sistem minimum yang digunakan adalah produksi Innovative Electronics yaitu DT-51 Low Cost Microsystem ver 2.0.
Perangkat dapat berdiri sendiri (standalone) menggunakan tampilan LCD M1632 dan mendukung pengakusisian data secara visual
(grafik) yang dimaksudkan untuk menambah keakuratan hasil melalui komputer melalui antarmuka serial RS232. Perangkat lunak
menggunakan bahasa Assembly MCS-51, Microsoft Visual Basic 6 serta Microsoft Access sebagai basis data pendukungnya.
I.
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Pada umumnya para penumpang mobil yang
menggunakan sistem pendingin udara atau AC (Air
Conditioner) akan menutup rapat semua jendela mobil tersebut
saat menggunakan AC.
Hal ini memang wajar, akan tetapi dapat merugikan
penumpang mobil tersebut apabila sistem ventilasi tersebut
terdapat kebocoran sehingga gas buang mesin kendaraan
tersebut masuk ke kabin penumpang melalui saluran AC.
Sebagai contoh pada saat jalanan macet, lazimnya penumpang
akan menutup rapat semua jendela mobil karena diluar udara
sangat kotor, kemudian tanpa disadari asap kendaraan masuk
kekabin penumpang melalui AC tersebut.
Karena tidak ada sistem ventilasi lain maka gas buang
mesin ini akan berada diruang kabin yang tertutup rapat dan
dihisap terus menerus oleh penumpang yang ada. Jika kadar gas
yang dihisap mencapai batas tertentu akan dapat menyebabkan
gangguan kesehatan.
Pada tugas akhir ini dirancang suatu perangkat detektor
yang akan menampilkan 4 (empat) kadar polutan emisi gas
buang mobil (yaitu NOx, CO, HC dan H2) yang masuk kedalam
kabin penumpang dengan dukungan antarmuka komunikasi
serial.
II.
DASAR TEORI
2.1
Emisi Gas Buang Mesin Mobil
Reaksi pembakaran pada mesin mobil merupakan hasil
reaksi yang seimbang antara reaktan dan produk reaksinya,
seimbang disini berarti memiliki massa yang sama. Gambar 1
menjelaskan rasio udara-bahan bakar.
Keadaan seperti diatas dapat dicapai pada pembakaran
sempurna, dimana perbandingan AF / Air Fuel Ratio dapat
dicapai. Sebaliknya, yaitu proses pengapian yang kurang baik
akibat campuran yang masuk ke ruang pembakaran tersebut
terlalu miskin atau terlalu kaya. Bila terlalu miskin, mesin tidak
akan mencapai tenaga penuh dan menjadi panas.
Sebagaimana zat-zat yang merugikan dalam gas buang
adalah :
1. HC / CH (Karbon-Hidrogen yang tidak terbakar),
merupakan pengisapan bensin dan bensin yang tidak
terbakar.
2. NO (Nitrogen Monoksida). Gas ini dibentuk dalam mesin,
khusus pada suhu tinggi (kira-kira diatas 2000
C). NO
merupakan gas yang berbahaya karena mengganggu saraf
pusat. Disamping itu, dengan adanya O2 ia bereaksi
sehingga terbentuk NO2. Gas tersebut juga mengeluarkan
bau yang menyengat dan dapat menyebabkan edema paruparu dan bronchitis.
Selanjutnya di udara yang mengandung NO dan UHC, sinar
matahari akan menyebabkan terbentuknya kabut asap foto
kimia (Photochemical SMOG), yang merupakan masalah
polusi udara yang gawat, khususnya di kota-kota besar.
3. CO (Karbon Monoksida / Uap Karbon). Gas ini dalam
badan manusia menyerang butir-butir darah merah yang
bertugas membawa zat asam keseluruh badan. Di dalam
ruang tertutup persentase volume CO 0,1% atau lebih tinggi
sudah mematikan.
4. Asap Hitam. Asap ini hanya membahayakan karena
mengeruhkan udara sehingga mengganggu pandangan,
tetapi juga karena adanya kemungkinan mengandung
karsinogen.
2.2
Gambar 1. Rasio Udara-BB (AF / Air Fuel Ratio) menyatakan banyaknya udara
yang digunakan tiap unit massa dari BB saat proses pembakaran.
Analisa persamaan kimia dari proses pembakaran
dapat ditulis sebagai :s
C x H 2 y p ( O2 qN 2 ) xCO2 yH 2 O zO2 pqN2 .............. (2.1)
* Mahasiswa Teknik Elektro UNDIP
** Dosen Teknik Elektro UNDIP
Figaro TGS 2201
Elemen sensor terdiri atas suatu lapisan semi konduktor
oksida-logam yang dibentuk pada substrat aluminium dari
sebuah chip sensor dengan suatu pemanas terintegrasi. Pada saat
gas yang dideteksi ditemukan, maka konduktifitas sensor
berubah tergantung pada konsentrasi gas di udara. Suatu sirkit
elektris sederhana dapat mengkonversi perubahan dalam
konduktifitas suatu sinyal keluaran sesuai dengan konsentrasi
gas tersebut.
TGS 2201 berisi dua elemen sensor yang tidak saling
terhubung pada sebuah substrate dan menghasilkan keluaran
sinyal terpisah untuk merespon gas buang mesin diesel dan
mesin bensin. Fitur ini membuat TGS2201 adalah sensor ideal
untuk aplikasi sistem kontrol damper (plat logam) otomatis
untuk ventilasi mobil.
Gambar 2. menunjukkan struktur dan dimensi sensor tipe TGS
22XX. Tabel 1. menunjukkan spesifikasi sensor TGS 2201.
ADC 0809 merupakan IC pengubah tegangan analog
menjadi digital dengan masukan 8 kanal yang dapat dipilih
melalui penyandi alamat. ADC 0809 mempunyai ketelitian
sebesar 1 bit LSB. Dalam melakukan konversi tegangan analog
ke digital, ADC 0809 menggunakan metode SAR (Successive
Approximation Register) dengan resolusi 8 bit dan waktu
konversi 100 s. Bentuk fisik dari ADC0809 terlihat pada
Gambar 2.3.
2.4
Gambar 2. Struktur dan dimensi TGS 22XX .
Tabel 1 Spesifikasi Sensor TGS 2201
Mikrokontroler AT89S51
Mikrokontroler Atmel AT89S51 adalah mikrokontroler
yang mengkonsumsi daya rendah, CMOS 8-bit mikrokontroler
dengan 4 bytes in-system programmable Flash memory.
Perangkat ini diproduksi Atmel dengan teknologi memori non volatile kepadatan tinggi dan kompatibel dengan set instruksi
dan pin out standar industri 80C51. On-chip Flash mampu
memprogram (in-system) ulang memori program atau dengan
memory programmer non-volatile konvensional. Gambar 4.
memperlihatkan konfigurasi pin mikrokontroler AT89S51.
Gambar 4. Konfigurasi pin AT89S51 (Dual In Line 40 pin ).
2.5
Hambatan sensor (RS ) dihitung dengan suatu nilai VRL, dengan
menggunakan persamaan berikut :
V VRL
Rs  C
x RL ........................................... (1)
VRL
dimana :
Vc = 7,0 ± 0,2 V DC
P S = 15 mW
VRL = Tegangan keluaran ukur diseberang RL
RL = Hambatan beban
2.3
Bahasa Rakitan (Assembly)
Bahasa rakitan (Assembly) memiliki hubungan yang
dekat dengan bahasa tingkat rendah, yaitu bahasa mesin
(*.HEX). Kelebihan dari bahasa ini adalah kemampuan akses ke
perangkat keras yang relatif cepat daripada bahasa tingkat tinggi.
Kelemahannya adalah terlalu rumit untuk menghitung dengan
variabel yang sangat kompleks bila dibandingkan dengan bahasa
tingkat tinggi. Program ini ditulis menggunakan perangkat lunak
teks editor seperti Notepad atau Editor DOS. Gambar 5
menunjukkan bentuk program sumber Assembly yang umum
dipakai.
Pengubah Analog ke Digital 0809 (ADC0809)
Gambar 5. Bentuk program sumber Assembly secara umum.
2.6
M1632 module LCD 16 x 2 Baris
M1632 merupakan modul dot-matrix tampilan kristal
cair (LCD) dengan tampilan 16 x 2 baris dengan konsumsi
daya rendah. Modul dilengkapi dengan mikrokontroler yang
didesain khusus untuk mengendalikan LCD, sebuah panel
kontras TN LCD yang tinggi dan suatu drive pengontrol CMOS
LCD. Mikrokontroler sebagai pengendali LCD mempunyai
suatu pembentuk generator karakter ROM/RAM ( CG
ROM/RAM, Character Generator RAM/ROM) dan penampil
data RAM (DDRAM, Display Data RAM). Semua fungsi
tampilan dikendalikan oleh instruksi dan modul yang mudah
dihubungkan dengan suatu unit mikroprosesor/mikrokontroler.
Gambar.3. Prinsip kerja secara umum dari rotary encoder
M1632.
Gambar 6 memperlihatkan konfigurasi pin dari LCD
1
Vss
V-BL
Vcc
LC D M 1632
2
3
Vee
RS R/W
4
5
16
V+BL
dan tampilan grafis di komputer. Alat pendeteksi emisi gas
buang ini mengubah masukan tegangan analog dari rangkaian
pengkondisi utama ke pulsa digital yang selanjutnya diolah oleh
mikrokontroler untuk ditampilkan secara langsung pada LCD 16
karakter 2 baris disamping antarmuka komunikasi serial untuk
pengolahan data lebih lanjut di komputer (PC).
15
E
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Gambar 6. Konfigurasi pin LCD M1632
2.7
Rangkaian Inverter
Inverter dipakai untuk mengubah daya arus searah
menjadi daya arus bolak-balik yang tegangan dan frekuensinya
dapat diatur. Tegangan bolak-balik yang dihasilkannya
berbentuk gelombang persegi dan pada pemakaian tertentu
dieprlukan filter untuk menghasilkan bentuk gelombang sinus.
Prinsip kerja inverter dapat dijelaskan sebagai berikut.
Bila kedudukan S1 dan S2 pada A (Gambar 7.(a), beban
mendapatkan tegangan positif, sedangkan tegangan negative
diperoleh ketika S1 dan S2 pada kedudukan B.
Gambar 9. Diagram kerja perangkat keras
Hambatan sensor (Rs) dihitung dengan mengukur nilai
dari V RL dengan menggunakan formula yang ditunjukkan pada
persamaan 2. Nilai Rs digunakan untuk mencari besarnya ppm
secara tidak langsung dengan membandingkan Rs dengan Ro
yaitu pada sumbu Y kurva karakteristik sensitivitas gas buang
mesin diesel (plotting grafik). Gambar 10. menjelaskan teknik
plotting gas buang mesin diesel.
Gambar 7. Prinsip kerja Inverter (a) dengan saklar. (b) bentuk gelombang
keluaran
2.8
Microsoft Visual Basic 6
Microsoft Visual Basic adalah bahasa pemograman
yang digunakan untuk membuat aplikasi Windows yang
berbasis grafis (GUI – Graphical User Interface).
Visual Basic merupakan even-driven programming
(pemograman terkendali kejadian) artinya program menunggu
sampai adanya respon dari pemakai berupa event/kejadian
tertentu (tombol diklik, menu dipilih dan lain-lain). Ketika
event terdeteksi, kode yang berhubungan dengan event
(prosedur event) akan dijalankan. Gambar 8 menunjukkan
antarmuka pengguna grafis Microsoft Visual Basic 6.
Gambar 10. Plotting gas buang mesin diesel
Sedangkan nilai Rs sulit dicari dengan penghitungan
langsung terhadap sirkit pengkondisi sensor pada saat terjadinya
perubahan masukan gas buang. Namun dengan melihat
spesifikasi sensor akan didapatkan sensitifitas (perubahan
perbandingan dari Rs).
Rs (0,3 ppm dari NO2)
.................................................... (3)
2,5
Rs (udara)
Hasil pengukuran tegangan sensor didapatkan Vc = VH
= 6,88 V. RL(Diesel) = 200K. R0(Diesel) = 250K. Dan Rs (0,3
ppm dari NO2) / R 0 dengan spesifikasi final (plotting grafik)
didapatkan 3,2.
V VRL
Rs  C
x RL
VRL
V V RL
250K  C
x 200K
VRL
1,25VRL VC 
VRL
VC 2,25 VRL
Gambar 8. Antarmuka Pengguna Grafis Visual Basic 6.
III.
3.1
PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT
Pendeteksi Emisi Gas Buang
Secara umum blok diagram rancangan alat adalah seperti
yang ditunjukkan pada Gambar 9 . Alat yang dirancang akan
membentuk suatu sistem alat pendeteksi kebocoran emisi dalam
mobil dengan dukungan komunikasi serial. Dimana untuk 4
jenis gas yang dideteksi menggunakan tampilan karakter LCD
RS
3,2
R0
R S 3,2 R 0 3,2 x 250KΩ800K
800K VC VRL

200K
VRL
5 VRL VC
6,88V
VRL 
1,376 V
5
Dari perhitungan diatas dapat diikuti untuk kadar ppm
NO X pada titik hambatan sensor yang lain (Tabel 2).
Tabel 2. Hasil perhitungan VRL pada elemen 1.
Rs/Ro
1,5
1,8
2,3
2,6
3,2
3,8
4,6
5,4
6,6
7,8
9,2
14
26
40
54
65
78
90
104
116
130
ppm
0,08
0,09
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
VRL
2,393043
2,116923
1,775484
2,620952
1,376
1,196522
1,019259
0,887742
0,743784
0,64
0,5504
0,371892
0,205373
0,134902
0,100438
0,083647
0,069848
0,060617
0,052519
0,047123
0,04208
Gambar 12. Alat Uji STARGAS 898 OTC
Gambar 13. Tampilan awal LCD M1632
Dengan menggunakan analogi pada Elemen Sensor 1
diatas dapat digunakan untuk mencari V RL untuk Elemen
Sensor 2. Namun tegangan VRL yang diatas jangkauan dari
ADC (yaitu >5V DC) harus dibagi dengan hambatan dengan total
= RL Elemen 2.
3.2
Sistem Minimum Mikrokontroler AT89S51
Dalam tugas akhir ini, penulis menggunakan sistem
minimum milik Innovative Electronics, yaitu DT-51 Low Cost
Microsystem ver.2. Mikrokontroler didalam rangkaian DT-51LC ini digunakan untuk membaca dan mengolah data yang
masuk melalui port masukan dan mengeluarkan data yang telah
diolah melalui port keluaran. Rangkaian sistem minimum DT51-LC dan penggunaan tiap portnya ditunjukkan pada Gambar
11.
Gambar 14. Tampilan LCD; Grup pertama (NOx dan CO)
Gambar 15. Tampilan LCD; Grup kedua (HC dan H2 )
Output/Port 0 :
P0.0- P0.7
LCD
Output/Port 1 :
P1.0- P1.7
Input /Port 2 :
P2.0- P2.7
ADC0809
MCU AT89S51
Output/Port 3 :
P3.0- P3.1
Antarmuka
RS232
NO X (mg/m3) 2,05 x NO X (ppm) .................................. (4.3)
Input /Port 3 :
P3.2- P3.3
Sedangkan untuk emisi gas buang mesin bensin, 3 polutan yang
diuji hanya dipilih satu yang sesuai, karena tidak
memungkinkannya perhitungan untuk diulang-ulang saat
pengujian.
Output/Port 3 :
P3.4- P3.7
Aktifasi
ADC0809
Gambar 11. Sistem minimum mikrokontroler AT89S51
IV .
Pengujian dengan pembanding alat uji emisi
STARGAS 898 OTC ini dilakukan tanggal 29 Oktober 2005 di
halaman kantor DLLAJ Jawa Tengah. Dari hasil pengujian
didapatkan perbedaan terbesar antara perangkat dengan
STARGAS yaitu pada polutan NOx sebesar 1,9 mg/m3 pada
konsentrasi 10 ppm dengan menggunakan perhitungan konversi :
Tabel 3. Hasil pengujian perangkat dengan Alat Uji Emsi STARGAS 898 OTC
NO
Datasheet
4 ppm
10 ppm
Konversi
8,04 mg/m3
20,1 mg/m3
PENGUJIAN DAN ANALISIS
Detektor Emisi Gas Buang memiliki tampilan LCD
M1632 bersifat berdiri sendiri, artinya tidak tergantung oleh
jalur komunikasi serial (RXD) yang diumpankan ke perangkat
pendeteksi.
Lewat pengujian di Dinas Lalu Lintas dan Angkutan
Jalan (DLLAJ) propinsi Jawa Tengah, Penulis mencoba
mentera alat uji Tugas Akhir ini dengan Alat Uji Emisi milik
DLLAJ Jawa Tengah tersebut.
DLLAJ
8 mg/m3
22 mg/m3
Kesalahan
0,04 mg/m3
1,9 mg/m3
Datasheet
200 ppm
500 ppm
1000 ppm
HC
DLLAJ
217 ppm
514 ppm
1039 ppm
Kesalahan
17 ppm
14 ppm
39 ppm
V. PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil percobaan, pengujian dan analisis yang
dilakukan didapatkan beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Sensor emisi berupa Figaro TGS2201 dapat bekerja dengan
baik hanya jika menggunakan rangkaian pengkondisi yang
telah diuraikan pada datasheet.
2.
Alat pendeteksi emisi gas buang telah ditera oleh DLLAJ
dan memperoleh hasil kesalahan maksimum sebesar 24
ppm pada 500 ppm polutan HC dan 39 ppm pada 1000
ppm polutan HC dibandingkan dengan STARGAS 898
OT.
3. Pada tegangan keluaran rangkaian pengkondisi utama
elemen 2 diluar jangkauan dari ADC0809 (+5V) sehingga
ditambahkan pembagi tegangan dengan perbandingan
1: 0,683.
4. Kesalahan pengubahan data dari analog ke digital oleh
ADC0809 memiliki kesalahan maksimal sebesar ½ LSB
dibandingkan perhitungan.
5. Pengubahan data paralel menjadi data serial UART
dilakukan oleh mikrokontroler dengan bitrate sebesar
1200,48 bps, Mode 1 UART Serial 8 Bit (1 bit start ‘0”, 1
bit stop ‘1’ dan 8 bit data).
6. Rangkaian inverter menggunakan prinsip Multivibrator
Astabil dan memiliki frekuensi sebesar 96,59 Hz.
7. Tegangan keluaran pada rangkaian antarmuka serial
RS232 sebesar 9,8 V untuk tegangan masukan 0 V dan
-10 V untuk tegangan masukan 5 V
[12] .................. ,
5.2 Saran
1. Untuk menjaga validitas hasil keluaran perangkat detektor
perlu diadakan standardisasi secara berkala.
2. Grafik pada Antarmuka Pengguna Grafis Visual Basic 6
agar terlihat lebih sesuai dengan grafik pada datasheet
sensor, sebaiknya mempunyai karakteristik sumbu Y yang
10
logaritmis 10 ( log(n)).
[21]
DAFTAR PUSTAKA
[1]
BPM Arends & H. Brenschot, Motor Bensin, Erlangga,
Jakarta 1980.
[2] Kusumo, Ario S., Buku Latihan – Microsoft Visual Basic
6.0, PT. Elexmedia Komputindo, Jakarta,
2000.
[3] Nalwan, Paulus Andi, Panduan Praktis Teknik Antarmuka
dan
Pemograman
Mikrokontroler
AT89C51, PT. Elexmedia Komputindo,
Jakarta 2003.
[4] Putra,
Agfianto
Eko,
Belajar
Mikrokontroler
AT89C51/52/55 Teori dan Aplikasi, Gaya
Media, Yogyakarta, 2002.
[5] Tocci, Ronald J, Digital System Principles and
Applications – Fifth Edition. Prentice-Hall
International. Inc., New Jersey, 1991.
[6] Sasmito, Agus, Standardisasi Gas Buang Pada
Kendaraan Bermotor, Seminar Nasional Penanggulangan Emisi Gas Buang,
Polines, Semarang 2005.
[7] Singhal, Sudhir IC Engines & Combustion, Mc GrawHill
Publishing Company Limited, New Delhi,
1992.
[8] Sunardi, Sistem Pengaturan Intensitas Cahaya Pada
Iklim Buatan dalam Rumah Kaca. Tugas
Akhir, Teknik Elektro, Universitas
Diponegoro, 2005.
[9] Zuhal, Dasar Tenaga Listrik – Edisi Kedua, Bandung,
1980
[10] Wasito, S, Vademakum Elektronika - Edisi Kedua, PT.
Gramedia, Jakarta, 2001.
[11] .................., ADC0808/ADC0809
Datasheet,
http://www.national.com, 2005.
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[22]
Aplikasi Sensor TGS 2201 Sebagai
Pendeteksi Gas Buang Mesin Bensin dan
Diesel, Komputek Edisi 464, PT. Jawa
Media Komputama, Surabaya 2005.
.................. , AT89S51 Datasheet, http://www.atmel.com,
2005.
.................. , DT-I/O
Led
Logic
Tester
A,
http://www.innovativeelectronic.com.
2004.
.................. , DT-51 Low Cost Micro System ver. 2.0,
http://www.innovative
electronic.com ,
2004.
.................. , LCD 44780 4 bit – AVR.asm,
http://www.delta-electronic.com, 2004.
.................. , Lyquid Crystal Display Module M1632 User
Manual, Seiko Instruments Inc., 1987.
.................. , MAX232 Datasheet, http://www.maximic.com, 2005.
.................. , MSDN Library - January 2001, Microsoft
Corporation, 2001.
.................. ,
TGS2201
Datasheet,
http://www.figarosensor.com, 2004.
.................. , 100 Watt Inverter (SC 282), Siemcor Product
– Ronica, 2001.
.................. , 8051 Cross Assembler User’s Manual,
Metalink Corporation, Chandler, Arizona,
1996.
Irfan Aulino Budi Satrio (L2F000609 )
lahir di Semarang, 22 Juni 1982.
Menempuh pendidikan dasar di SD
B
Pedurungan I Semarang lulus tahun
1994, kemudian melanjutkan ke SLTPN
2 Semarang lulus tahun 1997, dilanjutkan
lagi di SMUN 3 Semarang lulus 2000,
dan sampai saat ini masih menyelesaikan
studi S1 di Jurusan Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Diponegoro
Semarang Konsentrasi Elektronika dan
Telekomunikasi. Penulis dapat dihubungi di alamat email
[email protected].
Menyetujui dan Mengesahkan,
Pembimbing I,
Adian Fatchur Rochim S.T., M.T.
NIP. 132 205 680
Tanggal. ……………….
Pembimbing II,
Trias Andromeda, S.T., M.T,
NIP. 132 283 185
Tanggal. ……………….