Templat tesis dan disertasi

23
3
PENERAPAN FILM Ba0,55Sr0,45TiO3 (BST) SEBAGAI SENSOR
CAHAYA DAN SENSOR SUHU PADA MODEL SISTEM
PENGERING OTOMATIS PRODUK PERTANIAN BERBASIS
ATMEGA8535
Pendahuluan
Indonesia sebagai negara agraris yang memiliki lahan pertanian yang subur,
ironisnya justru mengimpor beras dari negara lain. Salah satu penghambat
produksi beras di Indonesia yaitu permasalahan pada proses pengeringan gabah.
Selama ini para petani Indonesia hanya mengandalkan panas matahari untuk
mengeringkan gabah hasil panennya sehingga pada saat musim hujan mereka
mengalami kesulitan dalam proses pengeringannya. Pengeringan menggunakan
panas matahari membutuhkan waktu minimal 3 hari untuk mencapai kadar air
minimal dalam gabah agar dapat digiling dengan sempurna sehingga jika hari
hujan petani tidak dapat mengeringkan gabah mereka dan hal ini dapat
menyebabkan gabah rusak yang pada akhirnya beras yang dihasilkan memiliki
kualitas jelek (Daulay, 2005).
Kelemahan menjemur dengan memanfaatkan panas matahari adalah ketika
malam hari atau cuaca tidak mendukung (mendung, hujan) maka proses
pengeringan produk pertanian tidak dapat berlangsung.
Dryer (pengering) digunakan sebagai alat kontrol ketika cuaca tidak
mendukung untuk proses pengeringan. Tentunya, dengan adanya dryer proses
pengeringan produk pertanian akan terus berjalan sehingga akan mempercepat
proses pengeringan produk pertanian.
Bahan dan Metode
Pembuatan mekanik sistem pengering
Model dibuat dengan ukuran alas 50 cm x 50 cm dari bahan plastik mika
membentuk sebuah rumah. Membuka/menutupnya atap bagian kanan dan kiri
digerakan oleh 2 motor servo. Model sistem pengering ditunjukkan pada Gambar
21 sampai Gambar 27.
Gambar 21. Model tampak depan
24
Gambar 22. Model tampak belakang
Gambar 23. Model tampak samping
Gambar 24. Model tampak atas
25
Gambar 25. Model tampak bawah
Gambar 26. Model atap terbuka
Gambar 27. Desain pemasangan motor servo
Rangkaian sensor cahaya dan sensor suhu
Sensor yang digunakan terdiri atas 2 buah film BST yang yang masingmasing dirangkai dengan rangkaian jembatan wheatstone. Jembatan wheatstone
digunakan untuk menambah sensitivitas sensor. Sinyal tegangan keluaran dari
26
jembatan wheatstone diperkuat oleh rangkainan op-amp. Untuk op-amp
digunakan IC LM324. Rangkaian op-amp ditunjukkan pada Gambar 10.
Rangkaian catu daya
Supaya sistem pengering otomatis dapat bekerja maka sistem harus diberi
tegangan sumber. Input sumber tegangan sebesar 220 volt diturunkan dengan
menggunakan transformator step down. Output AC dari sisi sekunder
transformator kemudian disearahkan dengan menggunakan dioda bridge sebagai
penyearah gelombang penuh dan mengubah tegangan AC menjadi DC. Dari hasil
penyearahan menggunakan dioda bridge masih terdapat tegangan bolak-baliknya
(dengan kata lain tegangan riak). Untuk mengurangi tegangan riak hasil dari
penyearahan maka digunakan kapasitor yang berfungsi sebagai penapis.
Untuk mendapatkan output 5 volt DC digunakan IC regulator tegangan
LM 7805 sebagai penyetabil tegangan 5 volt DC. Sedangkan untuk mendapatkan
output 12 volt DC digunakan IC regulator tegangan LM 7812 sebagai penyetabil
tegangan 12 volt DC. Pada keluaran IC 7805 dipasang transistor 2N3055 yang
digunakan untuk memperkuat arus output. Dipasang juga kapasitor sebesar
100µF/25v sebagai filter tegangan. Gambar rangkaian catu daya ditunjukkan pada
Gambar 28.
7812
Vin
Vout
+12V/1A
GND
10uF/25V
12V
5A
7805
5A
Vin
CT
2N3055
Vout
330
100uF/25V
10 K
+5V/2A
4700uF/25V
100nF
5A
1N4001
5A
12V
4700uF/25V
GND
Gambar 28. Skema power supply
Rangkaian mikrokontroler ATMega8535
Pada rangkaian sistem pengering otomatis, mikrokontroler ATMega8535
mendapat catu daya 5 volt. PORTA pada mikrokontroler digunakan sebagai input
yang dipakai untuk mengontrol tegangan analog dari sensor cahaya BST dan
sensor suhu BST yang masuk ke mikrokontroler. Rangkaian mikrokontroler
ATMega8535 ditunjukkan pada Gambar 29.
27
Gambar 29. Rangkaian mikrokontroler ATMega8535
Rangkaian driver relay
Driver relay digunakan untuk pensaklaran arus AC (mengaktifkan dryer
220 AC). Rangkaian driver relay disusun secara darlington yang terdiri 2 buah
transistor bipolar (Anas, 2010). Rangkaian driver relay ditunjukkan pada Gambar
30.
Gambar 30. Rangkaian driver relay
Rangkaian liquid crystal display (LCD)
Rangkaian LCD 16 x 2 yang ditunjukkan pada Gambar 31 dihubungkan
ke PORTB pada mikrokontroler. LCD digunakan untuk menampilkan output
perubahan tegangan baik dari sensor cahaya BST maupun dari sensor suhu BST
akibat pemberian rangsangan tertentu pada masing-masing sensor BST. Output
perubahan tegangan dari sensor cahaya BST dikonversi dan ditampilkan dalam
satuan lux, sedangkan output perubahan tegangan dari sensor suhu BST
dikonversi dan ditampilkan dalam satuan oC.
28
Vcc
LCD
Connector
1
2
3
50 K
PB.0
PB.1
PB.2
PB.4
PB.5
PB.6
PB.7
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Gambar 31. Rangkaian LCD
Perancangan Perangkat Lunak
Perancangan perangkat lunak mempergunakan bahasa C melalui
mikrokontroler sebagai sistem programmable. CPU, memori, dan I/O yang
dirangkai dalam satu chip merupakan parameter pendukung dalam perancangan
perangkat lunak untuk menjalankan sistem. Software yang digunakan adalah Code
Vision AVR untuk pembuatan program. Pembuatan program ini meliputi
pembuatan program pada mukrokontroler dengan Code Vision AVR, dan
pembuatan coding program dengan menggunakan bahasa C.
Hasil dan Pembahasan
Rancangan Film Sebagai Sensor Cahaya BST dan Sensor Suhu BST
Film BST yang memiliki sensitivitas terbaik digunakan pada model sistem
pengering otomatis. Ada dua film yang digunakan sebagai sensor, satu untuk
sensor cahaya dan satu untuk sensor suhu (film BST terbaik). Kedua sensor ini
digunakan untuk membaca tegangan output dari masing-masing rangsangan yang
diberikan. Perubahan tegangan output yang kecil perlu diperkuat oleh rangkaian
penguat dengan tujuan dapat dibaca oleh mikrokontroler. Mikrokontroler
ATMega8535 menggunakan ADC dengan resolusi 8 bit=255 desimal, dengan
tegangan referensi 4,8 V, sehingga mikrokontroler dapat membedakan tegangan
yang masuk sebesar 0,0188 V.
Digunakan dua rangkaian penguat, yaitu rangkaian penguat diferensial
yang merupakan gabungan antara rangkaian penguat noninverting (penguat 1) dan
penguat inverting (penguat 2) yang berfungsi untuk membandingkan dua input
yang masuk. Rangkaian penguat diferensial digunakan karena pada tahap awal
film dirangkai dengan jembatan wheatstone yang mempunyai dua keluaran.
Rangkaian penguat kedua adalah rangkaian penguat noninverting (penguat 3).
Pada rangkaian penguat inverting (penguat 2), tegangan referensi diberi tegangan
referensi positif, sehingga nilai penguatannya akan bernilai positif.
Besar penguatan untuk rangkaian penguat diferensial adalah 2 kali.
Sedangkan besar penguatan untuk rangkaian penguat noninverting (penguat 3)
29
adalah 11 kali. Sehingga total penguatan rangkaian sensor adalah 22 kali. Total
penguatan sensor sebesar 22 kali memberikan perubahan tegangan output yang
kecil menjadi 22 kali lebih besar, sehingga perubahan tegangan output tersebut
dapat dibaca oleh mikrokontroler.
Perhitungan besar penguatan pada rangkaian sensor cahaya dan sensor suhu
BST adalah sebagai berikut:
Besar penguatan untuk rangkaian penguat diferensial adalah:
Vout
Rf
= 1+
Vin
Rin
Rf
Rin
Vout
R6
= 1+
Vin
R5
R4
R3
Vout
100K
= 1+
Vin
100K
100K
100K
Vout
= 2 kali
Vin
Besar penguatan untuk rangkaian penguat noninverting (penguat 3) adalah:
Vout
Rf
= 1+
Vin
Rin
R2
Vout
= 1+
R1
Vin
1M
Vout
= 1+
Vin
100K
Vout
= 11 kali
Vin
Total penguatan rangkaian sensor adalah 22 kali.
Pengujian rangkaian catu daya
Tujuan pengujian rangkaian catu daya adalah untuk mengukur tegangan
keluaran dan arus keluaran pada catu daya. Dengan menggunakan sebuah
multimeter, maka tegangan dari output regulator dapat diukur. Tegangan yang
diperoleh dari pengujian sebesar 4,96 volt dan 12,04 volt. Tegangan yang
diperoleh dari hasil pengujian digunakan sebagai sumber tegangan untuk
mensuplay tegangan pada rangkaian elektronika. Sumber tegangan 4,96 volt
digunakan untuk mensuplay tegangan pada rangkaian mikrokontroler, sensor
cahaya BST, sensor suhu BST, motor servo dan LCD. Sedangkan sumber
tegangan 12,04 volt digunakan untuk mensuplay tegangan pada rangkaian driver
relay.
30
Pengujian rangkaian mikrokontroler ATMega8535
Rangkaian pengendali pada prototipe sistem pengering otomatis adalah
sebuah mikrokontroler 8 bit ATMega8535. Tegangan output dari rangkaian sensor
cahaya dan sensor suhu adalah sinyal input untuk mikrokontroler.
Mikrokontroler ATMega8535 mempunyai 42 pin. Pengujian
mikrokontroler dilakukan langsung pada rangkaian mikrokontroler sistem
pengering otomatis yang ditunjukan pada Gambar 32. Input untuk mikrokontroler
dari sensor cahaya BSTadalah PORTA.0, sedangkan input dari sensor suhu BST
adalah PORTA.1. PORTD.0 digunakan sebagai output untuk meng-on/off-kan
driver relay. PORTB digunakan sebagai output untuk LCD. PORTC.6 dan
PORTC.4 digunakan sebagai output ke motor servo 1 dan motor servo 2.
PORTD.6, PORTC.1, PORTC.0, dan PORTD.7 digunakan sebagai input dari
switch 1, switch 2, switch 3, dan switch 4.
LCD
RW
E
Data 4
Data 5
Data 6
Data 7
Relay
Switch 1
PORTB.0
PORTB.1
PORTB.2
PORTB.3
PORTB.4
PORTB.5
PORTB.6
PORTB.7
RESET
VCC
GND
XTAL2
XTAL1
PORTD.0
PORTD.1
PORTD.2
PORTD.3
PORTD.4
PORTD.5
PORTD.6
PORTA.0
PORTA.1
PORTA.2
PORTA.3
PORTA.4
PORTA.5
PORTA.6
PORTA.7
AREF
GND
AVCC
PORTC.7
PORTC.6
PORTC.5
PORTC.4
PORTC.3
PORTC.2
PORTC.1
PORTC.0
PORTD.7
BST Light Sensor
BST Temprature Sensor
Servo 1
Servo 2
Switch 2
Switch 3
Switch 4
Gambar 32. Rangkaian mikrokontroler sistem pengering otomatis
Pengujian rangkaian driver relay
Relay berfungsi sebagai saklar elektronik. Pada sistem pengering otomatis,
relay digunakan untuk mengaktifkan dan mematikan dryer 220 AC. Dryer 220
AC digunakan saat kondisi atap tertutup, sehingga proses pengeringan tetap
berlangsung.
Rangkaian driver relay terdiri dari dua transistor bipolar yang disusun
secara darlington (Gambar 30). Fungsi transistor ini adalah mengalirkan arus jika
terdapat arus bias pada kaki basisnya. Pada sistem pengering otomatis, relay
dikontrol oleh mikrokontroler ATMega8535.
Prinsipnya, jika PORTA.0 mendapat input gelap (kondisi atap tertutup),
maka PORTD.0 memerintahkan driver relay dalam keadaan NC yang akan
menghubungkan arus AC ke dryer 220 AC, sehingga dryer 220 AC hidup. Jika
PORTA.0 mendapat input terang (kondisi atap terbuka), maka PORTD.0
memerintahkan relay dalam keadaan NO yang akan memutuskan arus AC ke
dryer 220 AC, sehingga dryer 220 AC mati.
Dalam kondisi input gelap, sensor suhu berfungsi untuk membaca
perubahan suhu di dalam sistem pengering. Input dari PORTA.1 bekerja
memerintahkan PORTD.0. Jika PORTA.1 mendapat input suhu ≤ 60 oC, maka
PORTD.0 memerintahkan relay dalam keadaan NC yang akan menghubungkan
31
arus AC ke dryer 220 AC, sehingga dryer 220 AC hidup. Ketika PORTA.1
mendapat input suhu > 60 oC, maka PORTD.0 memerintahkan relay dalam
keadaan NO sampai suhu mencapai 30 oC, saat suhu < 30 oC maka PORTD.0 aktif
kembali memerintahkan driver relay dalam keadaan NC. Proses tersebut
berlangsung secara terus menerus saat kondisi atap tertutup.
Pengujian berfungsi atau tidaknya rangkaian driver relay dilakukan
dengan memberikan input tegangan. Tabel 4 menunjukkan hasil pengujian
rangkaian driver relay. Saat driver relay belum diberi input tegangan maka relay
belum tersinergis. Saat relay diberi input tegangan maka relay akan tersinergis.
Tabel 4. Hasil pengujian rangkaian relay
Input Tegangan
Kondisi
(V)
0
Tidak Tersinergis/off
4, 96 – 5,00
Tersinergis/on
Output
Tegangan AC Tidak Terhubung
Tegangan AC Terhubung
Pengujian rangkaian liquid crystal display (LCD)
Untuk menjalankan sebuah LCD supaya bisa bekerja dengan baik, maka
pin LCD dihubungkan dengan PORTB pada mikrokontroller. Pada pengujian
LCD dibuat sebuah tampilan suhu yang terukur di dalam ruangan sistem
pengering. Pin sensor suhu BST dihubungkan dengan PORTA.1. Suhu yang
terukur berasal dari data yang terbaca sensor suhu BST. Output berupa tegangan
diolah menjadi data digital pada Analog Digital Converter (ADC) internal
ATMega8535. Data digital diolah oleh mikrokontroler. LCD berukuran 16 x 2
akan menampilkan perubahan tegangan dalam satuan derajat Celcius (oC) ketika
sensor suhu BST diberikan rangsangan suhu, tentunya dengan tahapan
memasukan persamaan linear (hasil karakterisasi monoton naik sensor suhu BST )
ke dalam listing program ADC pada Code Vision AVR. Tampilan suhu terukur
ditunjukkan pada Gambar 33.
Gambar 33. Tampilan suhu yang terukur sensor suhu BST pada LCD 16 x 2
32
Pengujian motor servo
Motor servo yang digunakan adalah motor servo standar 180° produk
HITEC HS-646MG. Motor servo ini hanya mampu bergerak dua arah dengan
defleksi masing-masing sudut mencapai 90°, sehingga total defleksi sudut dari
kanan - tengah - kiri adalah 180°.
Pulsa kontrol motor servo dikendalikan oleh sebuah pulsa selebar ±20 ms,
dimana lebar pulsa antara 0,5 ms dan 2 ms menyatakan akhir dari range sudut
maksimum. Jika motor servo diberikan pulsa dengan besar 1,5 ms mencapai
gerakan 90°, maka bila berikan pulsa kurang dari 1,5 ms maka posisi mendekati
0° dan bila berikan pulsa lebih dari 1,5 ms maka posisi mendekati 180°.
Pada pengujian motor servo, bagian pin kontrolnya diberikan sinyal PWM
dengan frekuensi 50,31 Hz yang ditunjukkan pada Gambar 34, dimana pada saat
sinyal dengan frekuensi 50,31 tersebut dicapai kondisi ton duty cycle 1,5 ms,
maka rotor dari motor akan berhenti tepat di tengah-tengah.
Gambar 34. Frekuensi sinyal PWM
Pengujian motor servo dilakukan langsung pada mekanik atap sistem
pengering bagian kanan dan kiri dengan mengubah frekuensi sinyal PWM. Tabel
5 menunjukkan data frekunsi sinyal PWM yang digunakan motor servo untuk
membuka/menutup atap.
Tabel 5. Data frekuensi sinyal PWM untuk membuka/menutup atap sistem
pengering otomatis.
Frekuensi Sinyal
Frekuensi Sinyal
PWM untuk
PWM untuk Menutup
MotorServo
Membuka Atap
Atap
(Hz)
(Hz)
Servo 1
28
68
Servo 2
62
20
33
Dalam pengujian ini, motor servo langsung dikontrol dari mikrokontroler
yang terhubung dengan PORTC.6 untuk motor servo 1 dan PORTC.4 untuk motor
servo 2. Motor servo 1 digunakan untuk menggerakan atap bagian kanan,
sedangkan motor servo 2 digunakan untuk menggerakan atap bagian kiri.
Pengujian rangkaian keseluruhan sistem
Pengujian secara keseluruhan dilakukan dengan menggabungkan masingmasing rangkaian menjadi satu sistem yang terpadu. Rangkaian sensor cahaya
BST, sensor suhu BST, driver relay, motor servo, LCD, switch, mikrokontroler
ATMega8535 digabungkan menjadi satu dalam suatu prototipe sistem pengering
sehingga terbentuk suatu sistem pengering otomatis yang berbasiskan
mikrokontroler ATMega8535 dengan bahasa C sebagai bahasa pemrograman
yang digunakan. Skema rangkaian keseluruhan elektronika sistem pengering
otomatis ditunjukkan pada Gambar 35.
R6
100 K
R9
4,7 K
+
LM324
R4
100 K
R3
100 K
+
BST film
-
R7
100 Ω
+
LM324
+
-
R1
100 K
R15
100 K
R17
1M
R18
4,7 K
R14
100 K
+
LM324
+
BST film
R16
100 Ω
-
16 x 2 LCD
1 Vcc
2 Gnd
3 VEE
4 RS
5 RW
6E
7 Data 0
8 Data 1
9 Data 2
10 Data 3
11 Data 4
12 Data 5
13 Data 6
14 Data 7
15 Vcc
16 Gnd
R8
1M
R5
100 K
+
LM324
+
R2
1M
R13
100 K
R12
100 K
+
LM324
+
-
+
LM324
+
PORTB.0
PORTB.1
PORTB.2
PORTB.3
PORTB.4
PORTB.5
PORTB.6
PORTB.7
RESET
VCC
GND
XTAL2
XTAL1
PORTD.0
PORTD.1
PORTD.2
PORTD.3
PORTD.4
PORTD.5
PORTD.6
PORTA.0
PORTA.1
PORTA.2
PORTA.3
PORTA.4
PORTA.5
PORTA.6
PORTA.7
AREF
GND
AVCC
PORTC.7
PORTC.6
PORTC.5
PORTC.4
PORTC.3
PORTC.2
PORTC.1
PORTC.0
PORTD.7
SERVO 1
SERVO 2
COMMON
R10
100 K
R11
1M
Switch 1
Switch 3
Switch 4
RELAY
Switch 2
1N 4001
NC
NO
100 K
Q1
C828
Q2
TIP31C
Gambar 35. Rangkaian keseluruhan elektronika sistem pengering otomatis
Prinsipnya, saat catu daya dihidupkan, catu daya memberikan tegangan
input yang dibutuhkan setiap rangkaian elektronika yang digunakan. Sistem ini
menggunakan 2 buah film BST yang digunakan sebagai sensor cahaya dan sensor
suhu. Sensor cahaya BST akan mendeteksi ada atau tidaknya cahaya yang
diterima, sedangkan sensor suhu BST digunakan untuk membaca perubahan suhu
di dalam ruangan sistem pengering otomatis. Data yang diterima dari sensor
cahaya BST dan sensor suhu BST kemudian dikirim ke mikrokontroler.
Mikrokontroler akan mengolah data yang terbaca dari kedua sensor BST.
Apabila data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah terang, maka
mikrokontroler akan memberikan perintah pada masing-masing motor servo untuk
membuka atap bagian kanan dan kiri. Mikrokontroler juga akan memberikan
perintah untuk mengnonaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan mati.
34
Jika data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah gelap, maka
mikrokontroler akan memberikan perintah pada masing-masing motor servo untuk
menutup atap bagian kanan dan kiri. Mikrokontroler juga akan memberikan
perintah untuk mengaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan hidup.
Ketika data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah gelap, jika data
yang terbaca dari sensor suhu BST adalah ≤ 60 oC, mikrokontroler akan
memberikan perintah untuk mengaktifkan driver relay sehingga dryer dalam
keadaan hidup. Jika data yang terbaca dari sensor suhu BST > 60 oC,
mikrokontroler akan memberikan perintah untuk mengnonaktifkan driver relay
sehingga dryer dalam keadaan mati sampai data yang terbaca oleh sensor suhu
BST mencapai 30 oC. Saat data yang terbaca sensor suhu BST < 30 oC maka
mikrokontroler akan memberikan perintah untuk mengaktifkan kembali driver
relay sehingga dryer dalam keadaan hidup.
Penentuan data dari sensor cahaya BST terbaca terang atau gelap,
ditentukan dari nilai komparator yang ditentukan pada program. Jika data
intensitas cahaya sensor cahaya BST > intensitas cahaya komparator maka
dikatakan terang, dan sebaliknya. Data yang terbaca dari sensor cahaya BST dan
sensor suhu BST ditampilkan dalam LCD berukuran 16 x 2.
Switch pada rangkaian sistem pengering otomatis digunakan untuk
memasukan intensitas cahaya komparator, memasukan batasan pembacaan suhu
untuk sensor suhu BST, pengecekan dryer, pengecekan buka tutup atap yang
digerakan oleh motor servo. Dengan kata lain switch berfungsi untuk
mengendalikan sistem pengering secara manual.
Simpulan
Telah berhasil dilakukan penerapan film BST sebagai sensor cahaya dan
suhu pada model sistem pengering otomatis produk pertanian berbasis
mikrokontroler ATMega8535 dengan prinsip kerja memanfaatkan film BST
sebagai saklar otomatis.