6

BAB II

LANDASAN TEORI

Pada bab ini akan dibahas tentang Mikrokontroller, Arduino, ESP8266,

Sensor tekanan BMP180, komponen-komponen elektronik, Web server, Manometer

(Water Column) dan Biogas. Semua pebahasan tersebut berguna dalam menunjang

sistem yang akan dibuat, sehingga sistem dapat berjalan sesuai yang diharapkan.

2.1 Mikrokontroller

2.1.1 Definisi Mikrokontroller

Mikrokontroler adalah sebuah sistem komputer fungsional dalam sebuah

chip. Didalamnya terkandung sebuah inti prosesor, memori (sejumlah kecil RAM,

memori program, atau keduanya), dan perlengkapan input-output.

Gambar 2.1 Perbandingan Komputer PC dan Mikrokontroler

Ada banyak jenis mikrokontroler yang masing masing memiliki keluarga

atau series sendiri-sendiri. Secara garis besar pengelompokan keluarga

mikrokontroler ditentukan oleh perusahaan sesuai dengan spesifikasi terutama

kompabilitas dalam hal pemrograman. Jadi lebih mudahnya mikrokontroler punya

kesamaan dalam hal arsitektur. Yang membedakan secara fisik misalnya jumlah

pin, dan fitur-fiturnya seperti ukuran kapasitas memori program dam memori data,

jumlah timer, jumlah interupsi, dan lain-lain.[4]

Komputer PC Mikroprosesor

(CPU)

Memori

(RAM)

Memori

(ROM)

Piranti

I/O

Bus Data Bus Alamat

Mikrokontroler

Single Chip

Memori

(RAM)

Memori

(ROM)

Mikroprosesor

Piranti I/O

7

2.1.2 Jenis-jenis Mikrokontroler

Secara teknis ada 2 macam mikrokontroler, pembagian ini didasarkan

kompleksitas intruksi-intruksi yang dapat diterapkan pada mikrokontroler. Yaitu

RISC dan CISC yang masing-masing mempunyai keturunan dan keluarga sendiri.

RISC : Reduced Instruction Set Computer, Instruksi yang dimiliki terbatas, tetapi

memiliki fasilitas yang lebih banyak.

CISC : Complex Instruction Set Computer, Instruksi bisa dikatakan lebih

lengkap tapi dengan fasilitas secukupnya.

Berikut ini adalah contoh beberapa keluarga mikrokontroller:

Keluarga MCS-48 (Intel)

Keluarga MCS-51 (Intel)

Keluarga AT89 (Atmel, Arsitektur Intel 8051)

Keluarga AT90, ATtiny, ATmega (Atmel, arsitektur AVR)

Keluarga MC68HC05 (Motorola)

Keluarga MC68HC08 (Motorola)

Keluarga MC68HC11 (Motorola)

Keluarga PIC 8 (Microchip)

Keluarga Z80 (Zilog)

2.1.3 Arduino

Arduino adalah kit elektronik atau papan rangkaian elektronik open source

yang di dalamnya terdapat komponen utama, yaitu sebuah chip mikrokontroler

dengan jenis AVR dari perusaan Atmel. Mikrokontroler itu sendiri adalah chip atau

IC (Integrated Circuit) yang bisa diprogram menggunakan komputer. Tujuan

menanamkan program pada mikrokontroler adalah agar rangkaian elektronik dapat

membaca input, memproses input tersebut dan kemudian menghasilkan output

sesuai yang diinginkan. jadi mikrokontroler bertugas sebagai ‘otak’ yang

mengendalikan input, proses dan output sebuah rangkaian elektronik.[5]

Secara umum, Arduino terdiri dari dua bagian, yaitu:

1. Hardware berupa papan I/O yang open source.

8

2. Software Arduino yang juga open source, meliputi software Arduino IDE untuk

menulis program dan driver untuk koneksi dengan komputer.

2.1.3.1 Jenis-jenis Perangkat Keras Arduino (Arduino Hardware)

Bermacam-macam bentuk dan jenis papan Arduino sesuai dengan

peruntukannya, juga terdapat modul siap pakai (shield) dan aksesoris seperti USB

adapter dan sebagainya. Berikut jenis-jenis papan Arduino yang ada dipasaran :

Arduino Uno berbasis ATmega328

Arduino Leonardo berbasis ATmega32u4

Arduino Mega 2560 berbasis ATmega2560

Arduino Due berbasis Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3 CPU

Arduino Ethernet berbasis ATmega328

Arduino Mega ADK berbasis MAX3421eIC

Arduino Micro berbasis ATmega32u4

Arduino Fio berbasis ATmega328P

Arduino Pro berbasis ATmega168/ATmega328

Arduino Ethernet Shield

Arduino Wifi Shield

Arduino Wireless SD Shield

Arduino Motor Shield

Arduino Proto Shield

Dan Aksesoris seperti USB/Serial Light Adapter dan Mini USB/SerialAdapter.

Arduino Nano adalah salah satu papan pengembangan mikrokontroler

yang berukuran kecil lengkap dan mendukung penggunaan breadboard. Arduino

nano diciptakan dengan basis mikrokontroler ATmega328 (untuk versi 3.x) dan

ATmega 168 (untuk versi 2.x). Arduino nano kurang lebih memiliki fungsi sama

dengan Arduino Duemilanove, tetapi dalam paket yang berbeda Arduino Nano

tidak menyertakan colokan DC berjenis Barrel Jack, dan dihubungkan kekomputer

menggunakan port USB Mini-B.

9

Gambar 2.2 Arduino Nano tampak depan dan belakang

Tabel 2.1 Ringkasan Arduino Nano

Mikrokontroler Atmel ATmega168 atau ATmega328

Tegangan Operasi 5V

Input Voltage (disarankan) 7-12V

Input Voltage (limit) 6-20V

Pin Digital I/O 14 (6 pin digunakan sebagai output PWM)

Pins Input Analog 8

Arus DC per pin I/O 40 mA

Flash Memory 16KB (ATmega168) atau 32KB (ATmega328)

2KB digunakan oleh Bootloader

SRAM 1 KB (ATmega168) atau 2 KB (ATmega328)

EEPROM 512 byte (ATmega168) atau 1KB (ATmega328)

Clock Speed 16 MHz

Ukuran 1.85cm x 4.3cm

2.1.3.2 Perangkat Lunak Arduino (Arduino Software)

Arduino dikatakan sebagai sebuah platform dari physical computing yang

bersifat open source. Maksud dari platform bahwa Arduino bukan hanya sebagai

alat pengembang, tetapi ia adalah kombinasi dari hardware, bahasa pemrograman

dan Integrated Development Environment (IDE) yang canggih. IDE adalah

sebuah software yang sangat berperan untuk menulis program, meng-compile

menjadi kode biner dan meng-upload ke dalam memory microcontroller. Software

Arduino dapat di install di beberapa Operating system diantaranya: Windows, Mac

OS, dan Linux.

10

Gambar 2.3 Arduino Integrated Development Environment

Secara umum, struktur program pada Arduino dibagi menjadi dua bagian

yaitu setup dan loop.

Bagian setup adalah bagian yang merupakan area menempatkan kode-

kode inisialisasi sistem sebelum masuk ke dalam bagian loop (body). Secara

prinsip, setup merupakan bagian yang dieksekusi hanya sekali yaitu pada program

dimulai (start). Sedangkan bagian loop adalah bagian yang merupakan inti utama

dari program Arduino. Dan bagian ini yang dieksekusi secara terus menerus.

Gambar 2.4 Struktur IDE

2.1.4 ESP8266

Modul WiFi ESP8266 adalah sebuah modul yang terintegrasi dengan

protocol TCP/IP yang dapat memberikan akses dari mikrokontroler melalui

jaringan WiFi. ESP8266 mampu mengirim semua fungsi dari prossesor aplikasi

lain.

11

Gambar 2.5 ESP8266 Modul Wifi

Setiap modul deprogram dengan perintah set firmware, jadi hanya

menghubungkan modul ke perangkat Arduino kita sudah bisa mendapatkan fasilitas

WiFi untuk pengiriman data dll. Karna modul ini dapat di integrasikan dengan

sensor ataupun perangkat khusus lainnya.[6]

Tabel 2.2 Ringkasan Modul ESP8266

802.11 b/g/n

Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP

Integrated TCP/IP protocol stack

Integrated TR switch, balun, LNA, power amplifier and

matching network

Integrated PLLs, regulators, DCXO and power management

units

+19.5dBm output power in 802.11b mode

Power down leakage current of <10uA

1MB Flash Memory

Integrated low power 32-bit CPU could be used as application

processor

SDIO 1.1 / 2.0, SPI, UART

STBC, 1×1 MIMO, 2×1 MIMO

A-MPDU & A-MSDU aggregation & 0.4ms guard interval

Wake up and transmit packets in < 2ms

Standby power consumption of < 1.0mW (DTIM3)

2.1.5 Sensor BMP180

Selain Modul ESP8266, Arduino dilengkapi beberapa sensor untuk

membantu proyek lebih efektif dan lebih menarik. Banyak yang bisa kita lakukan

dengan sensor yang tersedia di toko-toko mikrokontroller contohnya alat pemadam

api, alat pendeteksi asap, alat penyiram tanaman, pendeteksi jarak dan masih

banyak lagi.[7]

12

Pada tugas akhir ini penulis menggunakan sensor tekanan rendah dengan

type BMP180. Sensor tekanan BMP180 merupakan generasi penerus dari BMP085,

dimana merupakan sensor digital dengan kekuatan ultra – rendah yang mampu di

optimalkan di beberapa perangkat termasuk perangkat ponsel pintar, PDA, GPS,

Navigasi, dan Peralatan outdoor. Dengan tingkat kebisingan rendah hanya 0.25m

di waktu konversi cepat menawarkan kinerja yang unggul. Antarmuka I2C (Wire)

memudahkan integrasi ke mikrokontroller. BMP180 didasarkan pada teknologi

piezo resistif untuk EMC ketahanan, akurasi tinggi dan linieritas yang baik untuk

stabilitas jangka panjang.[8]

Gambar 2.6 Presure sensor BMP180

Tabel 2.3 Datasheet BMP180

Pressure range: 300 ... 1100hPa (+9000m ... -500m relating to sea level)

Supply voltage: 1.8 ... 3.6V (VDD)

1.62V ... 3.6V (VDDIO)

Package: LGA package with metal lid

Small footprint: 3.6mm x 3.8mm

Super-flat: 0.93mm height

Low power: 5µA at 1 sample / sec. in standard mode

Low noise: 0.06hPa (0.5m) in ultra low power mode

0.02hPa (0.17m) advanced resolution mode

- Temperature measurement included

- I2C interface

- Fully calibrated

- Pb-free, halogen-free and RoHS compliant,

- MSL 1

2.2 Komponen-Komponen Elektronika

2.2.1 Resistor

13

Resistor adalah sebagai pengatur dalam membatasi jumlah arus yang

mengalir dalam suatu rangkaian. Dengan adanya resistor menyebabkan arus listrik

dapat disalurkan sesuai dengan kebutuhan. Berikut adalah simbol resistor dalam

bentuk gambar ynag sering digunakan dalam suatu desain rangkaian elektronika.

Gambar 2.7 Simbol Resistor

Resistor dalam suatu teori dan penulisan formula yang berhubungan

dengan resistor disimbolkan dengan huruf “R”. Kemudian pada desain skema

elektronika resistor tetap disimbolkan dengan huruf “R”, resistor variabel

disimbolkan dengan huruf “VR” dan untuk resistor jenis potensiometer ada yang

disimbolkan dengan huruf “VR” dan “POT”.

Kemudian berdasarkan nilai resistansinya resistor dibedakan menjadi 2

jenis yaitu resistor tetap (Fixed Resistor) dan resistor tidak tetap (Variable Resistor).

2.2.2 Resistor Tetap (Fixed Resistor)

Resistor tetap merupakan resistor yang nilai resistansinya tidap dapat

diubah atau tetap. Resistor jenis ini biasa digunakan dalam rangkaian elektronika

sebagai pembatas arus dalam suatu rangkaian elektronika. Resistor tetap dapat kita

temui dalam beberpa jenis, seperti:

Metal Film Resistor

Metal Oxide Resistor

Carbon Film Resistor

Ceramic Encased Wirewound

14

Economy Wirewound

Zero Ohm Jumper Wire

S I P Resistor Network

2.2.3 Resistor Tidak Tetap (Variable Resistor)

Resistor tidak tetap atau variable resistor terdiridari 2 tipe yaitu:

Pontensiometer, tipe variable resistor yang dapat diatur nilai resistansinya

secara langsung karena telah dilengkapi dengan tuas kontrol. Potensiometer terdiri

dari 2 jenis yaitu Potensiometer Linier dan Potensiometer Logaritmis.

Trimer Potensiometer, yaitu tipe variable resistor yang membutuhkan alat

bantu (obeng) dalam mengatur nilai resistansinya. Pada umumnya resistor jenis ini

disebut dengan istilah “Trimer Potensiometer atau VR”.

Thermistor, yaitu tipe resistor variable yangnilairesistansinya akan berubah

mengikuti suhu disekitar resistor. Thermistor terdiri dari 2 jenis yaitu NTC dan

PTC. Untuk lebih detilnya thermistor akan dibahas dalam artikel yang lain.

LDR (Light Depending Resistor), yaitu tipe resistor variabel yang nilai

resistansinya akan berubah mengikuti cahaya yang diterima oleh LDR tersebut.

2.2.4 Kapasitor

Perangkat komponen elektronika yang berfungsi untuk menyimpan

muatan listrik dan terdiri dari dua konduktor yang dipisahkan oleh bahan penyekat

(dielektrik) pada tiap konduktor atau yang disebut keping. Kapasitor biasanya

disebut dengan sebutan kondensator yang merupakan komponen listrik dibuat

sedemikian rupa sehingga mampu menyimpan muatan listrik.

Gambar 2.8 Kapasitor

15

2.3 Web server

Web server adalah suatu sistem perangkat lunak yang dirancang untuk

mendukung interoperabilitas dan interaksi antar sistem pada suatu jaringan. Web

server digunakan sebagai suatu fasilitas yang disediakan oleh suatu web site untuk

menyediakan layanan (dalam bentuk informasi) kepada sistem lain, sehingga sistem

lain dapat berinteraksi dengan sistem tersebut melalui layanan-layanan (service)

yang disediakan oleh suatu sistem yang menyediakan web server. Web server

menyimpan data informasi dalam format XML, sehingga data ini dapat diakses oleh

sistem lain walaupun berbeda platform, sistem operasi, maupun bahasa

compiler.[9]

Gambar 2.9 Pengiriman Data

2.4 Manometer (Water Column)

Manometer adalah alat yang berfungsiuntuk mengukur tekanan udara

dalam ruang tertutup baik berupa udara maupung gas dan uap. Satuan dari

manometer biasanya berupa psi (Pound/square inch), psf (pound/square foot),

mmHg (millimeter of mercury), inHg (inch of mercury), bar, atm (atmosphere),

N/m^2 (pascal). Banyak teknik telah dikembangkan untuk pengukuran tekanan.

Salah satunya manometer digital.

Gambar 2.10 Manometer (Water Column)

Wifi

16

2.4.1 Jenis – jenis Manometer

Manometer Zat Cair

Manometer zat cair merupakan manometer jenis terbuka. Pada manometer

zat cair terdapat pipa U yang memiliki satu tabung terbuka dan satu tabung tertutup.

Cairan dalam tabung dapat berupa air raksa, alkohol, ataupun air. Prinsip

pengukuran tekanan udara dalam tabung manometer adalah dengan mengukur

selisih ketinggian fluida dalam pipa. Jika tekanan gas dalam tabung lebih besar dari

tekanan udara luar maka tinggi permukaan zat cair dalam tabung terbuka lebih

tinggi daripada tinggi permukaan zat cair dalam tabung yang tertutup.[10]

Gambar 2.11 Manometer Cair

Besar tekanan dalam tabung manometer dirumuskan:

Pgas = Pluar + h

Jika tekanan udara dalam tabung tertutup lebih kecil dibanding tekanan

udara luar maka tinggi permukaan zat cair dalam tabung terbuka lebih rendah

dibandingkan dengan tinggi permukaan zat cair dalam tabung tertutup.

Tekanan udara dalam tabung tersebut dinyatakan:

Pgas = Pluar – h

Umumnya cairan yang digunakan pada manometer zat cair adalah air raksa

sehingga satuan h adalah cm, mengingat tekanan udara luar diasumsikan 76 cmHg.

Manometer Logam

Untuk tekanan udara yang tinggi, seperti pengukuran tekanan udara pada

ban mobil, tekanan gas, dan tekanan tungku pemanas digunakan manometer

logam.

17

Manometer ini digunakan karena tekanan udara yang diukur sangat besar

sehingga tidak mungkin menggunakan manometer zat cair.

Manometer logam ada beberapa macam, antara lain:

a. Manometer Bourdon.

b. Manometer Schaffer dan Boudenberg.

c. Manometer pegas.

Gambar 2.12 Manometer Logam

2.5 Biogas

2.5.1 Pengertian Biogas

Biogas merupakan gas yang mudah terbakar (flamable) yang dihasilkan

dari proses fermentasi bahan-bahan organik oleh bakteri-bakteri anaerob yang

berasal dari limbah rumah tangga, kotoran hewan (sapi, ayam, babi) dan sampah

organik. Selain itu juga sangat mungkin menyatukan saluran kamarmandi/WC

kedalam sistem biogas, di daerah industri pemrosesan makanan seperti tempe, tahu

ikan pindang atau brem bisa menyatukan saluran limbahnya kedalam sistem biogas

sehingga limbah industri tersebut tidak mencemari lingkungan disekitarnya karna

bahan industry diatas berasal dari bahan organik homogen yang sangat

mempengaruhi sistem biogas disamping parameter lain seperti temperature

digester, pH, tekanan, dan kelembapan. Biogas sama dengan gas yang mudah

terbakar lainnya, pembakaran biogas melalui pencampuran oksigen. Nilai kalori

dari 1 meter kubik biogas sekitar 6000 watt jam yang setara dengan setengah liter

minyak diesel. Oleh karena itu biogas sangat cocok sebagai bahan bakar alternatif

ramah lingkungan pengganti minyak tanah, LPG, butana, batubara maupun bahan-

bahan lain yang berasal dari fosil.[11]

18

2.5.2 Pembentukan Biogas

Komponen biogas yang paling penting adalah gas methan, selain itu juga

gas-gas lain yang dihasilkan dalam ruangan yang disebut disgester. Biogas yang

dihasilkan oleh biodigester sebagian besar terdiri dari 54% - 70% metana (CH4),

27% - 45 % karbondioksida (CO2), 0% - 1% hidrogen (H2), 0,1% oksigen (O2),

dan 0% - 3% hidrogen sulfida (H2S).

Biogas dapat dihasilkan pada hari ke 4-5 sesudah biodigester terisi penuh,

dan mencapai puncaknya pada hari ke 20-25. Akan tetapi perlu juga

dipertimbangkan ketinggian lokasi pembuatannya karena pada suhu dingin

biasanya bakteri lambat berproses sehingga biogas yang dihasilkan mungkin lebih

lama.

Ada tiga kelompok bakteri yang berperan dalam proses pembentukan biogas:

1. Kelompok bakteri fermentatif, yaitu : Steptococci, Bacteriodes, dan beberapa

jenis Enterobactericeae.

2. Kelompok bakteri asetogenik, yaitu Desulfovibrio.

3. Kelompok bakteri metana, yaitu Mathanobacterium, Mathanobacillus,

Methanosacaria, dan Methanococcus.

Sedangkan terkait dengan temperatur, secara umum ada 3 rentang

temperatur yang disenangi oleh bakteri, yaitu:

1. Psicrophilic (suhu 4° - 20° C), biasanya untuk negara- negara subtropics atau

beriklim dingin.

2. Mesophilic (suhu 20° - 40° C).

3. Thermophilic (suhu 40° - 60° C), hanya untuk men-digesti material, bukan untuk

menghasilkan biogas.

Dengan demikian, untuk negara tropis seperti Indonesia, digunakan

unheated digester (digester tanpa pemanasan) pada kondisi temperature tanah 20°

- 30° C.

Jenis Gas Volume (%)

Metana (CH4) 40-70

Karbondioksida (CO2) 30-60

Hidrogen (H2) 0-1

Hidrogen Sulfida (H2S) 0-3