bab ii perancangan alat · 2017. 6. 12. · perancangan alat . pada bab ini akan dijelaskan...
TRANSCRIPT
-
20
BAB III
PERANCANGAN ALAT
Pada bab ini akan dijelaskan perancangan alat yang terdiri dari gambaran
sistem kerja alat, perancangan perangkat keras dan perancangan perangkat lunak.
Perancangan dimulai dari uraian mengenai gambaran sistem kerja alat yaitu penjelasan
tentang bagaimana alat ini bekerja. Kemudian dilanjutkan uraian mengenai perancangan
perangkat keras dan yang terakhir uraian mengenai perancangan perangkat lunak.
3.1. Gambaran Sistem
Sistem yang dirancang oleh penulis merupakan sebuah alat yang digunakan
untuk melakukan pengujian kualitas susu sapi murni. Pengujian yang dilakukan
terdiri dari pengujian nilai pH dan pengujian nilai kadar air yang terkandung di
dalamnya. Pada kedua pengujian ini penulis melakukan perancangan sistem
secara otomatis dengan tujuan agar mempermudah user untuk
mengoperasikannya.
Pada perancangan sistem pengujian nilai pH terdapat sensor pH yang
digunakan untuk mengetahui kandungan nilai pH yang terdapat di dalam susu sapi
murni. Sedangkan pada perancangan sistem pengujian nilai kadar air terdapat
sensor berat untuk mengetahui berat yang dikandung oleh susu sapi murni, sensor
suhu untuk mengetahui besarnya suhu yang diinginkan, dan terdapat pemanas
keramik yang digunakan untuk melakukan proses pemadatan susu yang sesuai
dengan metode gravimetri.
-
21
Gambar 3.1. Blok Diagram Alat
3.2. Gambaran Cara Kerja Alat
Ketika terhubung dengan daya AC 220 V dan saklar utama dalam kondisi
ON, maka alat ini akan bekerja. Jika kondisi ini sudah terpenuhi maka user bisa
memilih untuk melakukan proses pengukuran kadar air atau kadar pH terlebih
dahulu. Ketika user memilih proses pengukuran kadar pH terlebih dahulu, maka
user harus menaruh beaker glass yang berisi susu sapi murni ke tempat mekanik
pengukuran kadar pH dan kemudian beaker glass tersebut akan naik secara
otomatis menuju ke sensor pH electrode SEN0161. Kemudian sensor akan
membaca data keluaran berupa resistansi dan akan dikonversikan oleh pH meter
v1.0 yang menghasilkan data berupa tegangan analog. Data tersebut akan
dikonversikan lagi menjadi tegangan digital oleh mikrokontroler untuk proses
pengolahan data selanjutnya dan data yang sudah di olah oleh mikrokontroler
akan tertampil pada layar LCD berupa nilai pH. Setelah data nilai pH sudah
didapatkan, maka mikrokontroler akan mengecek apakah kadar pH yang terdapat
pada susu sapi murni memenuhi syarat dari Koperasi Andini Luhur, yaitu susu
yang mengandung derajat keasaman/ kadar pH antara 6,5 – 7,1. Jika susu
memenuhi syarat tersebut, maka akan tertampil “BAIK” pada layar LCD dan jika
susu tidak memenuhi syarat, akan tertampil “RUSAK” pada layar LCD.
-
22
Setelah proses pengukuran pH selesai maka user akan memilih untuk proses
pengukuran kadar air. Pertama – tama user akan meletakkan cairan susu di cawan
yang terletak di tempat penimbangan yang akan menimbang cairan tersebut
sebanyak 5 gram. Setelah berat susu sudah mencapai 5 gram yang terlihat pada
layar LCD maka user akan menekan tombol saklar untuk menjalankan cawan
tersebut ke tempat pemadatan secara otomatis. Ketika berada di tempat
pemadatan, cairan susu akan dipadatkan dengan cara memanaskan cairan tersebut
selama 35 menit dalam suhu 60 0C. Setelah selesai dalam waktu 35 menit maka
cawan tersebut akan kembali berjalan ke tempat penimbangan dan akan
menimbang berat susu tersebut setelah di padatkan. Hasil data berat susu sebelum
pemadatan dan setelah pemadatan akan diolah oleh mikrokontroler yang akan
menghasilkan keluaran data berupa kadar air pada layar LCD. Setelah data nilai
kadar air sudah didapatkan, maka mikrokontroler akan mengecek apakah kadar air
yang terdapat pada susu sapi murni memenuhi syarat dari Koperasi Andini Luhur
atau tidak, yaitu susu yang mengandung kadar air sebanyak 80% - 90%. Jika susu
memenuhi syarat tersebut, maka akan tertampil “BAIK” pada layar LCD dan jika
susu tidak memenuhi syarat, akan tertampil “RUSAK” pada layar LCD.
3.3. Perancangan Perangkat Keras
Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan perangkat keras
yang dirancang oleh penulis. Perancangan perangkat keras yang akan dijelaskan
meliputi perancangan mekanik dan perancangan elektronika dari keseluruhan
sistem yang dirancang.
3.3.1. Perancangan Perangkat Keras Mekanik
Perangkat keras mekanik adalah bentuk fisik dari alat yang berfungsi
untuk menopang komponen-komponen yang digunakan dalam perancangan ini,
sehingga dapat memenuhi kinerja dari alat yang dirancang. Terdapat 2 mekanik
utama dalam perancangan sistem ini. Yang pertama adalah mekanik pengujian
kadar pH dengan otomatisasi naik turunnya beaker glass dan yang kedua
adalah mekanik pengujian kadar air dengan menggunakan conveyor untuk
menggerakkan cawan dari timbangan menuju ke pemanas dan kembali lagi ke
timbangan.
-
23
3.3.1.1. Perancangan Mekanik Pengujian Kadar PH
Kerangka mekanik yang direalisasikan pada keseluruhan sistem
kadar pH terbuat dari bahan besi kotak 2x2 cm yang sudah dilas
sedemikan rupa sehingga dapat berfungsi untuk menopang keseluruhan
komponen yang digunakan dalam perealisasian alat yang dirancang pada
mekanik pengujian kadar pH. Berikut adalah dimensi dan bentuk
kerangka yang direalisasikan :
Tabel 3.1. Dimensi Kerangka Alat Pengujian Kadar PH.
Ukuran Dimensi Nilai
Panjang 60 cm
Lebar 30 cm
Tinggi 45 cm
Gambar 3.2. Mekanik Keseluruhan Pengujian Kadar PH.
Pemilihan bahan sebagai kerangka alat menggunakan bahan besi
2x2 cm bertujuan agar alat yang direalisasikan dapat menopang berat
beban dari komponen-komponen alat yang terdapat pada mekanik kadar
pH ini. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.1., bahwa kerangka alat
terdiri dari beberapa bagian penting untuk menunjang kinerja dari alat.
-
24
Berikut adalah penjelasan dari bagian-bagian kerangka alat untuk
otomatisasi naik dan turun:
1. Motor DC
Motor DC adalah bagian yang berfungsi untuk menggerakkan
dudukan beaker glass untuk bergerak naik atau turun dengan
bantuan tuas/ lengan. Motor yang digunakan adalah Motor DC
12V dengan tegangan input sebesar 12 Volt.
Gambar 3.3. Motor DC.
2. Tuas / Lengan
Tuas / lengan adalah bagian mekanik berbentuk persegi panjang
yang terbuat dari lempengan alumunium dengan tebal 1,8 mm.
Tuas / Lengan berfungsi untuk merubah gerak dari gerak
melingkar menjadi gerak vertikal. Sehingga gerak melingkar
yang dihasilkan oleh piringan motor DC akan diubah menjadi
gerak vertikal untuk otomatisasi naik dan turunnya dudukan
beaker glass.
Motor DC
-
25
Gambar 3.4. Tuas / Lengan.
3. Dudukan Beaker glass
Dudukan beaker glass adalah bagian mekanik yang berfungsi
untuk menopang beban dari beaker glass. Dudukan beaker
glass ini memiliki dimensi panjang 10 cm dan lebar 8 cm.
Gambar 3.5. Dudukan Beaker glass.
-
26
4. Beaker glass
Beaker glass adalah gelas ukur yang berfungsi untuk tempat
dari susu sapi murni. Pemilihan beaker glass bertujuan supaya
susu yang akan dituang memiliki ketepatan yaitu sebesar
200ml. Beaker glass yang digunakan terbuat dari kaca bening.
Gambar 3.6. Beaker glass.
5. Rail
Rail adalah bagian dari mekanik yang menempel di ujung
kanan kiri pada dudukan beaker glass yang berfungsi untuk
lebih melancarkan dudukan beaker glass naik dan turun,
sehingga dudukan beaker glass akan lebih mulus ketika naik
atau turun dan rail ini juga membuat dudukan beaker glass
menjadi lebih kokoh.
Gambar 3.7. Rail.
Rail
-
27
3.3.1.2. Perancangan Mekanik Pengujian Kadar Air
Pada keseluruhan kerangka mekanik pengujian kadar air terbuat
dari bahan besi kotak 2x2 cm yang telah dilas. Kerangka ini berfungsi
untuk menompang keseluruhan komponen yang digunakan dalam
perealisasian alat yang dirancang pada mekanik pengujian kadar air.
Berikut adalah dimensi dan bentuk kerangka yang direalisasikan :
Tabel 3.2. Dimensi Kerangka Alat Pengujian Kadar air.
Ukuran Dimensi Nilai
Panjang 60 cm
Lebar 30 cm
Tinggi 35 cm
Gambar 3.8. Mekanik Keseluruhan Pengujian Kadar Air.
Seperti yang di tunjukkan pada Gambar bahwa kerangka alat
pengujian kadar air terdiri dari beberapa bagian penting untuk menunjang
kinerja dari alat.
Berikut adalah penjelasan dari bagian-bagian kerangka alat untuk
otomatisasi gerakan dari timbangan menuju ke pemanas dan kembali lagi
ke timbangan:
-
28
1. Motor Conveyor
Motor conveyor adalah bagian yang berfungsi untuk
menggerakkan conveyor dari timbangan menuju ke pemanas
dan akan kembali lagi ke timbangan. Motor yang digunakan
adalah Motor DC 12V dengan tegangan input sebesar 12 Volt.
Gambar 3.9. Motor Conveyor.
2. Cawan
Cawan adalah bagian dari mekanik yang berbentuk lingkaran
berdiameter 10 cm. Cawan berfungsi sebagai tempat dari susu
sapi yang akan di timbang dan dipanaskan.
Gambar 3.10. Cawan.
-
29
3. Infrared Ceramic Heater
Infrared ceramic heater adalah bagian dari mekanik yang
berfungsi untuk memanaskan susu sehingga menjadi padatan
susu.
Gambar 3.11. Infrared Ceramic Heater.
4. Timbangan
Timbangan adalah bagian dari mekanik yang digunakan untuk
mengukur berat dari susu yang akan digunakan.
Gambar 3.12. Timbangan Load Cell.
5. Rantai
Rantai adalah bagian dari komponen conveyor yang berfungsi
sebagai media pengangkut barang dari satu tempat ke tempat
yang lain. Rantai yang digunakan dalam perancangan ini adalah
rantai motor.
-
30
Gambar 3.13. Rantai.
6. Gir
Gir adalah bagian dari komponen conveyor yang digerakkan
oleh rantai dengan memanfaatkan gerak rotasi lingkaran. Pada
perancangan ini gir yang digunakan adalah gir Yamaha yang
memiliki ukuran 15.
Gambar 3.14. Gir.
7. As
As adalah bagian dari mekanik yang berbentuk batang tabung
yang terbuat dari bahan besi yang mempunyai fungsi untuk
menopang gir ketika berputar. Diameter pada as harus presisi
-
31
dengan diameter dalam pada gir sehingga ketika gir berputar
tidak terjadi selip antara as dengan gir. Diameter pada as ini
berukuran 12 mm.
Gambar 3.15. As.
8. Bearing
Bearing adalah bagian mekanik yang menempel presisi pada
ujung as. Bearing berfungsi untuk mengurangi koefisien
gesekan antara as dengan rumahnya.
Gambar 3.16. Bearing.
9. Mur Baut
Mur baut adalah bagian dari mekanik yang berfungsi untuk
menyatukan dua bagian menjadi satu.
Pada perancangan perangkat keras pengujian kadar pH dan pengujian
kadar air ini bagian atas kerangka dan samping-samping kerangka akan ditutup
dengan menggunakan kayu triplek dengan ketebalan 4 mm.
As
-
32
3.3.2. Perancangan Perangkat Keras Elektronik
Perangkat Keras Elektronik merupakan beberapa rangkaian elektronika
yang digunakan dalam sistem yang dirancang. Pada bagian ini akan membahas
tentang mikrokontroler arduino mega sebagai pengendali utama, sensor pH,
sensor berat, sensor suhu dan skematik driver conveyor.
3.3.2.1. Pengendali Utama
Pengendali utama pada suatu sistem kendali memiliki peran yang
sangat penting. Hal ini dikarenakan pengendali utama dapat
mengendalikan semua masukan dan keluaran dari suatu plant maupun
sensor yang ada pada suatu sistem. Oleh karena itu akan digunakan
sebuah pengendali utama pada skripsi ini untuk mengolah data yang
diperlukan dan mengambil keputusan untuk melakukan sesuatu pada
tahap selanjutnya dalam alat ini.
Pada skripsi ini pengendali utama yang digunakan adalah sebuah
mikrokontroler. Mikrokontroler ini dapat menerima data dari sensor
kemudian akan memprosesnya dan mengkonversi data tersebut menjadi
satuan yang diinginkan. Mikrokontroler yang digunakan dalam adalah
mikrokontroler yang termasuk dalam keluarga ATMega buatan Atmel
Corporation, yaitu ATMega 2560 yang diprogram dengan pemrograman
arduino. Pemilihan ATMega 2560 berbasis arduino sebagai pengendali
utama karena ATMega 2560 memiliki pin input dan output banyak, serta
memiliki banyak fasilitas yang relatif lebih mudah dipelajari
dibandingkan dengan AVR.
Pada mikrokontroler ini digunakan untuk mendapatkan data yang
terukur pada sensor pH dengan modul pH meter V.1.0, serta digunakan
untuk mendapatkan data yang terukur pada sensor berat load cell dengan
modul HX711 dan digunakan untuk mendapatkan data suhu yang
terukur oleh sensor suhu thermocouple type K. Mikrokontroler ini juga
bertugas untuk menghidupkan driver motor EMS untuk mengatur
kecepatan motor DC pada pengukuran kadar pH, bertugas untuk
menghidupkan relay untuk mengaktifkan infrared ceramic heater dan
motor DC pada pengukuran kadar air.
-
33
Tabel 3.3. Konfigurasi Pin ATMega 2560 Pada Bagian Pengendali Utama.
Nama Port Fungsi
PORTA 0 Data Driver Relay 1
PORTA 1 Data Driver Relay 2
PORTA 2 Data Driver Relay 3
PORTA 3 Data Driver Relay 4
PORTD 2 Pin D7 LCD
PORTD 3 Pin D6 LCD
PORTD 4 Pin D5 LCD
PORTD 5 Pin D4 LCD
PORTD 6 Pin SCK HX711
PORTD 7 Pin DT HX711
PORTD 11 Pin Enable LCD
PORTD 12 Pin RS LCD
PORTD 8 Pin SO MAX6675
PORTD 9 Pin CS MAX6675
PORTD 10 Pin SCK MAX6675
PORT TX1 18 Pin TX pH Meter V.1.0
PORT RX1 19 Pin RX pH meter V.1.0
PORTD 46 Tombol Push Button kadar pH
PORTD 48 Tombol Push Button kadar Air
Skripsi yang dirancang dan direalisasikan ini dilengkapi dengan
program user interface. Program user interface yang digunakan berfungsi
untuk menampilkan status apakah alat dapat bekerja atau tidak, serta
untuk menampilkan berapa nilai kadar pH yang terukur oleh sensor pH,
nilai berat yang terukur oleh sensor berat load cell, nilai suhu yang
terukur oleh sensor suhu thermocouple dan nilai kadar air yang terukur.
Hal ini dirancang dengan tujuan untuk mempermudah user dalam
penggunaan supaya user mengetehaui apakah alat sudah selesai atau
belum pada saat melakukan pengukuran. Untuk menampilkan user
-
34
interface digunakan sebuah LCD character 16 x 2 yange terhubung
langsung ke mikrokontroler, selain itu digunakan tombol push button
untuk memulai proses pengukuran.
3.3.2.2. Sensor PH dengan Modul PH Meter V.1.0.
Pada sistem yang dirancang untuk pengukuran pH digunakan
sensor pH electrode SEN0161. Sensor pH electrode SEN0161 ini mampu
mendeteksi tingkat keasaman dari 0 – 14 pH. Dalam proses pengukuran
kadar pH ini diperlukan sebuah pengkondisi sinyal, agar sinyal yang
dihasilkan oleh sensor pH electrode SEN0161 ini dapat terbaca oleh
mikrokontroler. Dalam perancangan skripsi ini digunakan pengkondisi
sinyal pH meter V.1.0. Pengkondisi sinyal ini memerlukan 2 buah pin
pada mikrokontroler dan pada skripsi ini diberikan port TX1 dan RX1.
Gambar 3.17. Skema Sensor pH.
3.3.2.3. Sensor Berat Load cell dengan modul HX711
Pada pengukuran berat digunakan sensor berat load cell. Sensor
berat load cell ini dapat mengukur berat dari 0 gram sampai 1000 gram.
Dalam proses pengukuran berat ini dibutuhkan sebuah pengkondisi
sinyal, supaya keluaran yang dihasilkan oleh sensor berat load cell dapat
terbaca oleh mikrokontroler. Pada skripsi ini digunakan pengkondisi
-
35
sinyal modul HX711. Modul HX711 adalah sebuah modul timbangan
yang berfungsi untuk mengkonversi perubahan yang terukur dalam
perubahan resistansi oleh sensor berat load cell dan mengkonversinya ke
dalam besaran tegangan. Ketika sensor berat load cell mendapatkan
tekanan beban pada sisi yang lebih elastis, maka pada sisi lain akan
mengalami perubahan regangan yang sesuai dengan yang dihasilkan oleh
load cell, hal ini terjadi karena ada gaya yang seakan melawan pada sisi
lainnya. Perubahan nilai resistansi yang di akibatkan oleh perubahan
gaya yang terjadi kemudian diubah menjadi nilai tegangan oleh modul
HX711. Dan berat dari objek yang di ukur dapat diketahui dengan
mengukur besarnya nilai tegangan yang timbul.
Gambar 3.18. Skema Sensor Berat Load cell
Pada perancangan skripsi ini sensor berat load cell digunakan
untuk mengukur berat susu yang akan digunakan untuk pengukuran nilai
kadar air. Pengukuran akan dilakukan dua kali yaitu pengukuran berat
susu sebelum susu dipadatkan dan pengukuran berat susu sesudah susu
dipadatkan. Kemudian data berat yang sudah didapatkan akan diolah
mikrokontroler dengan menggunakan metode gravimetri untuk
mendapatkan nilai kadar air.
-
36
3.3.2.4. Sensor Suhu Thermocouple Type-K
Pada sistem yang dirancang untuk pengukuran suhu digunakan
thermocouple type-k. Sensor suhu thermocouple ini memiliki jangkauan
pengukuran 0°C sampai dengan 1200 °C. Pada prinsipnya sensor suhu
thermocouple digunakan untuk mengubah perbedaan suhu dalam benda
menjadi perubahan tegangan listrik (voltase). Dalam perancangan skripsi
ini dibutuhkan sebuah pengkondisi sinyal agar sensor suhu thermocouple
dapat diolah oleh mikrokontroler. Pengkondisi sinyal yang digunakan
adalah modul MAX6675. Modul MAX6675 dibentuk dari kompensasi
cold-junction yang outputnya didigitalisasi dari sinyal yang dihasilkan
oleh thermocouple type-k. Data output memiliki resolui 12 bit dan
mendukung komunikasi SPI mikrokontroler secara umum. Data dapat
dibaca dengan mengkonversi dengan hasil pembacaan 12-bit data.
Pada perancangan skripsi ini sensor suhu thermocouple digunakan
untuk membaca besaran suhu yang dihasilkan oleh pemanas infrared
ceramic heater di dalam ruang pemanas. Thermocouple berfungsi
membaca besaran suhu di dalam ruang pemanas mencapai suhu 60 °C.
Gambar 3.19. Skema Sensor Suhu Thermocouple
-
37
3.4. Perancangan Perangkat Lunak
Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan perangkat lunak
yang digunakan dalam skripsi ini. Perancangan perangkat lunak yang akan
dijelaskan mengenai mikrokontroler ATMega 2560 dan pengolahan data dari
sensor pH, sensor berat load cell dan sensor suhu thermocouple type-K.
Penjelasan perancangan perangkat lunak pada skripsi ini akan di jelaskan melalui
diagram alir pengukuran kadar pH dan diagram alir pengukuran kadar air.
3.4.1. Diagram Alir Pengukuran Kadar PH
Gambar 3.20. Diagram Alir Pengukuran Kadar PH.
-
38
Penjelasan dari Gambar. 3.20. adalah sebagai berikut :
Sistem akan memulai proses pengukuran kadar pH ketika tombol push button A
ditekan oleh user.
Mikrokontroler akan mengaktifkan driver EMS untuk menggerakkan motor DC
ke atas secara otomatis sehingga beaker glass yang berisi susu akan tercelup
oleh sensor pH electrode SEN0161.
Setelah susu tercelup oleh sensor pH electrode SEN0161 maka sensor akan
mendapatkan data berupa resistansi dan akan dikonversikan oleh modul pH
meter V.1.0 menjadi data tegangan dan kemudian akan di olah oleh
mikrokontroler.
Setelah diolah oleh mikrokontroler maka data berupa nilai pH akan didapatkan
dan data yang telah didapatkan akan ditampilkan pada LCD 16 x 2.
Kemudian dudukan beaker glass akan otomatis turun ke bawah setelah nilai pH
sudah tertampil pada LCD.
Mikrokontroler akan melakukan pengecekan, apakah nilai pH sesuai dengan
syarat susu baik menurut Koperasi Andini Luhur atau tidak, yaitu bernilai pH
6,5 – 7,1 ?
Jika YA, maka akan tertampil “BAIK” pada LCD 16 x 2 dan proses pengukuran
kadar pH telah selesai.
Jika TIDAK, maka akan tertampil “RUSAK” pada LCD 16 x 2 dan prosess
pengukuran kadar pH telah selesai.
-
39
3.4.2. Diagram Alir Pengukuran Kadar Air
Gambar 3.21. Diagram Alir Pengukuran Kadar Air.
Penjelasan dari Gambar. 3.21. adalah sebagai berikut :
Sistem akan memulai proses pengukuran kadar air ketika tombol push button B
ditekan oleh user.
Sensor berat load cell akan melakukan pengukuran berat pada susu yang akan di
uji.
Setelah selesai ditimbang maka mikrokontroler akan mengaktifkan driver relay
dan pemanas akan otomatis menyala.
-
40
Setelah pemanas menyala, maka conveyor akan berjalan secara otomatis menuju
ke tempat pemanas dan sensor suhu thermocouple akan otomatis membaca suhu
yang terukur pada ruang pemanas.
Kemudian akan melakukan pengecekan oleh mikrokontroler, apakah suhu yang
terukur oleh sensor suhu telah sesuai 60 °C ?
Jika YA, maka pemanas akan otomatis melakukan proses pemadatan susu
selama 35 menit.
Jika TIDAK, maka pemanas akan menyala sampai suhu yang terukur telah
sesuai 60 °C.
Setelah selesai melakukan proses pemadatan, maka conveyor akan otomatis
berjalan menuju ke timbangan untuk melakukan penimbangan susu setelah
dipadatkan.
Kemudian mikrokontroler akan mengolah data berat susu sebelum dan sesudah
dipadatkan yang sesuai dengan metode gravimetri sehingga akan didapatkan
nilai kadar air.
Nilai kadar air yang di dapatkan akan ditampilkan pada LCD 16 x 2.
Kemudian akan melakukan pengecekan oleh mikrokontroler, apakah nilai kadar
air sesuai dengan syarat Koperasi Andini Luhur yaitu bernilai 80% - 90% ?
Jika YA, maka akan tertampil “BAIK” pada LCD 16 x 2 dan proses pengukuran
kadar pH telah selesai.
Jika TIDAK, maka akan tertampil “RUSAK” pada LCD 16 x 2 dan proses
pengukuran kadar pH telah selesai.