65

BAB III

PERANCANGAN ALAT

Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan dan pembuatan mekanik,

elektronik, beserta program mikrokontroller. Sistematika pembahasan akan dimulai

dari pembuatan dan penjelasan blok diagram beserta deskripsi alat, dilanjutkan

penjelasan perancangan perangkat keras yang meliputi perancangan elektronik dan

mekanik, serta yang terakhir penjelasan perancangan perangkat lunak yang meliputi

pemrograman mikrokontroller Atmega8535.

3.1. Blok Diagram Sistem

Blok diagram sistem dari alat pengering gabah dapat dilihat pada gambar 3.1

dibawah ini.

Gambar 3.1. Blok diagram sistem

66

Alat pengering gabah ini menggunakan fitur timer yang dimiliki oleh

mikrokontroler untuk menentukan lama waktu pengeringan. Saklar seting digunakan

untuk memasukan nilai lama waktu proses pengeringan. SHT11 akan mendeteksi

suhu ruangan pengering, sementara kipas blower dan elemen pemanas bekerja untuk

mengalirkan udara panas. SHT11 secara kontinyu memantau suhu ruangan, jika suhu

telah mencapai titik set poin, maka mikrokontroler mengirimkan perintah untuk

mematikan blower dan elemen pemanas, dan kedua komponen ini akan bekerja lagi

ketika suhu ruangan yang dipantau berada dibawah suhu set poin. Terdapat tiga

indikator pada alat, yakni indikator sebelum proses (menu), ketika proses

pengeringan dan jika pengeringan telah selesai.

3.2. Perancangan Perangkat Keras

3.2.1. Perancangan Elektronik

Perancangan elektronik pada alat ini meliputi catu daya sebagai pencatu

komponen, sistem minimum mikrokontroler sebagai pengendali, keypad sebagai

seting masukan, driver sebagai trigger dan LCD 16x2 sebagai penampil.

3.2.1.1. Rangkaian Sistem Minimum Mikrokontroler Atmega8535

Rangkaian ini berfungsi sebagai pusat kendali dari alat pengering gabah.

Gambar dibawah ini menunjukan rancangan sistem minimum mikrokontroler

Atmega8535.

67

Gambar 3.2. Sistem minimum Atmega8535

Pembagian penggunaan port pada mikrokontroler dapat dilihat pada tabel xxx.

Tabel 3.1. Pembagian PORT sistem minimum ATMega8535

No Port Fungsi Koneksi Jumlah bit

1 PORT.A Output LCD 16x2 6 - bit

2 PORTB.0 – PORTB.1 Input Sensor 2 - bit

3 PORTB.5 – PORTB.7 Input Download 3 - bit

4 PORTC.0 – PORTC.2 Output Driver 3 - bit

5 PORTC.3 – PORTC.5 Output Indikator 3 - bit

6 PORTD.3 – PORTD.7 Input Keypad 5- bit

Rangkaian osilator memakai crystal yang diparalel dengan dua buah capasitor

(C3 dan C4).

68

Gambar 3.3. Rangkaian oscilator crystal

Oscilator berfungsi sebagai detak clock bagi mikrokontroler. Crystal yang

digunakan adalah jenis keramik dengan frekuensi 0 MHz sampai 16 MHz. Crystal

yang dipakai dalam sistem minimum ini sebesar 12MHz. Untuk mencari nilai C3 dan

C4 maksimum menggunakan persamaan 3.1.

CL =𝐶3 𝑥 𝐶4

𝐶3 + 𝐶4+ CS…………………………………………………….(3.1)

Keterangan :

CL = Capasitansi Load optimum, telah ditentukan sebesar 18pF

CS = Capasitansi Stray PCB, telah ditentukan sebesar 5pF

Clext = Capasitans Load external. Clext = C1 = C2.

18pF =𝐶𝐿𝑒𝑥𝑡

2+ 5pF

CLext = (18 - 5)pF x 2

CLext = 26 pF

Nilai C3 dan C4 = 26pF, ini patokan nilai maksimalnya. Jika kapasitor yang

dipasang lebih dari nilai maksimum, akan menyebabkan masalah start-up dan

penyimpangan terhadap osilasi crystal. C3 dan C4 yang dipasang dalam rangkaian

oscilator ini sebesar 22pF.

69

Untuk percobaan fungsional rangkaian sistem minimum mikrokontroler,

mikrokontroler akan diisi program yang akan menunjukkan bahwa setiap pin pada

port mikrokontroler mengeluarkan data sesuai dengan program yang dimasukkan.

3.2.1.2. Rangkaian Driver

Rangkaian ini berfungsi sebagai penggerak (switching) dari komponen elemen

pemanas, blower dan kipas exhaust. Rangkaian ini menggunakan transistor BD139

sebagai driver dengan masukan dari mikrokontroler sebagai pengendali dan relay

sebagai saklar.

Gambar 3.4. Rangkaian driver

Mikrokontroler mengendalikan elemen pemanas, blower dan kipas

pembuangan melalui driver. Ketika akan menghidupkan elemen pemanas, blower

atau kipas pembuangan mikokontroler memberikan logika tinggi (tegangan sebesar

±5V) ke kaki basis transistor BD139 yang menjadikan transistor bekerja karena

adanya beda tegangan antara basis dan emitor, yang berdasar datasheet, tegangan

70

maksimum VBE adalah sebesar 5 VDC. Arus mengalir menuju emitor dari kolektor

menjadikan relay berubah ke posisi NO (Normally Open), mengakibatkan elemen

pemanas, blower atau kipas pembuangan bekerja. Sebaliknya, ketika ketiga

komponen ini akan diberhentikan, mikokontroler memberikan logika rendah

(tegangan sebesar 0V) ke kaki basis transistor BD139, menjadikan tidak adanya beda

tegangan antara basis dan emitor sehingga transistor tidak bekerja dan relay pun

kembali ke posisi NC (Normally Close).

Berdasar datasheet, penguatan arus atau hfe transistor BD139 minimalnya

sebesar 40, sehingga untuk dapat memenuhi penguatan sebesar 40, dapat dengan

mengatur nilai dari R1dan R3. Berikut perhitungan harga R :

Irelay = Vcc/ Rrelay

= 12 / 100

= 0.12 A = 120 mA

Irelay = 120 mA

Ib = Irelay / hfe

= 120 / 40

= 3 mA

Rb = Vcc – Vbe / Ib

= 12 V– 0.7 V/ 3 mA

= 11.3 V / 3 mA

= 3.7 KΩ

Harga resistornya sekitar 3.7 KΩ

71

3.2.1.3. Rangkaian Keypad

Gambar 3.5. Rangkaian keypad

Arus keluaran mikrokontroller berkisar ± 20mA. Maka dibutuhkan tombol

yang tidak membebani, sehingga pada rangkaian keypad ini menggunakan tombol

push button. Ketika tombol ditekan, maka key akan terhubung ke ground. Rangkaian

keypad terhubung pada mikrokontroller di PORTD.4 – PORTD.7. Fungsi dan

koneksi pin keypad dapat dilihat pada Tabel 3.2.

Tabel 3.2. Fungsi dan koneksi keypad

No Nama Pin Fungsi Koneksi

1 Sw_down Tombol DOWN PORTD.7

2 Sw_up Tombol UP PORTD.6

3 Sw_ok Tombol OK PORTD.5

4 Sw_cancel Tombol CANCEL PORTD.4

5 Sw_reset Tombol RESET Pin Reset

6 Sw_stop Tombol STOP PORTD.3

72

Keypad digunakan untuk setting timer, akses menu, dan konfirmasi.

Rancangan ini aktiv low, jika ditekan terhubung ke ground, sehingga tegangan

keluarannya 0V.

3.2.1.4. Rangkaian Penampil LCD 16x2

Lcd 16x2 pada perancangan alat ini dimanfaatkan sebagai penampil

menu, settingan timer dan penampil suhu. Tabel xxx adalah konfigurasi koneksi

antara modul LCD dengan mikrokontroller.

Tabel 3.3. Koneksi pin LCD ke mikrokontroller

No Pin LCD Keterangan Mikrokontroller

1 1 GND GND

2 2 +5V VCC

3 4 RS PORTA.0

4 5 RW GND

5 6 EN PORTA.2

6 11 D4 PORTA.4

7 12 D5 PORTA.5

8 13 D6 PORTA.6

9 14 D7 PORTA.7

Lcd 16x2 dihubungkan ke 6-bit port mikrokontroler, khusus untuk PORT.A

dikosongkan.

73

Gambar 3.6. Rangkaian control penampil LCD 16x2

Pin 3 LCD 16x2 adalah input setting kontras. Untuk mendapatkan kontras

karakter yang sesuai dengan mengatur tegangan di pin ini. Maka dari itu dibutuhkan

rangkaian pembagi tegangan (voltage devider) dengan variabel resistor untuk

pengaturan tegangan yang sesuai.

Gambar 3.7. Rangkaian voltage divider

Nilai variabel resistor bisa memakai 1kΩ, 2kΩ, 3kΩ, 5kΩ, dan seterusnya.

Semakin besar Rload (settingan resistans) maka Vload menjadi semakin kecil.

Begitupun sebaliknya, jika Rload semakin kecil maka Vload akan mendekati nilai

Vcc. Pengaruhnya pada LCD 16x2, jika Vload semakin mendekati 0V kontras

menjadi semakin tinggi. Namun bila Vload semakin mendekati Vcc, kontras semakin

74

rendah. Misalkan kita menginginkan Vload sebesar 2,5V, Rload bisa didapatkan

sebagai berikut.

Rload =𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 𝑥 𝑅𝑣𝑎𝑟

𝑉𝑐𝑐

Keterangan :

Rload = Resistans setting variabel resistor (Ω)

Rvar = Nilai variabel resistor (Ω)

Vload = tegangan output(V)

Vcc = Tegangan supply(V)

Untuk mendapatkan Vload = 2,5V, dengan Vcc = 5V, dan Rvar = 100kΩ. Maka

Rload disetting sebesar .

Rload =2,5𝑉 𝑥 100𝑘Ω

5𝑉

Rload = 50kΩ

Rload disetting sebesar 50kΩ atau 50% dari nilai Rvar.

Pada pengujian fungsional, mikrokontroler akan diisi dengan program untuk

menampilkan karakter “DIPLOMA T. ELEKTRO – UGM” pada LCD untuk

mengetahui apakah LCD sudah dapat bekerja ataukah belum.

3.2.1.5. Catu Daya

Catu daya merupakan bagian yang sangat penting dalam suatu peralatan

elektronis agar alat tersebut dapat bekerja sesuai dengan rancangannya. Catu daya

yang telah disedikan diharapkan mampu untuk memenuhi seluruh kebutuhan

rangkaian. Pada alat ini, catu daya sebagai pensuplai tegangan pada mikrokontroler

75

ATmega 8535, rangkaian diver, sensor SHT11, LCD 16x2 dan kipas pembuangan.

Adapun jumlah kebutuhan daya pada masing-masing rangkaian adalah sebagai

berikut :

a. Mikrokontroler ATmega 8535

Berdasarkan datasheet, mikrokontroller atmega 8535 bekerja pada

tegangan 4.5 volt sampai 5.5 volt. Arus yang dibutuhkan mikrokontroller saat

aktiv pada frekuensi 1–16 MHz adalah 20 mA

b. LCD 16 x 2

Berdasarkan datasheet LCD, jumlah arus maximal yang dibutuhkan

adalah 2mA pada tegangan supply 5volt.

c. Sensor SHT11

Berdasarkan datasheet, tegangan yang dibutuhkan sensor SHT1x minimal

2,4V dan maksimal 5,5V, daya yang digunakan ketika sleep maksimal sebesar

5µW dan pada saat pengukuran sebesar 3mW. Sehingga jumlah arus maksimal

yang dibutuhkan adalah ± 0.6mA.

d. Rangkaian driver

Rangkaian ini menggunakan relay yang berdasarkan datasheet mampu

mengalirkan arus maksimal 1A dengan tegangan 12VDC. Akan tetapi, jenis

relay yang digunakan ini sudah mampu bekerja dengan arus 120 mA.

Dari data diatas, selanjutnya dibuat spesifikasi kebutuhan catu daya

system sebagai berikut :

76

Tegangan : 12VDC

Arus : 352 mA

Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, maka dibuat catu daya dengan

perhitungan sebagai berikut :

Catu daya dibuat dua bagian, dengan besarnya sama-sama 12VDC.

Untuk membuat catu daya +12V yang baik dan stabil, maka dipilih rangkaian

penyearah gelombang penuh menggunakan diode bridge dan filter C serta LM7812

sebagai regulator tegangan. Karena arus maksimum IC LM7812 berdasar datasheet

sebesar 1A berbeda dengan yang berada dipasaran, maka catu daya dibagi menjadi 2

bagian, untuk mencatu rangkaian mikrokontroler dan LCD serta indicator dan catu

yang digunakan untuk mencatu rangkaian driver.

a. Catu daya (1)

Catu daya ini digunakan untuk mensuplai rangkaian sistem minimum. Pada

rangkaian ini diinginkan catu daya yang memiliki tegangan ripple sebesar 0.35 volt

sehingga dipilihlah kapasitor dengan menggunakan persamaan 2.10. frekuensi

keluaran gelombang penuh adalah 2xfin sehingga dengan menggunakan trafo yang

disuplai listrik PLN 50Hz, maka :

F = 2 x 50Hz = 100Hz

T = 1 / F ; T = 0.01

Maka,

C = I T / Vr

C = 122mA . 0.01 / 0,35

77

C = 3485.7 uF

Kapasitor dengan nilai kapasitansi yang mendekati 3485.7 uF adalah 3300 uF,

sehingga pada rangkaian menggunakan kapasitor dengan kapasitansi 3300 uF.

Untuk mendapatkan tegangan keluaran yang stabil, maka digunakan regulator

LM7812T sebagaimana ditampilkan pada Gambar 3.8 berikut :

Gambar 3.8. Rangkaian catu daya (1)

b. Catu daya (2)

Catu daya ini digunakan untuk mensuplai rangkaian driver transistor BD139

dengan arus beban 240 mA. Pada rangkaian ini diinginkan catu daya yang memiliki

tegangan ripple sebesar 0.5 volt sehingga dipilihlah kapasitor dengan menggunakan

persamaan 2.10. frekuensi keluaran gelombang penuh adalah 2xfin sehingga dengan

menggunakan trafo yang disuplai listrik PLN 50Hz, maka :

F = 2 x 50Hz = 100Hz

T = 1 / F ; T = 0.01

Maka,

C = I T / Vr

78

C = 240mA . 0.01 / 0,5

C = 4800 uF

Kapasitor dengan nilai kapasitansi yang mendekati 4800 uF adalah 4700 uF, sehingga

pada rangkaian menggunakan kapasitor dengan kapasitansi 4700 uF.

Gambar 3.9. Rangkaian catu daya (2)

Pada kedua catu daya tersebut diatas, digunakan transformator 15V

dengan menggunakan penyearah jembatan (bridge). Sehingga dalam perancangan

memiliki gambaran sebagai berikut :

Dioda yang digunakan adalah silikon dengan VT = 0.7V

VDC yang dihasilkan = 0.636 (Vm - 2VT)

= 0.636 (30 – 1.4)

= 0.636 x 28.6

= 18.18 V

3.2.2. Perancangan Mekanik

Pada bagian ini akan dibahas mengenai perancangan bentuk prototipe alat

pengering gabah.

79

Gambar 3.10. Desain rancangan bak pengering

Gambar diatas merupakan desain prototipe bak pengering yang akan dibuat

menggunakan bahan kayu. Bak terdiri dari tiga bagian, yakni dapur, ruangan penyalur

udara panas dan ruang padi ditempatkan.

Gambar 3.11. Desain rancangan bak pengering(2)

Bagian dapur merupakan bagian yang menghasilkan sumber panas yang

dihasilkan oleh elemen pemanas dari kawat nikelin dan sebuah kipas blower. Panas

yang dihasilkan oleh elemen pemanas dihembuskan menuju ruangan saluran udara

oleh kipas blower. Selanjutnya panas itu akan menuju ruangan dimana gabah

ditempatkan. Dengan udara panas yang dialirkan inilah gabah dikeringkan. Panas

80

mengakibatkan penguapan yang terjadi pada biji gabah, kadar air yang diuapkan ini

dialirkan ke udara bebas.

Gambar 3.12. Bak pengering (1)

Gambar 3.13. Bak pengering (2)

Bak memiliki tinggi 30 cm, lebar 30 cm dan panjang 40 cm. Dapur memiliki

dimensi tinggi 15 cm, lebar 20 cm dan panjang 20 cm. Ruangan saluran udara dan

ruangan gabah yang terdapat pada bak pengering masing - masing memiliki dimensi

tinggi 15 cm, lebar 30 cm dan panjang 40 cm. Sebagai lantai gabah ditempatkan

81

menggunakan alumunium dan kawat kasa. Dengan perancangan yang demikian,

diharapkan bak dapat menampung gabah dengan kapasitas hingga 5 Kg.

3.3. Perancangan Perangkat Lunak

Pada bagian ini akan dibahas mengenai perancangan perangkat lunak yang

digunakan pada alat pengering gabah. Pada pemrograman mikrokontroler

Atmega8535 menggunakan bahasa pemrograman basic compiler. File yang

dihasilkan dari program basic ini berekstensi *.bas, kemudian di compile

menghasilkan file berekstensi *.hex. File hexadecimal inilah yang di download ke

mikrokontroler.

3.3.1. Diagram alir (Flowchart)

Flowchart sangat berperan penting dalam merancang dan membuat sebuah

program. Flowchart digunakan sebagai dasar acuan dalam membuat program.

Struktur program akan lebih mudah dibuat disamping juga jika nantinya terdapat

kesalahan akan lebih mudah untuk mendeteksi letak kesalahannya sekaligus juga

untuk lebih memudahkan dalam menambahkan instruksi-instruksi baru pada

program jika nantinya terjadi pengembangan pada struktur program.

Dibawah ini merupakan gambaran mengenai flowchart perancangan

perangkat lunak yang digunakan.

82

Gambar 3.14. Flowchart program

83

(a) (b)

Gambar 3.15. (a). Flowchart akses SHT11untuk suhu

(b). Flowchart akses SHT11untuk kelembaban