bab iii perancangan alat -...

16

BAB III

PERANCANGAN ALAT

Pada bab tiga ini akan dijelaskan perancangan alat, yaitu perancangan perangkat

keras dan perangkat lunak. Perancangan perangkat keras terdiri dari perangkat elektronik

dan instalasi perangkat keras.

3.1. Gambaran sistem

Pada gambar 3.1. menunjukkan blok diagram dari keseluruhan alat yang dibuat .

Pada gambar 3.2. menunjukkan gambaran dari keseluruhan sistem yang dirancang.

Gambar 3.1. Blok Diagram Keseluruhan Sistem yang Dirancang.

17

Gambar 3.2. Gambaran Keseluruhan Sistem yang Dirancang.

Keterangan:

1. Pompa air baku digunakan untuk mengambil air baku untuk dibawa ke tempat

pengujian. Pompa tersebut menggunakan submersible pump dengan spesifikasi

220 V 50 Hz. daya 33 Watt dan kapasitas aliran maksimal 2000 liter/jam.

2. Pompa air murni digunakan untuk mengambil air murni untuk dibawa ke tempat

pengujian sebagai pembilas ruang pengujian setelah pengujian dengan air baku

18

selesai dilakukan. Pompa tersebut menggunakan submersible pump dengan

spesifikasi 220 V 50 Hz. daya 33 Watt dan kapasitas aliran maksimal 2000

liter/jam.

3.2. Perancangan Dan Realisasi Perangkat Keras

Pada bagian ini dijelaskan mengenai perancangan dari perangkat keras yang

dirancang. Perancangan perangkat keras yang akan dijelaskan yaitu perancangan perangkat

elektronik dan perangkat pengkondisi sinyal sensor.

3.2.1. Perangkat Elektronik

Pada perangkat elektronik ini terdiri dari box pengendali utama, Catu daya DC,

pengkondisi sinyal konduktivitas dan pH, driver pompa dan solenoid valve, serta relay

12VDC. Pada gambar 3.3. merupakan realisasi dari perangkat elektronik.

Gambar 3.3. Realisasi Perangkat Elektronik.

3.2.2. Pengendali utama

Pada Pengendali utama ini Terdiri dari board mikrokontroler, LCD karakter 20x4

dan keypad matriks 4x4. Pada gambar 3.4. merupakan realisasi dari box pengendali utama.

19

Gambar 3.4. Realisasi Pengendali Utama.

3.2.3. Board Mikrokontroler

Board mikrokontroler yang dirancang dalam skripsi ini dilengkapi dengan LCD

karakter 20x4 , keypad matriks 4x4, dan driver relay menggunakan IC optocoupler PC817

dan ULN2803. Mikrokontroler yang digunakan dalam perancangan skripsi ini adalah

Arduino Mega2560 yang berfungsi sebagai pengontrol utama dari keseluruhan alat.

Konfigurasi penggunaan pin/port mikrokontroler Arduino Mega2560 dapat

dilihat dalam tabel 3.1 dan skema board mikrokontroler dapat dilihat dalam gambar 3.5.

Tabel 3.1. Konfigurasi penggunaan pin/port Arduino Mega2560.

Pin Port Keterangan

A8 Input Sensor suhu

A9 Input Sensor pH

A10 Input sensor konduktivitas (VH)

A11 Input sensor konduktivitas (VL)

A12 Input sensor konduktivitas (V1)

A13 Input sensor konduktivitas (V2)

D34 Output Driver Relay Catu Daya

D39 Output Driver Water Valve (inlet-1)

D41 Output Driver Water Valve (inlet-2)

D43 Output Driver Water Valve (outlet)

D45 Output Driver Water Valve (RO-outlet)

D47 Output Driver Water Valve (UV-Outlet)

20

D49 Output Driver Water Valve (Aquades-inlet)

D51 Output Driver Pompa AC (air baku)

D53 Output Driver Pompa AC (air akuades)

D32 Output LCD Karakter 20x4 (RS)

D30 Output LCD Karakter 20x4 (Enable pin)

D28 Output LCD Karakter 20x4 (D4)




D23 Keypad matriks 4x4 (baris-1)




D31 Keypad matriks 4x4 (kolom-1)




Gambar 3.5. Skema board mikrokontroler Arduino Mega2560[18].

21

Gambar 3.6. Board mikrokontroler Arduino Mega2560.

Driver relay

Driver relay dalam skripsi ini menggunakan IC PC817 dan IC ULN2803.

IC PC817 atau Optocoupler merupakan merupakan komponen penggandeng

(coupling) antara rangkaian input dengan rangkaian output yang menggunakan

media cahaya (opto) sebagai penghubung. Optocoupler sendiri terdiri dari 2

bagian, yaitu pengirim (transmitter) dan penerima (receiver). IC PC817

Digunakan untuk memisahkan sistem antara sistem mikrokontroler dengan sistem

solenoid valve, untuk tetap menjaga kestabilan sekaligus menghindari kerusakan

pada sistem mikrokontroler, karena pada sistem, menggunakan pompa AC sebesar

220 volt. IC ULN2803 adalah IC yang didalamnya merupakan susunan transistor

NPN yang terpasang secara darlington. IC ULN2803 digunakan sebagai saklar

untuk mengaktifkan relay. Output relay dihubungkan dengan beban berupa

komponen yang aktif pada tegangan DC 12V untuk mengoperasikan solenoid

valve dan AC 220V untuk mengoperasikan pompa air baku dan pompa air

akuades. Jika relay aktif, maka beban yang dihubungkan ke bagian output relay

akan aktif pula. Berikut ini rangkaian realisasi dari driver relay yang

menggunakan IC PC817 dan IC ULN2803.

22

Gambar 3.7. Rangkaian Driver Relay.

Gambar 3.8. Realisasi Rangkaian Driver Relay.

LCD Karakter 20x4

LCD karakter digunakan untuk menampilkan nilai TDS, pH, suhu, menu

dan segala bentuk kerja yang sedang dilakukan mikrokontroler. Menu yang

ditampilkan di LCD dapat dipilih dengan menekan tombol di keypad 4×4.

23

Gambar 3.9. Realisasi LCD.

Keypad 4x4

Keypad yang digunakan dalam skripsi ini adalah 4x4 (4 baris dan 4 kolom).

Keypad disini berfungsi untuk memilih menu pengujian apakah akan dilakukan

pengujian manual atau otomatis.

Gambar 3.10. Realisasi Keypad.

3.2.4. Catu Daya

Tegangan yang dihasilkan pada gambar adalah +5V dan -5V . Tegangan tinggi

AC 220 V diturunkan oleh transformator CT, keluaran tegangan dari transformator masih

tegangan bolak-bailk (AC) sehingga disearahkan dengan dioda agar menjadi searah (DC).

Setelah melewati proses penyearahan gelombang AC mejadi DC, diberikan kapasitor C1

untuk menekan ripple yang terjadi dari proses penyearahan gelombang AC, sehingga

keluaran nya sudah murni menjadi tegangan DC yang sempurna. Kemudian untuk

memangkas tegangan menjadi +5V dan -5V maka digunakanlah IC regulator 7805 dan

7905. Keluaran dari IC regulator ada kapasitor akhir C2 sebagai penstabil keluaran DC,

24

disini kualitas gelombang searah atau DC sudah baik dan siap digunakan untuk mensupplai

beban yang ada.

Gambar 3.11. Rangkaian Catu daya +5V dan -5V[19].

Pada gambar diperlihatkan realisasi dari rangkaian Catu daya +5V dan -5V:

Gambar 3.12. Realisasi rangkaian Catu daya +5V dan -5V.

3.2.5. Pengkondisi Sinyal Sensor Konduktivitas

Sensor konduktivitas menggunakan sepasang elektroda dari stainless steel yang

kemudian di gabungkan dengan rangkaian pengkondisi sinyal. Dengan tiga buah hambatan

yang mendapat catu tegangan dua arah dengan jenis rangkaian seri, maka total tegangan

sumber akan terbagi kepada masing-masing hambatan sesuai dengan beban hambatan

tersebut, dimana nilai tegangan yang terbagi dipengaruhi besarnya perbandingan nilai pada

masing-masing hambatan.

25

Gambar 3.13. Skematik Pembagi Tegangan

Besaran arus yang melewati sensor dapat diketahui dengan menambahkan dua

buah resistor secara seri pada masing-masing ujung probe sensor (Rs1 dan Rs2) atau dengan

mengukur arus nya secara langsung.

Besar VH, VL, V1, dan V2 diukur dengan ADC untuk mendapatkan VHL (tegangan

input) dan V12 (tegangan pada beban). Dengan rumus pembagi tegangan yang diperlihatkan

pada persamaan (1) [3].

V12 = R/ (R+Rs1+Rs2) x VHL (3.1)

V12 x (R+Rs1+Rs2) = R x VHL (3.2)

V12 x (Rs1+Rs2) = R x VHL - V12 x R (3.3)

V12 x (Rs1+Rs2) = R x (VHL - V12) (3.4)

R = V12 x (Rs1+Rs2) / (VHL - V12) (3.5)

Dari nilai R yang telah dihitung, dapat dicari nilai konduktivitas elektrik nya dari

persamaan 2.1. Karena pengukuran konduktivitas bergantung dengan suhu, maka besar

konduktivitas bergantung dengan suhu dapat digunakan rumus pada persamaan 2.6.

Kemudian terdapat pula Cell Constant, yang merupakan rasio jarak antar elektroda

dengan luas penampang elektroda yang masuk ke dalam larutan. Besarnya Cell Constant

mempengaruhi jarak pengukuran konduktivitas optimal. Pada sistem ini digunakan

sepasang elektroda yang memiliki spesifikasi berdiameter (D) sebesar 0,25cm, bagian yang

kontak dengan media air memiliki tinggi (t) 0,9cm, dan jarak antar elektroda (d) sebesar 0,7

26

cm. Sehingga jika dihitung mendapatkan besar Cell Constant (K) = 0,97 (cm-1) . Berikut

realisasi sensor dan perhitungan nya:

Gambar 3.14. Realisasi Sensor Konduktivitas

Dari persamaan 2.2, kemudian dapat dihitung besar cell constant nya adalah

sebesar:

K = (3.6)

K = (3.7)

K = = = 0,97 (cm-1) (3.8)

Didapatkan besar Cell Constant (K) sebesar 0,97. Pemilihan nilai tersebut karena

jarak ukur pembacaan TDS akan masih di dalam jarak ukur pembacaan TDS dalam

spesifikasi sistem ini. Kemudian TDS sampel air berdasarkan nilai konduktivitas yang

terukur dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.5.

Teknik pengukuran pada metode ini tidak bisa dilakukan jika sumber masukan

(VHL) diberikan arus satu arah (DC), hal ini karena air dan NaCl (dalam sistem ini

pengujian dilakukan dengan memberikan polutan NaCl sebagai polutan mineral) tersusun

27

dari molekul-molekul dwi kutub yang jika mendapatkan arus searah, maka molekul-

molekul ini akan diarahkan dan ion Na+ akan tertarik ke kutub negatif , sedangkan ion Cl-

ke kutub positif. Akibatnya hasil pengukuran tidak mencerminkan besar resistansi larutan

karena hasil nya akan selalu berubah2 [3].

Tegangan input (VHL) yang diberikan adalah berupa tegangan dua arah. Dengan

teknik ini maka molekul-molekul air dan ion-ion Na+ dan Cl- , akan relative pada

tempatnya jika frekuensi yang diberikan berorde kilo hertz. Frekuensi yang rendah dapat

menyebabkan molekul air dan ion-ion Na+ dan Cl- sempat mengadakan perubahan susunan,

sehingga resistansi yang diukur kurang sesuai dengan kenyataan.

Gambar 3.15. Skematik penghasil tegangan dua arah (AC) dengan

frekuensi 150Khz

Pada rangkaian di atas, adalah penghasil sinyal kotak dengan frekuensi 150Khz

(duty cycle 50%) menggunakan IC timer 555 dengan pemberian besar R4 = 4KΩ dan C1 =

1.2 nF. Fungsi dari R4 disini sebagai pengisi kapasitor (saat keluaran timer berlogika High)

dan pengosong (saat keluaran timer berlogika Low). Diketahui frekuensi sebesar 150Khz,

maka besar R4 dan C1 didapatkan dari perhitungan [4]:

(3.10)

(3.11)

28

(3.12)

Keluaran dari timer, di arahkan ke IC LM324 sebagai komparator. Di gunakan

dua komparator, keluaran komparator pertama HIGH ketika sinyal pulsa keluaran timer

555 HIGH, ketika keluaran timer 555 LOW, komparator akan juga bernilai LOW. Kondisi

terbalik pada komparator kedua, keluaran LOW ketika sinyal pulsa keluaran timer 555

HIGH, ketika keluaran timer 555 LOW, komparator akan bernilai HIGH. Keluaran dari

kedua komparator ini kemudian akan di berikan kepada masing-masing probe sensor.

Dengan pemberian 2 komparator tersebut, arus yang masuk ke dalam air akan

berjalan dua arah, dan akan di dapat besar resistansi yang relatif stabil.

Gambar 3.16. Rangkaian komparator

Penentuan besar R1 = R2 dengan menggunakan prinsip pembagi tegangan, agar

masukan ke komparator pertama (Vinv) dan ke komparator kedua (Vnon-inv) bernilai 1 volt.

Perhitungan besar R1 dan R2 adalah sebagai berikut:

Ditentukan; Vin = 5V , Vout = 1/2Vcc = 2,5V , Iout = 10mA, maka:

VR1 = Vin – Vout

= 5 – 2,5 v = 2,5V

29

R1 = = = 250 Ω

VR2 = Vout – Vground

= 2,5v – 0v = 2,5V

R2 = = = 250 Ω

Maka didapat R1 = R2 = 250 Ω. Jika dihitung dengan rumus pembagi tegangan,

akan didapatkan:

Pada gambar diperlihatkan realisasi dari Rangkaian pengkondisi sinyal sensor

konduktivitas :

Gambar 3.17. Rangkaian Realisasi Pengkondisi Sinyal

Sensor Konduktivitas

3.2.6. Pengkondisi sinyal Sensor pH

Pada sensor pH digunakan pH electrode buatan Lutron type PE-03. Sensor PE-03

ini mampu mendeteksi tingkat keasaman dari 0-14 pH. Sensor pH ini hanya memerlukan 1

buah pin pada mikrokontroler dan pada tugas akhir ini diberikan pada Port ADC9. Dalam

proses pengukuran kadar pH diperlukan sebuah pengkondisian sinyal, agar sinyal yang

dihasilkan oleh sensor ini dapat terbaca oleh mikrokontroler. Dalam rangkainya,

30

pengkondisi sinyal ini menggunakan IC TL072. Rangkaian pengkondisi sinyal

diperlihatkan pada gambar 3.17.

Gambar 3.18. Rangkaian Pengkondisi Sinyal untuk pH

Gambar 3.19. Realisasi Rangkaian Pengkondisi Sinyal untuk pH

Rangkaian pengkondisi sinyal untuk sensor pH Lutron PE-03 yang dirancang pada

sistem ini merupakan rangkaian penguat tak membalik, dengan menggunakan 2 penguat.

Penguat pertama dari sensor untuk membaca tegangan atau nilai yang didapat dari air yang

diukur, sedangkan rangkaian kedua digunakan sebagai pembanding untuk nilai yang

didapat dari sensor.

31

3.2.7. Perancangan Tempat Pengujian Air

Tempat pengujian air baku menggunakan pipa-pipa PVC yang dibatasi oleh

solenoid valve pada tiap ujung nya untuk membatasi air yang masuk ke dalam pipa

pengujian. Rangka luar tempat pengujian tersebut dibuat dari akrilik dan mempunyai

ukuran panjang 65 cm, lebar 45 cm, dan tinggi 55 cm. Pemberian rangka luar ini bertujuan

sebagai dudukan dalam peletakan pipa-pipa PVC tempat pengujian air, sekaligus sebagai

tempat peletakan rangkaian pengontrol utama keseluruhan alat. Pada gambar 3.20

ditunjukkan maket yang sudah dibuat.

Gambar 3.20. Maket Yang Sudah Dibuat. (a) Tampak depan. (b) Tampak samping kiri.

(c) Tampak samping kanan

3.2.8. Solenoid valve

Solenoid valve diberikan pada setiap ujung masukan dan keluaran pipa sebagai

pembatas sekaligus penahan air pada saat proses pengujian. Total solenoid valve dalam

sistem ini ada 6 buah. Pada gambar 3.21 ditunjukkan Solenoid Valve Dalam Sistem.

32

Gambar 3.21. Solenoid Valve Dalam Sistem

3.2.9. Pompa Air Baku

Pada pompa air baku ini menggunakan submersible pump akuarium. Pompa

tersebut diletakkan tandon air baku. Pompa ini nanti yang akan mengambil air dari tandon

untuk dibawa ke ruang pengujian dalam pipa.

3.2.10. Pompa Air Akuades

Pada pompa air akuades ini menggunakan submersible pump akuarium. Pompa

tersebut diletakkan tandon air akuades. Pompa ini nanti yang akan mengambil air dari

tandon untuk dibawa ke ruang pengujian dalam pipa dan melakukan pembilasan ruang uji

kemudian langsung dibuang keluar kembali dari dalam ruang uji.

3.3. Perancangan Perangkat Lunak

Pada bagian ini dijelaskan mengenai perancangan perangkat lunak. Perancangan

perangkat lunak akan dijelaskan dalam diagram alir keseluruhan alat.

33

3.3.1. Diagram Alir Keseluruhan Alat

Pada Gambar 3.22 akan ditunjukkan diagram alir program mikrokontroler secara

keseluruhan.

Gambar 3.22. Diagram Alir Keseluruhan Alat.

Alat

34

Penjelasan diagram alir program mikrokontroler adalah sebagai berikut :

Pada saat alat dinyalakan maka program akan melakukan inisialisasi.

Setelah inisialisasi selesai maka sistem akan menampilkan tampilan pembuka

berupa judul skripsi dan nama penulis pada LCD karakter 20x4.

Kemudian sistem masuk pada state menu, dimana akan tertampil pada LCD

karakter, 2 pilihan menu yaitu “Pengujian Manual” dan “Pengujian Otomatis”.

Ketika diberikan pilihan ‘1”, maka akan masuk ke bagian pengujian manual.

Pengujian manual dimulai dengan state pembilasan ruang uji dengan air murni

terlebih dahulu, kemudian selanjutnya ke state pengisian air baku sampel yang

akan diuji. Air sudah masuk ke dalam ruang uji, proses pengukuran dimulai dan

dilanjutkan pengolahan data, diakhiri dengan hasil yang ditampilkan pada LCD

karakter 20x4. Hasil yang terbaca ini kemudian disaring, apakah pH yang

terbaca sensor memenuhi kriteria diantara 6,5-8,5. Jika tidak memenuhi akan

tertampil pesan bahwa air tidak memenuhi kriteria pH yang diinginkan dan

selanjutnya menuju state pembilasan dan selesai, kembali ke state menu awal.

Jika memenuhi, maka akan disaring data sensor TDS, apakah TDS berada dalam

jarak 0-200ppm dan suhu berada pada +/- 3oC dari suhu udara yang terbaca.

Jika memenuhi kriteria maka, langkah selanjutnya adalah pengisian air baku

untuk dibawa ke saluran UV. Akan tetapi jika tidak memenuhi kriteria maka,

langkah selanjutnya adalah pengisian air baku akan dibawa ke saluran RO.

Ketika diberikan pilihan ‘2”, maka akan masuk ke bagian pengujian Otomatis.

Langkah kerja pengujian dan pengolahan data sama. Yang membedakan adalah

pada proses terakhir, saat pengisian air baku ke saluran RO atau UV, delay

waktu pengujian akan menyala selama satu jam, kemudian ketika sudah

mencapai satu jam, sistem akan melakukan pengujian kembali secara otomatis.

Saat proses pengujian otomatis ini berlangsung, jika ketika pengolahan data

ditemukan hasil keluaran pH yang tidak memenuhi kriteria, maka akan tertampil

pesan bahwa air tidak memenuhi kriteria pH yang diinginkan dan selanjutnya

menuju state pembilasan, sekaligus secara otomatis keluar dari mode pengujian

otomatis, dan kembali ke state menu awal.

bab iii perancangan alat -...

Documents