32

BAB III

PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT

Bab ini akan membahas mengenai perancangan dan realisasi perangkat

keras serta perangkat lunak dari setiap modul yang mendukung keseluruhan alat

yang dibuat. Gambar 3.1 menunjukkan blok diagram alat secara keseluruhan.

Gambar 3.1 Blok Diagram infrared reflowsoldering.

Perancangan infrared reflowsoldering terbagi menjadi dua bagian, yaitu

perancangan perangkat keras dan perangkat lunak infrared reflowsoldering.

3.1 Cara Kerja Infrared Reflowsoldering

Infrared reflowsoldering terdiri dari sebuah mikrokontroler yang

mengolah dua buah masukan, yaitu keypad dan sensor termokopel. Kedua

masukan tersebut digunakan oleh mikrokontroler untuk mengendalikan dua buah

keluaran, yaitu Solid State Relay (SSR) yang berfungsi sebagai komponen

pensaklaran oven reflowsoldering dan LCD grafik sebagai modul penampil grafik

perubahan suhu terhadap waktu.

33

Cara kerja dari infrared reflowsoldering ini akan dijelaskan pada langkah-

langkah kerja alat sebagai berikut :

1. Infrared reflowsoldering terdiri dua mode, yaitu mode default dan manual.

2. Untuk memilih mode yang diinginkan, pengguna harus melakukan

penekanan tombol keypad , yaitu tombol ‘1’ untuk mode default, dan

tombol ‘2’ untuk mode manual.

3. Pada mode default, setelah pengguna melakukan penekanan tombol

keypad, mikrokontroler akan mengirimkan sinyal PWM ke SSR

berdasarkan nilai suhu yang diterima dari modul sensor termokopel untuk

disesuaikan dengan grafik perubahan suhu terhadap waktu mode default

yang telah diinputkan pada mikrokontroler. Sinyal PWM yang diterima

SSR digunakan untuk mengatur posisi on/off dari oven. Mikrokontroler

akan menampilkan grafik perubahan suhu terhadap waktu selama proses

penyolderan berlangsung.

4. Pada mode manual, pengguna terlebih dahulu memasukkan nilai-nilai

parameter suhu dan waktu dari masing-masing proses reflowsoldering

menggunakan keypad yang tersedia pada modul pengendali utama. Nilai-

nilai tersebut merupakan masukan bagi mikrokontroler didalam melakukan

proses reflowsoldering.

3.2 Perangkat Keras Infrared Reflowsoldering

Perangkat keras yang dirancang dan direalisasikan pada alat ini terdiri dari

mikrokontroler sebagai pengendali utama, modul sensor termokopel, modul LCD

grafik sebagai penampil, serta modul pemanas.

34

3.2.1 Mikrokontroler

Alat yang dirancang menggunakan mikrokontroler keluarga AVR jenis

ATmega32 sebagai pengendali utama. Mikrokontroler ini berfungsi sebagai

pengendali penerimaan dan pengolahan data dari sensor termokopel, pengendali

modul pemanas, dan menampilkan grafik perubahan suhu terhadap waktu pada

modul penampil. Gambar 3.2 menunjukkan untai modul mikrokontroler,

sedangkan untuk Alokasi port-port mikrokontroler ditunjukkan pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1 Alokasi pin mikrokontroler

Port pengendali

mikrokontroler

Fungsi

Port A0 dan A1 Sebagai ADC untuk membaca

output sensor

Port A2-A5 Sebagai masukan untuk keypad

4x4

Port A6 Backlight LCD grafik

Port A7 Reset LCD grafik

Port B0-B2 dan B4 Sebagai masukan untuk keypad

4x4

Port B3 Terhubung dengan SSR

Port C0-C7 Terhubung pada LCD grafik

Port D2-D5 dan D7 Terhubung pada LCD grafik

35

Gambar 3.2 Untai Modul Mikrokontroler.

3.2.2 Modul Sensor Termokopel

Untuk kepentingan pemantauan suhu oven reflow, dibutuhkan sensor suhu

presisi yang dapat bekerja pada suhu yang cukup tinggi. Termokopel digunakan

sebagai sensor suhu karena mampu bekerja pada suhu yang cukup ekstrim

(berkisar antara -400°C sampai 1300°C), harga yang terjangkau, dan tidak

membutuhkan sumber daya dalam pengoperasiannya.

Sinyal keluaran dari termokopel umumnya sangat kecil serta memiliki

noise yang cukup besar. Contohnya, perbandingan nilai tegangan keluaran

terhadap perubahan suhu untuk termokopel tipe K adalah sebesar 0,4 mV/°C.

36

Agar sinyal dapat memenuhi syarat untuk diolah pada proses selanjutnya,

misalnya sebagai masukan pada Analog to Digital Converter (ADC) diperlukan

rangkaian yang mampu mengatur range tegangan dan menghasilkan sinyal linier

serta bebas noise.

Gambar 3.3 Termokopel yang dipakai sebagai sensor suhu [8]

Pada perancangan digunakan penguat instrumentasi untuk menguatkan

tegangan keluaran termokopel, karena mampu menerima sinyal masukan dengan

impedansi yang rendah, memiliki penguatan yang stabil, merupakan penguat loop

tertutup dengan masukan diferensial, serta penguatannya dapat diatur tanpa

mempengaruhi nisbah penolakan modus bersama (Common Mode Rejection

Ratio). Dengan keunggulan-keunggulan yang dimiliki, penguat instrumentasi

dapat digunakan sebagai rangkaian pengkondisi sinyal untuk sinyal rendah dan

mengandung noise.

IC INA114AP programmable gain-single resistor instrumentation

amplifier, digunakan untuk menguatkan tegangan keluaran dari sensor suhu

termokopel karena memiliki fitur sebagai berikut:

37

1. Low offset voltage: maksimum 50µV

2. Low drift: maksimum 0,25µV/°C

3. Low input bias current: maksimum 2nA

4. High Common-Mode Rejection

5. Input over-voltage protection: ±40V

6. Memiliki range penguatan yang lebar yaitu 1-10.000. Besar

penguatan dari IC INA114AP ditentukan oleh nilai hambatan Rg.

Adapun rumus dari penguatan IC INA114AP adalah sebagai

berikut:

501

g

kG

R

Ω= + (3.1)

dimana:

G = Nilai penguatan (1-1000)

gR = Gain resistor (ohm)

Dalam menentukan besar penguatan dari untai penguat instrumentasi, ada

dua hal yang perlu diperhatikan, yaitu:

1. Nilai tegangan keluaran termokopel pada temperatur minimum dan

maksimum dari oven yang akan dirancang, sehingga dapat

disesuaikan dengan range tegangan referensi dari ADC yang

digunakan (pada perancangan dipakai ADC internal ATmega32

dengan tegangan referensi dari 0-5 Volt).

2. Besar penguatan disesuaikan dengan nilai resistor yang tersedia di

pasaran.

38

Gambar 3.4 Untai penguat termokopel menggunakan penguat instrumentasi

INA114AP

Nilai resistor gR yang digunakan pada rangkaian penguat instrumentasi

adalah 120 Ω dengan toleransi sebesar 1%. Sesuai dengan persamaan 3.1, maka

besar penguatan dari untai penguat instrumentasi adalah:

501

120

kG

Ω= +

Ω

1 416,66= +

417,66=

Posisi sensor termokopel pada oven yang dirancang, tepat dibawah

ceramic infrared heater, tegak lurus terhadap arah radiasi, dengan jarak sekitar 2

cm. Hal ini dilakukan dengan harapan termokopel dapat menerima perpindahan

panas secara radiasi dari elemen pemanas dengan baik.

-V4

IN+3

IN-2

OUT6

REF5

RG1

RG8

+V7

U1

INA114AP

120

R Gain

VCC

VEE100nF

C1

100nF

C2

Thermocouple(-)

Thermocouple(+)

12

ATMega32

Header 2

39

Gambar 3.5 Posisi dari termokopel pada oven yang dirancang

3.2.3 Modul Pemanas

Modul pemanas yang dibutuhkan untuk memenuhi spesifikasi dari alat

yang dirancang adalah sebagai berikut:

1. Suhu maksimum dapat mencapai lebih besar sama dengan suhu

maksimum dari spesifikasi tugas akhir yang akan dirancang, yaitu

sebesar 260°C.

2. Perubahan temperatur terhadap waktu yang tertulis pada spesifikasi

tugas akhir dapat dipenuhi.

3. Umur pemakaian yang cukup lama.

4. Efisiensi pemanasan yang tinggi.

5. Tidak mengakibatkan kerusakan komponen yang disolder.

40

Rencana awal dari perancangan modul pemanas adalah memanfaatkan

microwave oven yang tersedia dipasaran. Namun penggunaan microwave oven

dirasa tidak baik, karena dapat menimbulkan listrik statis yang mampu merusak

komponen yang disolder. Modul pemanas yang direalisasikan awalnya

menggunakan oven listrik yang terdapat di pasaran dengan spesifikasi sebagai

berikut:

1. Menggunakan catudaya 220 VAC/50-60Hz.

2. Kapasitas efisien 19 liter.

3. Bobot 5 Kg.

4. Suhu maksimum adalah 250°C.

5. Memiliki empat elemen pemanas dengan konsumsi daya 395 W

untuk penggunaan dua elemen dan 790 W untuk penggunaan

empat elemen pemanas.

6. Dimensi keseluruhan adalah 290 mm × 270 mm × 255 mm.

Setelah dilakukan percobaan pada oven yang dipakai, ternyata hasilnya

kurang memuaskan, karena proses penyolderan membutuhkan waktu yang cukup

lama yaitu sekitar 8 menit (jauh dari spesifikasi yang telah ditentukan). Untuk

mendapatkan waktu penyolderan yang cepat, sesuai dengan spesifikasi tugas

akhir, elemen pemanas pada oven diganti menjadi ceramic infrared heater

sebanyak dua buah.

41

Gambar 3.6 Elemen pemanas bawaan oven.

Gambar 3.7 Ceramic infrared heater

Spesifikasi dari ceramic infrared heater yang digunakan adalah sebagai

berikut:

1. Dimensi 60 mm × 245 mm

42

2. Menggunakan catudaya 220 VAC/50-60 Hz

3. Daya keluaran maksimum 1000 Watt

4. Temperatur maksimum 850°C

5. Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai suhu maksimum dari suhu

kamar adalah ±60 detik

Agar mikrokontroler dapat mengatur kondisi on/off modul pemanas,

digunakan Solid State Relay (SSR) sebagai komponen pensaklaran. SSR yang

dipakai adalah KSD225AC3 buatan Cosmo electronic dengan spesifikasi sebagai

berikut:

1. Input 5-12 VDC

2. Load 25A, 250VAC

3. Tegangan drop-out 1 VDC

Gambar 3.8 Untai pensaklaran oven menggunakan SSR

Untuk mendapatkan perubahan temperatur ruang oven yang cepat,

sehingga dapat melakukan penyolderan sesuai dengan spesifikasi yang telah

ditentukan, hal-hal yang dilakukan adalah sebagai berikut:

43

1. Dilakukan penyempitan ataupun pengurangan volume dari oven

dengan cara mengurangi tinggi dari ruang oven sekitar 9 cm.

2. Melapisi dinding dalam sebelah atas dan bawah menggunakan

keramik.

3. Melapisi dinding luar sebelah atas, kanan, dan kiri menggunaka

glasswool dan alumunium foil.

Gambar 3.9 Pengurangan volume dari oven

Gambar 3.10 Lapisan glasswool pada dinding luar oven

44

3.2.4 Modul Penampil

Modul penampil yang digunakan pada tugas akhir ini adalah LCD grafik

128 kolom × 64 baris. Konfigurasi pin keluaran dari LCD grafik dapat dilihat

pada tabel 3.2.

Tabel 3.2 konfigurasi pin pada LCD 128 kolom × 64 baris [22, h.8]

Pin

No.

Symbo

l

Level Description

1 CS1 L Select Segment 1 ~ Segment 64

2 CS2 L Select Segment 65 ~ Segment128

3 GND 0V Ground

4 VDD 5.0V Supply voltage for logic

5 VLC (Variabl

e) Operating voltage for LCD

6 D/I H/L H: Data , L: Instruction

7 R/W H/L H: Read(MPU←Module) , L :Write(MPU→Module)

8 E H Enable signal

9 DB0 H/L Data bit 0

10 DB1 H/L Data bit 1

11 DB2 H/L Data bit 2

12 DB3 H/L Data bit 3

13 DB4 H/L Data bit 4

14 DB5 H/L Data bit 5

15 DB6 H/L Data bit 6

16 DB7 H/L Data bit 7

17 RST L Reset the LCM

18 VEE V Negative voltage;

19 A － Power supply for LED +

20 K － Power supply for LED -

45

Gambar 3.11 LCD grafik 128 kolom × 64 baris [8]

3.2.5 Keypad

Keypad yang digunakan adalah keypad jenis membrane dengan ukuran 4

kolom × 4 baris seperti pada Gambar 3.12.

Gambar 3.12 Keypad 4 kolom × 4 baris

46

Perancangan untuk modul ini menggunakan scanning keypad. Scanning

dilakukan dengan mengkonfigurasikan pin-pin dari keypad menjadi masukan dan

keluaran untuk mikrokontroler. Pin-pin yang dikonfigurasikan sebagai keluaran,

dihubungkan dengan pin yang terhubung dengan 4 baris pada keypad dan pin-pin

yang dikonfigurasikan sebagai masukan dihubungkan dengan pin yang terhubung

dengan 4 kolom pada keypad. Konfigurasi koneksi antar pin ditunjukkan pada

Tabel 3.3.

Tabel 3.3 Konfigurasi pin keypad

Pin Keypad (tampak

depan) Pin Mikrokontroler

Fungsi Pin

Mikrokontroler

Pin 1 Port B0 output

Pin 2 Port A2 output

Pin 3 Port B1 output

Pin 4 Port A3 output

Pin 5 Port B2 input

Pin 6 Port A4 input

Pin 7 Port B4 input

Pin 8 Port A5 input

3.3 Perangkat Lunak Infrared Reflowsoldering

Perangkat lunak pada infrared reflowsoldering ini digunakan untuk

melakukan pengolahan semua alur yang terdapat pada alat secara keseluruhan.

Alur yang terdapat pada alat yang dirancang dibagi menjadi empat bagian, yaitu

47

diagram alir preheating, heating, soldering dan cooling. Setiap proses dari

reflowsoldering memiliki varibel-variabel suhu dan waktu, yaitu:

• Preheating : variabel suhu Ts, variabel waktu ts

• Heating : variabel suhu TL, variabel waktu tL

• Soldering : variabel suhu Tp, variabel waktu tp

• Cooling : saat cooling proses reflowsoldering telah selesai.

Gambar 3.13 merupakan diagram alir dari proses preheating. Pada proses

ini, waktu awal ditentukan mulai dari 0 detik, dengan suhu awal adalah 25°C.

Untuk mode default, target suhu yang ingin dicapai adalah 150°C dengan

kenaikan suhu maksimal 2°C/detik. Sedangkan untuk mode manual, target suhu

yang akan dicapai sesuai dengan masukan oleh user. Selama proses berlangsung

grafik perubahan suhu terhadap waktu ditampilkan pada LCD grafik. Setelah

proses preheating selesai, maka penyolderan akan dilanjutkan ke proses heating.

Gambar 3.14 merupakan diagram alir dari proses heating. Pada proses ini,

waktu awal ditentukan mulai dari 0 detik, dengan suhu awal adalah 150°C. Untuk

mode default, target suhu yang ingin dicapai adalah 183°C dengan kenaikan suhu

maksimal 1,3°C/detik. Sedangkan untuk mode manual, target suhu yang akan

dicapai sesuai dengan masukan oleh user. Selama proses berlangsung grafik

perubahan suhu terhadap waktu ditampilkan pada LCD grafik. Setelah proses

heating selesai, maka penyolderan akan dilanjutkan ke proses soldering.

Gambar 3.15 merupakan diagram alir dari proses soldering. Pada proses

ini, waktu awal ditentukan mulai dari 0 detik, dengan suhu awal adalah 183°C.

48

Untuk mode default, target suhu yang ingin dicapai adalah 225°C. Saat target

suhu dicapai, temperatur oven dijaga agar tetap stabil selama 20 detik. Sedangkan

untuk mode manual, target suhu yang akan dicapai sesuai dengan masukan oleh

user. Selama proses berlangsung grafik perubahan suhu terhadap waktu

ditampilkan pada LCD grafik. Setelah proses soldering selesai, maka penyolderan

akan dilanjutkan keproses cooling.

Gambar 3.16 merupakan diagram alir dari proses cooling. Pada proses ini,

keseluruhan proses reflowsoldering telah selesai.

49

Gambar 3.13 Diagram alir preheating

50

Gambar 3.14 Diagram alir heating

51

Gambar 3.15 Diagram alir soldering

52

Gambar 3.16 Diagram alir cooling