16

BAB III

PERANCANGAN SISTEM

Pada bab ini akan dijelaskan perancangan sistem alat pembuat biogas dari eceng

gondok. Perancangan terdiri dari perancangan perangkat keras dan perancangan

perangkat lunak.

3.1. Gambaran Sistem

Alat yang akan direalisasikan dalam skripsi ini adalah membuat mesin pencacah

eceng gondok kemudian membuat tabung digester fermentasi untuk dibuat biogas. Blok

diagram keseluruhan sistem dari alat dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 3.1. Blok diagram sistem kontroler utama

Catu daya 220 V

AC 220 ke DC 5V

Mikrokontroler

Motor AC

Display LCD

Sensor gas

TGS 2610

Sensor suhu

termokopel

Indikator level

air

Sensor tekanan

Photodioda

Display LED

Buzzer

Menggerakan

pisau cacah

17

3.2 Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras

Pada bagian ini dijelaskan mengenai perancangan dan perealisasian dari perangkat

keras yang dirancang. Perancangan perangkat keras yang akan dijelaskan meliputi

bagian kontroler utama dan mekanik.

3. 2.1 Kontroler Utama

Kontroler utama berisi catu daya, board mikrokontroler, dan board sensor -

sensor yang saling terhubung. Perangkat yang terdapat dalam bagian perancangan

kontroler utama dilindungi oleh boks dapat dilihat pada Gambar 3.2.

Gambar 3.2. Realisasi boks kontroler utama

3.2.1.1 Catu Daya

Perancangan catu daya dirancang menggunakan transformator CT 3A dengan

tegangan keluaran 6VAC dan 12VAC yang disearahkan dengan rangkaian dioda (Gambar

3.3). Tegangan keluaran yang dihasilkan transformator setelah disearahkan dengan

dioda adalah 6,24Vdc dan 13,86 VDC maka untuk menurunkan tegangan menjadi 5V

digunakan IC regulator 7805 sedangkan untuk menurunkan tegangan menjadi 12V

digunakan IC regulator 7812.

Tegangan 5V digunakan untuk mencatu board mikrokontroler dan tegangan 12V

digunakan untuk mencatu rellay yang akan mengatur on off mesin pencacah.

18

Gambar 3.3 Perancangan catu daya

3.2.1.2 Board Mikrokontroler

Board Mikrokontroler yang dirancang dalam skripsi ini dilengkapi dengan ADC

dan LCD karakter 20×4. Mikrokontroler yang digunakan dalam perancangan skripsi ini

adalah ATmega 8535 yang berfungsi sebagai pengontrol utama dalam keseluruhan alat.

Mikrokontroler ATmega 8535 ini digunakan untuk mengolah data sensor dan layar

LCD.

Tabel 3.1 Konfigurasi penggunaan pin/port mikrokontroler Atmega 8535

Nama PORT Fungsi

PORTA.0 Sensor suhu

PORTA.1 Sensor gas

PORTA.2 Sensor tekanan

PORTA.3 Buzer

PORTA.4 Kontrol mesin pencacah

PORTA.5 Sensor photodioda

PORTA.6 – PORTA.7 Sensor level air

PORTB.4 – PORTB.0 Tampilan LED

PORTC.7 – PORTC.4

PORTC.2 – PORTC.0 LCD karakter 20×4

PORTD.4 – PORTD.0 Tampilan LED

3.2.1.3 ADC (Analog Digital Converter)

ADC internal adalah fitur dari mikrokontroler AVR yang berfungsi untuk

mengkonversi data dari input analog ke data digital atau sebaliknya. Konversi data

analog ke data digital ini dilakukan agar data dapat diolah oleh mikrokontroler. Pada

19

umumnya ADC digunakan sebagai perantara antara sensor – sensor yang sebagian besar

mempunyai data analog dengan sistem komputer. Seperti sensor suhu, sensor tekanan,

sensor gas,dll. ADC memiliki resolusi 10 bit output data digital yaitu sinyal input dapat

dinyatakan dalam 1024 nilai desimal, dan resolusi 8 bit output data digital yaitu sinyal

input dapat dinyatakan dalam 256 nilai desimal. Sebagai contoh untuk memperoleh

hasil perhitungan tegangan yang dimasukan ke pin ADC digunakan persamaan berikut:

Nilai digital untuk input ADC resolusi 10 – bit (1024) adalah:

Data digital ADC = 𝑉𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡

𝑉𝑟𝑒𝑓 x1024………………………………………….(3.1)

Nilai digital untuk input ADC resolusi 8 – bit (256) adalah:

Data digital ADC = 𝑉𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡

𝑉𝑟𝑒𝑓 x 256………....……………………...........…...(3.2)

Dimana,

ADC : Nilai digital yang terbaca oleh ADC mikrokontroler

Vref : Tegangan referensi

Vinput : Tegangan masukan yang akan dikonversi

Dalam perancangan tugas akhir ini menggunakan ADC 10 –bit (1024) yang

digunakan untuk pengolahan data sensor – sensor.

3.2.1.4 LCD Karakter 20x4

LCD karakter 20x4 digunakan untuk menampilkan data hasil pengolahan sensor.

Data sensor yang ditampilkan adalah suhu (Celcius), kadar gas ppm (part per million),

dan tekanan gas kPa (kiloPascal).

Gambar 3.4 LCD karakter 20x4

20

3.2.1.5 Perancangan Modul Sensor Gas

Berdasar hasil pengukuran, didapat nilai arus untuk keluaran sensor gas sebagai

berikut:

Tabel 3.2 Pengukuran arus keluaran TGS 2610

Kadar Gas Arus keluaran sensor

Normal (ruangan) 97 uA

Gas > 640ppm 460 uA

Konsentrasi > 640 ppm adalah nilai konsentrasi maksimal yang dapat diukur

oleh alat pendeteksi gas yang digunakan (gas detector seri 7291).

Jika ditentukan nilai untuk tegangan maksimum adalah 4.5 V, maka nilai resistor

RS yang dibutuhkan adalah:

V = I x R…………………………………...(3.3)

4.5v = 460 uA x R

R = 9782 Ω

Nilai resistor tersebut tidak ada sehingga dibulatkan menjadi 10 KΩ, maka nilai

tegangan untuk konsentrasi gas > 640 ppm adalah :

V = I x R…………………………………….(3.4)

= 460 uA x 10 KΩ

= 4.6 V

Sedangkan nilai tegangan untuk konsentrasi pada ruangan normal adalah

V= I x R.....…………………………………..(3.5)

= 97 uA x 10 KΩ

= 0.97 V

Gambar 3.5. Skema sensor gas

21

3.2.1.6 Perancangan Modul Sensor Suhu

Termokopel tipe K adalah yang umum digunakan, mudah ditemukan, dan

harganya yang murah. Pada perancangan ini menggunakan termokopel tipe K baut

(Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy)) dengan rentang suhu 0 hingga +400

. [7]

Gambar 3.6. Termokopel tipe K

Tegangan keluaran dari sensor termokopel umumnya sangat kecil dan memiliki

noise yang besar. Perbandingan tegangan keluaran terhadap perubahan suhu untuk

termokopel tipe K adalah sebesar 40.44 uV setiap 1 0C. Agar sinyal keluaran

termokopel dapat diolah oleh mikrokontroler, yaitu sebagai masukan pada Analog to

Digital Converter (ADC) maka diperlukan rangkaian yang mampu menghasilkan

tegangan yang lebih besar dan menghilangkan noise.

Dalam perancangan ini digunakan penguat instrumentasi yang mempunyai cold

junction compensation, amplification, dan output buffer dalam 1 paket IC tunggal,

tegangan catu daya IC diantara 5V – 30V. untuk pengukuran suhu diatas 0 0C, dengan

menggunakan IC penguat instrumentasi ini hanya menggunakan single supplay 5V.

Gambar 3.7. Blok diagram AD595 [10]

22

AD595 (thermocouple amplifiers with cold juction compensation) digunakan

untuk menguatkan nilai tegangan keluaran termokopel tipe K karena memiliki fitur

sebagai berikut:

Terkalibrasi untuk termokopel tipe J dan tipe K

Impedansi tegangan keluaran kecil : 10mV/ 0C

Terdapat kompensasi titik beku (Ice Point Compensation)

Rentang tegangan input besar : +5 V sampai ±15 V

Daya kecil: <1 mW

Alarm termokopel

Mode operasi setpoint

High Impedance Differential Input [10]

AD595 Mempunyai gain (nilai penguatan) sebesar 247.3 kali dengan kenaikan

tegangan keluaran sebesar 10mV/0C. Untuk menentukan tegangan keluaran termokopel

dari penguat AD595 digunakan persamaan sebagai berikut:

Type K voltage = (AD595 output / 247.3) – 11 uV..............................(3.6)

Pengukuran tegangan keluaran AD595 pada suhu 25 0C adalah 250 mV. Untuk

mencari nilai tegangan termokopel sebelum dikuatkan dengan menggunakan persamaan

tersebut diatas, yaitu :

Tegangan termokopel = (250 mV / 247,3) – 11uV = 999.9 uV ……(3.7)

Berdasarkan tabel konversi nilai tegangan termokopel, nilai tegangan sebelum

dikuatkan adalah 999.9 uV dan nilai tegangan keluaran AD595 adalah 250 mV.

Tabel 3.3 Nilai perubahan tegangan termokopel dan AD595 terhadap suhu [10]

Thermocouple

Temperature 0C

Type K

Voltage

mV

AD595

Output

mV

-20 -0.777 -189

-10 -0.392 -94

0 0 2.7

10 0.397 101

20 0.798 200

23

25 1.000 250

30 1.203 300

40 1.611 401

50 2.022 503

60 2.436 605

80 3.266 810

3.2.1.7 Perancangan Modul Sensor Tekanan

Perancangan modul ini dengan membuat rangkaian seperti pada Gambar 3.8

Gambar 3.8 Blok diagram sensor tekanan

Tegangan keluaran dari sensor dihubungkan dengan ADC untuk selanjutnya

diolah menjadi tekanan dan ditampilkam pada layar LCD. Menggunakan trasfer

function pesamaan 2.2 untuk mengkonversi nilai tegangan menjadi tekanan.

Tekanan (kPa) = 𝑉𝑜

𝑉𝑠 − 0.04

0.0018 ± Error ...................................................... .. (3.8)

Dimana,

ADC : Nilai yang terbaca oleh ADC

Vo : Tegangan keluaran sensor (V)

Vs : Tegangan sumber (V)

Error : 2.5%

3.2.2 Mekanik

Alat mekanik yang dirancang terdiri dari mesin pencacah dan tabung digester

fermentasi . Mekanik keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 3.9

24

Gambar 3.9A Realisasi alat yang dirancang

Gambar 3.9B Penampang letak sensor pada alat yang dirancang

3.2.2.1 Mesin Pencacah

Mesin pencacah adalah tempat dimana masukan berupa eceng gondok yang

sudah bersih dari kotoran dan lumpur dicacah menjadi potongan kecil – kecil agar

proses fermentasi menjadi lebih cepat dari pada eceng gondok utuh yang tidak dicacah.

Box Kontroler

digester Penyimpanan gas

Mesin pencacah

Filter air

25

Gambar 3.10 Mesin pencacah.

Didalam mesin pencacah terdapat pisau sebanyak 6 buah dengan panjang 21 cm,

lebar 5 cm, tebal 5mm. Pemasangan pisau pencacah menggunakan baut pada ujung

pangkalnya disusun 3 buah seperti pada Gambar 3.11. Pemasangan ini bertujuan untuk

menyesuaikan beban kerja motor listrik AC. Bila pisau terlalu banyak maka kerja motor

listrik AC akan menjadi berat, namun bila terlalu sedikit pisau maka hasil cacahan

terlalu besar. Pisau pencacah digerakan oleh mesin listrik AC yang dihubungkan dengan

v-belt.

Gambar 3.11 Pisau pencacah

Perhitungan putaran poros penggerak pisau

n1.d1 = n2.d2……………………………………………………(3.9 )

1430 rpm . 3.5 inch = n2 . 6 inch

n2 = 834 rpm

Dimana,

n1 = putaran motor (rpm), n2 = putaran poros (rpm)

d1 = diameter puli motor (mm), d2 = diameter puli poros (mm)

26

Motor listrik AC adalah motor yang digerakan oleh catu daya AC atau jala – jala

listrik PLN. Dalam perancangan tugas akhir ini menggunakan motor listrik AC type

single phase yang mempunyai daya ½ HP dan kecepatan putar 1430 rpm.

Gambar 3.12 Motor listrik AC ½ HP 1430 rpm

Perhitugan torsi

T = (5250 x HP )

n ..................................................................................... (3.10)

Dimana,

T = Torsi(Nm)

HP = Daya kuda (watt)

n = Kecepatan motor (rpm)

Torsi pada poros motor Torsi pada poros penggerak

T = (5250 𝑥 𝐻𝑃 )

𝑛1 T =

(5250 𝑥 𝐻𝑃 )

𝑛2

= (5250 𝑥 (

1

2)746𝑤𝑎𝑡𝑡 )

1430 𝑟𝑝𝑚 =

(5250 𝑥 (1

2)746𝑤𝑎𝑡𝑡 )

834 𝑟𝑝𝑚

= 1369,4 Nm = 2348.02 Nm

3.2.2.2 Tabung Digester Fermentasi

Tabung digester fermentasi adalah tempat berlangsungnya proses fermentasi

eceng gondok yang sudah dicacah dan dicampur dengan air untuk selanjutnya menjadi

biogas. Tabung fermentasi ditutup dengan passive solar heat yang terbuat dari akrilik

dengan tebal 3 mm dengan tujuan untuk mempertahankan suhu karena semakin tinggi

suhu didalam tabung fermentasi akan mempercepat proses pembetukan biogas. Alas

penyangga tabung fermentasi terbuat dari papan triplek dengan tebal 5mm dan dilapisi

27

alumunium foil agar panas yang tertampung tidak keluar melalui papan triplek dan tetap

tertahan di dalam tabung.

Digester / tangki fermentasi dibuat berbentuk silinder dengan volume tabung

sebagai berikut :

V= ¼ 𝜋d2t…………………………………………….….(3.11)

= ¼ x 𝜋 x (0.55m)2 x 1.2m

= 0.28944 m3

= 289.44 Liter

Gambar 3.13. Digester dengan passive solar heat

Tabung penyimpanan adalah tempat penyimpanan gas dari tabung fermentasi

kemudian dilewatkan melalui tabung filter yang berisi air. Gas yang dihasilkan oleh

hasil fermentasi pada tabung digester mengandung campuran gas H2S yang sangat perlu

diperhatikan karena bersifat korosif sehingga dapat merusak sistem pipa - pipa serta

mesin – mesin yang menggunakan biogas ini sebagai bahan bakar. Oleh sebab itu

proses pemurnian gas perlu dilakukan. Cara yang paling sederhana untuk

menghilangkan H2S adalah dengan melewatkanya melalui air karena H2S akan terserap

oleh air melalui reaksi kimia yang kompleks sehingga biogas yang dihasilkan menjadi

lebih bersih.

3.3 Perangkat Lunak

Pada bagian ini dijelaskan perancangan perangkat lunak. Berikut adalah diagram

alir sub rutin program mikrokontroler yang dijalankan dalam sistem alat.

28

Mulai

Ada data sensor ?

Tampilkan data

sensor

Ada masukan eceng

gondok?

Menyalakan mesin cacah

Isi tangki fermentasi

melebihi batas maksimal?

Matikan mesin pencacah

Selesai

Ya

Ya

Ya

Tidak

Tidak

Tidak

Gambar 3.14 Sub rutin program mikrokontroler.

Penjelasan subrutin mikrokontroler adalah sebagai berikut :

1. Pada saat tombol ON dinyalakan maka mikrokontroler memulai inisialisasi.

2. Mikrokontroler akan menginisialisasi sensor – sensor dan melakukan

pembacaan data sensor seperti : sensor gas TGS 2610, sensor suhu Termokopel,

dan sensor tekanan MPX 5500D.

3. Mikrokontroler menampilkan data sensor pada LCD karakter 20x4.

4. Didalam corong masukan eceng gondok terdapat sensor photodioda yang

berfungsi untuk pendeteksi inputan eceng gondok. Data tersebut diolah oleh

mikrokontroler.

5. Jika sensor mendeteksi adanya masukan pada corong masukan, maka

mikrokontroler akan menyalakan motor mesin pencacah.

29

6. Mikrokontroler akan mendeteksi ketinggian level air pada tangki digester. Motor

mesin pencacah akan bekerja bila ada inputan pada corong masukan.

7. Jika level air pada tangki digester mencapai maksimal dari batas yang

ditentukan, maka mikrokontroler akan mematikan mesin pencacah meskipun ada

masukan pada corong masukan.