DESAIN DAN IMPLEMENTASI PEMBANGKIT FREKUENSI 30-50 kHz

DENGAN TEKNIK PULSE WIDTH MODULATION BERBASIS ARDUINO

UNTUK APLIKASI ULTRASONIC CLEANER

(SKRIPSI)

Oleh

Aftiyah Sulistia

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2019

i

ABSTRAK

DESAIN DAN IMPLEMENTASI PEMBANGKIT FREKUENSI 30-50 kHz

DENGAN TEKNIK PULSE WIDTH MODULATION BERBASIS ARDUINO

UNTUK APLIKASI ULTRASONIC CLEANER

Oleh

AFTIYAH SULISTIA

Ultrasonic Cleaner (UC) adalah sebuah alat pembersih yang menggunakan

ultrasonik untuk membersihkan suatu material dan komponen sulit dijangkau

dengan cara biasa. UC tidak dapat dipisahkan dari dua komponen dasar yaitu

generator dan transduserultrasonik. Generator untuk membangkitkan sinyal listrik

dan transduser ultrasonik untuk mengubah energi listrik dari generator menjadi

energi mekanik(gelombang suara ultrasonik). Gelombang tersebut menghasilkan

getaran dan membentuk gelombang kavitasi yang berperan untuk memecah

partikel kotoran yang menempel pada objek melalui media air. UC dikhususkan

untuk membantu suatu penelitian dalam membersihkan material-material di

laboratorium Fisika FMIPA Unila. Fokus penelitian ini adalah merancang dan

menganalisisdriver generator ultrasonik dengan kontrol waktu dan frekuensi 30-

50 kHz berbasis Arduino. Pada penelitian ini, awalnya generator ultrasonik

diberikan frekuensi masukan daridimmer.Frekuensi tersebutberkisar 50-200 Hz

dan menghasilkan tegangan keluaran dari generator sebesar 0,3-4 V serta

frekuensi keluaran 40-60 kHz. Berdasarkan data yang telah diamati bahwa

hubungan tegangan terhadap frekuensi berbanding terbalik, semakin besar

frekuensi maka tegangan akan semakin kecil. Tegangan keluaran lebih stabil dan

presisi daripada frekuensi keluaran. Tingkat presisi dilihat dengan mencari nilai

%RSD. Pada tegangan keluaran menghasilkan %RSD= 0% terjadi pada frekuensi

masukan 65 Hz, 75 Hz, 80 Hz, 90 Hz, dan 200 Hz. Frekuensi keluaran yang

bernilai %RSD= 0% hanya pada saat frekuensi masukan sebesar 55 Hz dan 70 Hz.

Tingkat akurasi waktu yang dikontrol oleh Arduino Uno dianalisis sangat akurat

dengan menghasilkan nilai akurasi R=1. Hubungan percepatan terhadap gaya

getar dari piezoelektrik berbanding lurus, semakin besar percepatan maka gaya

getar akan semakin besar.

Kata Kunci:Arduino, Generator, Transduser, Ultrasonic Cleaner.

ii

ABSTRACT

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF 30-50 kHz FREQUENCY

GENERATOR USING ARDUINO BASED PULSE WIDTH

MODULATION TECHNIQUE FOR ULTRASONIC CLEANER

APPLICATIONS

By

AFTIYAH SULISTIA

Ultrasonic Cleaner (UC) is a cleaning tool that uses ultrasonic to clean a

material and components that are difficult to reach in the normal way. UC can

not be separated from two basic components, namely ultrasonic generators and

transducers. Generators to generate electrical signals and ultrasonic transducers

to convert electrical energy from generators into mechanical energy (ultrasonic

sound waves). These waves produce vibrations and form cavitation waves which

act to break up dirt particles that attach to objects through the media of water.

UC is devoted to assisting a research in cleaning up materials at the Unila

FMIPA Physics laboratory. The focus of this research is to design and analyze

ultrasonic generator drivers with time and frequency control of 30-50 kHz based

on Arduino. In this study, initially the ultrasonic generator was given an input

frequency from a dimmer. These frequencies range from 50-200 Hz and produce

an output voltage from the generator of 0.3-4 V and an output frequency of 40-60

kHz. Based on data that has been observed that the relationship of voltage to

frequency is inversely proportional, the greater the frequency the smaller the

voltage will be. The output voltage is more stable and precise than the output

frequency. The level of precision is seen by looking for the% RSD value. At the

output voltage produces% RSD = 0% occurs at the input frequency of 65 Hz, 75

Hz, 80 Hz, 90 Hz and 200 Hz. The output frequency value% RSD = 0% is only

when the input frequency is 55 Hz and 70 Hz. The level of accuracy of time

controlled by Arduino Uno is analyzed very accurately by producing an accuracy

value of R = 1. The relationship of acceleration to the vibration force of the

piezoelectric is directly proportional, the greater the acceleration, the greater the

vibration force.

Keyword:Arduino, Generator, Transducer, Ultrasonic Cleaner.

iii

HALAMAN JUDUL

DESAIN DAN IMPLEMENTASI PEMBANGKIT FREKUENSI 30-50 KHZ

DENGAN TEKNIK PULSE WIDTH MODULATIONBERBASIS ARDUINO

UNTUK APLIKASI ULTRASONIC CLEANER

Oleh

Aftiyah Sulistia

Skripsi

Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar

SARJANA SAINS

Pada

Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2019

Judul SMpsi

Nama Mahasiswa

Nomor Pokok Mahasiswa

Jurusan

Fakultas

Pembimbing I

Drs. Amlr $uprl;ranto,NIP. 19650447 l99l 1l 1001

: Desaln dan Implementasl PenbangkltFlekuenst 5O-5O kllz dengan TehlkFulse Vldth ilodulatlon BerbaslsArdulno Untuk Apltkast UltnsonlcCIaner

, Nti1'.orh$ufistio

: l4l704lo98

: Fisika

dan llmu Pengetahuan Alam

'e'a&r\.

[II, , "qh.

; Junaldl, $.SL, !I.Sc.NIP. 19820618 20,0,8t2 lOOl

2. Ketua Jurusan Fisika

:

Arlf $urtono, S.Sl., Irl.Eng.NIP. 19710909 200,0 2 lool

mITENGESAIIITAN

l- Tim Penguji

Ketua

AIam

: Dns. Amlr $uprtSnanto, !I.Sl.

Sekretaris

2. Dekan Fakultas

Penguji ng : Arrf *.r$, s.sr., pl.sr.,Bukan Pembirllbir

:.t:

Tanqgal Lulus Ujian: 24 September 2O19

PERhTYATAAT\T

ff,ryn ini saya menyatakan bahwa dalam s*ripsi ini tidak t€rdapat karya yang

Fd dilahrkau orang lafuL dan se,panjang pengdahuan saya juga tidak terdapat

lr''s dau p€ndapd yang ditulis &n dit€ftitkan oleh orang lain, kecll&li ymg

13Dra tertulis diacu dalam naskah ini sebagaimana disebutkan dalam daftar

F36lrg. Selain itq saya menyatakan pula bahwa slaipsi ini dibtrat oleh saya

srdiri.

Apabila pernyataan saya ini tidak benar maka saya bersedia dikenai sangsi sesuai

dcngan hukum yang berlaku

24 September 2019

Aftiyah SulistiaNPM. 1417041098

vii

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Bandar Lampung pada tanggal 24 April

1996, anak ketiga dari pasangan Bapak Muhammad Juli dan

Ibu Lamrah. Penulis menyelesaikan pendidikan di SD Negeri

3 Bandar Lampung pada tahun 2007, SMP Negeri 15Bandar

Lampung pada tahun 2011, dan SMA Perintis 1 Bandar

Lampung pada tahun 2014.Penulis terdaftar sebagai mahasiswa di Prodi S1 Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) Universitas Lampung

melalui jalur Seleksi Bersama Masuk Perguruan Tinggi Negeri (SBMPTN) pada

tahun 2014.

Selama menempuh pendidikan, penulis pernah menjadi asisten praktikum Fisika

Dasar 1, Elektronika Dasar I &II, dan Pemrograman Berbasis Objek. Penulis

melaksanakan Praktik Kerja Lapangan (PKL) di PT Krakatau Steel Cilegon pada

tahun 2016 dan Kuliah Kerja Nyata (KKN) di Desa Sidomulyo Kec. Sidomulyo

Kab. Lampung Selatan pada tahun 2017.Penulis menyelesaikan skripsi dengan

judul “Desain dan Implementasi Pembangkit Frekuensi 30-50 kHz dengan Teknik

PWM Berbasis Arduino untuk Aplikasi Ultrasonic Cleaner”.

Penulis juga aktif dalam kegiatan organisasi kemahasiswaankampus, antara lain

Anggota Bidang Sosial Masyarakat Himpunan Mahasiswa Fisika FMIPA tahun

2015/2016.

viii

HALAMAN

MOTTO

ILMU ADALAH CAHAYA DALAM HIDUP

Niatkan segala sesuatu sebagai ibadah agar selalu

mendapat Ridho Allah Ta’ala serta keberkahan hidup

dariNya

“Sungguh janji Allah itu benar, maka jangan sekali-kali membiarkan kehidupan dunia memperdayakan mu dan janganlah (setan) yang

pandai menipu, memerdayakan kamu tentang Allah” (Q.S. Fatir: 5)

ix

HALAMAN PERSEMBAHAN

Bismillahirrahirrahmanirrahim

Kuniatkan karya berharga ini karena

Allah SWT

Dan Kupersembahkan karya ini untuk:

Kedua orang tua ku, Ibu Lamrah dan Bapak Muhammad Juli Yang menjadi penyemangat dalam hidupku Yang selalu memanjatkan doanya untukku

Dan yang selalu menaungiku dalam kasih dan sayang Semoga apa yang kuraih saat ini dapat mengukir senyum indah di wajah Mereka, walaupun belum dapat menggantikan setiap tetes keringat perjuangan yang telah Mereka berikan untuk Ananda. Dan semoga Allah SWT selalu memberikan limpahan rahmat,

hidayah, dan kebahagiaan untuk kita semua.

Keluarga Besarku Yang selalu memberi semangat dalam keluarga ku

Sahabat Perjuangan Fisika 2014 Yang telah menemani perjuangan ku hingga S1

Almamater tercinta, Univeritas Lampung

x

KATA PENGANTAR

Segala puji bagi Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya,

sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Desain dan

Implementasi Pembangkit Frekuensi 30-50 kHz dengan Teknik PWM Berbasis

Arduino untuk Aplikasi Ultrasonic Cleaner”.

Penulisan skripsi ini dilaksanakan dari bulan Juni 2018 sampai dengan Maret

2019 bertempat di Laboratorium Elektronika Dasar dan Instrumentasi Jurusan

Fisika. Pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA)

Universitas Lampung. Penekanan dalam skripsi ini adalah dihasilkannya suatu

alat pembersih piranti-piranti penunjang penelitian di Laboratorium Elektronika

Dasar, Fisika Dasar, dan laboratorium lain yang terdapat di Unila menggunakan

gelombang ultrasonik.

Penulis menyadari bahwa penyusunan skripsi ini masih banyak kekurangan dalam

penulisan maupun referensi data.Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan

saran yang membangun dari berbagai pihak demi kesempurnaan skripsi.Semoga

skripsi ini dapat bermanfaat dan menjadi rujukan untuk penelitian berikutnya agar

lebih canggih menyesuaikan perkembangan teknologi.

Bandar Lampung, 24 September 2019

Penulis,

Aftiyah Sulistia

xi

SANWACANA

Alhamdulillah puji syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT yang telah

memberikan rahmat dan nikmat-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan

skripsi ini dengan judul “Desain dan Implementasi Pembangkit Frekuensi 30-50

kHz dengan Teknik PWM Berbasis Arduino untuk Aplikasi Ultrasonic Cleaner”.

Penulis menyadari bahwa dalam melakukan penelitian ini tidak terlepas dari

dukungan, bimbingan, motivasi serta do’a dari berbagai pihak. Oleh karena itu

penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Bapak Drs. Amir Supriyanto, M.Si. selaku Dosen Pembimbing I sekaligus

Wakil Dekan Bidang Kemahasiswaan FMIPA Universitas Lampung yang

senantiasa memberikan wawasan,bimbingan,dan motivasi kepada penulis.

2. Bapak Dr. Junaidi, S.Si., M.Sc. selaku Dosen Pembimbing II yang senantiasa

membimbing dan memotivasi penulis dalam setiap permasalahan selama

penelitian.

3. Bapak Arif Surtono, S.Si., M.Si., M.Eng. selaku Dosen Penguji sekaligus

Ketua Jurusan Prodi S1 Fisika FMIPA Universitas Lampung yang senantiasa

memberi saran dan arahan kepada penulis dalam melakukan penelitian.

4. Ibu Dr. Yanti Yulianti, S.Si., M.Si. selaku Dosen Pembimbing Akademik

yang senantiasa memberikan bimbingan kepada penulis selama masa kuliah.

5. Seluruh Dosen serta Staf Jurusan Fisika FMIPA Universitas Lampung, yang

telah memberikan banyak bantuan dalam menyelesaikan penelitian.

xii

6. Keluarga yang senantiasa menjadi penyemangat dalam menjalankan

penelitian, terutama Bapak Muhammad Juli dan Ibu Lamrah sebagai orangtua.

7. Rekan-rekan pejuang instrumentasi, Rani, Hesti, Iyan, Angga, Latifah, Ketrin,

Efendi, dan lainnya yang telah menemani dan memberikan support selama

penelitian.

8. Sahabat hijrah penulis Atikah Badzlina, Tri Setia, dan Atika Luthfi atas

support dan kebersamaan yang telah diberikan kepada penulis.

9. Serta semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu.

Semoga Allah SWT senantiasa memberikan rahmat dan hidayah-Nya, serta

memberkahi hidup kita.Aamiin.

Bandar Lampung, 24 September 2019

Penulis

Aftiyah Sulistia

xiii

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK .............................................................................................................. i

ABSTRACT ........................................................................................................... ii

HALAMAN JUDUL ............................................................................................ iii

HALAMAN PERSETUJUAN ............................................................................ iv

LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................ iv

SURAT PERNYATAAN ..................................................................................... iii

RIWAYAT HIDUP ............................................................................................. vii

HALAMAN MOTTO ........................................................................................ viii

HALAMAN PERSEMBAHAN .......................................................................... ix

KATA PENGANTAR ............................................................................................ x

SANWACANA ..................................................................................................... xi

DAFTAR ISI ....................................................................................................... xiii

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ xv

DAFTAR TABEL ............................................................................................. xvii

BAB I PENDAHULUAN

A. Latar Belakang ..................................................................................... 1

B.Rumusan Masalah ................................................................................. 4

C.Tujuan Penelitian ................................................................................... 4

D.Manfaat Penelitian................................................................................. 4

E.Batasan Masalah .................................................................................... 5

BAB IITINJAUAN PUSTAKA

A.Penelitian Terkait .................................................................................. 6

B.Perbedaan dengan Penelitian Sebelumnya ............................................ 7

C.Teori Dasar ........................................................................................... 8

1.Gelombang Ultrasonik ....................................................................... 8

2.Hukum Newton................................................................................ 10

3.Transduser ....................................................................................... 12

4.Transduser Ultrasonik...................................................................... 13

5.Ultrasonic Cleaner (UC) ................................................................. 15

6.Mikrokontroler Arduino .................................................................. 16

7.Pulse Widht Modulation (PWM) ..................................................... 19

8.Seven Segment ................................................................................. 21

xiv

9.Keypad ............................................................................................. 23

10.Dimmer .......................................................................................... 24

BAB IIIMETODE PENELITIAN

A.Waktu dan Tempat Penelitian ............................................................. 25

B.Alat dan Bahan .................................................................................... 25

C.Prosedur Penelitian .............................................................................. 27

D.Desain Penelitian ................................................................................. 29

D.1.Perancangan Perangkat Keras ..................................................... 29

D.2.Perancangan Perangkat Lunak ..................................................... 42

E.Teknik Pengambilan Data ................................................................... 43

BAB IVHASIL DAN PEMBAHASAN

A.Realisasi Perangkat Keras Ultrasonic Cleaner ................................... 52

B.Rangkaian Keseluruhan Ultrasonic Cleaner ....................................... 54

C.Analisis Perangkat Lunak (Software) .................................................. 59

C.1.Inisialisasi Awal program ............................................................ 59

C.2.Program membaca nilai keypad ................................................... 61

C.3.Program Deklarasi Seven Segment ............................................... 67

D.Hasil Pengujian Ultrasonic Cleaner dan Analisis Data ...................... 68

D.1.Data Pengamatan dan Hasil Uji Ultrasonic Cleaner ................... 69

D.2.Analisis Hubungan Frekuensi Masukan terhadap Tegangan

Keluaran ...................................................................................... 70

D.3. Analisis Hubungan Frekuensi Keluaran terhadap Frekuensi

Masukan ...................................................................................... 72

D.4.Analisis Hubungan Getaran terhadap Frekuensi ......................... 73

D.5.Analisis Data Akurasi Ultrasonic Cleaner ................................. 74

D.7.Analisis Data Stabilitas Tegangan dan Frekuensi Ultrasonic

Cleaner ........................................................................................ 81

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

A.Kesimpulan ......................................................................................... 84

B.Saran .................................................................................................... 85

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 86

LAMPIRAN ......................................................................................................... 89

xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Range Frekuensi Ultrasonik. ............................................................ 9

Gambar 2.2 Blok Diagram Sebuah Sistem Instrumentasi Dasar ........................ 12

Gambar 2.3 Transduser Ultrasonik Tipe Magnetostriktif .................................. 13

Gambar 2.4 Transduser Ultrasonic Tipe Piezoelektrik ...................................... 14

Gambar 2.5 Board Arduino Uno ........................................................................ 18

Gambar 2.6 Duty Cycle dan sinyal PWM........................................................... 20

Gambar 2.7 Seven Segment . ............................................................................. 21

Gambar 2.8 Konstruksi Internal Seven Segment (a) Common Anoda dan (b)

Common Katoda ............................................................................ 22

Gambar 2.9 Sirkuit Keypad 4x4 ......................................................................... 23

Gambar 2.10 Dimmer .......................................................................................... 24

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian .................................................................. 27

Gambar 3.2 Diagram Blok Perancangan Perangkat Keras ................................. 30

Gambar 3.3 Generator Ultrasonik ...................................................................... 32

Gambar 3.4 (a) Modul Keypad 4x4 dan (b) Rangkaian keypad 4x4 ................. 33

Gambar 3.5 Modul TM1637 (a) Tampilan Depan dan (b) Tampilan Belakang. 35

Gambar 3.6 (a) ModulRelay 1 chanel dan (b)Cara kerja Relay 1 chanel .......... 36

Gambar 3.7 (a) Modul Dimmer dan (b) Rangkaian Dimmer ............................. 38

Gambar 3.8 (a) Potensiometer Stereo dan (b) Simbol Potensiometer ............... 39

Gambar 3.9 Desain Rangkaian Keseluruhan ...................................................... 40

xvi

Gambar 3.10 Desain Alat Keseluruhan ............................................................... 41

Gambar 3.11 Diagram Alir Program Ultrasonic Cleaner ................................... 43

Gambar 3.12 Grafik Hubungan (a) Tegangan Keluaran terhadap Frekuensi

Masukan dan (b) Frekuensi Keluaran terhadap Frekuensi

Masukan ........................................................................................ 45

Gambar 3.13 Grafik Presisi (a) Tegangan Keluaran terhadap Frekuensi

Masukan dan (b) Periode Keluaran terhadap Frekuensi

Masukan ........................................................................................ 47

Gambar 3.14 Grafik Akurasi Waktu.................................................................... 48

Gambar 3.15 Grafik stabilitas UC (a) Frekuensi Keluaran terhadap Waktu

dan (b) Tegangan Keluaran terhadap Waktu ................................ 50

Gambar 3.16 Hubungan Frekuensi terhadap Acceleration .................................. 51

Gambar 4.1 Ultrasonic Cleaner Berbasis Arduino Uno…………………....... 53

Gambar 4.2 Rangkaian Keseluruhan UC ........................................................... 55

Gambar 4.3 Realisasi Generator Ultrasonik ....................................................... 57

Gambar 4.4 Modul Dimmer ............................................................................... 57

Gambar 4.5 Realisasi Seven Segment ................................................................. 58

Gambar 4.6 Pengambilan Data Pengamatan ...................................................... 69

Gambar 4.7 Hubungan Tegangan Keluaran terhadap Frekuensi Masukan ....... 71

Gambar 4.8 Hubungan Periode Keluaran terhadap Frekuensi Masukan............ 72

Gambar 4.9 Hubungan Acceleration terhadap Frekuensi Masukan ................... 73

Gambar 4.10 Tingkat Akurasi Waktu Kerja UC ................................................. 75

Gambar 4.11 Repeatibility Tegangan Keluaran dari UC ..................................... 77

Gambar 4.12 Repeatability Frekuensi Keluaran UC ........................................... 80

Gambar 4.13 Stabilitas Tegangan Keluaran UC ................................................. 82

Gambar 4.14 Stabilitas Frekuensi Keluaran UC ................................................. 83

xvii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Spesifikasi board Arduino Uno ......................................................... 19

Tabel 3.1 Pengalamatan Keypad 4x4 ................................................................ 34

Tabel 3.2 Pengalamatan TM1637....................................................................... 34

Tabel 3.3 Data Hubungan Frekuensi Keluaran terhadap Tegangan Masukan ... 44

Tabel 3.4 Data Hubungan FrekuensiKeluaran terhadap Frekuensi Masukan .... 44

Tabel 3.5 Data Perulangan Tegangan Keluaran ................................................. 46

Tabel 3.6 Data Perulangan Frekuensi Keluaran ................................................. 46

Tabel 3.7 Data akurasi waktu ............................................................................. 47

Tabel 3.8 Data Stabilitas Tegangan terhadap Waktu ......................................... 49

Tabel 3.9 Data Stabilitas Frekuensi terhadap Waktu ......................................... 49

Tabel 3.10 Data Hubungan Frekuensi terhadap Getaran...................................... 50

Tabel 4.1 Fungsi Tampilan pada box UC ............................................................ 53

Tabel 4.2 Fungsi Tombol-Tombol keypad ......................................................... 59

Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Gaya Menggunakan Hukum II Newton ............... 74

Tabel 4.4 Data Akurasi Waktu UC .................................................................... 75

Tabel 4.5 Hasil Perhitungan Presisi Tegangan Keluaran UC ............................ 77

Tabel 4.6 Hasil Perhitungan Presisi Frekuensi Keluaran UC ............................ 79

Tabel 4.7 Data Pengujian Stabilitas Tegangan Keluaran UC............................. 81

Tabel 4.8 Data Pengujian Stabilitas Frekuensi Keluaran UC............................. 82

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Metode pembersihan saat ini sudah berkembang dengan penggunaan ultrasonik.

Ultrasonik merupakan sebuah gelombang suara yang berfrekuensi tertentu yaitu

20 kHz hingga 20 MHz (Dirgandini, 2011). Pembersih yang menggunakan

ultrasonik disebut Ultrasonic Cleaner (UC). Sebelum adanya alat UC,

pembersihan dilakukan dengan lap menggunakan media air destilasi atau alkohol.

Alat ini dapat digunakan sebagai pengganti dari larutan pembersih tersebut.

Ultrasonik memiliki kelebihan yaitu lebih bersih dan efektif dalam proses

pembersihan (Syahwir dan Firmansyah, 2018).

UC tidak dapat dipisahkan dari dua komponen dasar yaitu generator ultrasonik

dan transduser. Generator ultrasonik digunakan untuk membangkitkan sinyal

listrik dengan frekuensi diatas 20 kHz sampai 1 GHz. Transduser ultrasonik

digunakan untuk mengubah energi listrik dari generator ultrasonik menjadi energi

mekanik dalam bentuk gelombang suara ultrasonik. Transduser pada alat UC

berperan untuk memecah partikel yang menempel pada objek melalui media air.

Pembersihan yang lebih efektif menggunakan ultrasonik terjadi pada frekuensi 40

kHz dibandingkan frekuensi di bawah 25 kHz ataupun di atas 60 kHz.

2

Prinsip kerja UC berawal dari gelembung kavitasi yang disebabkan oleh tekanan

berfrekuensi tinggi dari gelombang ultrasonik. Gelombang tersebut dapat

menggetarkan media melalui membran piezoelektrik yang berperan sebagai

transduser ultrasonik. Kavitasi adalah suatu proses terbentuknya gelembung

berukuran mikron dengan mencapai suhu 5.000ᵒC dan tekanan700N/cm2. Dengan

getaran tersebut mampu untuk mengikis kotoran seperti minyak dan debu yang

melekat kuat pada permukaan benda yang akan dibersihkan (Fuchs,2002).

Riset UC pernah dilakukan yang dikhususkan untuk membersihkan conveyor belt

dan peralatan industri makanan lainnya dari bakteri Listeriamonocytogene oleh

Tolvanen dkk. (2007). Listeriamonocytogene adalah suatu bakteri yang dapat

menyebabkan infeksi serius dan fatal pada bayi, anak- anak, orang yang lanjut

usia, dan orang sakit, terutama dengan sistem kekebalan tubuh yang lemah. Pada

penelitian ini, pembuatan UC sangat efektif untuk memisahkan

Listeriamonocytogene dari conveyor belt. Kekurangan pada penelitian ini yaitu

tidak adanya kontrol frekuensi, dengan kondisi seperti ini, pada suhu rendah

lemak dan kotoran tidak terangkat seluruhnya dari conveyor belt.

UC juga pernah dibuatdengan frekuensi kisaran 28 kHz, menggunakan teknik

Pulse WidthModulation (PWM) dengan kontrol waktu oleh Yakutdkk. (2009).

Kekurangan dari hasil penelitianini adalah tidak adanya sistem untuk mengatur

besarnya nilai frekuensi. Dalam kondisi ini, objek yang dibersihkan yaitu

alumunium foil menjadi rusak karena tingginya frekuensi yang digunakan.

Ekstraksi jahe juga bisa menggunakan alat UC yang telah dilakukan oleh Fuadi

(2012). Hasil ekstraksi tersebut diuji dengan Scanning Electron Microscopy

3

(SEM) menunjukkan bahwa UC lebih mudah mengekstraksi oleoresin jahe karena

sekitar 80% dinding sel jahe telah rusak, sehingga menjadi mudah untuk

diekstrak. Penelitian ini hanya menganalisis aplikasi UC dalam bidang kimia,

namun tidak menjelaskan analisis yang lebih detail sistem kerja UC.

Berdasarkan pemaparan diatas, UC sangat berguna dalam sebuah penelitian

sampai perindustrian. Sebuah penelitian biasanya dapat dilakukan di dalam atau

di luar ruangan. UC biasanya digunakan di dalam ruangan seperti laboratorium,

namun terdapat beberapa laboratorium yang tidak memiliki alat UC. Salah satu

laboratorium yang kurang memiliki UC yaitu laboratorium fisika FMIPA Unila.

Oleh karena itu, penulis ingin membuat UC yang khusus digunakan di

laboratorium fisika FMIPA Unila.

Berdasarkan road mapdi atas maka pada penelitian ini dilakukan “desain dan

implementasi pembangkit frekuensi 30-50 kHz dengan teknik PWM berbasis

Arduino untuk aplikasi ultrasonic cleaner. UC dikembangkan dengan teknik

PWM dengan kontrol frekuensi 30-50 kHz dan waktu berbasis Arduino. UC yang

dikembangkan akan digunakan untuk membantu sebuah penelitian ataupun

kegiatan lainnya di laboratorium. Prinsip alat ini dengan cara mengontrol

frekuensi dan waktu sebagai masukan untuk transduser yang dikendalikan oleh

Arduino Uno dengan teknik PWM. Pengaturan frekuensi dan waktu yang

dibutuhkan selama proses pembersihan melalui keypad berukuran 4x4. Hasil

masukan frekuensi dan waktu akan ditampilkan pada seven segment TM 1637.

UC yang dihasilkan selanjutnya diuji atau dikarakteristik dengan mengukur

parameter-parameter fisis. Parameter-parameter tersebut mencakup tegangan,

frekuensi, accelerometer, dan waktu kerja dari UC.

4

B. Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang dan beberapa hasil penelitian sebelumnya,

permasalhan dalam penelitian ini dapat dirumuskan sebagai berikut.

1. Bagaimana cara mengendalikan driver generator ultrasonik dengan teknik

PWM?;

2. Bagaimana mengontrol frekuensi dan waktu kerja dari UC menggunakan

Arduino?;

3. Bagaimana pengaruh frekuensi terhadap kekuatan getar dari UC?;

4. Bagaimana melakukan analisis data hasil penelitian untuk menentukan tingkat

presisi dan stabilitas dari UC?.

C. Tujuan Penelitian

Berdasarkan rumusan masalah, maka tujuan dari penelitian ini adalah sebagai

berikut.

1. Mengendalikan driver generator ultrasonik dengan teknik PWM;

2. Membuat program Arduino untuk mengontrol waktu kerja UC;

3. Menganalisis pengaruh frekuensi terhadap kekuatan getar dari UC;

D. Manfaat Penelitian

Manfaat dalam penelitian ini adalah agar menghasilkan sebuah alat yang akan

digunakan untuk membersihkan peralatan dalam skala laboratorium dan

mendukung penelitian yang ramah terhadap lingkungan.

5

E. Batasan Masalah

Batasan masalah yang digunakan pada penelitian ini yaitu sebagai berikut.

1. Mampu menghasilkan gelombang ultrasonic dengan frekuensi yang dapat

diatur dari 40-60 kHz;

2. Mikrokontroleryang digunakan adalah jenis Arduino Uno;

3. Pengaturan waktu dan frekuensi melalui keypad berukuran 4x4;

4. Tampilan frekuensi dan waktu pada seven segment tipe TM 1637.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

A. Penelitian Terkait

Penelitian terkait tentang UCdilakukan salah satu alasannya agar terbebas dari

Chlorofluorocarbon (CFC) dan mengikis kotoran yang kuat seperti minyak,

korosi dan lain-lain dari permukaan suatu objek. UC telah dikembangkan oleh

Muthurajan dkk. (2007). Pada penelitiannya membuat UC yang dikendalikan

sebuah komputer untuk mendapatkan keluaran yang stabil dan frekuensi yang

lancar. Rangkaian osilator yang dirancang menggunakan IC 3525 bersama

MOSFET IRF630 sebagai amplifier untuk menguatkan frekuensi ultrasonik.

Besarnya daya yang dibutuhkan untuk transduser piezokeramik tergantung pada

ukuran dan kapasitas tangki pembersih.Transduser piezokeramik digunakan untuk

menghasilkan getaran ultrasonik.Program perangkat lunak yang digunakan

bersama antarmuka dengan port paralel yang dikembangkan untuk

mengendalikan pin osilator IC 3525dan untuk mengoperasikan sistem.

Penelitian tentang UC juga telah dilakukan oleh Yakut dkk. (2009). Pada

penelitiannya UC dibuat dengan frekuensi kisaran 28 kHz, menggunakan teknik

7

PWM dengan kontrol waktu. UC yang dibuat menggunakan catu daya DC yang

membutuhkan tegangan sebesar 220 V yang digunakan untuk menggerakkan

tranduser ultrasonik. UC ini didesain dengan kontrol pulsa PWM, kontrol waktu,

daya mati otomatis ketika tanki mulai panas, dan tampilan untuk menampilkan

besar frekuensi. Pada frekuensi 28 kHz alumunium foil sebagai objek yang

dibersihkan rusak total karena menggunakan frekeuensi yang tetap.

UCjuga dibutuhkan di bidang medik, seperti penelitian yangtelah dilakukan oleh

Setiawan (2016). Pada penelitiannya membuat UC untuk membersihkan

instrumen dari bercak-bercak pasca bedah sebelum dilakukan sterilisasi pada alat

autoclave. Proses ini dilakukan untuk menghindari adanya kontak langsung

antara petugas paramedis dengan alat instrumen medis yang dimungkinkan

adanya virus atau bakteri yang menempel pada instrumen saat dilakukan proses

pembedahan. UC ini berbasis mikrokontroler Atmega dengan frekuensi 30-40

kHz dan dengan kontrol waktu yaitu 5 dan 10 menit. Prinsip UC yang dibuat ini

berawal dari tegangan yang dihasilkan oleh power supply untuk menyuplai semua

rangkaian. Rangkaian yang disuplai yaitu transduser ultrasonik untuk

menghasilkan gelombang frekuensi yang akan mengikis kotoran-kotoran pada

media yang akan dibersihkan. Kemudian menggunakan kontrol waktu dan

frekuensi sebagai masukan yang dibutuhkan tranduser. Hasil masukan frekuensi

dan waktu akan ditampilkan pada LCD (Liquid Crystal Display).

B. Perbedaan dengan Penelitian Sebelumnya

Komponen utama yang digunakan dalam penelitian ini yaitutransduser ultrasonik

sebagai penghasil gelombang ultrasonik.Transduser ultrasonic digerakkan dengan

8

tegangan yang berasal dari generator ultrasonik dengan prinsip SOS (Self

Oscilating SMPS). UC yang dirancang menggunakan keypad ukuran 4x4, seven

segment TM1637, dimmer, dan tombol switch saklar. Masing-masing memiliki

fungsinya tersendiri, tombol switch saklar digunakan untuk menghidupkan

keseluruhan alat. Keypad digunakan untuk memasukan berapa waktu yang

digunakan dalam proses pembersihan, menampilkan nilai frekuensi, dan untuk

memulai proses pembersihan.Dimmer digunakan untuk menswitch berapa

frekuensi yang digunakan selama proses pembersihan. Seven segment TM1637

digunakan sebagai tampilan waktu dan frekuensi. UCini dirancang dengan tujuan

agar dapat membersihkan sebuah material atau piranti yang terkontaminasi oleh

kotoran seperti debu, minyak, dan lain-lain yang sulit dihilangkan. Frekuensi yang

dihasilkan sebesar 40-60 kHz beserta kontrol waktu yang diinginkan. Kontrol

frekuensi dan waktu ini diharapkan agar dapat mengatur besar frekuensi dan

berapa lama suatu objek dapat bersih sesuai kebutuhan.

C. Teori Dasar

1. Gelombang Ultrasonik

Ultrasonikadalah gelombang suara yang memiliki frekuensi di atas

bataspendengaran manusia. Batas pendengaran manusia berbeda-beda namun,

pada umumnya frekuensi batas pendengaran manusia adalah 20 Hz – 20 kHz.

Gelombang ultrasonik memiliki frekuensi 20 kHz bahkan mencapai 1 GHz, jika

melebihi 1 GHz maka disebut hypersonic. Dalam buku Cheeke dan David

menyebutkan setidaknya ada dua fitur unik yang dimiliki oleh gelombang

ultrasonik:

9

1. Gelombang ultrasonik merambat lebih pelan 100.000 kali daripada gelombang

elektromagnetik yang memudahkan untuk memperoleh informasi waktu,

variabel delay, dan lain-lainnya pada saat gelombang ultrasonik merambat.

2. Gelombang ultrasonik dapat dimanfaatkan untuk mengetahui bentuk

gambar topografi dari bahan yang tidak tembus karena gelombang ultrasonik

sensitif dan dapat diandalkan. Artinya gelombang ultrasonic dapat melewati

bahan yang tidak bisa dilewati oleh cahaya (Cheeke dan David, 2002).

Seperti terlihat pada Gambar 2.1 batas range frekuensi ultrasonik dengan

gelombang bunyi lainnya.

Gambar 2.1 Range Frekuensi Ultrasonik (Dirgandini, 2011).

Pada Gambar 2.1terlihat bahwa terdapat tiga buah range frekuensi yaitu range

infrasonik, audiosonik, dan ultrasonik. Range infrasonik yaitu bunyi dengan

frekuensi di bawah 20 Hz, contohnya adalah suaran jangkrik dan gelombang

gempa. Range audiosonik yaitu bunyi dalam jangkauan frekuensi antara 20-

20.000 Hz, contohnya adalah suara yang dapat di dengar manusia. Range

10

ultrasonik yaitu bunyi dengan frekuensi di atas 20.000 Hz, Contohnya adalah

suara yang biasa digunakan oleh lumba-lumba dan anjing (Dirgandini, 2011). Jika

pada frekuensi 10-150 kHz dayanya ditingkatkan maka ultrasonik dapat dipakai

untuk membantu proses pembersihan. Beberapa material yang dapat dibersihkan

seperti perhiasan, alat optik, dan komponen-komponen di lab seperti gelas ukur

dan sebagainya.

Sistem UC menggunakan gelombang ultrasonikmembutuhkan dua komponen

dasar yaitugenerator ultrasonik dan transduser. Generator ultrasonikdipakai untuk

membangkitkan sinyal listrik dengan frekuensidiatas 20 KHz – 1 GHz dan

transduser digunakan untuk mengubah sinyal listrik dari generator ultrasonik

menjadi gelombang mekanik (Buasri dan Jangwanitlert, 2008).

2. Hukum Newton

Gaya merupakan tarikan atau dorongan yang dikenakan pada suatu benda. Gaya

merupakan besaran vektor yaitu besaran fisika yang memiliki nalai dan juga arah.

Satuan dari gaya disebut Newton (Kg.m/s2). Terdapat tiga hukum Newton tentang

gerak yaitu:

a. Hukum I Newton

Hukum I Newton menyatakan bahwa “Jika tidak ada gaya yang bekerja pada

benda atau resultan gaya yang bekerja pada benda sama dengan nol, maka benda

yang diam akan tetap diam dan benda yang bergerak dengan kecepatan konstan

maka benda tersebut akan tetap mempertahankan keadaan geraknya”.

11

Hukum I Newton disebut juga dengan hukum kelembaman (inersia) benda.

Hukum I Newton ditulis pada Persamaan (2.1).

(2.1)

b. Hukum II Newton

Hukum II Newton menyatakan bahwa “Jika pada suatu benda bekerja satu atau

lebih gaya, maka pada benda akan timbul percepatan. Besarnya percepatan yang

timbul pada benda sebanding dengan resultan dari gaya yang bekerja pada benda

dan berbanding terbalik dengan massa benda tersebut”. Hukum II Newton ditulis

dalam Persamaan (2.2).

(2.2)

c. Hukum III Newton

Hukum III Newton menyatakan bahwa “Jika suatu benda mengenakan gaya pada

benda lain, maka benda tersebut akan menerima gaya dengan besar yang sama

tetapi berlawanan arah”.Hukum III Newton disebut juga dengan gaya aksi-reaksi.

Hukum III Newton ditulis dalam Persamaan (2.3).

(2.3)

dengan :

F= Gaya (kg. m/s2)

m= massa (kg)

a= percepatan (m/s2) (Anonim A, 2019).

12

3. Transduser

Sebagian besar sistem instrumentasi terdiri dari tiga bagian utama. Bagian

pertama merupakan bagian yang berfungsi untuk menyensor besaran-besaran

yang akan diukur. Bagian berikutnya adalah bagian yang berfungsi untuk

mengkondisikan sinyal yang telah disensor. Adapun bagian yang terakhir adalah

bagian yang berfungsi untuk menampilkan atau merekam sinyal yang telah

dikondisikan ini. Gambar 2.2 memperlihatkan blok diagram sebuah sistem

instrumentasi.

Sensor Pengkondisian

sinyal Tampilan

Masukan

Stimulus

Keluaran

Gambar 2.2 Blok Diagram Sebuah Sistem Instrumentasi Dasar(Clayton, 2005).

Elemen penyensor, umum dikenal dengan nama sensor atau transduser yang

digunakan untuk mengkonversi suatu bentuk energi menjadi bentuk energi

lainnya. Umumnya transduser menghasilkan sebuah keluaran elektrik pada saat di

stimulasi. Akan tetapi keluaran elektrik transduser mungkin saja memiliki daya

yang tidak cukup besar sehingga diperlukan upaya penguatan atau modifikasi

yang lain sebelum dapat ditampilkan. Proses penguatan, pembentukan,

pencampuran, ataupun proses-proses pengolahan sinyal yang lain yang diperlukan

dilakukan pada bagian pengkondisian sinyal dengan menggunakan berbagai

macam teknik. Akhirnya, sinyal yang telah dikondisikan ini dapat ditampilkan

(Clayton, 2005).

13

4. Transduser Ultrasonik

Transduser ultrasonic digunakan untuk merubah energi listrik tegangan bolak-

balik menjadi gelombang ultrasonik. Transduser ultrasonik mempunyai dua jenis

yaitu magnetostriktif dan piezoelektrik. Transduser magnetostriktif terdiri dari

sebagian besar bahan nikel (material magnetostriktif) lempengan logam paralel

dengan salah satu ujung dari masing-masing lempengan logam ke bagian

permukaan untuk bergetar. Sebuah kumparan kawat ditempatkan sekitar bahan

magnetostriktif. Ketika aliran arus listrik disuplai melalui kumparan kawat, terjadi

medan magnet (seperti jaringan listrik tegangan tinggi). Medan magnet ini

menyebabkan material magnetostriktif memendek atau memanjang, dengan

demikian transduser magnetostriktif menghasilkan gelombang ultrasonik

(Sukarno, 2010). Seperti namanya jenis ini bekerja dengan memanfaatkan

magnetisasi seperti terlihat pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Transduser Ultrasonik Tipe Magnetostrictive (Fuchs, 2002).

14

Transduser magnetostriktif memanfaatkan prinsip magnetostriktif. Energi listrik

bolak balik dari generator ultrasonik diubah menjadi medan magnet melalui

penggunaan kumparan kawat. Medan magnet tersebut digunakan untuk

menginduksi penggetar mekanis (diafragma yang dilapisi bahan nikel) untuk

bervibrasi pada frekuensi resonansi dari penggetar mekanis. Pada frekuensi

ultrasonik dalam strip resonansi nikel yang melekat pada permukaan yang akan

bergetar. Magnetostriktif transduser umumnya kurang efisien daripada

piezoelektrik. Hal tersebut karena transduser magnetostriktif memerlukan

konversi energi ganda dari listrik ke magnet dan kemudian ke magnetik untuk

mekanik. Sehingga menyebabkan beberapa efesiensi hilang dalam setiap

konversinya. Berbeda dengan tipe piezoelektrik yang mampu mengatasi

kekurangan-kekurangan pada transduser tipe magnetorestriktif, pada

tipepiezoelektrik bekerja dengan mengubah listrik bolak-balik secara langsung

menjadi energi mekanik. Prinsip kerja transduser piezoelektrik dapat dilihat pada

Gambar 2.4.

Gambar 2.4

TransduserUltrasonik Tipe Piezoelektrik(Fuchs, 2002).

Pada Gambar 2.4 menggambarkan inti dari sebuah transduser piezoelektrik

adalah lempeng tunggal atau gandamaterial keramik piezoelektrik, biasanya

material Timbal Zirkonat Titanat (PZT),terjepit di antara elektroda yang terdapat

15

sumber titik untuk kontak listrik. Perakitan keramik dikompresi antara blok

logam (satu baja dan satu aluminium) untukmengetahui kompresi dengan

kekuatan tinggi. Ketika tegangan dialirkan di seluruh keramik melalui elektroda,

material keramik piezoelektrik akan mengalami perubahan bentuk memanjang

atau memendek (tergantung pada polaritas) karena perubahan kisi strukturnya.

Perubahan tersebut dalam material keramik piezoelektrik menghasilkan

gelombang suara.Transduser piezoelektrik mengkonversi energi listrik bolak-

balik secara langsung menjadi energi mekanik melalui penggunaan efek

piezoelektrik. Material tertentu berubah dimensi ketika energi listrik pada

frekuensi ultrasonic dipasok ke transduser oleh generator ultrasonik. Energi listrik

diaplikasikan pada transduser elemen piezoelektrik yang bergetar. Getaran ini

diperkuat oleh massa resonansi transduser melalui lempengan material

piezoelektrik (Sukarno, 2010).

5. Ultrasonic Cleaner (UC)

Secara umum sebuah sistem yang menggunakan UCmembutuhkan dua komponen

dasar utama yaitu generator ultrasonikdan transduser. Generator ultrasonik dipakai

untuk membangkitkan sinyal listrik dengan frekuensi di atas 20 KHz sampai

dengan 1 GHz dan power tertentu sesuai dengan kebutuhan. Transduser

digunakan untuk mengubah sinyal listrik dari generator ultrasonik menjadi

gelombang mekanik. Berdasarkan aplikasinya transduser memiliki jenis yang

berbeda-beda. Transduser ultrasonik diperlukan untuk merubah energi listrik

tegangan bolak-balik menjadi gelombang ultrasonik.

16

Karakteristik UC menggunakan gelembung kavitasi yang disebabkan oleh tekanan

frekuensi tinggi gelombang suara yang merangsang cairan. Kavitasi merupakan

fenomena terjadinya pembentukan pertumbuhan dan hancurnya gelembung mikro

dalam cairan. Kondisi kavitasi yang ekstrem dapat dimanfaatkan untuk

menghancurkan molekul-molekul polutan dan senyawa organik. Pada alat UC ini

fenomena kavitasi terjadi karena adanya gelombang suara dengan frekuensi tinggi

yang disebut ultrasonikasi (Chu dkk., 2007) Proses pembentukan gelembung pada

kavitasi ultrasonik terjadi ketika ultrasonik ditrasnmisikan melewati medium

dengan menginduksikan gelombang suara ke dalam medium sehingga molekul

akan bergetar. Akibat adanya getaran itu, struktur dari molekul akan merangsang

dan terkompresi. Selain itu, jarak antar molekul juga akan berubah akibat adanya

getaran molekul pada posisi awal. Jika intensitas gelombang ultrasonik di dalam

air terus ditingkatkan, maka akan dicapai suatu kondisi maksimum dimana gaya

antarmolekul tidak dapat lagi menahan struktur molekul seperti keadaan awalnya.

Akibatnya molekul itu akan pecah dan terbentuklah lubang (cavity). Lubang ini

disebut gelembung kavitasi (Ince dkk.,2001).

6. Mikrokontroler Arduino

Mikrokontroler (pengendali mikro) pada suatu rangkaian elektronik digunakan

sebagai pengendali kinerja setiap komponen dalam menjalankan fungsinya

masing-masing. Mikrokontroler pada umumnya berbentuk IC (Integrated

Circuit) yang terdiri dari CPU (Central Processing Unit), memori, timer, saluran

komunikasi, saluran masukan-keluaran, ADC (Analogto Digital Converter), dan

sebagainya. Mikrokontroler banyak diaplikasikan dalam sistem elektronik modern

17

seperti sistem manajemen mobil otomatis, sistem robotik, sistem keamanan, dan

instrumen-instrumen pengukuran elektronik (Andrianto dan Darmawan, 2016).

Arduino Uno adalah board berbasis mikrokontroler pada ATmega328. Board ini

memiliki 14 digital input/output pin (dimana 6 pin dapatdigunakan sebagai output

PWM), 6 input analog, 16 MHz osilator kristal, koneksi kabel USB (Universal

Serial Bus), jack listrik, tombol reset. Pin-pin ini berisi semua yang diperlukan

untuk mendukung mikrokontroler, hanya terhubung ke komputer dengan kabel

USB atau sumber tegangan bisa didapat dari adaptor AC-DC atau baterai untuk

menggunakannya. Board Arduino UNO tersebut seperti yang terlihat pada

Gambar 2.5 (Saputri, 2014).

18

Gambar 2.5Board Arduino Uno (Anonim B, 2018).

19

Berikut adalah spesifikasi dari Arduino Unoyang terlihat pada Tabel 2.1:

Tabel 2.1Spesifikasi board Arduino Uno (Adrijanto,2015).

No Karakteristik Keterangan

1 Mikrokontroler ATMega328

2 Tegangan operasi 5 V

3 Tegangan Masukan 7-12 V (rekomendasi)

4 Pin I/O 14 pin (6 pin PWM)

5 Arus 50 mA

6 Flash memory 32 kB

7 Bootloader SRAM 2 kB

8 EEPROM 1 kB

9 Kecepatan 16 MHz

Arduino Uno adalah chip atau intergrated circuit (IC) yang dapat diprogram

menggunakan komputer. Program pada mikrokontroler bertujuan untuk

memproses perintah masukan pada suatu rangkaian elektronika sesuai dengan

perintah yang diinginkan. Mikrokontroler berperan sebagai “otak” pada rangkaian

elektronika karena dapat mengendalikan suatu rangkaian elektronika. Komponen

utama Arduino adalah mikrokontroler, maka Arduino dapat diprogram

menggunakan komputer sesuai kebutuhan kita.

7. Pulse Widht Modulation (PWM)

Modulasi lebar pulsa atau yang lebih dikenal dengan sebutan PWM (PulseWidht

Modulation) adalah suatu teknik modulasi dengan mengubah lebarpulsa (duty

cycle) dengan nilai amplitudo dan frekuensi yang tetap. Satu siklus pulsa

merupakan sinyal gate “high” dan jika siklus pulsa berada di zona transisi

menandakan sinyal “low”(Hart, 2011).

Pada umumnya, PWM adalah sebuah cara memanipulasi lebar sinyal yang

dinyatakan dengan pulsa dalam suatu perioda untuk mendapatkan tegangan rata-

rata yang berbeda. Beberapa contoh aplikasi PWM adalah pemodulasian data

20

untuk telekomunikasi, pengontrolan daya atau tegangan yang masuk ke beban,

regulator tegangan, audio effect, dan penguatan, serta aplikasi-aplikasi lainnya.

Pada metode digital setiap perubahan PWM dipengaruhi oleh resolusi dari PWM

itu sendiri. Misalkan PWM digital 8 bit berarti PWM tersebut memiliki resolusi

28=256, maksudnya nilai keluaran PWM ini memiliki 256 variasi, variasinya

mulai dari 0 sampai 255 yang mewakili duty cycle 0 sampai 100% dari keluaran

PWM tersebut. Duty cycle dari PWM dapat dinyatakan Persamaan (2.4) dan

Gambar 2.6.

Dutycycle=

(2.4)

dengan:

ton =waktu penyambungan

toff=waktu pemutusan

Gambar 2.6 Duty Cycle dan sinyal PWM (Supani dan Azwardi, 2015).

Ketika pulsa memiliki duty cycle sebesar 100% maka nilai PWM digital sebesar

225. Jika duty cycle sebesar 50% maka nilai PWM digital sebesar 127 seperti pada

21

pada Gambar 2.6 terlihat prinsip dasar operasi PWM adalah melakukan

penyambungan dan pemutusan (on dan off) tegangan catu daya motor berulang-

ulang selama setengah perioda. Variasi tegangan diperoleh dari lebar pulsa tetap

atau bervariasi dalam setiap setengah perioda. Pada PWM sinusoida lebar

pulsanya bervariasi mengikuti variasi harga saat amplitudo sinusoida dibentuk

dengan teknik modulasi (Muchlas dan Supri, 2006).

8. Seven Segment

Seven segment adalah layar yang terdiri dari tujuh LED yang tersusun membentuk

angka 8. Seperti ditunjukkan pada Gambar 2.7tujuh LED disusun dalam mode

persegi panjang dan diberilabel A sampai G.Setiap LED disebut segmentkarena

membentuk bagian dari digit yang ditampilkan. LED tambahan digunakan untuk

indikasi titik desimal (DP). Dengan bias maju, beda LED dapat menampilkan

digit dari 0 sampai 9. Sebagai contoh untuk menampilkan angka nol, LED A, B,

C, D, E dan F adalah bias maju. Untuk menyalakan angka 5, LED A, F, G, C dan

D menjadi bias maju. Jadi dalam tampilan seven segment tergantung pada digit

yang akan ditampilkan (Bakhsi dan Godse, 2009).

Gambar 2.7 Seven Segment (Anggreni dkk., 2014).

Penampil seven segment berfungsi untuk mendekodekan data dari bahasa mesin

ke dalam bentuk tampilan data desimal. Penampil seven segment pada dasarnya

22

adalah konfigarasi LED yang disusun sedemikian rupa sehingga nyala dari LED

tersebut dapat membentuk karakter angka desimal. Struktur tampilan dari

penampil tujuh segmen tersebut dilabelkan dari A-G yang dapat menampilkan 10

karakter bilangan desimal pertama dari 0 sampai 9. Gambar 2.8 menunjukkan

Konstruksi dari penampil tujuh segmen.

(a)

(b)

Gambar 2.8

Konstruksi Internal Seven Segment(a) Common Anoda (b)

CommonKatoda(Bakhsi dan Godse, 2009).

Seven segment terdiri dari 2 tipe, yaitu common anoda dan common katoda. Pada

tipe common anoda, LED dihubungkan ke tegangan positif bersamaan dengan titik

yang sama. Resistor pembatas arus harus dihubungkan antara masing-masing

LED dan ground seperti pada Gambar 2.8 (a). Sedangkan tipe common katoda,

23

LED dihubungkan ke ground bersamaan dengan titik yang sama. Sebuah resistor

pembatas arus dihubungkan antara masing-masing LED dan sumber tegangan

seperti pada Gambar 2.8 (b)(Bakhsi dan Godse, 2009).

9. Keypad

Keypad adalah saklar-saklar push button yang disusun secara matriks dan

berfungsi untuk menginput data seperti input pintu otomatis, input absensi, input

data logger dan sebagainya. Keypad berperan sebagai antarmuka antara 12

perangkat (mesin) elektronik,yaitu mikrokontroler dengan manusia atau dikenal

dengan istilah HMI (Human Machine Interface). Konfigurasi keypad dengan

susunan bentuk matrix ini bertujuan untuk penghematan port mikrokontroler

karena jumlah key (tombol) yang dibutuhkan banyak pada suatu sistem dengan

mikrokontroler. Keypad 4x4 tersusun dari 16 push button yang dirangkai secara

matriks. Keypad 4x4 dan sirkuit rangkain keypad tertera pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9 Sirkuit Keypad 4x4 (Mailoa dkk., 2013)

24

Keypad akan tersusun secara matrik dengan kondisi satu kaki menjadi indeks

kolom (C), satu kaki menjadi indeks baris (R), dan satu kaki menjadi common

(Maryandika, 2012).

10. Dimmer

Dimmer merupakan rangkaian elektronika yang terdiri dari TRIAC, DIAC,

kapasitor, resistor, dan resistor variabel. TRIAC sebagai komponen utama yang

berfungsi untuk mengatur tegangan dan frekuensi AC yang masuk ke beban.

DIAC dan resistor variable yang menentukan titik kerja on-off dari

TRIAC.Dimmer terdapat 2 jenis yaitudimmer AC dan dimmer DC. Keduanya

mempunyai fungsi yang sama yaitu untuk mengatur besar kecilnya frekuensi dan

tegangan yangjatuh pada beban yang dihubungkan dengan sumber arus AC

atau DC (Mansopyan, 2012). Pada penelitian ini digunakan dimmer AC yang

digunakan untuk mengatur besarnya frekuensi yang akan diairkan ke generator

ultrasonik.Gambar 2.10 menunjukkan rangkaian dimmer.

Gambar 2.10 Dimmer

BAB III

METODE PENELITIAN

A. Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan di laboratorium Elektronika Dasar Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung yang

dimulai pada bulan April 2018 sampai dengan Januari 2019.

B. Alat dan Bahan

Alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini sebagai berikut.

1. Personal Computer (PC) atau laptop untuk merancang dan mendownload

program Arduino dan sebagai penyimpan data.

2. Mikrokontroler Arduino Uno digunakan sebagai pembangkit sinyal dan

mengatur komunikasi ke komputer.

3. Kabel USB untuk mendownload program ke Arduino.

4. Rangkaian transduser ultrasonik piezoelektrik sebagai penghasil gelombang

ultrasonik.

5. Sebuah perangkat alat pengukuran, yaitu multimeter digital untuk mengukur

tegangan dan frekuensi.

26

6. ESR (Equivalent Series Resistance) meter untuk mengukur besarnya kapasitas

dari induktansi (L), kapasitansi (C), dan Resistansi (R) suatu rangkaian atau

komponen.

7. Satu Satu unit keypad 4x4 yang digunakan sebagai antarmuka masukan

dalam menentukan nilai tegangan masukan yang diinginkan.

8. Satu unit pan 16150 berbahanstainless steeldengan ukuran 176 x 162 x 150

mm.

9. Satu unit sevent segment tipe TM 1637 4 digit berukuran 0,36 Inch.

10. Satu unit solder dan timah untuk realisasi rangkaian.

11. Satu paket peralatan kerja, seperti bor PCB, tang, obeng, dan lain-lain.

12. Akrilik, kayu, dan bahan penunjang lainnya.

13. Osiloskop untuk melihat bentuk gelombang dari generator ultrasonik.

14. Vibration meter VB-8213 untuk mengetahui besarnya vibrasi yang dihasilkan

ultrasonic cleaner.

Selain alat dan bahan, penulis juga menggunakan perangkat lunak sebagai

berikut.

1. Program (sketch) yang akan dimasukkan ke dalam mikrokontroler Arduino.

2. Microsoft office Visio yang berfungsi sebagai media pembuatan bagan

flowchart dan rangkaian elektronika dalan penelitian.

3. Correl Draw X5 untuk mendesain alat secara secara keseluruhan.

27

C. Prosedur Penelitian

Pada penelitian ini akan dilakukan beberapa prosedur sebagai proses dalam

pembuatan alat sampai dengan selesai. Diagram alir penelitian dapat dilihat pada

Gambar 3.1.

Mulai

Studi Literatur

Perancangan Penelitian

Perancangan Software

Pembuatan Software

Pengambilan Data

Analisis Data

Pembuatan Laporan

Selesai

hbhh

Berhasil

Penentuan Tujuan Penelitian

Pengumpulan Data

Perancangan Hardware

Pembuatan Alat

Tidak

Ujicoba dan Analisis

Pembuatan Hardware

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian

Dari Gambar 3.1penelitian ini dilakukan dengan tahapan pertama yaitu

mempelajari konsep dan referensi mengenai sistem alat yang akan dibuat

bersumber dari buku-buku, jurnal, user manual alat, data sheet, internet dan lain-

28

lain. Dilanjutkan dengan penentuan tujuan yaitu sebagai kunci utama dari

penelitian ini adalah mendesain sebuah alat pembersih yang memanfaatkan

gelombang ultrasonik yang bernama “ultrasonic cleaner”. Setelah mengetahui

tujuan, maka akan terarah untuk mencari data-data yang dibutuhkan.

Langkah selanjutnya yaitu perancangan sistem, terbagi 2 yaitu perancangan

perangkat lunak pembangkit gelombang ultrasonik menggunakanArduino

dengan bahasa pemrograman Arduino dan perancangan perangkat keras

transduser ultrasonik. Setelah semua dirancang, dilanjutkan dengan pembuatan

bagian perangkat lunak dan perangkat keras. Realisasi perancangan alat dengan

melanjutkan ke pembuatan generator ultrasonik dan pembuatan daya driver

ultrasonic berdasarkan tujuan penelitian ini. Setelah menemukan solusi dalam

merancang driver, selanjutnya adalah pembuatan perangkat lunak sebagai

pengendali waktu dan menampilkan frekuensi melalui Arduino.Apabila perangkat

telah selesai, selanjutnya yaitu uji coba serta analisis dari perangkat keras dan

perangkat lunak. Jika pengujian tidak berhasil, maka kembali ke pembuatan alat.

Apabila telah teruji alat yang dibuat, maka tahapan selanjutnya adalah

pengambilan data dan analisis data.

Pada proses pengambilan data dilakukan dengan beberapa bagian, yaitu respon

frekuensi masukan terhadap frekuensi keluaran dan respon hubungan frekuensi

masukan dengan tegangan keluaran. Setelah semua dataterkumpul, selanjutnya

menganalisis hubungan kecepatan getar dengan frekuensi, tingkat stabilitas alat,

akurasi waktu, dan tingkat presisi frekuensi dan tegangan. Diharapkan penelitian

ini dapat memberikan manfaat yaitu menjadi sebuah solusi atau alternatif dalam

29

pengembangan alat-alat sebagai pembersih yang cukup ramah lingkungan, serta

menjadi penuntun bagi para peneliti untuk mengembangkan suatu alat pembersih

yang ramah lingkungan berbasis Mikrokontroler. Setelah data diolah, maka tahap

selanjutnya yaitu pembuatan laporan dan penelitian selesai.

D. Desain Penelitian

Secara garis besar, penelitian ini terbagi menjadi tiga bagian:

1. perancangan pembuatan perangkat keras (hardware);

2. perancangan perangkat lunak (software) dengan Arduino;

Penjelasan mengenai desain penelitian secara keseluruhan sebagai berikut.

D.1 .Perancangan Perangkat Keras

Perancangan perangkat keras merupakan tahap awal yang harus diperhatikan

dalam penelitian ini karena ini merupakan tahap dimana pengumpulan komponen

dan alat-alat yang menjadi salah satu syarat berhasil dibuatnya alat UC. Secara

umum dapat diperlihatkan pada Gambar 3.2.

30

AC Input

Transduser

ultrasonik Stainless Tank

Start Timer Frekuensi

Pin Digital

Power 9-12 V

Arduino Uno

Generator

Ultrasonik

Catu Daya 12 Volt

Relay Pin Digital

Dimmer Potensiometer Pin Analog

Alat Ultrasonic

Cleaner

Keypad

Display

Saklar

on/off

Gambar 3.2 Diagram Blok Perancangan Perangkat Keras

Terlihat pada blok diagram Gambar 3.2 bahwa perancangan perangkat keras ini

terdiri dari beberapa subsistem, yaitu masukan AC,catu daya12 V,generator

ultrasonik, transduser ultrasonik, kontrol waktudengan keypaddan terdapat

pemilihan range frekuensi menggunakan dimmer. Pertama sumber listrik PLN

yang akan menyuplai alat ini secara keseluruhan agar berlajan sesuai dengan

fungsinya. Catu daya 12 V berfungsi untuk menyuplai tegangan ke Arduino agar

Arduino dapat menjalankan perintahnya. Sebelum memulai pembersihan stainless

tank harus terisi dengan air terlebih dahulu. Pilih timer sebagai kontrol waktu

selama permbersihan kemudian pemilihan frekuensi dengan memutar

potensiometer yang terhubung dengan dimmer. Setelah itu Arduino akan

memproses masukan yang bertujuan untuk memerintahkan dan mengendalikan

rangkaian pembangkit frekuensi untuk bekerja. Transduser ultrasonic bekerja

dengan cara mengeluarkan vibrasi atau getaran yang berasal dari tekanan

berfrekuensi tinggi. Kemudian menghasilkan gelembung ultrasound yang

31

berfungsi untuk memecah partikel atau kotoran yang menempel pada objek. Seven

segment berfungsi untuk menampilkan timer dan frekuensi yang dipilih. Masing-

masing subsistem tersebut memiliki fungsi yang berbeda-beda dan saling

berhubungan dengan subsistem yang lain. Penjelasan dari diagram blok tersebut

sebagai berikut.

1. AC input sebagai sumber tegangan bolak balik yang diperlukan generator

ultrasonik

2. Catu daya 12V digunakan untuk menyuplai tegangan yang diperlukan Arduino

Uno untuk bekerja.

3. Arduino sebagai pengontrol waktu melalui keypad dan membaca frekuensi

yang akan ditampilkan di seven segment.

4. Generator Ultrasonik sebagai suplai transduser ultrasonic yang kemudian akan

menghasilkan vibration di stainless tankUC.

5. Transduser ultrasonikdigunakan untuk mengubah energi listrik bolak-balik

menjadi gelombang ultrasonik berfrekuensi tinggi.

6. Dimmer dengan sistem adjustable digunakan untuk memilih range frekuensi

40– 60 kHz.

7. Timer diatur menggunakan program Arduino.

8. Keypad 4x4 digunakan sebagai pengatur waktu yang dibutuhkan.

9. Seven segment yang digunakan yaitu TM1637 sebagai tampilan waktu dan

besarnya frekuensi.

32

Perancangan perangkat keras diagram blok pada Gambar 3.2 dijelaskan secara

singkat sebagai berikut.

D.1.1 Perancangan Rangkaian Generator Ultrasonik

Pada penelitian digunakandriver generator ultrasonik yang berfungsi untuk

memberikan suplai ke transduser ultrasonik. Pada rangkaian generator ultrasonik

ini hampir sama dengan sistem SMPS hanya saja pada generator ultrasonik ini

tidak sampai pada bagian sekunder sehingga tegangan yang dihasilkan adalah

tegangan AC.Pada Gambar 3.3 merupakan rangkaian geerator ultrasonik.

Gambar 3.3 Generator Ultrasonik

Pada Gambar 3.3 merupakan rangkaian generator ultrasonik, terlihat bahwa

prinsip generator tersebut hampir sama dengan prinsip SMPS. Awalnya rangkaian

bekerja dengan menggunakan tegangan masukan PLN sebesar 220 VAC dengan

frekuensi sumber PLN sebesar 50 Hz. Tegangan masukan AC diubah menjadi

R1473

R247k

R3473

R4 18k

R5

220

R6220

D1

D2

Q2FJP13009

LS1

Piezoelektrik

C310n

C110n

C21u

C410n

C5

330n

C6

1u

T1

L14 lilitan (28 AWG) (1.2 u)

L232 lilitan (28 AWG) (1.2 u)

L332 lilitan (28 AWG) (1.2 u)

D3 1N4007 (X4)

D4

R8

510

D5 FR157

D6 FR157

T2

?

Q1FJP13009

33

tegangan DC dengan menggunakan dioda. Tegangan yang telah disearahkan ini

akan memberikan suplaike kapasitor yang kemudian muatan listrik tersebut

disimpan oleh kapasitor dan berguna untuk memperbaiki bentuk gelombang

tegangan (rippel) yang dihasilkan oleh diode bridge/penyearah.

Salah satu ujung T1 primer di bagian titik tengah dan bagian sekunder T1

memperkuat tegangan dari Q1 dan Q2. Sementara T2 bertindak sebagai filter untuk

menghasilkan gelombang keluaran. T2 hanya digunakan sebagai konduktor agar

tidak menghasilkan tegangan apapun. Lilitan induktor pertama (L1) terhubung

langsung dengan transduser ultrasonik sebagai penghasil osilasi mekanik,

osilasitersebut diambil oleh L1 dan dikirim ke Q1 dan Q2 melalui L3 dan L2.

Hubungan tersebut saling berhubungan untuk mengirimkan dan menjalankan

osilasi transduser sampai generator dimatikan.

D.1.2 Perancangan Rangkaian Masukan Keypad

Pada perancangan rangkaian ini digunakan keypad 4x4 sebagai antarmuka untuk

masukan nilai waktu, serta beberapa tombol lainnya digunakan sebagai fungsi

start dan cancle. Gambar 3.4 menunjukkan rangkaian keypad 4x4.

(a) (b)

Gambar 3.4 (a) ModulKeypad4x4 dan (b) Rangkaian keypad 4x4

34

Tabel 3.1 Menunjukkan pengalamatan pin-pin keypad pada Arduino dalam

pembuatan rangkaian UC.

Tabel 3.1Pengalamatan Keypad 4x4

Pin Keypad 4x4 Pengalamatan Pin Keypad

4x4 ke Arduino Uno

R1 10

R2 9

R3 8

R4 A5

C1 A4

C2 A3

C3 A2

C4 A1

D.1.3 Perancangan Rangkaian Seven Segment

Seven segment merupakan segmen-segmen yang digunakan untuk menampilkan

nilai suatu angka ataupun bilangan desimal. Pada penelitian ini digunakan 2 buah

seven segment 4 digit. Pengalamatan seven segment dengan Arduino langsung

akan membutuhkan pin Arduino yang banyak. Oleh karena itu, untuk mengatasi

hal ini digunakan sebuah modul seven segmentTM1637. Modul TM 1637 hanya

membutuhkan 4 pin untuk dihubungkan ke Arduino. Pengalamatan modul

TM1637 pada Arduino ditunjukkan pada Tabel 3.2.

Tabel 3. 2 Pengalamatan TM1637

Pin TM637 Pengalamatan TM1637

pada Arduino UNO

VCC Timer Vin

GND Timer GND

CLK Timer 4

DIO Timer 5

VCC

Tegangan

11

GND

Tegangan

GND

35

CLK

Tegangan

2

DIO

Tegangan

3

(a) (b)

Gambar 3.5 Modul TM1637 (a) Tampilan Depan dan (b) Tampilan Belakang

Pada modul sevent segment untuk tampilan frekuensi pada VCC menggunakan

pin 11 Arduino karena untuk VCC pada Arduino telah dipakai semua.

D.1.4 Perancangan Rangkaian Relay

Relay merupakan saklar yang menggunakan prinsip elektromagnetik yang

digunakan untuk menggerakkan kontak saklar sehingga dapat menghantarkan arus

listrik 220V dari tegangan AC 220V ke rangkaian dimmer. Relay pada rangkaian

ini digunakan untuk pensaklaran yang dikontrol melalui pin Arduino. Bersamaan

dengan waktu, relay akan bekerja mengalirkan arus llistrik ke rangkaian ketika

waktu dijalankan dan akan memutus sambungan arus listrik ketika waktu telah

selesai. Pada Gambar 3.6 ditunjukkan tampilan sebuahrelay satu chanel dan

memiliki 3 pin yang disambungkan ke pin Arduino.

Pin CLK,DIO,VCC,GND Ic TM 1637

Seven segment

36

(a) (b)

Gambar 3.6 (a) Modul Relay 1 chanel dan (b) Cara kerja Relay 1 chanel (Saleh,

2017).

Pengalamatan pin relay dihubungkan pada pin 12, GND dihubungkan pada pin

GND dan VCC dihubungkan dengan pin VCC pada Arduino Uno. Prinsip kerja

dari relay adalah ketika pada kondisi normal maka switch kontak poin relay

berada pada kondiisi normalnya yaitu NO (kontak terbuka) dan NC (kontak

tertutup). Saat lilitan coil elektromagnetik terminal A1 dan A2 mendapatkan

tegangan sesuai dengan tegangan kerja relay, maka akan terbentuk gelombang

elektromagnetik yang akan menginduksi bagian inti besi menjadi magnet. Inti besi

inilah yang berperan menarik armute sebagai tuas kontak sehingga kontak relay

berubah kondisi dari NO menjadi close dan dari NC manjadi open. Posisi kontak

ini akan bertahan selama lilitan coil elektromagnetik mendapatkan tegangan

sesuai dengan tegangan kerjanya. Ketika lilitan coil elektromagnetik relay

tersebut tidak mendapatkan tegangan maka disinilah fungsi dari spring atau per

untuk mengembalikan posisi armature ke kondisi sebelumnya sehingga switch

kontak poin berubah kondisi kembali ke posisi sebelumnya yaitu NO menjadi

open dan NC menjadi close (Saleh, 2017).

D.1.5 Perancangan Rangkaian Dimmer dan Potensiometer

37

Pada penelitian ini menggunakan TRIAC pabrikan dengan tipe BTA16. Piranti ini

diproduksi dengan tujuan utama saklar AC dan aplikasi pengontrolan phasa

seperti kontrol kecepatan motor AC. Analisa rangkaian dimmer yang dapat

ditunjukkan seperti pada Gambar 3.7. Rangkaian dimmer yang dibuat dibangun

dengan TRIAC tipe BTA16 yang dikontrol menggunakan DIAC tipe DB3 dan

potensiometer 500 kOhm. Intensitas getaran piezoelektrik pada rangkaian

generator ultrasonik yang ditrigger menggunakan rangkaian dimmer dengan

TRIAC ini dikontrol dengan cara mengatur arus yang diberikan ke generator

ultrasonik melalui TRIAC. Secara teknis pengontrolan intensitas besarnya

vibration piezoelektrik dilakukan dengan mengatur tuas potensiometer RV1

500kΩ. Frekuensi keluaran yang dihasilkan dimmer dikendalikan oleh tegangan

gate TRIAC melalui DIAC dari keluaran pembagi tegangan potensiometer.

Semakin tinggi tegangan yang diberikan ke gate TRIAC maka arus yang

diberikan ke beban akan semakin besar. Heatsink atau pendingin dibutuhkan

untuk meredam panas yang timbul karena TRIAC bekerja.Rangkaian dimmer

yang digunakan seperti pada Gambar 3.7.

(a) (b)

38

Gambar 3.7 (a) Modul Dimmer dan (b)RangkaianDimmer

Potensiometer adalah sebuah resistor variabel yang dapat mengatur besar kecilnya

hambatan yang diperlukan sesuai dengan batas maksiml yang dimiliki. Pada alat

yang dibuat ini menggunakan potensiometer stereo 500 kΩ dengan memiliki

enam buah kaki. Tiga buah kaki pertama dihubungkan pada rangkaian dimmer

dan tiga buah kaki lainnya dihubungkan pada pin Arduino.Dalam penggunaan

potensiometer jenis stereo ini dimaksudkan agar dapat men-switch dimmer dan

secara bersamaan potensiometer mengatur tegangan masukan analog dengan

prisip ADC pada Arduino. Potensio yang dihubungkan ke dimmer dimanfaatkan

untuk men-switch besarnya frekuensi masukan yang akan dikirimkan pada

rangkaian generator ultrasonik. Untuk potensio yang dihubungkan pada Arduino

dimanfaatkan sebagai pengatur besarnya tegangan masukan dari pin analog 0-5V.

Kemudian tegangan tersebut akan dikonversi menjadi frekuensi keluaran dari

generator ultrasonik. Hasil konversi tersebut bertujuan agar tampilan pada seven

segment berupa besaran frekuensi.

Konversi tegangan Arduino menjadi frekuensi keluaran dilakukan karena pada

alat ini tidak dapat langsung men-switch frekuensi menggunakan Arduino. Hasil

konversi tersebut dimasukkan pada program Arduino sebagai prngendali,

kemudian di tampilkan pada seven segment dengan satuan kilo Hertz sesuai

dengan frekuensi keluarangenerator ultrasonik.Gambar 3.8 menunjukkan bentuk

dari potensiometer stereo.

39

(a)

(b)

Gambar 3.8 (a) Potensiometer Stereo dan (b) Simbol Potensiometer

Pengalamatan potensiometer stereo dengan Arduino Uno dengan menghubungkan

pin data potensiometer pada A0, VCC dengan 5V, dan GND dengan GND.

D.1.6 Perancangan Rangkaian Alat Keseluruhan.

Dalam menjalankan rangkaian keseluruhan digunakan mikrokontroler Arduino

Uno sebagai pusat kendali dan beberapa komponen penunjang. Arduino Uno

mengolah data masukkan dan keluaran pada setiap pinnya. Pengontrolan

dijalankan melalui pengaktifan masing-masing pin pada Arduino, kemudian pin-

pin tersebut bekerja sesuai dengan perintah pada program perangkat lunak

Arduino IDE. Desain rangkaian keseluruhan diperlihatkan pada Gambar 3.9 yang

terdiri dari Arduino Uno, modul dimmer, modul keypad 4x4, modul relay, Catu

Daya 12V, tombol saklar, dan modulseven segmentTM 1637.

Secara keseluruhan perancangan perangkat yang akan digunakan dapat dilihat

pada Gambar3.9.

40

Gambar 3.9 Desain Rangkaian Keseluruhan

D.1.7 Desain Loyout Perancangan Ultrasonic Cleaner

Desain tata letak dari perancangan alat UC tersusun dari beberapa bagian:

1. Stainless tank

2. Keseluruhan box berbentuk tabung berbahan kayu dilengkapi dengan kunci

agar aman. Amun untuk tampilan depan menggunakan bahan akrilik 5mm.

Desain perancangan sistem secara keseluruhan ditunjukkan pada Gambar 3.10

41

Gambar 3.10 Desain Alat Keseluruhan

Keterangan:

1. Stainless Tank

2. Display timer

3. Displaytegangan

4. Potensiometer

5. Tombol On/Off

6. Arduino Uno

7. Generator Ultrasonik dan rangkaian lainnya

8. Keypad

Jika dilihat dari Gambar 3.10 menujukkan skema alat secara keseluruhan. Ketika

stainless tank diisi dengan air dan benda yang akan dibersihkan, dengan rentang

frekuensi sebesar 40-60 kHz. Langkah pertama yaitu dengan memilih masukan

frekuensi dengan memutar dimmer dan masukan waktu yang diinginkan melalui

1

2

5 7

3

8

4 6

42

keypad, selanjutnya menekan tombol start. Setelah menekan tombol start,UC

akan bekerja sesuai dengan nilai frekuensi serta waktu yang ditampilkan pada

seven segment.

D.2 Perancangan Perangkat Lunak

Perancangan perangkat lunak dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak

Arduino Uno. Pemrograman ini berfungsi sebagai pengendali dari alat untuk

mengatur waktu yang diinginkan melalui keypad dan pembacaan frekuensi yang

ditampilkan di seven segment. Setelah pemrograman sesuai dengan yang

dibutuhkan selanjutnya mengunduh program tersebut ke mikrokontroler Ardunio

Uno. Perancangan perangkat lunak ini ditunjukkan pada Gambar 3.11.

43

Gambar 3.11 Diagram Alir Program Ultrasonic Cleaner

E. Teknik Pengambilan Data

Pengambilan data dilakukan untuk mencari hubungan besarnya frekuensi terhadap

tegangan, tingkat akurasi waktu, stabilitas frekuensi terhadap waktu, dan

hubungan besarnya getaran terhadap frekuensi. Dalam memenuhi tujuan itu

Mulai

Deklarasi

Variabel

Pembacaan Input

Keypad

Kode A

Variabel a= pembacaan

nilai frekuensi yang

terukur

Y

Pembacaan nilai

input=Kode B

Input Nilai

Timer

Y

Kode D

=Start

Menampilkan Nilai input pada

seven segment

Frekuensi dan timer

tampil pada seven

segment

Timer= 0 ?

Piezoelectric off

selesai

Piezoelectric On

YN

NKode # = stop

Y

Y

N

Pembersihan berlangsung

44

semua dibutuhkan ssebuah multimeter, vibration meter, dan ESR meter. Data

hasil pengukuran dituliskan pada sebuah tabel. Data dari hasil penelitian

kemudian dijadikan sebuah grafik untuk mengetahui hubungan satu dengan

lainnya. Adapun tabel dari setiap data yang akan dilakukan analisis sebagai

berikut.

E.1 Pengambilan Data Grafik Hubungan Tegangan Keluaran terhadap

Frekuensi Keluaran dan Frekuensi Keluaran terhadap Frekuensi

Keluaran

Tabel 3.3 Data hubungan frekuensikeluaran terhadap tegangan masukan No. Frekuensi Masukan

(Hz)

Tegangan Keluaran

(V)

1.

2.

3.

4.

5.

Tabel 3.4 Data hubungan frekuensikeluaran terhadap frekuensimasukan No. Frekuensi Masukan

(Hz)

Frekuensi Keluaran

(kHz)

1.

2.

3.

4.

5.

Berdasarkan masing-masing data pada Tabel 3.3 dan Tabel 3.4 didapatkan

sebuah grafik pada Gambar 3.12.

45

(a) (b)

Gambar 3.12 Grafik Hubungan (a)Tegangan Keluaran terhadap

FrekuensiMasukan dan (b) Frekuensi Keluaran terhadap

Frekuensi Masukan

E.1.1 Pengambilan Data Grafik Presisi

Pengukuran presisi dilakukan untuk mengetahui seberapa baik suatu hasil

penelitian. Perhitungan ini dilakukan dengan cara mengambil data perulangan

sebanyak 5 kali. Nilai presisi dapat diketahui dengan menghitung simpangan baku

relatif (%RSD), semakin kecil nilai RSD semakin teliti suatu penelitian yang

dilakukan menurut AOAC, 1993, RSD yang diperbolehkan untuk analit dengan

kadar 1-10 ppm maksimum sebesar 7,3-11%. Nilai presisi dapat dihitung dengan

menggunakan Persamaan (3.1) sampai Persamaan (3.3).

Rerata =

(3.1)

SD =√

(3.2)

% RSD =

x x 100% (3.3)

keterangan:

SD = Standar Deviasi

RSD = Simpangan baku relatif (%)

46

X = Konsentrasi para perulangan tunggal

x = Rerata area pengukuran

n = Jumlah pengulangan (Haryanto, 2014).

Data perulangan dimasukan ke dalam sebuah table dan kemudian akan dianalisis

menggunakan sebuah grafik. Tabel yang akan digunakan seperti pada Tabel 3.5

dan Tabel 3.6

Tabel 3.5 Data Perulangan Tegangan Keluaran No. Frekuensi

masukan

(Hz)

Tegangan Keluaran (V)

Perulangan

ke-1

Perulangan

ke-2

Perulangan

ke-3

Perulangan

ke-4

Perulangan

ke-5

1.

2.

3.

4.

5.

Tabel 3.6 Data Perulangan Frekuensi Keluaran

1.

2.

3.

4.

5.

Setelah data perulangan didapatkan, kemudian dihasilkan nilai %RSD dengan

diperoleh Grafikpada Gambar 3.13.

No. Frekuensi

Input (Hz)

Frekuensi Keluaran (kHz)

Perulangan

ke-1

Perulangan

ke-2

Perulangan

ke-3

Perulangan

ke-4

Perulangan

ke-5

47

(a) (b)

Gambar 3.13 Grafik Presisi (a) Tegangan Keluaran terhadap Frekuensi Masukan

dan (b) Periode Keluaran terhadap Frekuensi Masukan

E.1.2 Pengambilan Data Grafik Akurasi

Tabel 3.7 Data akurasi waktu

No. Waktu Kerja (menit) Waktu Sebenarnya (menit)

1

2

3

4

5

Data untuk melihat tingkat akurasi waktu kerja dilakukan selama 25 menit dengan

setiap 5 menit sekali yang tertera pada Tabel 3.7.Setelah data waktu kerja dan

waktu sebenarnya diperoleh, kemudian dapat dianalisis menggunakan sebuah

grafik. Grafik data akurasi tertera pada Gambar 3.14.

48

Gambar 3.14 Grafik Akurasi Waktu

Tingkat akurasi waktu dilihat dengan melakukan analisis waktu kerja terhadap

waktu sebenarnya. Kuat atau tidaknya hubungan x dan y apabila dinyatakan

dengan fungsi linier, diukur dengan suatu nilai yang disebut koefisien korelasi

(R). Nilai korelasi paling sedikit bernilai -1 dan paling besar bernilai 1. Jadi dapat

dinyatakan sebagai berikut..

-1<= R>= 1

Artinya jika R= 1, hubungan x dan y sempurna dan positif. Jika R= -1, hubungan

x dan y sempurna dan negatif. Dan jika R= 0, tidak ada hubungan atau lemah

sekali hubungan x dan y. Cara menghitung nilai R tertera pada Persamaan 3.4.

R =

√

√

(3.4)

dengan:

n= jumlah data

x= data waktu kerja

y= data waktu sebenarnya

49

E.1.3 Pengambilan Data Grafik Stabilitas

Data untuk grafik akurasi diambil dengan cara perulangan setiap 5 menit sekali

selama 25 menit. Adapun data yang akan diambil untuk menguji keakurasian UC

dapat dilihat pada Tabel 3.8 dan Tabel 3.9.

Tabel 3.8 Data Stabilitas Tegangan terhadap Waktu No. Waktu (s) Tegangan Keluaran

4,00 V 1,30 V 0,30 V

1.

2.

3.

4.

5.

Tabel 3.9 Data stabilitas frekuensi terhadap waktu No. Waktu (s) Frekuensi Keluaran

40 kHz 50 kHz 60 kHz

1.

2.

3.

4.

5.

Data pada Tabel 3.8 dan Tabel 3.9diperoleh tingkat stabilitas yang tertera dalam

sebuah grafik pada Gambar 3.15

50

(a) (b)

Gambar 3.15 Grafik stabilitasUC (a) FrekuensiKeluaran terhadap Waktu dan (b)

Tegangan Keluaran terhadap Waktu

E.1.4 Pengambilan Data Hubungan Fekuensi terhadap Getaran

Tabel 3.10Data Hubungan Frekuensi terhadap Getaran

No. Frekuensi

Input

(Hz)

Acceleration

(m/s2)

1.

2.

3.

4.

5.

Data pada Tabel 3.10 kemudian menghasilkan sebuah grafik dan terlihat

hubungan frekuensi masukan terhadap acceleration. Adapun grafik hubungan

frekuensi dengan acceleration atau besaran getaran ditunjukkan pada Gambar

3.16.

51

Gambar 3.16 Hubungan Frekuensi terhadap Acceleration

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

A. Kesimpulan

Berdasarkan hasil pengukuran, pengamatan, dan pengujian pada penelitian ini

dapat diambil kesimpulan sebagai berikut.

1. Driver generator ultrasoniktelah dibuat sebagai penghasil gelombang

ultrasonik yang mensuplai piezoelektrik menggunakan prinsip SOS SMPS,

dengan tambahan rangkaiandimmer agar dapat menswitchfrekuensi. Frekuensi

masukan sebesar 50-200 Hz menghasilkan frekuensi keluaran yang berasal

dari generator ultrasonik yaitu sebesar 40-60 kHz.

2. Kontrol waktu kerja alat Ultrasonic Cleaner telah dibuat menggunakan

program Arduino dengan bantuan keypad 4x4 sebagai masukan nilai dan

seven segment TM 1637 sebagai tampilan.

3. Hubungan gaya getaran dengan percepatan dapat dilihat dengan menganalisis

besarnya perubahan kecepatan persatuan waktu (acceleration) getaran yang

dialami oleh piezoelektrik. Semakin besar percepatan yang dialami

piezoelektrik maka gaya getar akan semakin besar.

85

4. Tingkat kestabilan tegangan keluaran lebih stabil daripada tingkat kestabilan

frekuensi keluaran. Kestabilan alat dapat dilakukan dengan menganalisis data

yang diambil dalam beberapa waktu yang berbeda.

5. Hubungan tegangan keluaran terhadap frekuensi masukan yang di switching

berbanding terbalik. Semakin besar frekuensi maka tegangan semakin kecil.

6. Tegangan keluaran menghasilkan 6 data tingkat presisi yang baik pada saat

frekuensi masukan 65 Hz, 75 Hz, 80 Hz, 90 Hz, 100 Hz, dan 200 Hz.

Sedangkan periode keluaran hanya menghasilkan 2 data tingkat presisi yang

baik pada saat frekuensi 55 Hz dan 70 Hz. Tingkat presisi yang baik yaitu

pada saat nilai %RSD bernilai 0%.

B. Saran

Pada penelitian terdapat beberapa permasalahan yang membutuhkan analisa lebih

lanjut untuk mencapai hasil yang lebih baik. Oleh karena itu untuk penelitian

selanjutnya diharapkan dapat melakukan hal berikut.

1. Memperbaharui alat Ultrasonic Cleaner dengan mengontrol frekuensi

menggunakan Arduino, agar lebih terlihat kestabilan dan keakurasian dari

alat.

2. Membuat kontrol pembuangan air otomatis, ketika pembersihan telah selesai

air dapat terbuang dengan dikontrol langsung oleh program.

DAFTAR PUSTAKA

Adrijanto,J.O.2015.Sistem Kontrol Rumah Pintar Menggunakan ArduinoUno

Berbasis Android. Laporan Tugas Akhir.Jurusan Teknik Elektro Politeknik

Manado: Negeri Manado.

Andrianto, H. dan Darmawan, A. 2016. Arduino Belajar Cepat dan

Pemrograman. Bandung: Informatika Bandung.

Anggreni, N. L. P., Supardi, I. W., dan Wendri, N. 2014. Bel Cerdas Cermat

menggunakan Remote Control Wireless berbasis Mikrokontroler AT89S52.

Buletin Fisika.15(2):1–5.

Anonim A. 2019. Gaya dan Hukum-hukum Newton Tentang

Gerak.https://www.academia.edu/30147420/GAYA_DAN_HUKUM-

HUKUM_ NEWTON_TENTANG_GERAK.Diakses pada 11 Mei 2019.

Anonim B. 2018. Arduino UnoR3.https://www.fecegypt.com/uploads/dataSheet

/1522237550_arduino%20uno%20r3.pdf. Diakses pada 15 Mei 2019.

Bakhsi, U. A. dan Godse, A. P. 2009. Analog and Digital Electronics. India:

Technical Publication Pune.

Buasri,C. danJangwanitlert,A. 2008. Comparison Of Switching Strategies Foran

Ultrasonic Cleaner. https://doi.org/10.1109/ECTICON.2008.4600602.

Diakses pada 20 Januari 2018.

Cheeke,J. dan David. N. 2002. Fundamentals and Applications of Ultrasonic

Waves. Canada: Concordia University.

Clayton, G. 2005. Operational Amplifier. Jakarta: Erlangga.

87

Dirgandini. 2011. Perambatan Suara dan Jenis-JenisGelombangSuara.

http://dirgandini.wordpress.com//2011/03/21/.Diakses pada 20 Januari 2018.

Fuadi, A. 2012. Ultrasonik sebagai Alat Bantu Ekstraksi Oleoresin Jahe.Jurnal

Teknologi. 12(1): 14.

Fuchs, F. J.2002.Ultrasonic Cleaning: Fundamental Theory and Application. New

York: Blackstoney Ultrasonic.

Hart, D.W. 2011. Power Electronics. New York: The Mc Graw-Hill Companies.

Haryanto, E., Gunawan, R., dan Saleh, C. 2014. Analisis Total Sulfur Terhadap

Sampel Feed Gas Dengan Membandingkan Standar Gas Standar Liquid

Menggunakan Metode TS-100V. Jurnal Kimia Mulawarman. 12:3.

Ince, N.H., G. Tezcanli., R.K. Belen., dan I.G. Apikyan. 2001. Ultrasound As A

Catalyzer of Aqueous Reaction System.The State of The Art and

Environmental Applications.Applied Catalysis B: Environmental. 29: 167–

176.

Chu, Li-Bing.,Xing, Xin-Hui.,Yu, An-Feng., Yu-Nan, Zhou., dan Sun, Xu-Lin.

2007. Enhanced ozonation of simulated dyestuff wastewater by

microbubbles.Chemosphere. 68: 1854-1860.

Mailoa, R., Sugeng, D. R., dan Wahyu, H. 2013. Sistem Pengaman Pintu dengan

Kunci Digital Berbasis Mikrokontroler ATmega16 dan IC Suara ISD 2590

Dilengkapi Tampilan LCD. Jurnal Infotekmesin. 6:7-15

Mansopyan, Y. 2012. Skema Lamp Dimmer.http://rajinter-repair.blogspot.com

/2012/05/skema-lamp-dimmer.html. Diakses pada 05 Mei 2019.

Maryandika, A. I. 2012. Sistem Proteksi Brankas Berpassword Menggunakan

Magnetic Doorlock Sebagai Penggerak Doorstrike Berbasis

Mikrokontroller.Tugas Akhir. Semarang: Universitas Negeri Semarang.

Muchlas dan Supri. 2006. Pengendali Motor Induksi 1 Fasa dengan Metode PWM

Sinusoida berbasis Mikrokontroler 68HC11. Telkomnika. 4(3): 167-174.

Muthurajan, H., Kumar, H.H., dan Kharat,D.K.2007. Piezoceramic-Based

Chlorofluorocarbon-FreeTurtableUltrasonic Cleaning System. Journal of

Scientific and Industrial Research. 64:105-106.

Pratiwi, N. A. 2018. Perancangan Pembangkit Tegangan Tinggi Impuls 11,20 kV

dengan Menerapkan Zero Voltage Switching (ZVS) pada Konverter

Flyback.Jurnal Transmisi. 4(1): 8-14.

Putri, N. Y. 2017. Rancang Bangun Alat Ukur Getaran Mesin Sepeda Motor

Menggunakan Sensor Serat Optik. Padang: Universitas Andalas.

88

Saleh, M. 2017. Rancang Bangun Sistem Keamanan Rumah Menggunakan

Relay. Jurnal Teknik Elektro. 4(3): 182.

Saputri,Z.N. 2014. Aplikasi Pengenalan Suara Sebagai Pengendali Peralatan

Listrik Berbasis Arduino Uno. Skripsi. Malang: Jurusan Teknik Elektro

Universitas Brawijaya.

Serevina, V. 2011. Korelasi dan Regresi.http://vinaserevinafisikaunj.blogspot

.com/2011/12/korelasi-dan-regresi_10.html.Diakses pada tanggal 1 Juni

2019.

Setiawan, R.2016.Ultrasonic Cleaner Berbasis Mikrokontroler ATMEGA.

Surabaya: Poltekkes.

Setiyo, R. 2015. Switch Case. http://weweweprodiinformatika.blogspot.com/

2015/12/switch-case.html. Diakses pada tanggal 5 Mei 2019.

Sitepu, J. 2018.Fungsi Millis pada Arduino, Contoh Program dan Pengertiannya.

https://mikroavr.com/fungsi-millis-pada-arduino/. Diakses pada tanggal 28

Maret 2019.

Sukarno. 2010.Ultrasonic GeneratordenganFrekuensiMaksimum 100KHz dan

Daya100WattBerbasisMikrokontrolerAVRATTINY2313. Jakarta:

Univsersitas indonesia.

Supani, A. dan Azwardi. 2015. Penerapan Logika Fuzzy dan Pulse Width

Modulation untuk Sistem Kendali Kecepatan Robot Line Follower. Jurnal

Informatika, Sistem Kendali, dan Komputer. 9(1): 1–10.

Syahwir, I. D dan Firmansyah, V. 2018. Perbandingan Pembersihan Material

Berbahan Stainless Steel Menggunakan Ultrasonic Cleaner Dan

Pembersihan Biasa. Jurnal Material dan Energi Indonesia. 8(2).

Tolvanen, R., Lunden, J., Korkeala, H., dan Wirtanen, G. 2007. Ultrasonic

Cleaning Of Conveyor Belt Materials Using Listeria Monocytogenes As A

Model Organism.Finland:JournalofFoodProtection.70(3): 759-760.

Wardana, M. 2011. Prinsip Kerja Relay. http://meriwardana.blogspot.com/2011/

11/prinsip-kerja-relay.html. Diakses pada tanggal 26 April 2019.

Yakut, M., Tangel, A., dan Tangel, C. 2009. A Microcontroller Based Generator

Design for Ultrasonic Cleaning Machines. Istanbul: Journal of Electrical

and Electronics Engineerin.9(1): 854-859.