desain sistem akuisisi data pengukuran modulus …

Seminar Nasional Teknologi dan Rekayasa (SENTRA) 2020

ISSN (Cetak) 2527-6042

eISSN (Online) 2527-6050

I - 6 SENTRA 2020

DESAIN SISTEM AKUISISI DATA PENGUKURAN MODULUS

PUNTIR BERBASIS MIKROKONTROLER

Budiono1, Suwarsono

2, Khusnul Hadi

3

Universitas Muhammadiyah Malang

Kontak Person: Budiono, S.Si, M.T.

Jl. Raya Tlogomas No. 246 Malang, 65144 Telp (0341-464513) E-mail: [email protected]

Abstrak Pemanfaatan mikrokontroller Arduino sudah banyak diaplikasikan di berbagai perangkat mekanis. Pada penelitian ini, dilakukan perancangan sistem pengukuran tegangan-puntir berbasis mikrokontroler Arduino Uno. Beban torsional disensor melalui strain gauge yang disusun dalam bentuk jembatan Wheatstone. Tegangan yang dihasilkan dari jembatan ini diproses dalam rangkaian pengkondisi sinyal. Sinyal tegangan ini kemudian dikirimkan ke ADC yang ada pada mikrokontroller Arduiono untuk pengolahan data selanjutnya. Sistem pengukuran yang dirancang diuji pada struktur beam dengan tumpuan sederhana. Dari hasil pengukuran disimpan dalam memori kemudian ditansfer ke Laptop untuk diolah menjadi besaran yang dinginkan. Perangkat ini biasanya disebut sebagai sistem akuisisi data. Hasil pengukuran dan anlisis diperoleh modulus puntir spesimen dengan selang kepercayaan sebesar 95% adalah 𝐺 = 6 ± 0,2 𝑀𝑃𝑎 . Sistem akuisisi data yang didesain dan dibuat

cukup baik karena sebaran residu berada di sekitar garis linear dan merata.

Kata kunci: arduino uno, rancang-bangun, modulus puntir, akuisisi data

1. Pendahuluan

Sistem akuisisi data merupakan suatu bagian dari system proses yang di butuhkan untuk memudahkan dan memenuhi kecepatan serta ketepatan control dalam membantu manusia dalam

menyelesaikan masalah dalam berbagai bidang. Sistem akuisisi data bekerja dari pengumpulan data

berupa fisis dari sebuah obyek tertentu yang tangkap oleh sebuah tranduser kemudian di proses pada pengolahan data yaitu mengkonversi sinyal analog ke bentuk sinyal digital sehingga dihasilkan suatu

nilai tertentu baik dalam bentuk angka maupun grafik [3]. Sistem akuisisi data terdiri dari sejumlah

elemen atau komponen yang saling berhubungan satu dengan yang lain dibentuk sedemikian rupa sehingga sistem tersebut dapat berfungsi untuk mengambil, mengumpulkan dan menyimpan data secara

cepat, realtime dan akurat sehingga kemudian data siap untuk diproses lebih lanjut. Elemen-elemen

tersebut adalah obyek pengukuran, Transduser, Amplifier, Multiplexer, Data Acquisition Card,

komputer dan perangkat lunak akuisisi data [4,7]. Pada Gambar 1 ditunjukkan suatu diagram blok sistem akuisisi data.

Gambar 1 Diagram blok sistem akuisisi data

Penerapan sistem akuisisi data pada pengukur modulus puntir didasarkan Setiap benda akan

mengalami perubahan ketika sebuah gaya diberikan padanya. Salah satu bentuk perubahan tersebut

adalah sudut simpangan. Sifat suatu benda dimana benda tersebut akan kembali ke bentuk semula ketika gaya yang bekerja pada benda itu dihilangkan disebut sifat elastisitas benda. Elastisitas adalah

kemampuan benda untuk kembali ke bentuk awalnya segera setelah gaya yang bekerja pada benda

mailto:[email protected]




SENTRA 2020 I - 7

tersebut dihilangkan [2]. Suatu batang yang ditarik oleh suatu gaya dikatakan berada dibawah tegangan meregang (tensile stress), sedangkan apabila benda diberi tekanan menekan maka benda

berada dibawah tekanan menekan (compressive streess) yang merupakan lawan dari tegangan

meregang. Apabila suatu benda diberi gaya yang sama tetapi arahnya berlawanan dan tidak segaris maka benda tersebut berada dibawah tegangan memuntir (shear stress). [1,7]. Besarnya tegangan puntir yang

terjadi dapat ditentukan dengan persamaan G = (2TL)/(Ip θ) N/m2, dimana T torsi akibat gaya, L panjang

batang, Ip inersial batang dan θ sudut putiran [5]. Desain sistem akuisisi data pada penelitian ini menggunakan basis mikrokontroler yang banyak

dipasaran yaitu jenis Arduino Uno sebagai sistem kontrolnya. Arduino Uno merupakan salah satu

produk yang berlabel Arduino yang sebenarnya adalah kit elektronik mikrokontroler open source yang

didalamnya terdapat komponen utama chip mikrokontroller dengan jenis AVR dari perusahaan Atmel [8]. Piranti tersebut dapat dimanfaatkan untuk membuat rangkaian elektronik mulai dari yang sederhana

hingga kompleks. Bahkan dengan penambahan komponenen tertentu, Arduino ini dapat dipakai untuk

berbagai aplikasi seperti pemantau kondisi pasien, dan pengendali berbagai alat yang membutuhkan sistem pengontrol. Arduino pada umumnya dipakai untuk menyederhanakan berbagai macam detail

rumit pada pemograman mikrokontroller sehingga menjadi hal yang mudah untuk digunakan [ 11].

Arduino memberikan berbagai macam kelebihan seperti dimensinya yang kompak dan kecil. Arduino

merupakan perangkat keras yang murah dibandingkan dengan platform mikrokontroller pro lainya, Sederhana dan mudah pemrogramannya, perangkat lunak dan kerasnya open source, tidak lagi

dibutuhkan chip programmer dikarnakan didalamnya sudah ada bootloader yang akan menangani

uploud program dari komputer, dan dalam bahasa pemograman arduino relatif mudah dikarenakan software arduino dilengkapi dengan kumpulan library yang cukup lengkap.

Pada bidang teknik dalam mengetahui kondisi kerja material merupakan hal yang penting,

karena sifat mekanik material tersebut dipengaruhi oleh tegangan, tegangan yang terjadi pada suatu bahan banyak macamnya yang salah satunya tegangan puntir akibat beban torsional. Alat uji yang ada

dipasaran biasanya harga sangat mahal dan dimensinya besar. Melihat latar belakang permasalahan yang

ada, maka pada penelitian ini dirancang bangun Sistem Akuisisi Data Pengukuran Modulus Puntir

Berbasis Mikrokontroler yang lebih murah karena komponen-komponen yang digunakan semuanya ada dipasaran dan dimensi yang dibuat untuk skala Laboratorium sehingga lebih murah dari srgi ekonomi.

Sistem mekanik yang digunakan adalah model beam tumpuan sederhana yaitu tumpuan jepit – roll.

Hasil data pengujian alat ini dianalisis dengan regresi linear sehingga diperoleh nilai a dan b [9]. Secara umum persamaannya dituliskan dalam bentuk linear y = a + bx. Sedangkan untuk keakurasian dari

pengambilan data dapat diuji dengan dengan analisis statistik yang tercermin dari sebaran residu dari

data pengujian [10].

2. Metode Penelitian

Set-Up Pengujian

Sistem pengukuran tegangan puntir diterapkan pada batang engsel roll yang terdiri dari beberapa komponen utama. Beberapa komponen utama dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2 Set up Pengujian




I - 8 SENTRA 2020

Alur dari pemprosesan sistem pengukuran tegangan regangan ditampilkan pada Gambar 3.

Gambar 3 Alur pemrosesan sinyal saat pengukuran

Berdasarkan pada gambar 3 di atas, blok sensor strain gauge dan modul BF 350 AA sebagai inputan pendeteksi beban yang akan diukur. Blok penguat instrumentasi adalah amplifier LM 358 D

sebagai inpiutan penguat sensor strain gauge. Blok mikrokontroller arduino sebagai unit pengolahan

data dan merupakan input komputer sebagai penampil data dan grafik analisis data.

Strain gauge dan modul BF 350 AA , ketika poros terjadi pembebanan maka akan direspon oleh strain gauge yang ikut meregang seperti kondisi beam, hal tersebut terjadi

karena strain gauge di pengukur beban. Dalam sistem pengukuran tegangan regangan ini

menggunakan strain gauge tipe BF 350 AA dengan spefikasi pada Tabel 1.

BF 350 AA adalah modul tegangan regangan, yang memiliki prinsip kerja mengkonversi perubahan yang terukur dalam perubahan resistansi dan mengkonversinya ke dalam besaran

tegangan melalui rangkaian yang ada. Modul melakukan komunikasi dengan computer atau

mikrokontroller. Struktur yang sederhana, mudah dalam penggunaan, hasil yang stabil dan reliable,

memiliki sensitivitas tinggi, dan mampu mengukur perubahan dengan cepat. Konstruksi Strain gage dan modul BF 350AA ini terlihat pada Gambar 4A dan 4B.

Gambar 4A Konstruksi Strain Gage Gambar 4B Modul BF 350 AA

Mikrokontroler Arduino Uno Arduino Uno adalah salah satu produk berlabel arduino yang sebenarnya adalah kit elektronik

atau papan rangkaian elektronika open source yang didalamnya terdapat komponen utama, yaitu sebuah

chip mikrokontroler dengan jenis AVR dari perusahaan Atmel. Piranti ini dapat dimanfaatkan untuk




SENTRA 2020 I - 9

mewujudkan rangkaian elektronik dari yang sederhana hingga yang kompleks. Perangkat elektronik mikrokontroler Arduino Uno ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5 Mikrokontroler Arduino Uno

Data pengukuran dari mikrokontroler di kirim menuju komputer menggunakan komunikasi serial yang

dikonversikan ke komunkasi USB (Universal Serial Bus) menggunakan IC Cp2102. Data diproses dan

dianalisa menggunakan Bahasa pemrograman C# dan ditampilkan menggunakan GUI (Graphical User Interface) seperti yang ditampilkan pada Gambar 6.

Gambar 6 Tampilan data akusisi menggunakan bahasa pemrograman C#

3. Hasil dan Pembahasan

Pengujian yang dilakukan untuk mengukur nilai modulus puntir dari sebuah batang logam

dengan menggunakan beban variasi (torsi) sebagai variabel bebas dan sudut puntiran sebagai variabel terikat, metode pengukuran yang digunakan adalah pengukuran dinamik. Proses pengujian dilakukan

seperti terlihat pada Gambar 7.

Gambar 7 Pengujian pengukuran modulus geser




I - 10 SENTRA 2020

Pengolahan data dilakukan dengan menggunakan persamaan

𝐼𝑝 =𝜋 𝑅4

2

𝑇 = 𝑟 𝑚 𝑔

𝐺 =2 𝐿 𝑟 𝑚 𝑔

𝜋 𝑅4 𝜃 =

2 𝑇 𝐿

𝐼𝑝 𝜃

Dimana: R : radius pulley ( m ) θ : sudut putir pada logam uji ( rad )

r : radius logam uji ( m ) T : torsi ( Nm )

m : beban ( kg ) Ip : Inersia pulley ( m4 )

L : panjang logam uji ( m ) G : modulus puntir ( N/m2 ) g : gravitasi ( m/s2 )

Untuk menentukan nilai G (modulus puntir) digunakan metode regresi linear dengan menetukan

sumbu-Y adalah 2 TL dan sumbu-X adalah 𝐼𝑝 𝜃 [5][6], sehingga diperoleh hasil pengujian seperti

gambar 8.

Gambar 8 Tampilan GUI hasil analisa

Hasil Tampilan Gambar 8 diperoleh dari Analisis data experimen yang dilakukan seperti pada

tabel 2.

Tabel 2 Analisis regresi linear data eksperimen




SENTRA 2020 I - 11

Dari tabel 2 hasil analisis regresi dapat dibuat grafik seperti gambar 9.

Gambar 9 Hasil regresi linear dari data experimen

Dari hasil regresi linear diperoleh persamaan :

Y = (6 x 1011 ) x + 0,1855

Jadi nilai Modulus puntir spesimen G = 6 x 1011 N/m2 = 6 MPa, dengan nilai korelasi R2 = 0,9938

(mendekati 1) artinya sangat baik. Dari hasil analisis statistik ditunjukkan pada tabel 3.

Tabel 3 Hasil analisis statistik

Batas atas dan bawah bagi kemiringan (gradien) garis regresi dengan selang kepercaya 95% bilateral limit dapat ditentukan dengan memakai fraktil distribusi t ( f = 8 - 2= 6), karena bilateral limit

maka nilai kemungkinan kumulatif 97,5%, yaitu :

𝑏𝑚𝑎𝑘𝑠 = 𝑏 + 𝑡0.975 ;6 𝑆𝑑𝑏 = (6𝑥1011) + (2,447)(8,23𝑥109) = 6,2 𝑥 1011 𝑁/𝑚2 = 6,2 𝑀𝑃𝑎

𝑏𝑚𝑖𝑛 = 𝑏 − 𝑡0.975 ;6 𝑆𝑑𝑏 = (6𝑥1011) − (2,447)(8,23𝑥109) = 5,8 𝑥 1011 𝑁/𝑚2 = 5,8 𝑀𝑃𝑎

Atau dapat dituliskan hasil pengukuran modulus puntir adalah

𝐺 = 6 ± 0,2 𝑀𝑃𝑎




I - 12 SENTRA 2020

Untuk menganalisis hubungan antara variabel X dan Y dapat ditinjau dari nilai kerelasi yang menunjukkan nilai R2 = 0,9938 mendekati 1 artinya nilai Y sangat dipengaruh oleh variabel X. Selain

dari nilai korelasi hubungan X dan Y juga dapat ditunjukkan dari grafik antara Residu variabel Y

terhadap normal probalitas kumulatif seperti gambar 10.

Gambar 10a Sebaran data residu terhadap y Gambar 10b Sebaran residu terhadap prediksi

Dari gambar 10, juga dapat menjelaskan treatmen (pelaksanaan eksperimen) atau akuisisi data sistem

cukup baik terlihat dari sebaran residu berada disekitar garis linear dan merata.

4. Kesimpulan

Dari hasil-hasil yang diperoleh dapat disimpulkan bahwa telah berhasil dirancang alat

percobaan pengukur modulus puntir berbasis akuisisi data. Hasil pengukuran dan anlisis diperoleh

modulus puntir spesimen dengan selang kepercayaan sebesar 95% adalah 𝐺 = 6 ± 0,2 𝑀𝑃𝑎 . Sistem akuisisi data yang didesain dan dibuat cukup baik karena sebaran residu berada disekitar garis linear dan

merata.

Referensi [1] Halliday D., Resnick, ., Walker J., Fundamental of Physics, John Wiley $ Sons, 1997.

[2] Giancoli, D. C., “Physics”, Alih bahasa Hanum, Yuhilza, Jakarta : Erlangga,1998.

[3] Shukla Jagrut, Ankit kumar, Abhisek Shrivastava, Shilpa Agrawal. Analog Voltage Comparator Based on Digital Differenstial Circuit. IEEE. 2006.

[4] Nagara N., Yazid P. I., Perangkat Lunak Sistem Akuisisi Data Menggunakan Delphi,

J.Auto.Ctrl.Inst Vol 4 (1), 2012 , ISSN : 2085- 2517. [5] Budiono. Modul Praktikum Fisika UMM. Laboratorium Fisika Fakultas Teknik UMM. 2017

[6] Martini D., Oktova R., Penentuan Modulus Young Kawat Besi dengan Percobaan regangan,

Berkala Fisika Indonesia Vol 2 No1, 2009.

[7] Sewoyo T, Budiono, Setyawan WN, “Design of Data Acquisition-based Anemometer”, SNTTM XVII Univ Nusa Cendana Kupang Oktober 2018.

[8] Hendaryati R H, Sewoyo T, Budiono, Malik A, Design of Stress Measurement System using

Arduino Uno Microcontroller, SNTTM XVIII, 2019 [9] DOUGLAS C. M., “Design and Analysis of Experiments”, John Wiley & Sons, Inc., 2013

[10] Robert L. M., Richard F. G., James L. H.,” Statistical Design and Analysis of Experiments”, John

Wiley & Sons, Inc., 2003

[11] Smith W. A., Arduino Uno Hardware Manual, wspublishing.net, 2017

desain sistem akuisisi data pengukuran modulus …

Documents