65
BAB III
PERANCANGAN ALAT
Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan dan pembuatan mekanik,
elektronik, beserta program mikrokontroller. Sistematika pembahasan akan dimulai
dari pembuatan dan penjelasan blok diagram beserta deskripsi alat, dilanjutkan
penjelasan perancangan perangkat keras yang meliputi perancangan elektronik dan
mekanik, serta yang terakhir penjelasan perancangan perangkat lunak yang meliputi
pemrograman mikrokontroller Atmega8535.
3.1. Blok Diagram Sistem
Blok diagram sistem dari alat pengering gabah dapat dilihat pada gambar 3.1
dibawah ini.
Gambar 3.1. Blok diagram sistem
66
Alat pengering gabah ini menggunakan fitur timer yang dimiliki oleh
mikrokontroler untuk menentukan lama waktu pengeringan. Saklar seting digunakan
untuk memasukan nilai lama waktu proses pengeringan. SHT11 akan mendeteksi
suhu ruangan pengering, sementara kipas blower dan elemen pemanas bekerja untuk
mengalirkan udara panas. SHT11 secara kontinyu memantau suhu ruangan, jika suhu
telah mencapai titik set poin, maka mikrokontroler mengirimkan perintah untuk
mematikan blower dan elemen pemanas, dan kedua komponen ini akan bekerja lagi
ketika suhu ruangan yang dipantau berada dibawah suhu set poin. Terdapat tiga
indikator pada alat, yakni indikator sebelum proses (menu), ketika proses
pengeringan dan jika pengeringan telah selesai.
3.2. Perancangan Perangkat Keras
3.2.1. Perancangan Elektronik
Perancangan elektronik pada alat ini meliputi catu daya sebagai pencatu
komponen, sistem minimum mikrokontroler sebagai pengendali, keypad sebagai
seting masukan, driver sebagai trigger dan LCD 16x2 sebagai penampil.
3.2.1.1. Rangkaian Sistem Minimum Mikrokontroler Atmega8535
Rangkaian ini berfungsi sebagai pusat kendali dari alat pengering gabah.
Gambar dibawah ini menunjukan rancangan sistem minimum mikrokontroler
Atmega8535.
67
Gambar 3.2. Sistem minimum Atmega8535
Pembagian penggunaan port pada mikrokontroler dapat dilihat pada tabel xxx.
Tabel 3.1. Pembagian PORT sistem minimum ATMega8535
No Port Fungsi Koneksi Jumlah bit
1 PORT.A Output LCD 16x2 6 - bit
2 PORTB.0 – PORTB.1 Input Sensor 2 - bit
3 PORTB.5 – PORTB.7 Input Download 3 - bit
4 PORTC.0 – PORTC.2 Output Driver 3 - bit
5 PORTC.3 – PORTC.5 Output Indikator 3 - bit
6 PORTD.3 – PORTD.7 Input Keypad 5- bit
Rangkaian osilator memakai crystal yang diparalel dengan dua buah capasitor
(C3 dan C4).
68
Gambar 3.3. Rangkaian oscilator crystal
Oscilator berfungsi sebagai detak clock bagi mikrokontroler. Crystal yang
digunakan adalah jenis keramik dengan frekuensi 0 MHz sampai 16 MHz. Crystal
yang dipakai dalam sistem minimum ini sebesar 12MHz. Untuk mencari nilai C3 dan
C4 maksimum menggunakan persamaan 3.1.
CL =𝐶3 𝑥 𝐶4
𝐶3 + 𝐶4+ CS…………………………………………………….(3.1)
Keterangan :
CL = Capasitansi Load optimum, telah ditentukan sebesar 18pF
CS = Capasitansi Stray PCB, telah ditentukan sebesar 5pF
Clext = Capasitans Load external. Clext = C1 = C2.
18pF =𝐶𝐿𝑒𝑥𝑡
2+ 5pF
CLext = (18 - 5)pF x 2
CLext = 26 pF
Nilai C3 dan C4 = 26pF, ini patokan nilai maksimalnya. Jika kapasitor yang
dipasang lebih dari nilai maksimum, akan menyebabkan masalah start-up dan
penyimpangan terhadap osilasi crystal. C3 dan C4 yang dipasang dalam rangkaian
oscilator ini sebesar 22pF.
69
Untuk percobaan fungsional rangkaian sistem minimum mikrokontroler,
mikrokontroler akan diisi program yang akan menunjukkan bahwa setiap pin pada
port mikrokontroler mengeluarkan data sesuai dengan program yang dimasukkan.
3.2.1.2. Rangkaian Driver
Rangkaian ini berfungsi sebagai penggerak (switching) dari komponen elemen
pemanas, blower dan kipas exhaust. Rangkaian ini menggunakan transistor BD139
sebagai driver dengan masukan dari mikrokontroler sebagai pengendali dan relay
sebagai saklar.
Gambar 3.4. Rangkaian driver
Mikrokontroler mengendalikan elemen pemanas, blower dan kipas
pembuangan melalui driver. Ketika akan menghidupkan elemen pemanas, blower
atau kipas pembuangan mikokontroler memberikan logika tinggi (tegangan sebesar
±5V) ke kaki basis transistor BD139 yang menjadikan transistor bekerja karena
adanya beda tegangan antara basis dan emitor, yang berdasar datasheet, tegangan
70
maksimum VBE adalah sebesar 5 VDC. Arus mengalir menuju emitor dari kolektor
menjadikan relay berubah ke posisi NO (Normally Open), mengakibatkan elemen
pemanas, blower atau kipas pembuangan bekerja. Sebaliknya, ketika ketiga
komponen ini akan diberhentikan, mikokontroler memberikan logika rendah
(tegangan sebesar 0V) ke kaki basis transistor BD139, menjadikan tidak adanya beda
tegangan antara basis dan emitor sehingga transistor tidak bekerja dan relay pun
kembali ke posisi NC (Normally Close).
Berdasar datasheet, penguatan arus atau hfe transistor BD139 minimalnya
sebesar 40, sehingga untuk dapat memenuhi penguatan sebesar 40, dapat dengan
mengatur nilai dari R1dan R3. Berikut perhitungan harga R :
Irelay = Vcc/ Rrelay
= 12 / 100
= 0.12 A = 120 mA
Irelay = 120 mA
Ib = Irelay / hfe
= 120 / 40
= 3 mA
Rb = Vcc – Vbe / Ib
= 12 V– 0.7 V/ 3 mA
= 11.3 V / 3 mA
= 3.7 KΩ
Harga resistornya sekitar 3.7 KΩ
71
3.2.1.3. Rangkaian Keypad
Gambar 3.5. Rangkaian keypad
Arus keluaran mikrokontroller berkisar ± 20mA. Maka dibutuhkan tombol
yang tidak membebani, sehingga pada rangkaian keypad ini menggunakan tombol
push button. Ketika tombol ditekan, maka key akan terhubung ke ground. Rangkaian
keypad terhubung pada mikrokontroller di PORTD.4 – PORTD.7. Fungsi dan
koneksi pin keypad dapat dilihat pada Tabel 3.2.
Tabel 3.2. Fungsi dan koneksi keypad
No Nama Pin Fungsi Koneksi
1 Sw_down Tombol DOWN PORTD.7
2 Sw_up Tombol UP PORTD.6
3 Sw_ok Tombol OK PORTD.5
4 Sw_cancel Tombol CANCEL PORTD.4
5 Sw_reset Tombol RESET Pin Reset
6 Sw_stop Tombol STOP PORTD.3
72
Keypad digunakan untuk setting timer, akses menu, dan konfirmasi.
Rancangan ini aktiv low, jika ditekan terhubung ke ground, sehingga tegangan
keluarannya 0V.
3.2.1.4. Rangkaian Penampil LCD 16x2
Lcd 16x2 pada perancangan alat ini dimanfaatkan sebagai penampil
menu, settingan timer dan penampil suhu. Tabel xxx adalah konfigurasi koneksi
antara modul LCD dengan mikrokontroller.
Tabel 3.3. Koneksi pin LCD ke mikrokontroller
No Pin LCD Keterangan Mikrokontroller
1 1 GND GND
2 2 +5V VCC
3 4 RS PORTA.0
4 5 RW GND
5 6 EN PORTA.2
6 11 D4 PORTA.4
7 12 D5 PORTA.5
8 13 D6 PORTA.6
9 14 D7 PORTA.7
Lcd 16x2 dihubungkan ke 6-bit port mikrokontroler, khusus untuk PORT.A
dikosongkan.
73
Gambar 3.6. Rangkaian control penampil LCD 16x2
Pin 3 LCD 16x2 adalah input setting kontras. Untuk mendapatkan kontras
karakter yang sesuai dengan mengatur tegangan di pin ini. Maka dari itu dibutuhkan
rangkaian pembagi tegangan (voltage devider) dengan variabel resistor untuk
pengaturan tegangan yang sesuai.
Gambar 3.7. Rangkaian voltage divider
Nilai variabel resistor bisa memakai 1kΩ, 2kΩ, 3kΩ, 5kΩ, dan seterusnya.
Semakin besar Rload (settingan resistans) maka Vload menjadi semakin kecil.
Begitupun sebaliknya, jika Rload semakin kecil maka Vload akan mendekati nilai
Vcc. Pengaruhnya pada LCD 16x2, jika Vload semakin mendekati 0V kontras
menjadi semakin tinggi. Namun bila Vload semakin mendekati Vcc, kontras semakin
74
rendah. Misalkan kita menginginkan Vload sebesar 2,5V, Rload bisa didapatkan
sebagai berikut.
Rload =𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 𝑥 𝑅𝑣𝑎𝑟
𝑉𝑐𝑐
Keterangan :
Rload = Resistans setting variabel resistor (Ω)
Rvar = Nilai variabel resistor (Ω)
Vload = tegangan output(V)
Vcc = Tegangan supply(V)
Untuk mendapatkan Vload = 2,5V, dengan Vcc = 5V, dan Rvar = 100kΩ. Maka
Rload disetting sebesar .
Rload =2,5𝑉 𝑥 100𝑘Ω
5𝑉
Rload = 50kΩ
Rload disetting sebesar 50kΩ atau 50% dari nilai Rvar.
Pada pengujian fungsional, mikrokontroler akan diisi dengan program untuk
menampilkan karakter “DIPLOMA T. ELEKTRO – UGM” pada LCD untuk
mengetahui apakah LCD sudah dapat bekerja ataukah belum.
3.2.1.5. Catu Daya
Catu daya merupakan bagian yang sangat penting dalam suatu peralatan
elektronis agar alat tersebut dapat bekerja sesuai dengan rancangannya. Catu daya
yang telah disedikan diharapkan mampu untuk memenuhi seluruh kebutuhan
rangkaian. Pada alat ini, catu daya sebagai pensuplai tegangan pada mikrokontroler
75
ATmega 8535, rangkaian diver, sensor SHT11, LCD 16x2 dan kipas pembuangan.
Adapun jumlah kebutuhan daya pada masing-masing rangkaian adalah sebagai
berikut :
a. Mikrokontroler ATmega 8535
Berdasarkan datasheet, mikrokontroller atmega 8535 bekerja pada
tegangan 4.5 volt sampai 5.5 volt. Arus yang dibutuhkan mikrokontroller saat
aktiv pada frekuensi 1–16 MHz adalah 20 mA
b. LCD 16 x 2
Berdasarkan datasheet LCD, jumlah arus maximal yang dibutuhkan
adalah 2mA pada tegangan supply 5volt.
c. Sensor SHT11
Berdasarkan datasheet, tegangan yang dibutuhkan sensor SHT1x minimal
2,4V dan maksimal 5,5V, daya yang digunakan ketika sleep maksimal sebesar
5µW dan pada saat pengukuran sebesar 3mW. Sehingga jumlah arus maksimal
yang dibutuhkan adalah ± 0.6mA.
d. Rangkaian driver
Rangkaian ini menggunakan relay yang berdasarkan datasheet mampu
mengalirkan arus maksimal 1A dengan tegangan 12VDC. Akan tetapi, jenis
relay yang digunakan ini sudah mampu bekerja dengan arus 120 mA.
Dari data diatas, selanjutnya dibuat spesifikasi kebutuhan catu daya
system sebagai berikut :
76
Tegangan : 12VDC
Arus : 352 mA
Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, maka dibuat catu daya dengan
perhitungan sebagai berikut :
Catu daya dibuat dua bagian, dengan besarnya sama-sama 12VDC.
Untuk membuat catu daya +12V yang baik dan stabil, maka dipilih rangkaian
penyearah gelombang penuh menggunakan diode bridge dan filter C serta LM7812
sebagai regulator tegangan. Karena arus maksimum IC LM7812 berdasar datasheet
sebesar 1A berbeda dengan yang berada dipasaran, maka catu daya dibagi menjadi 2
bagian, untuk mencatu rangkaian mikrokontroler dan LCD serta indicator dan catu
yang digunakan untuk mencatu rangkaian driver.
a. Catu daya (1)
Catu daya ini digunakan untuk mensuplai rangkaian sistem minimum. Pada
rangkaian ini diinginkan catu daya yang memiliki tegangan ripple sebesar 0.35 volt
sehingga dipilihlah kapasitor dengan menggunakan persamaan 2.10. frekuensi
keluaran gelombang penuh adalah 2xfin sehingga dengan menggunakan trafo yang
disuplai listrik PLN 50Hz, maka :
F = 2 x 50Hz = 100Hz
T = 1 / F ; T = 0.01
Maka,
C = I T / Vr
C = 122mA . 0.01 / 0,35
77
C = 3485.7 uF
Kapasitor dengan nilai kapasitansi yang mendekati 3485.7 uF adalah 3300 uF,
sehingga pada rangkaian menggunakan kapasitor dengan kapasitansi 3300 uF.
Untuk mendapatkan tegangan keluaran yang stabil, maka digunakan regulator
LM7812T sebagaimana ditampilkan pada Gambar 3.8 berikut :
Gambar 3.8. Rangkaian catu daya (1)
b. Catu daya (2)
Catu daya ini digunakan untuk mensuplai rangkaian driver transistor BD139
dengan arus beban 240 mA. Pada rangkaian ini diinginkan catu daya yang memiliki
tegangan ripple sebesar 0.5 volt sehingga dipilihlah kapasitor dengan menggunakan
persamaan 2.10. frekuensi keluaran gelombang penuh adalah 2xfin sehingga dengan
menggunakan trafo yang disuplai listrik PLN 50Hz, maka :
F = 2 x 50Hz = 100Hz
T = 1 / F ; T = 0.01
Maka,
C = I T / Vr
78
C = 240mA . 0.01 / 0,5
C = 4800 uF
Kapasitor dengan nilai kapasitansi yang mendekati 4800 uF adalah 4700 uF, sehingga
pada rangkaian menggunakan kapasitor dengan kapasitansi 4700 uF.
Gambar 3.9. Rangkaian catu daya (2)
Pada kedua catu daya tersebut diatas, digunakan transformator 15V
dengan menggunakan penyearah jembatan (bridge). Sehingga dalam perancangan
memiliki gambaran sebagai berikut :
Dioda yang digunakan adalah silikon dengan VT = 0.7V
VDC yang dihasilkan = 0.636 (Vm - 2VT)
= 0.636 (30 – 1.4)
= 0.636 x 28.6
= 18.18 V
3.2.2. Perancangan Mekanik
Pada bagian ini akan dibahas mengenai perancangan bentuk prototipe alat
pengering gabah.
79
Gambar 3.10. Desain rancangan bak pengering
Gambar diatas merupakan desain prototipe bak pengering yang akan dibuat
menggunakan bahan kayu. Bak terdiri dari tiga bagian, yakni dapur, ruangan penyalur
udara panas dan ruang padi ditempatkan.
Gambar 3.11. Desain rancangan bak pengering(2)
Bagian dapur merupakan bagian yang menghasilkan sumber panas yang
dihasilkan oleh elemen pemanas dari kawat nikelin dan sebuah kipas blower. Panas
yang dihasilkan oleh elemen pemanas dihembuskan menuju ruangan saluran udara
oleh kipas blower. Selanjutnya panas itu akan menuju ruangan dimana gabah
ditempatkan. Dengan udara panas yang dialirkan inilah gabah dikeringkan. Panas
80
mengakibatkan penguapan yang terjadi pada biji gabah, kadar air yang diuapkan ini
dialirkan ke udara bebas.
Gambar 3.12. Bak pengering (1)
Gambar 3.13. Bak pengering (2)
Bak memiliki tinggi 30 cm, lebar 30 cm dan panjang 40 cm. Dapur memiliki
dimensi tinggi 15 cm, lebar 20 cm dan panjang 20 cm. Ruangan saluran udara dan
ruangan gabah yang terdapat pada bak pengering masing - masing memiliki dimensi
tinggi 15 cm, lebar 30 cm dan panjang 40 cm. Sebagai lantai gabah ditempatkan
81
menggunakan alumunium dan kawat kasa. Dengan perancangan yang demikian,
diharapkan bak dapat menampung gabah dengan kapasitas hingga 5 Kg.
3.3. Perancangan Perangkat Lunak
Pada bagian ini akan dibahas mengenai perancangan perangkat lunak yang
digunakan pada alat pengering gabah. Pada pemrograman mikrokontroler
Atmega8535 menggunakan bahasa pemrograman basic compiler. File yang
dihasilkan dari program basic ini berekstensi *.bas, kemudian di compile
menghasilkan file berekstensi *.hex. File hexadecimal inilah yang di download ke
mikrokontroler.
3.3.1. Diagram alir (Flowchart)
Flowchart sangat berperan penting dalam merancang dan membuat sebuah
program. Flowchart digunakan sebagai dasar acuan dalam membuat program.
Struktur program akan lebih mudah dibuat disamping juga jika nantinya terdapat
kesalahan akan lebih mudah untuk mendeteksi letak kesalahannya sekaligus juga
untuk lebih memudahkan dalam menambahkan instruksi-instruksi baru pada
program jika nantinya terjadi pengembangan pada struktur program.
Dibawah ini merupakan gambaran mengenai flowchart perancangan
perangkat lunak yang digunakan.
82
Gambar 3.14. Flowchart program
83
(a) (b)
Gambar 3.15. (a). Flowchart akses SHT11untuk suhu
(b). Flowchart akses SHT11untuk kelembaban