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.