BAB II LANDASAN TEORI Pada bab ini akan dijelaskan beberapa teori pendukung yang digunakan sebagai acuan dalam Perancangan Sistem Penguji Kualitas Susu Sapi Murni Berdasarkan Nilai pH dan Kadar Air. Teori yang digunakan dalam perancangan skripsi ini antara lain metode Gravimetri yaitu metode yang digunakan untuk mengetahui kadar air dari suatu bahan, Derajat Keasaman/ pH, Sensor pH, Arduino Mega 2560, sensor berat load cell, sensor suhu thermocouple, infrared ceramic heater, relay, real time clock, motor DC, driver motor EMS-5A dan liquid crystal display (LCD).
2.1. Metode Gravimetri (Pengeringan Dengan Proses Pemanasan) Metode Gravimetri adalah salah satu metode yang digunakan untuk mengetahui kadar air dari suatu bahan ( kering, padat, cair ). Metode ini dilakukan dengan cara mengeluarkan air dari bahan dengan proses pengeringan dalam oven (oven udara atau oven vakum, hal ini berdasarkan tekanan yang digunakan saat pengeringan) [1]. Pada usulan skripsi ini menggunakan metode oven udara untuk mengetahui kadar air yang terdapat pada cairan susu sapi murni. Metode ini didasarkan pada berat yang hilang sehingga sampel seharusnya mempunyai kestabilan panas yang tinggi dan tidak mengandung komponen yang mudah menguap. Air dikeluarkan dari bahan pada tekanan udara (760 mmHg) sehingga air menguap pada suhu 100 0
C yaitu sesuai titik didihnya [1]. Oven yang digunakan umumnya dipanaskan
dengan pemanas listrik atau dengan pemanas inframerah. Pertama β tama metode ini melakukan penimbangan berat bahan yang akan dipadatkan, di mana pada skripsi ini bahan yang digunakan adalah cairan susu. Setelah memenuhi berat yang diinginkan, kemudian bahan itu dipadatkan selama 35 menit menggunakan pemanas inframerah dengan suhu stabil pada 60 0C. Kemudian, bahan ditimbang kembali.
4
Dengan menggunakan perhitungan di bawah ini maka dapat diketahui kadar air dari suatu bahan :
Kadar air =
πβ(π1 β π2 ) π
π₯ 100 %
(2.1)
Di mana, π = berat contoh sebelum dikeringkan (gram) π1 = berat cawan dan berat contoh sesudah dikeringkan (gram) π2 = berat cawan kosong (gram) 2.2. Derajat Keasaman / pH Derajat keasaman suatu cairan dinyatakan dengan pH dan mempunyai nilai pH mulai dari 1 β 14. Cairan yang mempunyai pH 7 adalah pH netral, air memiliki sifat netral karena memiliki nilai pH 7. Cairan yang memiliki pH lebih besar dari 7 memiliki sifat basa, cairan yang memiliki sifat basa misalnya air yang mengandung garam Ca atau Mg karbonat. Sedangkan cairan yang memiliki pH lebih kecil dari 7 memiliki sifat asam, dan cairan yang memiliki sifat asam biasanya memiliki kandungan besi (Fe) tinggi sehingga mudah melarutkan Fe. Pengukuran nilai pH air di lapangan dilakukan dengan menggunakan pH meter, atau kertas lakmus [2].
2.3. Sensor pH
Gambar 2.1. PH Probe. Sensor pH digunakan untuk mengukur kadar pH (keasaman atau alkalinitas) dari sebuah cairan (meski probe khusus kadang digunakan untuk mengukur kadar pH zat setengah padat). Sensor ini berupa probe pengukur 5
khusus (elektroda kaca) untuk mengukur aktifitas ion-ion hidrogen yang mengelilingi bohlam kaca berdinding tipis pada ujungnya. Prinsip kerjanya adalah semakin banyak elektron pada sampel maka akan semakin bernilai asam begitu pun sebaliknya, karena batang pada pH meter berisi larutan elektrolit lemah. Dalam kondisi normal, keluaran pH probe berupa tegangan rendah sekitar +0,06 volt per unit pH di bawah 7 dan sekitar -0.06 volt per unit pH di atas 7. Namun, jika digunakan untuk mengukur larutan netral/ph = 7 tegangan keluarannya = 0 volt [3].
2.4. Arduino Mega 2560 Mikrokontroler adalah sebuah computer mini yang berfungsi sebagai pengontrol rangkaian elektronik dan umumnya terkandung sebuah inti prosesor, memori, dan perlengkapan input-output di dalamnya. Salah satu mikrokontroler yang sering digunakan di pasaran saat ini adalah Arduino. Arduino adalah perangkat elektronik open source yang di dalamnya terdapat komponen utama, yaitu sebuah IC mikrokontroler dengan jenis AVR dari perusahaan Atmel. Pada Arduino Mega digunakan IC mikrokontroler Atmega 2560. Arduino Mega memiliki 54 pin digital input/output, di mana 15 pin dapat digunakan sebagai output PWM, 16 pin sebagai input analog , dan 4 pin sebagai UART (port serial hardware), 16MHz kristal osilator, koneksi USB,
jack power, header
ICSP, dan tombol reset.
Gambar 2.2. Konfigurasin Pin Arduino Mega 2560 [4]. 6
Gambar 2.2 adalah konfigurasi pin dari mikrokontroler Arduino Mega 2560 dengan penjelasan fungsi-fungsinya sebagai berikut [4] : 1.
VCC adalah untuk masukan digital voltage supply.
2.
GND adalah pin ground.
3.
ADC Port (PF0 - PF7 , PK0 - PK7) digunakan untuk input ADC (Analog to Digital Converter). Terdapat total 16 pin ADC yang dapat digunakan.
4.
Digital Port (PA0-PA7, PB0-PB7, PC0-PC7, PD0-PD3, PE0, PE1, PE3PE5, PG0-PG2, PG5, PH0, PH1, PH3-PH6, PJ0-PJ1, PL0-PL7) Masingmasing dari 54 digital pin pada Arduino Mega dapat digunakan sebagai input atau output, menggunakan fungsi pinMode() , digitalWrite() , dan digitalRead(). Arduino Mega beroperasi pada tegangan 5 volt.
5.
Serial : 0 (RX) dan 1 (TX); Serial 1 : 19 (RX) dan 18 (TX); Serial 2 : 17 (RX) dan 16 (TX); Serial 3 : 15 (RX) dan 14 (TX). Digunakan untuk menerima (RX) dan mengirimkan (TX) data serial TTL. Pin 0 dan 1 juga terhubung ke pin chip ATmega16U2 Serial USB-to-TTL
6.
Eksternal Interupsi : Pin 2 (interrupt 0), pin 3 (interrupt 1), pin 18 (interrupt 5), pin 19 (interrupt 4), pin 20 (interrupt 3), dan pin 21 (interrupt 2). Pin ini dapat dikonfigurasi untuk memicu sebuah interupsi pada nilai yang rendah, meningkat atau menurun, atau perubah nilai.
7.
SPI : Pin 50 (MISO), pin 51 (MOSI), pin 52 (SCK), pin 53 (SS). Pin ini mendukung komunikasi SPI menggunakan perpustakaan SPI. Pin SPI juga terhubung dengan header ICSP, yang secara fisik kompatibel dengan Arduino Uno, Arduino Duemilanove dan Arduino Diecimila.
8.
LED : Pin 13. Tersedia secara built-in pada papan Arduino ATmega2560. LED terhubung ke pin digital 13. Ketika pin di-set bernilai HIGH, maka LED menyala (ON), dan ketika pin di-set bernilai LOW, maka LED padam (OFF).
9.
TWI : Pin 20 (SDA) dan pin 21 (SCL). Yang mendukung komunikasi TWI menggunakan perpustakaan Wire. Pin ini tidak di lokasi yang sama dengan pin TWI pada Arduino Duemilanove atau Arduino Diecimila.
10. RESET. Jalur LOW ini digunakan untuk me-reset (menghidupkan ulang) mikrokontroler. Jalur ini biasanya digunakan untuk menambahkan tombol reset pada shield yang menghalangi papan utama Arduino. 7
11. XTAL1 dan XTAL2 berfungsi sebagai pin external clock. 12. AVCC adalah pin tegangan supply untuk ADC. 13. AREF. Referensi tegangan untuk input analog. Digunakan dengan fungsi analogReference(). 2.5. Sensor Berat Load cell
Gambar 2.3. Sensor Berat Load cell. Sensor berat load cell adalah sebuah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran berat menjadi besaran listrik. Seperti yang terlihat pada Gambar 2.3. Load cell adalah sensor berat yang sering digunakan untuk mengukur berat atau beban dari suatu benda. Sensor berat load cell memiliki keakuratan tinggi dan kemudahan dalam perancangannya jika dibandingkan dengan sensor berat yang lain. Load cell ini juga mempunyai beberapa kelebihan struktur yang sederhana, memiliki sensitivitas tinggi dan mampu mengukur perubahan dengan cepat [5]. Pada perancangan skripsi ini digunakan sensor berat load cell 1kg yang memiliki spesifikasi sebagai berikut : Beban maksimum
: 1000 gram (1 Kg)
Rentang tegangan keluaran
: 0,1 mV ~ 1,0 mV / V
Impedansi masukan (input impedance) : 1055 Ξ© Β±15% Impedansi keluaran (output impedance) : 1000 Ξ© Β±5% Tegangan masukan maksimum
: 5 Volt DC
Rentang suhu operasional
: -20 ~ +65Β°C
Material
: Aluminium Alloy 8
2.6. Sensor Suhu Thermocouple
Gambar 2.4. Sensor Suhu Thermocouple. Untuk
mendeteksi
besaran
suhu
digunakan
sebuah
sensor
suhu
thermocouple seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4. Thermocouple merupakan sensor suhu yang banyak digunakan untuk mengubah perbedaan suhu menjadi perubahan tegangan listrik ( voltase ). Thermocouple dapat mengukur suhu dalam jangkauan suhu yang cukup besar dengan batas kesalahan pengukuran kuang dari 1 oC. .
Thermocouple mempunyai respon yang cepat terhadap
perubahan suhu dan juga rentang suhu operasional yang luas yaitu berkisar diantara -200Β° C hingga 1200Β° C. Thermocouple juga tahan terhadap goncangan atau getaran dan mudah digunakan [6]. Thermocouple terdiri dari dua kawat logam konduktor yang berbeda jenis dan digabungkan ujungnya. Satu jenis logam konduktor yang terdapat pada thermocouple akan berfungsi sebagai referensi dengan suhu konstan (tetap) sedangkan logam lainnya sebagai logam konduktor yang mendeteksi suhu panas. Pada Gambar 2.5. dijelaskan kontruksi dari thermocouple [6].
Gambar 2.5. Kontruksi Thermocouple.
9
Dari Gambar 2.5., ketika kedua persimpangan memiliki suhu yang sama, maka tidak ada beda potensial atau tegangan listrik yang melalui dua persimpangan tersebut atau V1 = V2. Akan tetapi, ketika persimpangan yang terhubung dalam rangkaian diberikan suhu panas atau dihubungkan ke obyek pengukuran, maka akan terjadi perbedaan suhu di antara dua persimpangan tersebut yang kemudian menghasilkan tegangan listrik yang nilainya sebanding dengan suhu panas yang diterimanya atau V1 β V2. Tegangan Listrik yang ditimbulkan ini pada umumnya sekitar 1 Β΅V ~ 70Β΅V pada tiap derajat celcius [6].
2.7. Infrared Ceramic Heater
Gambar 2.6. Infrared Ceramic Heater. Infrared ceramic heater adalah sebuah pemanas yang pembuatannya terbentuk dengan cara gulungan nikelin yang dicor bersama β sama dengan bahan keramik. Pada pemanas tipe ini digunakan sebagai sumber panas radiasi. Nikelin merupakan material yang memiliki resistansi yang tinggi terhadap listrik, jika dialiri arus listrik maka nikelin akan mengubah arus listrik menjadi panas. Material beresistansi tinggi tersebut kemudian dilapisi oleh isolator listrik (keramik). Disebut infrared ceramic heater karena pancaran panas yang dihasilkan merupakan radiasi cahaya inframerah. Radiasi terjadi dengan panjang gelombang antara 780 nm sampai 1 mm tergantung dari panas yang dihasilkan. Pemanas inframerah mampu menghasilkan panas kapasitas produksi penuh dalam 40 sampai 50 detik dan dingin dalam waktu kurang dari 15 detik [7].
10
Keramik memiliki sifat termal bahan yaitu kapasitas panas dan konduktivitas termal. Kapasitas panas adalah kemampuan bahan untuk mengabsorbsi panas dari lingkungan, selain itu keramik juga memiliki konduktivitas termal yang rendah, artinya kemampuan keramik untuk menghantarkan panas rendah. Sebagian besar keramik memiliki titik leleh yang tinggi, artinya walaupun pada suhu yang tinggi material ini dapat bertahan dari perubahan bentuk dan ukuran selain itu keramik juga dapat bertahan dibawah tekanan tinggi. Akan tetapi perubahan suhu yang besar dan tiba β tiba dapat melemahkan keramik, kontraksi dan ekspansi pada perubahan suhu tersebutlah yang membuat keramik pecah. Selain itu keramik juga memiliki sifat elektrik, sifat listrik keramik sangat bervariasi dan keramik dikenal baik sebagai bahan isolator karena konduktivitas elektriknya rendah. Konduktivitas termal yang rendah setara dengan kemampuan insulasi termal yang tinggi, insulasi termal ( isolasi panas ) adalah metode atau proses yang digunakan untuk mengurangi laju perpindahan panas. Panas atau energi panas dapat dipindahkan dengan cara konduksi, konveksi, dan radiasi atau ketika terjadi perubahan wujud. Bahan yang digunakan untuk mengurangi laju perpindahan panas itu disebut isolator atau insulator. Panas dapat lolos meskipun ada upaya untuk menutupinya, tetapi isolator mengurangi panas yang lolos tersebut.
2.8. Real Time Clock
Gambar 2.7. Real Time Clock DS1307. RTC (Real time clock) adalah sebuah jam elektronik berupa chip yang dapat menghitung waktu, mulai dari detik, menit, jam, tanggal, bulan dan tahun 11
dengan akurat. RTC juga dapat menjaga / menyimpan data waktu tersebut secara real time. Real time clock yang digunakan adalah tipe DS1307 yang memiliki akurasi hingga tahun 2100 [8]. Chip RTC sering dijumpai pada motherboard PC (biasanya terletak dekat chip BIOS). Semua komputer menggunakan RTC karena berfungsi untuk menyimpan informasi jam terkini dari komputer yang bersangkutan. RTC dilengkapi dengan baterai sebagai pensuplai daya pada chip, sehingga jam akan tetap up-to-date walaupun komputer dimatikan. RTC dinilai cukup akurat sebagai penghitung waktu (timer) karena menggunakan osilator kristal [8].
2.9. Relay Relay merupakan komponen elektronika yang memiliki fungsi dasar menyerupai kinerja dari saklar. Namun terdapat perbedaan antara relay dengan saklar. Perbedaan di antara keduanya terletak pada pergerakan contactor (on atau off). Contactor pada saklar digerakan secara manual tanpa perlu arus listrik. Sedangkan contactor pada relay digerakan secara otomatis oleh arus listrik ketika relay tersebut dialiri arus listrik. Contactor pada relay dapat bergerak (on atau off) dengan cara memanfaatkan efek induksi magnet yang dihasilkan oleh kumparan dalam (induktor) relay tersebut. Jadi pengertian dari relay adalah suatu komponen elektronika yang bekerja berdasarkan elektromagnetik untuk menggerakan contactor atau saklar elektromekanis dengan memanfaatkan energi listrik sebagai sumbernya. Dalam dunia elektronika, relay mempunyai peranan yang sangat penting untuk mengendalikan rangkaian yang membutuhkan arus besar tanpa terhubung secara langsung dengan rangkaian pengendali yang mempunyai arus kecil. Sehingga relay dapat berfungsi sebagai pengaman bagi rangkaian arus kecil terhadap rangkaian arus besar ketika rangkaian arus besar mengalami konsleting. Fungsi lain dari relay adalah sebagai remote control yang dapat mengendalikan alat dari jarak jauh, sebagai penguat daya untuk menguatkan arus ataupun tegangan (misalkan pada starting relay mesin mobil) dan sebagai pengatur logika kontrol suatu sistem [9].
12
Gambar 2.8. Bentuk Relay Pada umumnya relay terdiri dari 2 bagian utama, diantaranya : 1. Coil : Gulungan kawat yang mendapat arus listrik. 2. Contact : Saklar yang pergerakannya bergantung pada ada atau tidaknya arus listrik yang mengalir di coil. Terdapat 2 jenis pergerakan contact pada relay, yaitu Normally Open dan Normally Close. Normally Open adalah kondisi ketika saklar dalam keadaan off. Normally Close adalah kondisi ketika saklar dalam keadaan on. Berikut adalah bagian-bagian yang tersusun pada relay :
Gambar 2.9. Bagian-bagian Dan Simbol Pada Relay. Mengacu pada Gambar 2.9., secara sederhana prinsip kerja pada relay adalah ketika coil mendapat energi listrik maka akan timbul gaya elektromagnetik yang akan menarik armature sehingga contact dalam kondisi Normally Close. Namun ketika coil tidak mendapat energi listrik maka tidak ada gaya elektromaknetik yang terjadi, sehingga armature akan memosisikan contact dalam kondisi Normally Open. 13
2.10. Motor DC Motor DC merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik, motor DC memerlukan supply tegangan searah ( DC ) pada kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Bagian utama motor DC adalah stator dan rotor di mana kumparan medan pada motor DC disebut stator ( bagian tidak berputar ) dan kumparan disebut rotor ( bagian yang berputar ). Bentuk motor paling sederhana memiliki kumparan satu lilitan yang bisa berputar bebas di antara kutub βkutub magnet permanen. Catu tegangan DC dari baterai menuju lilitan melalui sikat yang menyentuh komutator, dua segmen yang terhubung dengan dua ujung liitan, kumparan satu lilitan pada Gambar 2.10. disebut angker dinamo. Angker dinamo adalah sebutan untuk komponen yang berputar di antara medan magnet.
Gambar 2.10. Motor DC Sederhana.
Prinsip Dasar Cara Kerja Motor DC adalah jika arus lewat pada suatu konduktor, timbul medan magnet di sekitar konduktor. Arah medan magnet ditentukan oleh aliran arus pada konduktor [10]. Pada skripsi ini, motor DC yang digunakan adalah Motor DC Power Window 12V yang berfungsi untuk menggerakkan naik turunnya beaker glass pada proses pengujian kadar pH dan digunakan untuk penggerak konveyor pada pengujian kadar air.
14
Gambar 2.11. Motor DC Power Window 12V.
2.11. Driver Motor EMS 5A
Gambar 2.12. Driver Motor EMS 5A H-Bridge. Driver motor EMS 5A adalah sebuah driver motor yang digunakan untuk mengendalikan Motor DC 12V. Driver motor EMS 5A H-Bridge memiliki batasan tegangan keluaran untuk beban 5-40 VDC, mampu melewatkan arus kontinyu mencapai 5A dengan frekuensi PWM 10kHz. Driver ini memiliki rangkaian sensor arus beban yang dapat digunakan baik sebagai monitoring arus, maupun sebagai umpan balik untuk pengendalian kecepatan. Pada driver ini catu daya masukan (VCC) terpisah dari catu daya untuk beban (V Motor) . Driver motor ini akan mengendalikan arah dan juga kecepatan putaran motor [11].
15
Gambar 2.13. Tata Letak Komponen EMS 5A H-Bridge. Modul H-Bridge memiliki satu set terminal konektor power & motor header (J1) dan satu set interface header (J2). Terminal konektor power & motor header (J1) digunakan untuk catu daya dan beban. Sedangakan interface header (J2) berfungsi sebagai komunikasi data digital dari modul H-Bridge ke mikrokontroler. Berikut ini adalah deskripsi dari masing-masing pin padakonektor power & motor header (J1) daninterface header (J2) [11].
Tabel 2.1. Deskripsi Dan Fungsi Pin Konektor Power & Motor Header (J1) [11]. No. Pin
Nama
I/O
1
MIN1
I
2
MIN2
I
Fungsi Pin masukan untuk menentukan keluaran MOUT 1 Pin masukan untuk menentukan keluaran MOUT 2 Keluaran digital yang melaporkan adanya kondisi fault
3
MSAT1
O
pada modul. Berlogika Low jika ada fault pada modul atau keluaran
4
MEN
I
5
MCS
O
6
MSLP
I
Pin enable untuk keluaran H-Bridge (MOUT 1 dan MOUT 2) Keluaran tegangan analog yang berbanding lurus dengan arus beban (Range keluaran 0 β 2,5 Volt) Pin masukan untuk mengatur kerja modul H-Bridge.
16
Diberi logika High untuk Full Operation, diberi logika Low untuk Mode Sleep 7,9
VCC
-
Terhubung ke catu daya untuk masukan (5 Volt)
8, 10
PGND
-
Titik referensi untuk catu daya masukan
Tabel 2.2. Deskripsi Dan Fungsi Pin Interface Header (J2). Nama PGND
Fungsi Titik referensi untuk catu daya masukan
VCC
Terhubung ke catu daya untuk masukan (5 Volt)
MGND
Titik referensi untuk catu daya keluaran ke beban
V MOTOR (V MOT)
Terhubung ke catu daya untuk keluaran ke beban
MOUT 2
Keluaran ke beban dari half H-Bridge kedua
MOUT 1
Keluaran ke beban dari half H-Bridge pertama
Berikut ini adalah contoh koneksi dan juga tabel kebenaran EMS 5A H-Bridge.
Gambar 2.14. Contoh Koneksi EMS 5A H-Bridge Dengan Beban Motor DC .
17
Tabel 2.3. Tabel Kebenaran EMS 5A H-Bridge [11]. Masukan
Status Kerja Modul H-Briddge
MSLP
Status
MEN MIN1 MIN2
Keluaran
MSTAT1
MOUT1
MOUT2
Forward
H
H
H
L
H
V MOT
MGND
Reverse
H
H
L
H
H
MGND
V MO
Freewheeling Low
H
H
L
L
H
MGND
MGND
Freewheeling High
H
H
H
H
H
V MOT
V MO
Free Running Stop
H
L
X
X
L
Z
Z
MIN1 tidak terhubung
H
H
Z
X
H
V MOT
X
MIN2 tidak terhubung
H
H
X
Z
H
X
V MOT
MEN tidak terhubung
H
Z
X
X
L
Z
Z
Undervoltage
H
X
X
X
L
Z
Z
Overtemperature
H
X
X
X
L
Z
Z
Shor circuit
H
X
X
X
L
Z
Z
Mode sleep
L
X
X
X
H
Z
Z
Keterangan : - H : Logika High (β1β).
- X : Donβt care.
- L : Logika Low (β0β).
- Z : High Impedance (Tri State).
2.12. Liquid Crystal Display (LCD)
Gambar 2.15. LCD 16 X 2 LCD ( Liquid Crystal Display) berfungsi sebagai penampil data baik dalam bentuk karakter, huruf, angka, ataupun grafik. LCD adalah salah satu jenis display 18
elektronik yang dibuat dengan teknologi CMOS logic yang bekerja dengan tidak menghasilkan cahaya tetapi memantulkan cahaya yang ada di sekelilingnya terhadap front-lit atau mentransmisikan cahaya dari back-lit [12]. Dalam pembuatan skripsi ini digunakan LCD kararakter 16 X 2 sebagai antarmuka sistem dengan pengguna. LCD ini memiliki 2 baris karakter dan setiap barisnya terdiri dari 16 karakter. Konfigurasi pin LCD 16 X 2 ditunjukkan pada Tabel 2.4. Tabel 2.4. Konfigurasi Pin LCD 16 X 2 [12]. No. Pin
Nama Pin
Keterangan
1
Vss
Ground
2
Vdd
Catu daya LCD 5V.
3
VO
Kontras
4
RS
Register Select
5
R/W
Read/Write
6
E
Enable
7
DB0
Data bit 0
8
DB1
Data bit 1
9
DB2
Data bit 2
10
DB3
Data bit 3
11
DB4
Data bit 4
12
DB5
Data bit 5
13
DB6
Data bit 6
14
DB7
Data bit 7
15
LED +
Catu daya positif LED
16
LED -
Catu daya negatif LED
19
