BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT
Bab ini akan membahas mengenai perancangan dan realisasi perangkat keras serta perangkat lunak dari setiap modul yang mendukung keseluruhan alat yang dibuat. Gambar 3.1 menunjukkan blok diagram alat secara keseluruhan.
Gambar 3.1 Blok Diagram infrared reflowsoldering. Perancangan infrared reflowsoldering terbagi menjadi dua bagian, yaitu perancangan perangkat keras dan perangkat lunak infrared reflowsoldering. 3.1
Cara Kerja Infrared Reflowsoldering Infrared reflowsoldering terdiri dari sebuah mikrokontroler yang
mengolah dua buah masukan, yaitu keypad dan sensor termokopel. Kedua masukan tersebut digunakan oleh mikrokontroler untuk mengendalikan dua buah keluaran, yaitu Solid State Relay (SSR) yang berfungsi sebagai komponen pensaklaran oven reflowsoldering dan LCD grafik sebagai modul penampil grafik perubahan suhu terhadap waktu.
32
33
Cara kerja dari infrared reflowsoldering ini akan dijelaskan pada langkahlangkah kerja alat sebagai berikut : 1. Infrared reflowsoldering terdiri dua mode, yaitu mode default dan manual. 2. Untuk memilih mode yang diinginkan, pengguna harus melakukan penekanan tombol keypad , yaitu tombol ‘1’ untuk mode default, dan tombol ‘2’ untuk mode manual. 3. Pada mode default, setelah pengguna melakukan penekanan tombol keypad, mikrokontroler akan mengirimkan sinyal PWM ke SSR berdasarkan nilai suhu yang diterima dari modul sensor termokopel untuk disesuaikan dengan grafik perubahan suhu terhadap waktu mode default yang telah diinputkan pada mikrokontroler. Sinyal PWM yang diterima SSR digunakan untuk mengatur posisi on/off dari oven. Mikrokontroler akan menampilkan grafik perubahan suhu terhadap waktu selama proses penyolderan berlangsung. 4. Pada mode manual, pengguna terlebih dahulu memasukkan nilai-nilai parameter suhu dan waktu dari masing-masing proses reflowsoldering menggunakan keypad yang tersedia pada modul pengendali utama. Nilainilai tersebut merupakan masukan bagi mikrokontroler didalam melakukan proses reflowsoldering. 3.2
Perangkat Keras Infrared Reflowsoldering Perangkat keras yang dirancang dan direalisasikan pada alat ini terdiri dari
mikrokontroler sebagai pengendali utama, modul sensor termokopel, modul LCD grafik sebagai penampil, serta modul pemanas.
34
3.2.1
Mikrokontroler Alat yang dirancang menggunakan mikrokontroler keluarga AVR jenis
ATmega32 sebagai pengendali utama. Mikrokontroler ini berfungsi sebagai pengendali penerimaan dan pengolahan data dari sensor termokopel, pengendali modul pemanas, dan menampilkan grafik perubahan suhu terhadap waktu pada modul penampil. Gambar 3.2 menunjukkan untai modul mikrokontroler, sedangkan untuk Alokasi port-port mikrokontroler ditunjukkan pada Tabel 3.1. Tabel 3.1 Alokasi pin mikrokontroler Port pengendali
Fungsi
mikrokontroler Port A0 dan A1
Sebagai ADC untuk membaca output sensor
Port A2-A5
Sebagai masukan untuk keypad 4x4
Port A6
Backlight LCD grafik
Port A7
Reset LCD grafik
Port B0-B2 dan B4
Sebagai masukan untuk keypad 4x4
Port B3
Terhubung dengan SSR
Port C0-C7
Terhubung pada LCD grafik
Port D2-D5 dan D7
Terhubung pada LCD grafik
35
Gambar 3.2 Untai Modul Mikrokontroler. 3.2.2
Modul Sensor Termokopel Untuk kepentingan pemantauan suhu oven reflow, dibutuhkan sensor suhu
presisi yang dapat bekerja pada suhu yang cukup tinggi. Termokopel digunakan sebagai sensor suhu karena mampu bekerja pada suhu yang cukup ekstrim (berkisar antara -400°C sampai 1300°C), harga yang terjangkau, dan tidak membutuhkan sumber daya dalam pengoperasiannya. Sinyal keluaran dari termokopel umumnya sangat kecil serta memiliki noise yang cukup besar. Contohnya, perbandingan nilai tegangan keluaran terhadap perubahan suhu untuk termokopel tipe K adalah sebesar 0,4 mV/°C.
36
Agar sinyal dapat memenuhi syarat untuk diolah pada proses selanjutnya, misalnya sebagai masukan pada Analog to Digital Converter (ADC) diperlukan rangkaian yang mampu mengatur range tegangan dan menghasilkan sinyal linier serta bebas noise.
Gambar 3.3 Termokopel yang dipakai sebagai sensor suhu [8] Pada perancangan digunakan penguat instrumentasi untuk menguatkan tegangan keluaran termokopel, karena mampu menerima sinyal masukan dengan impedansi yang rendah, memiliki penguatan yang stabil, merupakan penguat loop tertutup dengan masukan diferensial, serta penguatannya dapat diatur tanpa mempengaruhi nisbah penolakan modus bersama (Common Mode Rejection Ratio). Dengan keunggulan-keunggulan yang dimiliki, penguat instrumentasi dapat digunakan sebagai rangkaian pengkondisi sinyal untuk sinyal rendah dan mengandung noise. IC INA114AP programmable gain-single resistor instrumentation amplifier, digunakan untuk menguatkan tegangan keluaran dari sensor suhu termokopel karena memiliki fitur sebagai berikut:
37
1. Low offset voltage: maksimum 50µV 2. Low drift: maksimum 0,25µV/°C 3. Low input bias current: maksimum 2nA 4. High Common-Mode Rejection 5. Input over-voltage protection: ±40V 6. Memiliki range penguatan yang lebar yaitu 1-10.000. Besar penguatan dari IC INA114AP ditentukan oleh nilai hambatan Rg. Adapun rumus dari penguatan IC INA114AP adalah sebagai berikut:
G = 1+
50k Ω Rg
(3.1)
dimana:
G
= Nilai penguatan (1-1000)
Rg
= Gain resistor (ohm)
Dalam menentukan besar penguatan dari untai penguat instrumentasi, ada dua hal yang perlu diperhatikan, yaitu: 1. Nilai tegangan keluaran termokopel pada temperatur minimum dan maksimum dari oven yang akan dirancang, sehingga dapat disesuaikan dengan range tegangan referensi dari ADC yang digunakan (pada perancangan dipakai ADC internal ATmega32 dengan tegangan referensi dari 0-5 Volt). 2. Besar penguatan disesuaikan dengan nilai resistor yang tersedia di pasaran.
38
VCC
C2 U1 1 8
R Gain 120
2 3
Thermocouple(-) Thermocouple(+)
4 C1
RG RG
+V
7
100nF ATMega32
ININ+
OUT
-V
REF
6 5
1 2 Header 2
INA114AP 100nF VEE
Gambar 3.4 Untai penguat termokopel menggunakan penguat instrumentasi INA114AP Nilai resistor Rg yang digunakan pada rangkaian penguat instrumentasi adalah 120 Ω dengan toleransi sebesar 1%. Sesuai dengan persamaan 3.1, maka besar penguatan dari untai penguat instrumentasi adalah:
G = 1+
50k Ω 120Ω
= 1 + 416, 66 = 417, 66
Posisi sensor termokopel pada oven yang dirancang, tepat dibawah ceramic infrared heater, tegak lurus terhadap arah radiasi, dengan jarak sekitar 2 cm. Hal ini dilakukan dengan harapan termokopel dapat menerima perpindahan panas secara radiasi dari elemen pemanas dengan baik.
39
Gambar 3.5 Posisi dari termokopel pada oven yang dirancang
3.2.3
Modul Pemanas Modul pemanas yang dibutuhkan untuk memenuhi spesifikasi dari alat
yang dirancang adalah sebagai berikut: 1. Suhu maksimum dapat mencapai lebih besar sama dengan suhu maksimum dari spesifikasi tugas akhir yang akan dirancang, yaitu sebesar 260°C. 2. Perubahan temperatur terhadap waktu yang tertulis pada spesifikasi tugas akhir dapat dipenuhi. 3. Umur pemakaian yang cukup lama. 4. Efisiensi pemanasan yang tinggi. 5. Tidak mengakibatkan kerusakan komponen yang disolder.
40
Rencana awal dari perancangan modul pemanas adalah memanfaatkan microwave oven yang tersedia dipasaran. Namun penggunaan microwave oven dirasa tidak baik, karena dapat menimbulkan listrik statis yang mampu merusak komponen yang disolder. Modul pemanas yang direalisasikan awalnya menggunakan oven listrik yang terdapat di pasaran dengan spesifikasi sebagai berikut: 1. Menggunakan catudaya 220 VAC/50-60Hz. 2. Kapasitas efisien 19 liter. 3. Bobot 5 Kg. 4. Suhu maksimum adalah 250°C. 5. Memiliki empat elemen pemanas dengan konsumsi daya 395 W untuk penggunaan dua elemen dan 790 W untuk penggunaan empat elemen pemanas. 6. Dimensi keseluruhan adalah 290 mm × 270 mm × 255 mm. Setelah dilakukan percobaan pada oven yang dipakai, ternyata hasilnya kurang memuaskan, karena proses penyolderan membutuhkan waktu yang cukup lama yaitu sekitar 8 menit (jauh dari spesifikasi yang telah ditentukan). Untuk mendapatkan waktu penyolderan yang cepat, sesuai dengan spesifikasi tugas akhir, elemen pemanas pada oven diganti menjadi ceramic infrared heater sebanyak dua buah.
41
Gambar 3.6 Elemen pemanas bawaan oven.
Gambar 3.7 Ceramic infrared heater Spesifikasi dari ceramic infrared heater yang digunakan adalah sebagai berikut: 1. Dimensi 60 mm × 245 mm
42
2. Menggunakan catudaya 220 VAC/50-60 Hz 3. Daya keluaran maksimum 1000 Watt 4. Temperatur maksimum 850°C 5. Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai suhu maksimum dari suhu kamar adalah ±60 detik Agar mikrokontroler dapat mengatur kondisi on/off
modul pemanas,
digunakan Solid State Relay (SSR) sebagai komponen pensaklaran. SSR yang dipakai adalah KSD225AC3 buatan Cosmo electronic dengan spesifikasi sebagai berikut: 1. Input 5-12 VDC 2. Load 25A, 250VAC 3. Tegangan drop-out 1 VDC
Gambar 3.8 Untai pensaklaran oven menggunakan SSR Untuk mendapatkan perubahan temperatur ruang oven yang cepat, sehingga dapat melakukan penyolderan sesuai dengan spesifikasi yang telah ditentukan, hal-hal yang dilakukan adalah sebagai berikut:
43
1. Dilakukan penyempitan ataupun pengurangan volume dari oven dengan cara mengurangi tinggi dari ruang oven sekitar 9 cm. 2. Melapisi dinding dalam sebelah atas dan bawah menggunakan keramik. 3. Melapisi dinding luar sebelah atas, kanan, dan kiri menggunaka glasswool dan alumunium foil.
Gambar 3.9 Pengurangan volume dari oven
Gambar 3.10 Lapisan glasswool pada dinding luar oven
44
3.2.4
Modul Penampil Modul penampil yang digunakan pada tugas akhir ini adalah LCD grafik
128 kolom × 64 baris. Konfigurasi pin keluaran dari LCD grafik dapat dilihat pada tabel 3.2. Tabel 3.2 konfigurasi pin pada LCD 128 kolom × 64 baris [22, h.8]
Pin Symbo Level
Description
No.
l
1
CS1
L
Select Segment 1 ~ Segment 64
2
CS2
L
Select Segment 65 ~ Segment128
3
GND
0V
4
VDD
5
VLC
6
D/I
H/L
7
R/W
H/L
8
E
H
9
DB0
H/L
Data bit 0
10
DB1
H/L
Data bit 1
11
DB2
H/L
Data bit 2
12
DB3
H/L
Data bit 3
13
DB4
H/L
Data bit 4
14
DB5
H/L
Data bit 5
15
DB6
H/L
Data bit 6
16
DB7
H/L
Data bit 7
17
RST
L
Reset the LCM
18
VEE
Negative voltage;
19
A
V －
Power supply for LED +
－
Power supply for LED -
20
K
Ground
5.0V Supply voltage for logic (Variabl e)
Operating voltage for LCD H: Data , L: Instruction H: Read(MPU←Module) , L :Write(MPU→Module) Enable signal
45
Gambar 3.11 LCD grafik 128 kolom × 64 baris [8]
3.2.5
Keypad Keypad yang digunakan adalah keypad jenis membrane dengan ukuran 4
kolom × 4 baris seperti pada Gambar 3.12.
Gambar 3.12 Keypad 4 kolom × 4 baris
46
Perancangan untuk modul ini menggunakan scanning keypad. Scanning dilakukan dengan mengkonfigurasikan pin-pin dari keypad menjadi masukan dan keluaran untuk mikrokontroler. Pin-pin yang dikonfigurasikan sebagai keluaran, dihubungkan dengan pin yang terhubung dengan 4 baris pada keypad dan pin-pin yang dikonfigurasikan sebagai masukan dihubungkan dengan pin yang terhubung dengan 4 kolom pada keypad. Konfigurasi koneksi antar pin ditunjukkan pada Tabel 3.3. Tabel 3.3 Konfigurasi pin keypad
Pin Keypad (tampak depan)
Pin Mikrokontroler
Fungsi Pin Mikrokontroler
Pin 1
Port B0
output
Pin 2
Port A2
output
Pin 3
Port B1
output
Pin 4
Port A3
output
Pin 5
Port B2
input
Pin 6
Port A4
input
Pin 7
Port B4
input
Pin 8
Port A5
input
3.3
Perangkat Lunak Infrared Reflowsoldering Perangkat lunak pada infrared reflowsoldering ini digunakan untuk
melakukan pengolahan semua alur yang terdapat pada alat secara keseluruhan. Alur yang terdapat pada alat yang dirancang dibagi menjadi empat bagian, yaitu
47
diagram alir preheating, heating, soldering dan cooling. Setiap proses dari reflowsoldering memiliki varibel-variabel suhu dan waktu, yaitu:
•
Preheating
: variabel suhu Ts, variabel waktu ts
•
Heating
: variabel suhu TL, variabel waktu tL
•
Soldering
: variabel suhu Tp, variabel waktu tp
•
Cooling
: saat cooling proses reflowsoldering telah selesai.
Gambar 3.13 merupakan diagram alir dari proses preheating. Pada proses ini, waktu awal ditentukan mulai dari 0 detik, dengan suhu awal adalah 25°C. Untuk mode default, target suhu yang ingin dicapai adalah 150°C dengan kenaikan suhu maksimal 2°C/detik. Sedangkan untuk mode manual, target suhu yang akan dicapai sesuai dengan masukan oleh user. Selama proses berlangsung grafik perubahan suhu terhadap waktu ditampilkan pada LCD grafik. Setelah proses preheating selesai, maka penyolderan akan dilanjutkan ke proses heating. Gambar 3.14 merupakan diagram alir dari proses heating. Pada proses ini, waktu awal ditentukan mulai dari 0 detik, dengan suhu awal adalah 150°C. Untuk mode default, target suhu yang ingin dicapai adalah 183°C dengan kenaikan suhu maksimal 1,3°C/detik. Sedangkan untuk mode manual, target suhu yang akan dicapai sesuai dengan masukan oleh user. Selama proses berlangsung grafik perubahan suhu terhadap waktu ditampilkan pada LCD grafik. Setelah proses heating selesai, maka penyolderan akan dilanjutkan ke proses soldering. Gambar 3.15 merupakan diagram alir dari proses soldering. Pada proses ini, waktu awal ditentukan mulai dari 0 detik, dengan suhu awal adalah 183°C.
48
Untuk mode default, target suhu yang ingin dicapai adalah 225°C. Saat target suhu dicapai, temperatur oven dijaga agar tetap stabil selama 20 detik. Sedangkan untuk mode manual, target suhu yang akan dicapai sesuai dengan masukan oleh user. Selama proses berlangsung grafik perubahan suhu terhadap waktu ditampilkan pada LCD grafik. Setelah proses soldering selesai, maka penyolderan akan dilanjutkan keproses cooling. Gambar 3.16 merupakan diagram alir dari proses cooling. Pada proses ini, keseluruhan proses reflowsoldering telah selesai.
49
Gambar 3.13 Diagram alir preheating
50
Gambar 3.14 Diagram alir heating
51
Gambar 3.15 Diagram alir soldering
52
Gambar 3.16 Diagram alir cooling
