2.1. L.f Prosidi"g Potemlla" da" Prese"tasi llmialr PPNY-BATAN, Yo{:l'akarta 25-27 Al'ril1995
229
Bllklll
SISTEM MIKROPROSESOR MPF-l UNTUK PEMISAHAN UNSUR LOGAM TANAH JARANG DENGAN PROSES PENUKAR ION Subari Santoso, Kris Tri Basuki daDRill Isaris PPArr-BATAN, JI. Babarsari p.o. Box J008 Yogyak1ll1055010
ABSTRAK SISTEk!
MIKROPROSESOR
MPF-J
UNTUK PEMISARAN
UNSUR LOGAM
TANAH JARANG
DENGAN PROSES PENUKAR ION. Telah dibllat r(lI/cangan alat mekanik pergantiill/ cllplikan IIntllk pemisahan I/I1SW'logam jarang tanah jarallg dellgall proses pellllkar ion secw'a otomatis yang dikendalikan oleh mikroprosesorMPF-J.Mila'oprosesorlY!PF-l ini mempll/lyaiwa/..111pelaksanaan illstl7lhiyangminimllm sebesar J J.IS,cllkllp baik wltllk sistem kolltrol, ml/rah JaIl nllldah didapatkoll. Pellgendalian dilakl/kclII de ligan 2 bl/ah motor stepper yang mellgatl/r gerakan tempat cllplikan (lempellg berbentllk lillgkaran) dellgan tepat sesllai dellgall selang waklll yang ditentllkan. Untllk mengendalikan stepper motor diperlllkan Z80-PIO, rangkaiall pengllat al1ls JaIl perallgkat hl/wk bahasa mesin Z-80. Penglljiall ter/wdap slldut pe/pl/taran pada tempat cllplikan yallg dibentllk motorstepperdari 0 sid 360 memberikallhasi/ yang linearpada waktl/ tllI/daan opTimllm 50 milidetik JaIl dapat menampl/l1g 25 bllah tab Illig tempat cltplikall.
ABSTRACT A mechanical alltomatic sample changerapparatl/sfor seIXtration of rare eal1h with ion exchange wich controlled by A4PF-l microprocessor has been designed and contl1lcted. Automatisan'oll is pe/fol71zed by controlly two stepper motor TOreglliate the moving of sample changer (circlIlar plate shape) acclIratelyaccordillg to the time il11en'al set lip. To control nlOto/'steppers need Z80-PIO, current driver and Z-80 machine langl/age. From the testillg to the angle of moving sample changer made by the stepper motorfrom rP -360° ((or 25 tube sample holder) show the lille{//;ty to the expected vallie with the optiml/m delay time arollnd 50 miliseconds.
PENDAHULUAN
P
asir monasit yang ditambang di Pulau Bangka banyak mengandung unSUf-unsUflogam tanah jarang (LTJ) daTIlaTium.Logam Tanah jarang yang terdiri daTiunsUf-unsur: Ce, La, Nd, Sill, Gd, Dy, Y, Pr, masing-masing mempunyai kegunaan yang sangat besar dalam bidang industri. Unsur-unsur tersebut dapat saling dipisahkan, dengan berbagai macam cara seperti pengendapan bertingkat daB kristalisasi fraksional mal1pl1npenukar ion. Pacta penelitian ini dilakukan pemisahan unsur-unsur logam tanah jarang daTipasir monasit dengan cara penukar ion. Untuk penentuan kualitatif daB kuantitatif dipakai cara analisis dengan memakai spcktrometer pendar sinar x. Pactasaat ini penggantian cuplikan pemisahan unsur logam jarang tanahjarang dengan proses penukar ion masih dilakukan secara manual. Hal ini mempunyai kelemahan yaitu, cuplikan yang dihasilkan kemumian-
IsSN 0216-3128
nya belum sesuai dengan yang diinginkan, karena masih tercampur dengan senyawa lain. Tujuan merancang suatu sistem otomatisasi pergantian cuplikan ini dengan menggunakan mikroprosesor MPF-l adalah untuk menghasilkan akurasi yang lebih baik daTipacta sistem yang actapacta saat ini, juga me111punyaikeuntungan lain, yaitu : call1pur tangan pemakai alat secara langsung, kejenuhan bekeIja dapat dikurangi daTImemperoleh cuplikan yang lebih mumi. Pemilihan mikroprosesor MPF-l untuk siste111 kontrol diantaranya adalah: ditinjau dari kecepatan operasi 20 kali lebih cepat dibandingkan mikroprosesor 8008 dan 10 kali Iebih cepat dibandingkan mikroprosesor 8080. Namunjika dibandingkan dengan mikroprosesor 8086 atau Z8000 adalah 5 kali lebih lambat. Mikroprosesor IvIPF-1111engguna" kan prosesor Z80 cukup baik untuk sistem kontf'Jl, murah daTImudah mendapatkannya. Arsitektur dari Z80 sangat mirip dengan 8080 dengan perbedaan yang sangat 111enyolok,bahwa dalam Z80 register didalamnya lebih daTi2 kali register yang terdapat
Sub.,'ri Santo so, dkk,
dalam 8080. Kumpu1an instruksi daTIZ80 acta 158 buah, termasuk 78 instruksi dati 8080. Apabilabekerja dengan pewaktu 4 :MHz, Z80 mempunyai waktu pe1aksanaaninstruksi yang minimum sebesar 1 JlS.
BAHAN DAN TAT A KERJA PRINSIP KERJA SISTEM PERGANTIAN CUPLIKAN DENGAN MIKROPROSESOR MPF-l Pemanfaatan Mikroprosesor MPF-1 untuk keperluan pacta pergantian cuplikan pacta proses pemisahan unsur logam tanah jarang dengan proses penukar ion memerlukan perangkat tambahan supaya terjadi komunikasi antara keduanya. Pacta perancangan ini perangkat tambahan yang dibuat seperti ditunjukkan gambar 1. terdiri dati Z80-PIO, perangkat mekanis, daD perangkat elektris yang digunakan untuk menggerakkan alai pergantian cup1ikan.
I
ProsidiJlg Pertemllan dan Preselltasi Ilmia/r PPNY-BATAN, Yo!:yakarta 25-27 Apri/1995
BllkllI
230
~-1
Dengan demikian dapat mengatasi permasa1ahan efektifitas kerja pemakai aJatyang hanya 8jam setiap had, sistem mikroprosesor akan me1akukan pergantian cuplikan terus menerus secara otomatis se1ama 25 x 2 jam 13 meDii = 55,5jam dengan kemantapan penampungan hasil reaksi larutan tanah jarang yang diperlukan Sistem Pengembangan Mikroprosesor MPF-J. Pacta sistem pengembangan Mikroprosesor MPF-I diperlukan beberapa penambahan sebagai berikut : a.
Z80-PIO sebagai pintu ke1uar data digital daTI sistem mikroprosesor ke sistem penggerak Stepper motor. Rangkaian penguat ams, yang terdiri dati resistor diode transistor type TIP 3055 daD BC 141 Gambar rangkaian Elektronik secara keselumhan ditunjukkan oleh gambar 2.
b.
r~ zoo-PIO
Gam bar 1. BLo/;:diagram pergalltiall cllplikall
I'.u
Pactaproses reaksi antara larutan tanahjarang daDlamtan EDTA mel~adi Resin Dowex diperlukan tempat penamplmgan tetesan-tetesan yang kontinyu daD pacta tempat yang tetap. Volume zat yang ditampung sekitar 20 cc dalam waktu sekitar 2 jam sebagai contoh untuk 1arutanLTJ daDEDTA diatas satu tabling penampungan pemakai alai menunggu sampai tetesan zat mencapai volume 20 cc daTImembutuhkan waktu 2 jam 13 meDiidaD menggantikan dengan tabling berikutnya sehingga akan merasa jenuh. Penampungan larutan yang dipisahkan memerlukan waktu 3 bulan sekali running (proses) secara terus menerus sehingga pemakai alai hams melakukan keIja 1emburuntuk menggantikan tabling yang te1ahterisi lamtan secara manual. Agar faktor kdelahan pemakai alai dapat dikurangi maka dibu::!tlahsistem pergantian tabung'secara otomatis dengilnjumlah tabling yang diperlukansebanyak 25 buah daDdapat dijalankan secara otomatis.
Subari Santoso, dkk.
8SS
(OK
8C t ~~
t!)K TV'
~D'.i'5
v
Gambar 2. Rallgkaiall drh'er ~M/ltorStepper
RANGKAIAN MOTOR DRIVER. Rangkaian driver terlihat pactagambar II.2.1, da1am rangkaian tersebut. terdapat dioda yang berfungsi untuk mencegah remanensi dari motor masuk ke transistor. Dengan adanya dioda ini maka transistor dapat terhindar dari kemsakan. Sedangkan tahanan 10 K.Q dalam rangkaian ini berfungsi
ISSN ()216~3128
Prosidillg Pertemllall dall Prese/liasi Ilmiall PPNY-BATAN, Yogyakarta 25-27 A"ril1995
meredam arus yang terlalu besar lewat pacta transistor. Rangkaian penguat ini dirancang berdasarkan persyaratan teknis yang harns dipenuhi untuk menggerakkan motor stepper yang dipakai. Persyaratan teknis yang diperlukan adalah harus mampu memberikan arus minimal sebesar 0,8 Ampere pacta tegangan minimal 4,7 Volt tiap phasenya. Untuk mewujudkan rangkaian penguat ini digunakan 4 transistor tipe BD14l daB 4 transistor tipe TIP 3055 untuk sebuah motor stepper. Kedua macam transistor ish. disusun secaraDarlingtonguna mendapatkan penguatan yang cukup besar. Penguatan rangkaian dinyatakan dengan rumus : Ie = ~l ~2Ib dengan ~l = penguatan transistor BC141 daD~2= penguatan transistor TIP 3055. Prinsip keIja daTi rangkaian driver ini adalah sbb. :Jika pacta masukan tidak diberikan pulsa eksitasi, maka kedua transistor tidak bekeIja, akibatnya Vee= Veesehingga tidak actaarus yang mengalir pactakumparan motor stepper. Tetapi hila pacta n}asukan diberikan pulsa eksitasi maka kedua transistor akan bekeIja (ON) daD tegangan Veemenjadi nol sehingga teIjadi aliran arns melalui kumparan motor stepper. Sistem pergantian cuplikan didasarkan atas selesainya cacahan besaran waktu yang dimasukkan. Keluaran daTi Z80-PIO memiliki arus yang masih kecil sehingga belum mampu menggerakkan stepper motor yang membutuhkan arus sebesar 1 ampere untuk setiap phasenya.Untuk itu diperlukan rangkaiandriveryang dalam hal ini juga berfungsi sebagai penguat. Tiap penggerak motor stepper memerlukan 4 buah masukan, dengan urutan eksitasi yang bersesuaian sehingga untuk 2 buah motor stepper memerlukan 8 bit data daD digunakan untuk mengatur pergerakan pergantian cuplikan. (pustaka 1 dan 2 Input/Output Techniques hal 460-510) 5. Data masukan untuk pergerakan motor dikendalikan daTiPort AO-A3dan port BO-B3 daTiport Z80-PIO. Urutan eksitasi motor seperti pactatabel 1.
Tabcll.
Urutan eksitasi motor Stepper
A
B
C
D
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
0
1
1
1
ISSN 0216-3128
PERANCANGAN
ALA T MEKANIK.
Perancangan alai mekanik ini bertujuan agar tabung- tablIng cuplikan untuk pemisahan unsur logam jarang tanah jarang dapat bergerak secara mekanis sehingga mudah penanganannya. Pacta perancangan ini diusal1akanagar alai mekanis dapat bekerja secara efektis daD ekollomis. Gambar rancangan alai mekanis terlihat pactagambar 3.
Gambar 3. Rallcallgall ala! j',fekallis.
Tiap motor motor stepper dibuatkan box tersendiri sehingga masing-masing motor stepper dapat ditempatkan sesuai dengan posisi yang diinginkan, serta dapat dipindahkan dengan mudah. Piringan tempat tabung-tabung cuplikan dibuat dengan ukuran sedang. Pembuatan ukuran piringan berdasarkan beberapa pertimbangan misalnya besamya tablIng, jarak antar tabling, keseimbangan dan sebagainya. Motor stepper 1 memutar piringan 25 tablIng yang berukuran 10 cc daD motor stepper 2 memutar piringan 25 tablIngyang berukuran 20 cc. Setiapbox motor stepper dilengkapi dengan terminal masukan sehingga kabel penghubung dengan mudah dilepas daBdipasang sesuai dengan kebutuhan.
AR<\.H PUTARAN
KUI\1PAR<\.N
0
231
Bllkll I
0
Searah Janlln Jam
I
It Tidak Searah Janlln Jam
Pril1sipKerja Peral1gkatLullak. Perangkat lunak yang dibuat merupakan rangkaian program dalam bahasa mesin Z80 mempunyai tujuan agar instrumen dapat digunakan sesuai yang diinginkan. Inti daTiprogram utama putar motor stepper terdiri daTitiga subroutine waktu yaitu jam, menit dan detik serta subroutine putar motor stepper 1dan motor stepper 2. Program utama terlihat pactadiagram alir gambar 4.
SubarCSantoso, dkk.
Prosidillg Pertemllall dolI Preselltasi llmiall PPNY-BATAN. Yo!?yokarta 25-27 April 1995
BlIklll
232
Tabel2.
~~
Rata-rata hasil percobaan pengukuran sudut motor stepper tanpa beban.
.- ........._--In~elalle481 eebagal
Iel
po~t
No.
A 7~o-PIO
dat6 jualah elklu.e yang dlinalnkan ke
Tentukan .eel~ untuk 8Otor DetLk Henlt tADO tAOl (Tl)
~.
putar
K
waJr;;1;u putar et.eppe~ 1 Ja8 lA02
'lentuJtan -lena waJr;;1;u putar untuk motor etopper 2. DetLk ""'nit Ja8 lAO3 lAD4lAD!) (T2)
Gambar
Sudutyang
Sudut yang dihasilkan
dilnginkan
(pcl'ioda 50 mill dctik)
koluaran
4. Diagram Alir Program Utall/ll.
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN. Pengujian hasil perancangan yang dimaksudkan adalah pengl.ljianstepper terhadap tanggapan yang diterimanya dari Mikroprosesor MPF-I.
PENGUJIAN MOTOR STEPPER. Tanggapanyang diuji adalah besar sudut yang dihasilkan oleh motor stepper terhadap masukanyang diberikan. Pengukuran sudut dilakukan dengan earn memberikan busur sudut pada motor stepper yang telah diberi jarum penunjuk. Sedangkan pengukuran sudut pada beban minimum daB beban maksimum dilakukan dengan cara memberikan busur sudut pada piringan yang digunakan sebagai tempat tablIng daD penunjuk sudut dilakukan pada tepi piringan dengan jarum penunjuk. Contoh data yang diperoleh ditunjukkan label 2.
SlibarrS:iiitoso, dkk.
II
1
7.2
7.0
2
14.4
14.5
3
21.6
21.5
4
28.8
28.5
5
36.0
36.0
6
43.2
43.5
7
50.4
51.0
8
57.6
57.5
9
64.8
65.0
10
72.0
72.0
11
79.2
80.0
12
86.4
87.0
13
93.6
93.5
14
100.8
101.0
15
108.0
108.5
16
115.2
115.5
17
122.4
123.0
18
129.6
130.0
19
136.8
137.0
20
144.0
144.0
21
151.2
151.5
22
158.4
159.0
23
165.6
165.0
24
172.8
173.0
25
180.0
180.0
26
187.2
187.0
27
194.4
194.0
28
201.6
202.0
29
208.8
209.0
30
216.0
216.0
31
223.2
223.5
32
230.4
230.0
33
237.6
238.5
34
244.8
245.0
ISSN 0216-3128
-~
Prositlillg Pertemllall doll Preselliasi Ilmialt PPNY-BATAN. Yo~yakarta 25-27 April 1995
Laniut
....Tabel2 -----. -
No.
233
Bllk/l I
SudutJang
Sudll! Jang dihasilkan
diinginkan
Cpclioda 50 mill dctik)
Rata-rata hasil percobaan pengukuran sudut motor stepper beban maksimum ditunjukkan tabel 3. Tabel3.
Rata-rata hasH percobaan pengukuran sudut motor stepper beban maksimum.
35
252.0
252.0
36
259.2
259.0
37
266.4
266.5
38
273.6
274.0
39
280.8
281.0
1
7.2
7.0
40
288.0
288.0
2
14.4
14.5
41
295.2
295.0
3
21.6
21.5
42
302.4
302.5
4
28.8
29.0
43
309.6
309.5
5
36.0
36.0
44
316.8
317.0
6
43.2
43.5
45
324.0
324.0
7
50.4
50.5
46
331.2
331.0
8
57.6
57.5
47
338.4
338.5
9
64.8
65.0
48
345.6
346.0
10
72.0
72.0
49
352.8
353.0
11
79.2
79.0
50
360.0
360.0
12
86.4
86.5
13
93.6
14
100.8
100.5
15
108.0
108.0
16
115.2
115.5
17
122.4
122.5
18
129.6
130.0
19
136.8
136.5
20
144.0
144.0
21
151.2
151.0
22
158.4
158.5
23
165.6
165.5
24
172.8
173.0
25
180.0
180.2
26
187.2
187.5
27
194.4
194.5
28
201.6
201.5
29
208.8
209.0
30
216.0
216.0
31
223.2
223.5
Dari tabel tersebut terlihat halma hubungan antara sudut yangdiinginkan daTIsudut yang sebenamya adalah linear yang berarti bahwa suadut yang sebenamya tidak terlalu berbeda dengan sudut yang diinginkan.Pactapenelitian sebelunmya telah dilakukan percobaan dengan waktu tunda (perioda) motor stepper5 milidetik,50 milidetik daTI150milidetik dengan penyimpangan terkecil adalah untuk waktu tunda 50 milidetik. Pactapenelitian ini langsung digunakan waktu tunda 50 milidetik dengan standar deviasi didapatkan 0.527. Grafik sudut yang diinginkan daTI sudut yang diperoleh ditunjukkan gambar 5.
//
No.
Sudll! Jang
SlIdll! Jang dil13silkan
diinginkan
Cpelioda 50 mill dctik)
I
I
94.0
1:
J :
J
// f
.~
~...~...:;.(...,.j.J)
Gambar 5. GrClflk 511£111tperplltClrClII 11/otor tClllpCl bebClII
ISSN 0216-3128
SubariSa-ntoso, dkk
234
BllkliI
L ....--_u . Tabel 3
No.
Sudutyang
Sudut yang dihasilkan
diinginkan
(pclioda 50 mm dctik)
32
230.4
230.5
33
237.6
237.5
34
244.8
245.0
35
252.0
252.0
36
259.2
259.0
37
266.4
266.5
38
273.6
273.5
. 39
280.8
281.0
40
288.0
288.0
41
295.2
295.0
42
302.4
302.0
43
309.6
309.5
44
316.8
317.0
45
324.0
324.0
46
331.2
331.3
47
338.4
338.5
48
345.6
346.0
49
352.8
353.0
50
360.0
360.0
I
I
I
Prosidillg PerteltUla/l dolI Preselltasi llmiall PPNY-BATAN, Yogyakarta 25-27 April 1995
Hubungan antara sudut motor stepper yang dihasilkan dengan yang terjadi adalah linear. Sedangkan standar deviasi untuk perputaran motor stepper dengan beban maksimum adalah untuk waktu tunda 50 milidetik = 0.315. Dari pembahasan diatas diketahui bahwa waktu lunda yang cocok adalah 50 milidetik untuk gerakan tempat pergantian cuplikan, tal ini dikarenakan pacta waktu lunda ini motor stepper dapat berputar sesuai dengan sudut yang diinginakan untuk perputaran dengan tanpa beban dan dengan beban maksimum.
KESIMPULAN DAN SARAN Dari hasil perancangan dan percobaan yang telah dilakukan maka dapat diambil beberapa kesimpulan dan saran sebagai berikut :
Beban maksimum yang dimaksudkan adalah berat tempat penampung tabung yang diisi dengan tablIng dan cairan eluen. Grafik untuk sudut yang diinginkan dengan sudut yang dihasilkan terlihat pacta gambar 6.
1. Telah dapat dibuat sistem pergantian cuplikan untuk pemisahan unsur logam jarang tanah dengan proses penukar ion secara otomatis yang dikendalikan oleh mokroprosesor MPF-l dengan maksimum cuplikan yang dapat dimuat sebanyak 50 cuplikan untuk 2 buah penggerak motor stepper, sehingga menambah efisien dari sistem sebelumnya. 2. Dari pengujian terhadap sudut perputaran pacta tempat cuplikan yang dibentuk oleh motor stepper dari 0°-360° memberikan hasil yang linear pacta waktu lunda yang optimum 50 milidetik. 3. Untuk pengembangan lebih lanjut pacta sistem pergantian cuplikan ini masih perlu disempurnakan lagi dalam tal perangkat lunaknya dan memanfaatkan fasilitas yang acta pactaZ80-CTc.
DAFTAR PUSTAKA .... .~ ..
! !; .IL"':"""""
~.:.--
",
""m
""""';w
«1.,-,;"1 )
Gam bar 6. Grajik sllllllt plltaral/1I1otor del/gall bebal/1I1aksi11l11l1L
~
Subari S:mtoso, dkk.
1. DOUGLAS V HALL, "MICROPROCESSORS AND DIGITAL SYSTEM" International Student Edition. Copyright 1986. 2. ROD NAY ZAKS, "PROGRAMMING THE Z80" SYBEX THIRD EDITION. 3. HARRY GARLAND, "INTRODUCTION TO MICROPROCESSOR SYSTEM DESIGN" Copy right 1979. 4. Texas Instrument, The TTL Data Book for Design Engineers, Second Edition, Texas Instruments Inc. US, 1976.
IssNo2 f6-3128
Prosidillg Pertemlloll doli Preselltasi Ilmioh PPNY-IJATAN, Yogyakorto 25-27 April 1995
235
Bllkul
Subari Santosa
TANY A-JA \VAB Prayitno
-
Dalam pendahuluan disebutkan bahwa kecepatan
operasi MPF-I 10 kali lebih cepat dibandingkan mikroprosesor 8080. Bagaimana saudara membandingkannya? Berapa frequensi clock daTi HPF- I? Subari Santosa -
Kecepatan operasi AIPF-1 10 kali lebih cepat dibandingkan miJ...,"oprosesor8080 didapat dari daftar pus-taka (3) "Pengantar Desain Mikroprosesor" label perbandingan kemampuan prosesor-propesor yang reprensentatif. Frequensi clock dad 1\1PF-1 adalah 1,79 Mega Hertz.
Jumari -
Berapa berat beban maksimum yang dapat disangga oleh 1 buah motor stepper dan berapa rencana berat beban yang diinginkan?
-
Tadi disebutkan slIdut pillar dal1 motor stepper
-
Rencana berat beban yang diinginkan adalah menggerakkan 25 tablIng masing-masing berisi 20 mililiter cairan dengan berat25 gram sehingga berat total adalah 625 gram. Sedangkan motor stepper dengan dukungan arus 1 Ampere dapat mengangkat beban 1 kilogram dengan sempuma. - Dengan menggunakan waktu lunda 50 milidetik didapat penyimpangan terkecil, sudut motor stepper yang dihasilkan dan yang diinginkan cenderung linear dengan deviasi standar ada/ah 0,527.
Sctyadi -
Mohon dijelaskan beberapa ketelitianlkecepatan putaran daTialat ini, karena adanya mekanik yang beIputer (banyak putaran) Subari
-
Akurasi sistem pergantian cuplikan secm'a otomatis = 0,775% dan secm'a manual = 4,54% maka sistem otomatis lebih balk dari pada sistcm secm'a manual, hal ini Lelah dilakukan pada penelitian sebelumnya dengan lIIenggunakan motor stepper yang sama.
tersebut linear. Berapa persen atau sejauh mana tingkat linieritasnya.
ISSN 0216-3128
Subari Santoso, dkk:
