MAKALAH SEMINAR TUGAS AKHIR
DETEKTOR EMISI GAS BUANG DALAM MOBIL DENGAN DILENGKAPI ANTARMUKA KOMUNIKASI SERIAL Irfan Aulino Budi Satrio*, Adian Fatchur Rochim**, Trias Andromeda** Abstrak- Polutan dari emisi kendaraan bermotor disebabkan oleh beberapa faktor yaitu : sistem pembakaran mesin, jenis bahan bakar, kemacetan lalu lintas, perilaku pengemudi, jenis kendaraan, kontrol emisi, fungsi penegakan hukum dan lain-lain. Polutan yang dihasilkan oleh emisi kendaraan bermotor meliputi : Karbon Monoksida (CO), Sulfur Dioksida (SO2), Nitrogen Monoksida (NOX), Hidrokarbon (HC), Partikel Timbal (PB), asap dan abu. Polutan tersebut dapat menimbulkan gangguan pada manusia, hewan, tumbuhan dan benda lainnya. Umumnya perangkat detektor yang kita temui ditempat-tempat pengujian emisi dilakukan diluar kabin penumpang melalui saluran pembuangan / knalpot mobil. Tetapi bagaimana dengan reaksi polutan terhadap penumpang mobil tersebut ? Pada tugas akhir ini dirancang suatu perangkat detektor yang akan menampilkan 4 (empat) kadar polutan emisi gas buang mobil yang masuk kedalam kabin penumpang dengan dukungan antarmuka komunikasi serial. Sistem minimum yang digunakan adalah produksi Innovative Electronics yaitu DT-51 Low Cost Microsystem ver 2.0. Perangkat dapat berdiri sendiri (standalone) menggunakan tampilan LCD M1632 dan mendukung pengakusisian data secara visual (grafik) yang dimaksudkan untuk menambah keakuratan hasil melalui komputer melalui antarmuka serial RS232. Perangkat lunak menggunakan bahasa Assembly MCS-51, Microsoft Visual Basic 6 serta Microsoft Access sebagai basis data pendukungnya.
I.
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Pada umumnya para penumpang mobil yang menggunakan sistem pendingin udara atau AC (Air Conditioner) akan menutup rapat semua jendela mobil tersebut saat menggunakan AC. Hal ini memang wajar, akan tetapi dapat merugikan penumpang mobil tersebut apabila sistem ventilasi tersebut terdapat kebocoran sehingga gas buang mesin kendaraan tersebut masuk ke kabin penumpang melalui saluran AC. Sebagai contoh pada saat jalanan macet, lazimnya penumpang akan menutup rapat semua jendela mobil karena diluar udara sangat kotor, kemudian tanpa disadari asap kendaraan masuk kekabin penumpang melalui AC tersebut. Karena tidak ada sistem ventilasi lain maka gas buang mesin ini akan berada diruang kabin yang tertutup rapat dan dihisap terus menerus oleh penumpang yang ada. Jika kadar gas yang dihisap mencapai batas tertentu akan dapat menyebabkan gangguan kesehatan. Pada tugas akhir ini dirancang suatu perangkat detektor yang akan menampilkan 4 (empat) kadar polutan emisi gas buang mobil (yaitu NOx, CO, HC dan H2) yang masuk kedalam kabin penumpang dengan dukungan antarmuka komunikasi serial.
II.
DASAR TEORI
2.1
Emisi Gas Buang Mesin Mobil Reaksi pembakaran pada mesin mobil merupakan hasil reaksi yang seimbang antara reaktan dan produk reaksinya, seimbang disini berarti memiliki massa yang sama. Gambar 1 menjelaskan rasio udara-bahan bakar.
Keadaan seperti diatas dapat dicapai pada pembakaran sempurna, dimana perbandingan AF / Air Fuel Ratio dapat dicapai. Sebaliknya, yaitu proses pengapian yang kurang baik akibat campuran yang masuk ke ruang pembakaran tersebut terlalu miskin atau terlalu kaya. Bila terlalu miskin, mesin tidak akan mencapai tenaga penuh dan menjadi panas. Sebagaimana zat-zat yang merugikan dalam gas buang adalah : 1. HC / CH (Karbon-Hidrogen yang tidak terbakar), merupakan pengisapan bensin dan bensin yang tidak terbakar. 2. NO (Nitrogen Monoksida). Gas ini dibentuk dalam mesin, khusus pada suhu tinggi (kira-kira diatas 2000 C). NO merupakan gas yang berbahaya karena mengganggu saraf pusat. Disamping itu, dengan adanya O2 ia bereaksi sehingga terbentuk NO2. Gas tersebut juga mengeluarkan bau yang menyengat dan dapat menyebabkan edema paruparu dan bronchitis. Selanjutnya di udara yang mengandung NO dan UHC, sinar matahari akan menyebabkan terbentuknya kabut asap foto kimia (Photochemical SMOG), yang merupakan masalah polusi udara yang gawat, khususnya di kota-kota besar. 3. CO (Karbon Monoksida / Uap Karbon). Gas ini dalam badan manusia menyerang butir-butir darah merah yang bertugas membawa zat asam keseluruh badan. Di dalam ruang tertutup persentase volume CO 0,1% atau lebih tinggi sudah mematikan. 4. Asap Hitam. Asap ini hanya membahayakan karena mengeruhkan udara sehingga mengganggu pandangan, tetapi juga karena adanya kemungkinan mengandung karsinogen. 2.2
Gambar 1. Rasio Udara-BB (AF / Air Fuel Ratio) menyatakan banyaknya udara yang digunakan tiap unit massa dari BB saat proses pembakaran.
Analisa persamaan kimia dari proses pembakaran dapat ditulis sebagai :s C x H 2 y p ( O2 qN 2 ) xCO2 yH 2 O zO2 pqN2 .............. (2.1) * Mahasiswa Teknik Elektro UNDIP ** Dosen Teknik Elektro UNDIP
Figaro TGS 2201 Elemen sensor terdiri atas suatu lapisan semi konduktor oksida-logam yang dibentuk pada substrat aluminium dari sebuah chip sensor dengan suatu pemanas terintegrasi. Pada saat gas yang dideteksi ditemukan, maka konduktifitas sensor berubah tergantung pada konsentrasi gas di udara. Suatu sirkit elektris sederhana dapat mengkonversi perubahan dalam konduktifitas suatu sinyal keluaran sesuai dengan konsentrasi gas tersebut. TGS 2201 berisi dua elemen sensor yang tidak saling terhubung pada sebuah substrate dan menghasilkan keluaran sinyal terpisah untuk merespon gas buang mesin diesel dan
mesin bensin. Fitur ini membuat TGS2201 adalah sensor ideal untuk aplikasi sistem kontrol damper (plat logam) otomatis untuk ventilasi mobil. Gambar 2. menunjukkan struktur dan dimensi sensor tipe TGS 22XX. Tabel 1. menunjukkan spesifikasi sensor TGS 2201.
ADC 0809 merupakan IC pengubah tegangan analog menjadi digital dengan masukan 8 kanal yang dapat dipilih melalui penyandi alamat. ADC 0809 mempunyai ketelitian sebesar 1 bit LSB. Dalam melakukan konversi tegangan analog ke digital, ADC 0809 menggunakan metode SAR (Successive Approximation Register) dengan resolusi 8 bit dan waktu konversi 100 s. Bentuk fisik dari ADC0809 terlihat pada Gambar 2.3. 2.4
Gambar 2. Struktur dan dimensi TGS 22XX . Tabel 1 Spesifikasi Sensor TGS 2201
Mikrokontroler AT89S51 Mikrokontroler Atmel AT89S51 adalah mikrokontroler yang mengkonsumsi daya rendah, CMOS 8-bit mikrokontroler dengan 4 bytes in-system programmable Flash memory. Perangkat ini diproduksi Atmel dengan teknologi memori non volatile kepadatan tinggi dan kompatibel dengan set instruksi dan pin out standar industri 80C51. On-chip Flash mampu memprogram (in-system) ulang memori program atau dengan memory programmer non-volatile konvensional. Gambar 4. memperlihatkan konfigurasi pin mikrokontroler AT89S51.
Gambar 4. Konfigurasi pin AT89S51 (Dual In Line 40 pin ).
2.5
Hambatan sensor (RS ) dihitung dengan suatu nilai VRL, dengan menggunakan persamaan berikut :
V VRL Rs C x RL ........................................... (1) VRL
dimana : Vc = 7,0 ± 0,2 V DC P S = 15 mW VRL = Tegangan keluaran ukur diseberang RL RL = Hambatan beban 2.3
Bahasa Rakitan (Assembly) Bahasa rakitan (Assembly) memiliki hubungan yang dekat dengan bahasa tingkat rendah, yaitu bahasa mesin (*.HEX). Kelebihan dari bahasa ini adalah kemampuan akses ke perangkat keras yang relatif cepat daripada bahasa tingkat tinggi. Kelemahannya adalah terlalu rumit untuk menghitung dengan variabel yang sangat kompleks bila dibandingkan dengan bahasa tingkat tinggi. Program ini ditulis menggunakan perangkat lunak teks editor seperti Notepad atau Editor DOS. Gambar 5 menunjukkan bentuk program sumber Assembly yang umum dipakai.
Pengubah Analog ke Digital 0809 (ADC0809)
Gambar 5. Bentuk program sumber Assembly secara umum.
2.6
M1632 module LCD 16 x 2 Baris M1632 merupakan modul dot-matrix tampilan kristal cair (LCD) dengan tampilan 16 x 2 baris dengan konsumsi daya rendah. Modul dilengkapi dengan mikrokontroler yang didesain khusus untuk mengendalikan LCD, sebuah panel kontras TN LCD yang tinggi dan suatu drive pengontrol CMOS LCD. Mikrokontroler sebagai pengendali LCD mempunyai suatu pembentuk generator karakter ROM/RAM ( CG ROM/RAM, Character Generator RAM/ROM) dan penampil data RAM (DDRAM, Display Data RAM). Semua fungsi tampilan dikendalikan oleh instruksi dan modul yang mudah dihubungkan dengan suatu unit mikroprosesor/mikrokontroler. Gambar.3. Prinsip kerja secara umum dari rotary encoder
M1632.
Gambar 6 memperlihatkan konfigurasi pin dari LCD
1
Vss
V-BL
Vcc
LC D M 1632
2 3
Vee RS R/W 4
5
16
V+BL
dan tampilan grafis di komputer. Alat pendeteksi emisi gas buang ini mengubah masukan tegangan analog dari rangkaian pengkondisi utama ke pulsa digital yang selanjutnya diolah oleh mikrokontroler untuk ditampilkan secara langsung pada LCD 16 karakter 2 baris disamping antarmuka komunikasi serial untuk pengolahan data lebih lanjut di komputer (PC).
15
E
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 6
7
8
9
10
11
12
13
14
Gambar 6. Konfigurasi pin LCD M1632
2.7
Rangkaian Inverter Inverter dipakai untuk mengubah daya arus searah menjadi daya arus bolak-balik yang tegangan dan frekuensinya dapat diatur. Tegangan bolak-balik yang dihasilkannya berbentuk gelombang persegi dan pada pemakaian tertentu dieprlukan filter untuk menghasilkan bentuk gelombang sinus. Prinsip kerja inverter dapat dijelaskan sebagai berikut. Bila kedudukan S1 dan S2 pada A (Gambar 7.(a), beban mendapatkan tegangan positif, sedangkan tegangan negative diperoleh ketika S1 dan S2 pada kedudukan B.
Gambar 9. Diagram kerja perangkat keras
Hambatan sensor (Rs) dihitung dengan mengukur nilai dari V RL dengan menggunakan formula yang ditunjukkan pada persamaan 2. Nilai Rs digunakan untuk mencari besarnya ppm secara tidak langsung dengan membandingkan Rs dengan Ro yaitu pada sumbu Y kurva karakteristik sensitivitas gas buang mesin diesel (plotting grafik). Gambar 10. menjelaskan teknik plotting gas buang mesin diesel.
Gambar 7. Prinsip kerja Inverter (a) dengan saklar. (b) bentuk gelombang keluaran
2.8
Microsoft Visual Basic 6 Microsoft Visual Basic adalah bahasa pemograman yang digunakan untuk membuat aplikasi Windows yang berbasis grafis (GUI – Graphical User Interface). Visual Basic merupakan even-driven programming (pemograman terkendali kejadian) artinya program menunggu sampai adanya respon dari pemakai berupa event/kejadian tertentu (tombol diklik, menu dipilih dan lain-lain). Ketika event terdeteksi, kode yang berhubungan dengan event (prosedur event) akan dijalankan. Gambar 8 menunjukkan antarmuka pengguna grafis Microsoft Visual Basic 6.
Gambar 10. Plotting gas buang mesin diesel
Sedangkan nilai Rs sulit dicari dengan penghitungan langsung terhadap sirkit pengkondisi sensor pada saat terjadinya perubahan masukan gas buang. Namun dengan melihat spesifikasi sensor akan didapatkan sensitifitas (perubahan perbandingan dari Rs). Rs (0,3 ppm dari NO2) .................................................... (3) 2,5 Rs (udara)
Hasil pengukuran tegangan sensor didapatkan Vc = VH = 6,88 V. RL(Diesel) = 200K. R0(Diesel) = 250K. Dan Rs (0,3 ppm dari NO2) / R 0 dengan spesifikasi final (plotting grafik) didapatkan 3,2. V VRL Rs C x RL VRL V V RL 250K C x 200K VRL
1,25VRL VC VRL VC 2,25 VRL Gambar 8. Antarmuka Pengguna Grafis Visual Basic 6.
III. 3.1
PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT
Pendeteksi Emisi Gas Buang Secara umum blok diagram rancangan alat adalah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9 . Alat yang dirancang akan membentuk suatu sistem alat pendeteksi kebocoran emisi dalam mobil dengan dukungan komunikasi serial. Dimana untuk 4 jenis gas yang dideteksi menggunakan tampilan karakter LCD
RS 3,2 R0
R S 3,2 R 0 3,2 x 250KΩ800K 800K VC VRL 200K VRL 5 VRL VC 6,88V VRL 1,376 V 5
Dari perhitungan diatas dapat diikuti untuk kadar ppm NO X pada titik hambatan sensor yang lain (Tabel 2). Tabel 2. Hasil perhitungan VRL pada elemen 1. Rs/Ro 1,5 1,8 2,3 2,6 3,2 3,8 4,6 5,4 6,6 7,8 9,2 14 26 40 54 65 78 90 104 116 130
ppm 0,08 0,09 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
VRL 2,393043 2,116923 1,775484 2,620952 1,376 1,196522 1,019259 0,887742 0,743784 0,64 0,5504 0,371892 0,205373 0,134902 0,100438 0,083647 0,069848 0,060617 0,052519 0,047123 0,04208
Gambar 12. Alat Uji STARGAS 898 OTC
Gambar 13. Tampilan awal LCD M1632
Dengan menggunakan analogi pada Elemen Sensor 1 diatas dapat digunakan untuk mencari V RL untuk Elemen Sensor 2. Namun tegangan VRL yang diatas jangkauan dari ADC (yaitu >5V DC) harus dibagi dengan hambatan dengan total = RL Elemen 2. 3.2
Sistem Minimum Mikrokontroler AT89S51 Dalam tugas akhir ini, penulis menggunakan sistem minimum milik Innovative Electronics, yaitu DT-51 Low Cost Microsystem ver.2. Mikrokontroler didalam rangkaian DT-51LC ini digunakan untuk membaca dan mengolah data yang masuk melalui port masukan dan mengeluarkan data yang telah diolah melalui port keluaran. Rangkaian sistem minimum DT51-LC dan penggunaan tiap portnya ditunjukkan pada Gambar 11.
Gambar 14. Tampilan LCD; Grup pertama (NOx dan CO)
Gambar 15. Tampilan LCD; Grup kedua (HC dan H2 )
Output/Port 0 : P0.0- P0.7
LCD Output/Port 1 : P1.0- P1.7
Input /Port 2 : P2.0- P2.7
ADC0809
MCU AT89S51
Output/Port 3 : P3.0- P3.1
Antarmuka RS232
NO X (mg/m3) 2,05 x NO X (ppm) .................................. (4.3)
Input /Port 3 : P3.2- P3.3
Sedangkan untuk emisi gas buang mesin bensin, 3 polutan yang diuji hanya dipilih satu yang sesuai, karena tidak memungkinkannya perhitungan untuk diulang-ulang saat pengujian.
Output/Port 3 : P3.4- P3.7
Aktifasi ADC0809
Gambar 11. Sistem minimum mikrokontroler AT89S51
IV .
Pengujian dengan pembanding alat uji emisi STARGAS 898 OTC ini dilakukan tanggal 29 Oktober 2005 di halaman kantor DLLAJ Jawa Tengah. Dari hasil pengujian didapatkan perbedaan terbesar antara perangkat dengan STARGAS yaitu pada polutan NOx sebesar 1,9 mg/m3 pada konsentrasi 10 ppm dengan menggunakan perhitungan konversi :
Tabel 3. Hasil pengujian perangkat dengan Alat Uji Emsi STARGAS 898 OTC NO Datasheet 4 ppm 10 ppm
Konversi 8,04 mg/m3 20,1 mg/m3
PENGUJIAN DAN ANALISIS
Detektor Emisi Gas Buang memiliki tampilan LCD M1632 bersifat berdiri sendiri, artinya tidak tergantung oleh jalur komunikasi serial (RXD) yang diumpankan ke perangkat pendeteksi. Lewat pengujian di Dinas Lalu Lintas dan Angkutan Jalan (DLLAJ) propinsi Jawa Tengah, Penulis mencoba mentera alat uji Tugas Akhir ini dengan Alat Uji Emisi milik DLLAJ Jawa Tengah tersebut.
DLLAJ 8 mg/m3 22 mg/m3
Kesalahan 0,04 mg/m3 1,9 mg/m3
Datasheet 200 ppm 500 ppm 1000 ppm
HC DLLAJ 217 ppm 514 ppm 1039 ppm
Kesalahan 17 ppm 14 ppm 39 ppm
V. PENUTUP 5.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil percobaan, pengujian dan analisis yang dilakukan didapatkan beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Sensor emisi berupa Figaro TGS2201 dapat bekerja dengan baik hanya jika menggunakan rangkaian pengkondisi yang telah diuraikan pada datasheet.
2.
Alat pendeteksi emisi gas buang telah ditera oleh DLLAJ dan memperoleh hasil kesalahan maksimum sebesar 24 ppm pada 500 ppm polutan HC dan 39 ppm pada 1000 ppm polutan HC dibandingkan dengan STARGAS 898 OT. 3. Pada tegangan keluaran rangkaian pengkondisi utama elemen 2 diluar jangkauan dari ADC0809 (+5V) sehingga ditambahkan pembagi tegangan dengan perbandingan 1: 0,683. 4. Kesalahan pengubahan data dari analog ke digital oleh ADC0809 memiliki kesalahan maksimal sebesar ½ LSB dibandingkan perhitungan. 5. Pengubahan data paralel menjadi data serial UART dilakukan oleh mikrokontroler dengan bitrate sebesar 1200,48 bps, Mode 1 UART Serial 8 Bit (1 bit start ‘0”, 1 bit stop ‘1’ dan 8 bit data). 6. Rangkaian inverter menggunakan prinsip Multivibrator Astabil dan memiliki frekuensi sebesar 96,59 Hz. 7. Tegangan keluaran pada rangkaian antarmuka serial RS232 sebesar 9,8 V untuk tegangan masukan 0 V dan -10 V untuk tegangan masukan 5 V
[12] .................. ,
5.2 Saran 1. Untuk menjaga validitas hasil keluaran perangkat detektor perlu diadakan standardisasi secara berkala. 2. Grafik pada Antarmuka Pengguna Grafis Visual Basic 6 agar terlihat lebih sesuai dengan grafik pada datasheet sensor, sebaiknya mempunyai karakteristik sumbu Y yang 10 logaritmis 10 ( log(n)).
[21]
DAFTAR PUSTAKA [1]
BPM Arends & H. Brenschot, Motor Bensin, Erlangga, Jakarta 1980. [2] Kusumo, Ario S., Buku Latihan – Microsoft Visual Basic 6.0, PT. Elexmedia Komputindo, Jakarta, 2000. [3] Nalwan, Paulus Andi, Panduan Praktis Teknik Antarmuka dan Pemograman Mikrokontroler AT89C51, PT. Elexmedia Komputindo, Jakarta 2003. [4] Putra, Agfianto Eko, Belajar Mikrokontroler AT89C51/52/55 Teori dan Aplikasi, Gaya Media, Yogyakarta, 2002. [5] Tocci, Ronald J, Digital System Principles and Applications – Fifth Edition. Prentice-Hall International. Inc., New Jersey, 1991. [6] Sasmito, Agus, Standardisasi Gas Buang Pada Kendaraan Bermotor, Seminar Nasional Penanggulangan Emisi Gas Buang, Polines, Semarang 2005. [7] Singhal, Sudhir IC Engines & Combustion, Mc GrawHill Publishing Company Limited, New Delhi, 1992. [8] Sunardi, Sistem Pengaturan Intensitas Cahaya Pada Iklim Buatan dalam Rumah Kaca. Tugas Akhir, Teknik Elektro, Universitas Diponegoro, 2005. [9] Zuhal, Dasar Tenaga Listrik – Edisi Kedua, Bandung, 1980 [10] Wasito, S, Vademakum Elektronika - Edisi Kedua, PT. Gramedia, Jakarta, 2001. [11] .................., ADC0808/ADC0809 Datasheet, http://www.national.com, 2005.
[13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20]
[22]
Aplikasi Sensor TGS 2201 Sebagai Pendeteksi Gas Buang Mesin Bensin dan Diesel, Komputek Edisi 464, PT. Jawa Media Komputama, Surabaya 2005. .................. , AT89S51 Datasheet, http://www.atmel.com, 2005. .................. , DT-I/O Led Logic Tester A, http://www.innovativeelectronic.com. 2004. .................. , DT-51 Low Cost Micro System ver. 2.0, http://www.innovative electronic.com , 2004. .................. , LCD 44780 4 bit – AVR.asm, http://www.delta-electronic.com, 2004. .................. , Lyquid Crystal Display Module M1632 User Manual, Seiko Instruments Inc., 1987. .................. , MAX232 Datasheet, http://www.maximic.com, 2005. .................. , MSDN Library - January 2001, Microsoft Corporation, 2001. .................. , TGS2201 Datasheet, http://www.figarosensor.com, 2004. .................. , 100 Watt Inverter (SC 282), Siemcor Product – Ronica, 2001. .................. , 8051 Cross Assembler User’s Manual, Metalink Corporation, Chandler, Arizona, 1996.
Irfan Aulino Budi Satrio (L2F000609 ) lahir di Semarang, 22 Juni 1982. Menempuh pendidikan dasar di SD B Pedurungan I Semarang lulus tahun 1994, kemudian melanjutkan ke SLTPN 2 Semarang lulus tahun 1997, dilanjutkan lagi di SMUN 3 Semarang lulus 2000, dan sampai saat ini masih menyelesaikan studi S1 di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Semarang Konsentrasi Elektronika dan Telekomunikasi. Penulis dapat dihubungi di alamat email
[email protected]. Menyetujui dan Mengesahkan, Pembimbing I,
Adian Fatchur Rochim S.T., M.T. NIP. 132 205 680 Tanggal. ………………. Pembimbing II,
Trias Andromeda, S.T., M.T, NIP. 132 283 185 Tanggal. ……………….
