1
Fibusi (JoF) Vol. 2 No. 1, April 2014
SISTEM PENDETEKSI KADAR ALKOHOL BERBASIS MIKROKONTROLLER PADA MINUMAN BERALKOHOL DENGAN TAMPILAN LCD A. F. Mustapa1, Waslaluddin2*, A. Aminudin3* 1,2,3
Jurusan Pendidikan Fisika, Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Pendidikan Indonesia (UPI)
[email protected],
[email protected],
[email protected] ABSTRAK
Menurut Peraturan Menteri Kesehatan Republik Indonesia No.86/1977, minuman beralkohol dibedakan menjadi 3 golongan yaitu Golongan A dengan kadar alkohol 15%, Golongan B dengan kadar alkohol 5-20%, dan Golongan C dengan kadar alkohol 20-55%. Untuk mengetahui kadar alkohol pada minuman beralkohol perlu melakukan pengujian di laboratorium. Alat yang digunakan di laboratorium tersebut memiliki dimensi yang cukup besar dengan harga yang mahal. Karena itu perlu dirancang sebuah sistem yang memiliki dimensi kecil, harga relatif murah, dan mudah menggunakannya. Sehingga masyarakat dapat menggunakan sistem tersebut untuk mengetahui kadar alkohol pada suatu minuman beralkohol. Sistem yang akan dirancang ini terdiri dari beberapa komponen, yaitu sensor gas MQ-3 untuk mendeteksi uap alkohol sampel, rangkaian buffer, mikrokontroler ATMega16, dan LCD (Liquid Crystal Display). Mikrokontroler sebagai kendali utama pada sistem ini akan mengolah data dari output sensor berupa tegangan analog yang sebelumnya melewati rangkaian buffer, kemudian menghasilkan persentase kadar alkohol yang ditampilkan pada LCD. Dari hasil pengujian dan kalibrasi, sistem yang dirancang dapat mengukur kadar alkohol berupa persentase dan dapat menentukan golongan sesuai peraturan MENKES RI. Untuk golongan A dengan kadar alkohol 1-5%, error pengukuran sistem sebesar 0,27%. Untuk golongan B dengan kadar alkohol 5-20%, error pengukuran sistem sebesar 0,21%. Untuk golongan C dengan kadar alkohol 2055%, error pengukuran sistem sebesar 0,11%. Kata Kunci : Kadar Alkohol, Sensor MQ-3, LCD Chart 20x4, Mikrokontroler ATMega16
*
Penulis penanggung jawab
2
A.F. Mustapa, dkk., -Sistem Pendeteksi Kadar Alkohol...
ABSTRACT ALCOHOL LEVEL DETECTION SYSTEM BASED OF MICROCONTROLLER ON ALCOHOL BEVERAGES WITH LCD DISPLAY According to the Ministry of Health Regulations Republic of Indonesia No.86/1977, alcohol beverages can be divided into three groups, namely Group of A with 1-5% alcohol level, Group of B with alcohol levels of 5-20%, and Group of C with 20-55% alcohol levels. To determine levels of alcohol in alcohol beverages need to do the testing in the laboratory. The tools used in the laboratory to have a fairly large dimensions at expensive prices. Because it is need to be designed a system that has small dimensions, the price is relatively cheap, and easy to use. So that people can use the system to determine the alcohol levels a alcohol beverages. The system to be designed consists of several components, that is MQ-3 gas sensor to detect alcohol vapor samples, the buffer circuit, microcontroller ATmega16, and LCD (Liquid Crystal Display). Microcontroller as the main control on the system will process data from sensors in the form of an analog voltage output that previously passed through circuits buffers, then generate percentages alcohol levels displayed on the LCD. From the results of testing and calibration, the system is designed to measure the alcohol levels in the form of a percentage and can determine the appropriate class Indonesian Minister of Health regulations. For class A with a 1-5% alcohol levels, the system of measurement error of 0.27%. For class B with 5-20% alcohol levels, the system of measurement error of 0.21%. For category C with 20-55% alcohol levels, the system of measurement error of 0.11%. Keywords : Levels of Alcohol, Sensor MQ-3, LCD Chart 20x4, Microcontroller ATmega16.
PENDAHULUAN Penggunaan alkohol (Etanol) sebagai salah satu komposisi dalam suatu minuman sudah dikenal luas. Sekarang minuman beralkohol dapat kita temui di minimarket. Setiap orang mempunyai batas toleransi terhadap alkohol yang dikonsumsinya. Apabila orang tersebut mengkonsumsi secara berlebih, maka akan terjadi dampak buruk bagi kesehatan. Diantaranya, merusak sistem kinerja otak, gangguan jantung, penyakit kanker, keracunan, bahkan kematian. Selain berdampak buruk bagi kesehatan, mengkonsusmsi alkohol secara berlebih mengakibatkan gangguan mental. Gangguan mental ini akan mengakibatkan perubahan perilaku seperti bertindak
kasar, mudah marah, bahkan dapat melakukan pelanggaran atau tindakan kriminal. Negara Republik Indonesia membuat kebijakan dalam menggolongkan kadar alkohol. Menurut MENKES No.86/1977. Golongan tersebut adalah, 1) Golongan A Kadar alkohol 1-5%, 2) Golongan B Kadar alkohol 5-20%. C) Golongan C Kadar alkohol 20-55%. Berdasarkan adanya klasifikasi kadar alkohol tersebut, maka dibutuhkan alat ukur kadar alkohol yang bermanfaat untuk mengetahui kadar alkohol pada minuman. Sehingga dapat mengetahui kehalalan suatu minuman. Selain itu alat ukur kadar alkohol dapat mengetahui minuman yang memiliki kadar alkohol
Fibusi (JoF) Vol. 2 No. 1, April 2014 3
yang sesuai klasifikasi golongan yang sudah dibuat oleh MENKES. Sekarang teknologi sudah sangat berkembang pesat. Sehingga dengan adanya perkembangan teknologi tersebut dapat membantu kehidupan manusia menjadi lebih efektif dan efisien. Teknologi digunakan sebagai suatu sarana untuk memenuhi kebutuhan hidup manusia. Sebagian teknologi sekarang ini merupakan penerapan dari teknologi sains untuk kehidupan sehari-hari. Teknologi sains lahir dari pemikiran manusia yang ingin selalu memberikan manfaat dan kemudahan dalam kehidupan yang semakin kompleks. Salah satu contoh perkembangan teknologi adalah sistem pendeteksi kadar alkohol berbasis mikrokontroler. Untuk mengetahui kadar alkohol pada minuman beralkohol tidak bisa diketahui secara langsung, perlu melakukan pengujian di laboratorium. Alat yang digunakan di laboratorium memiliki dimensi yang cukup besar dengan harga yang mahal. Karena itu perlu dirancang sebuah sistem yang memiliki dimensi kecil, harga relatif murah, dan penggunaan yang mudah. Sehingga masyarakat dapat menggunakan sistem tersebut untuk mengetahui kadar alkohol pada suatu minuman. Sistem yang akan dirancang ini terdiri dari beberapa komponen, yaitu sensor gas MQ-3 untuk mendeteksi uap alkohol sampel, rangkaian buffer, mikrokontroler ATMega16, dan LCD (Liquid Crystal Display). Mikrokontroler sebagai kendali utama pada sistem ini akan mengolah data dari output sensor berupa tegangan analog yang sebelumnya melewati rangkaian buffer, kemudian menghasilkan persentase kadar alkohol yang ditampilkan pada LCD. METODE Dalam proses perancangan sistem terbagi menjadi 2 bagian. Perancangan
perangkat keras (Hardware) dan perancangan perangkat lunak (software). Perancangan Perangkat Keras Pembuatan Sampel Alkohol Pembuatan sampel alkohol berdasarkan rumus reaksi pengenceran larutan. Pengenceran biasanya dilakukan dengan cara mengambil larutan yang mempunyai konsentrasi dan volume tertentu, setelah itu ditambah dengan pelarut sampai volumenya sesuai dengan yang diharapkan.
Keterangan : Vi : Volume konsentrasi alkohol yang diambil (mL). Ni : Persentase konsentrasi yang akan dibuat (%). Va : Volume larutan yang dibuat (mL). Na : Persentase konsentrasi yang tersedia (%).
Rangkaian Buffer Rangkaian buffer merupakan rangkaian yang dapat menghasilkan nilai tegangan output sama dengan nilai tegangan input. Karena itu rangkaian ini akan memiliki penguatan satu kali.
Gambar 1. Rangkaian Buffer Interfacing LCD dengan Mikrokontroler LCD digunakan sebagai display dari sistem pendeteksi konsentrasi alkohol berupa persentase. Berikut skema interfacing LCD dengan mikrokontroler.
4
A.F. Mustapa, dkk., -Sistem Pendeteksi Kadar Alkohol...
Gambar 2. Interfacing LCD dengan Mikrokontroler Perancangan Case Sistem Perancangan desain untuk case sistem pendeteksi konsentrasi alkohol memiliki ukuran yang kecil. Selain menjadikan sistem mempunyai tampilan yang menarik, case juga mempunyai tujuan agar dapat menjaga sistem tersebut dari kerusakan. Bahan yang digunakan untuk membuat case adalah acrylic. Berikut desain case sistem.
2. Sensor gas MQ-3 berfungsi sebagai pendeteksi konsentrasi alkohol yang terkandung pada minuman dari uap alkohol. 3. Rangkaian pengkondisi sinyal berfungsi untuk menstabilkan tegangan dari sensor gas MQ-3 dengan menggunakan IC LM324. 4. Mikrokontroler AVR ATMega16 adalah komponen utama yang berfungsi sebagai pusat kendali dalam sistem. Komponen ini juga berfungsi sebagai tempat pengolahan data yang akan diproses baik dari sensor (Input) maupun LCD (Output). 5. LCD (Liquid Crystal Display) berfungsi sebagai penampil data berupa persentase secara visual. Pembuatan Flowchart Pembuatan flowchart digunakan sebagai alur dalam pembuatan program. Berikut flowchart yang dibuat.
Gambar 3. Desain Case Sitem Perancangan Perangkat Lunak Diagram Blok Sistem Diagram blok sistem merupakan gambaran alur dari proses kerja sistem. Hal ini diperlukan untuk mengetahui fungsi dari masing-masing komponen yang menyusun sistem.
Gambar 4. Diagram Blok Sistem 1. Sampel minuman beralkohol sebagai objek yang akan diukur.
Gambar 5. Flowchart Program Pembuatan Program Program yang dibuat dengan menggunakan BASCOM-AVR. Program yang sudah dibuat tersebut kemudian didownload ke mikrokontroler dengan bantuan Downloader.
Fibusi (JoF) Vol. 2 No. 1, April 2014 5
HASIL DAN PEMBAHASAN Dalam perancangan sistem ini dilakukan beberapa pengujian terhadap komponen penyusun sistem. Pengujian Sensor Pengujian sensor gas (etanol) MQ-3 dilakukan untuk melihat perubahan tegangan output sensor yang dihasilkan ketika terjadi perubahan konsentrasi alkohol. Sensor diberi tegangan sebesar 4.9 volt DC, dan diletakkan pada sebuah wadah tertutup berbentuk tabung. Ketika pertama kali sensor diberi tegangan, sensor membutuhkan waktu selama ± 5 menit untuk mencapai nilai stabil. Setelah nilai tegangan stabil, sampel larutan disimpan pada tabung tersebut dengan jarak ± 2 cm dari sensor. Untuk mengetahui perubahan tegangan dari konsentrasi alkohol digunakan voltmeter yang terhubung dengan keluaran sensor. Waktu yang dibutuhkan untuk setiap pengukuran masing-masing sampel adalah 60 detik. Setelah 60 detik, catat nilai tegangan yang tampil pada voltmeter. Setiap pergantian sampel alkohol yang diuji, sensor dibiarkan terbuka dari tabung pengujian sampai tegangan kembali pada nilai awal. Hal tersebut dikarenakan semakin banyak konsentrasi alkohol yang diuji sensor, maka semakin banyak pula uap alkohol yang terdeteksi. Sehingga sensor membutuhkan waktu ± 1 – 15 menit untuk dapat kembali pada nilai tegangan awal, tergantung uap alkohol yang terdeteksi ketika pengujian. Dalam selang waktu tersebut, sensor melakukan sterilisasi dari uap alkohol yang tersisa di sekitar sensor.
Gambar 6. Skema Pengujian Sensor Tabel 1 Pengujian Sensor Konsentrasi No Alkohol (%) 1. 0 2. 7 3. 10 4. 20 5. 30 6. 40 7. 50 8. 60 9. 70
V (Volt) 0,10 1,22 1,32 2,10 2,51 2,63 2,76 2,86 2,99
Dari data tersebut dapat dibuat menjadi grafik hubungan antara konsentrasi alkohol / K (variabel bebas) terhadap tegangan output sensor / V (variabel terikat).
Gambar 7. Grafik K terhadap V Dari hasil pengujian sensor memperlihatkan bahwa sensor gas MQ-3 dapat bekerja dengan baik, karena dapat
6
A.F. Mustapa, dkk., -Sistem Pendeteksi Kadar Alkohol...
memberikan tegangan output yang berbeda setiap konsentrasi alkohol yang diujikan. Dari hasil grafik pada Gambar 6 akan didapatkan sebuah persamaan garis. Persamaan garis tersebut mempresentasikan perubahan konsentrasi alkohol (K) terhadap tegangan (V). Persamaan yang didapatkan sebagai berikut:
6.
4,22
4,21
1
7.
4,50
4,51
1
8.
4,92
4,92
1
9.
5,20
5,20
1
10.
5,50
5,50
1
Dengan cara sekali menurunkan persamaan V terhadap K (konsentrasi alkohol), didapatkan nilai sensitivitas sensor. Gambar 9. Grafik Vin terhadap Vout Dari hasil pengukuran didapatkan jangkauan pengukuran 2,89 Volt untuk konsentrasi alkohol 0% - 70%. Pengujian Rangkaian Buffer Dalam pengujian rangkaian buffer dilakukan dengan cara memberikan tegangan input yang berbeda, kemudian mengukur tegangan output menggunakan voltmeter.
Gambar 8. Skema Pengujian Rangkaian Buffer Tabel 2. Pengujian Rangkaian Buffer Vinpu Voutput No Gain (Volt) (Volt) 1. 0,00 0,00 1 2.
2,34
2,34
1
3.
2,67
2,67
1
4.
3,20
3,19
1
5.
3,81
3,80
1
Pengujian ADC (Analog to Digital Converter) ADC berfungsi sebagai pengubah sinyal tegangan analog menjadi digital. Sehingga dapat diproses oleh mikrokontroler. Resolusi ADC dinyatakan sebagai jumlah bit-bit dalam kode keluaran digitalnya. Semakin tinggi resolusi ADC, maka semakin banyak kemungkinan nilai analognya. Mikrokontroler yang digunakan dalam pembuatan sistem pendeteksi konsentrasi alkohol dalam mikrokontroler AVR ATMega16. Mikrokontroler AVR ATMega16 memiliki fitur ADC sebanyak 8 channel dengan resolusi 10 bit. Resolusi 10 bit memiliki 210 kode digital, atau setara dengan 1024. Sehingga mikrokontroler AVR ATMega16 dapat menghasilkan bilangan 0 – 1023 (1024 bilangan dan 1023 step).
Keterangan : ADC : Nilai digital (Desimal) Vinput : Tegangan input ADC (Volt) Vref : Tegangan referensi ADC (Volt)
Fibusi (JoF) Vol. 2 No. 1, April 2014 7
downloader. Setelah proses tersebut selesai, maka program akan tersimpan pada mikrokontroler. LCD akan dapat menampilkan teks yang sesuai dengan program yang dibuat.
Gambar 10. Skema Pengujian ADC Pada pengujian ADC yang dilakukan, tegangan referensi yang digunakan sebesar 4,9 volt. Pengujian ini dilakukan dengan memberikan tegangan input yang berbeda-beda dari perubahan potensiometer. Kemudian mencatat tegangan input tersebut. Setelah itu, akan tampil bilangan desimal pada LCD yang diperoleh dari hasil konversi oleh ADC. Tabel 3. Pengujian ADC (Analog to Digital Converter) Vinput ADC No. Binner (Volt) (Desimal) 1. 0,00 0 0000000000 2. 0,05 12 0000001100 3. 0,15 32 0000100000 4. 0,50 106 0001101010 5. 1,05 220 0011011100 6. 2,32 485 0111100101 7. 2,59 542 1000011110 8. 3,47 723 1011010011 9. 4,37 913 1110010001 10. 4,89 1023 1111111111 Pengujian Interfacing LCD dengan Mikrokontroler Pengujian interfacing LCD dengan mikrokontroler AVR ATMega16 dilakukan dengan cara membuat program terlebih dahulu dengan menggunakan software BASCOM pada PC. Program yang dibuat akan menampilkan teks pada LCD. Setelah membuat program, kemudian memasukan program tersebut dengan menggunakan
Gambar 11. Skema Pengujian Interfacing LCD dengan Mikrokontroler
Gambar 12. Tampilan LCD Sesuai Program Pembuatan Program Pembuatan program harus berdasarkan flowchart dan menggunakan parameter dari hasil pengujian sensor. Dari pengujian sensor didapatkan persamaan yang menjadi dasar untuk pengolahan data. Persamaan tersebut didapatkan dengan cara mengubah variabel terikat menjadi variabel bebas.
Pada persamaan tersebut menunjukkan perubahan tegangan (V) yang akan mempengaruhi nilai konsentrasi alkohol (K). Dengan persamaan tersebut maka, tegangan output sensor akan dapat diolah dan dikonversi melalui ADC sehingga mendapatkan persentase konsentrasi alkohol yang akan ditampilkan pada LCD. Kemudian setelah mendapatkan nilai konsentrasi alkohol berupa persentase, langkah selanjutnya adalah program akan menggolongkan persentase konsentrasi
8
A.F. Mustapa, dkk., -Sistem Pendeteksi Kadar Alkohol...
alkohol sesuai golongan tertentu. Golongan konsentrasi alkohol dibagi menjadi 3, Golongan A dengan konsentrasi alkohol 1% - 5%, Golongan B dengan konsentrasi alkohol 5% - 20%, dan Golongan C dengan konsentrasi alkohol 20% - 55%.
Tabel 4. Hasil Kalibrasi Sistem Untuk Golongan A Alkoholmeter Sistem Error No (%) (%) (%) 1. 7 5,14 0,27 Golongan A dengan kadar 1-5% diwakili oleh sampel 7%, dan hasil kalibrasi didapatkan error sebesar 0,27.
Gambar 13. Skema Pembuatan Program Kalibrasi Kalibrasi sistem merupakan proses yang bertujuan untuk mengetahui kebenaran dari hasil pengukuran yang dilakukan sistem. Sehingga mendapatkan nilai yang mendekati atau sama dengan nilai sebenarnya. Dalam proses kalibrasi ini dilakukan dengan cara, membandingkan nilai konsentrasi yang ditunjukkan oleh sistem pada tampilan LCD dengan nilai konsentrasi larutan alkohol yang sebenarnya. Nilai konsentrasi sebenarnya didapatkan dari pengukuran menggunakan alkohometer. Alkoholmeter merupakan alat ukur alkohol yang sudah diakui secara internasional, sehingga hasil pengukurannya sudah dianggap valid. Dari hasil kalibrasi ini nanti akan didapatkan nilai error sistem yang menunjukkan keakuratan sistem dalam melakukan pengukuran. Sistem ini diprogram selain dapat mengukur konsentrasi alkohol berupa persentase, dapat juga menggolongkan nilai persentase konsentrasi alkohol sesuai dengan peraturan pemerintah. Karena itu, proses kalibrasi dibagi sesuai golongan konsentrasi alkohol. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan akurasi pengukuran untuk setiap keadaan. Berikut hasil kalibrasi yang dilakukan.
Tabel 5. Hasil Kalibrasi Sistem Untuk Golongan B Alkoholmeter Sistem Error No (%) (%) (%) 1. 7 5,14 0,27 2. 11 8,67 0,21 3. 19 16,32 0,14 Error Rata-Rata 0,21 Untuk golongan B dengan kadar 520% diwakili oleh sampel 7-19%, dan hasil kalibrasi didapatkan error rata-rata sebesar 0,27. Tabel 6. Hasil Kalibrasi Sistem Untuk Golongan C Alkoholmeter Sistem Error No (%) (%) (%) 1. 19 16,32 0,14 2. 29 26,57 0,08 3. 41 38,17 0,07 4. 50 42,12 0,16 Error Rata-Rata 0,11 Kemudian golongan C dengan kadar 20-55% diwakili oleh sampel 1950%, dan hasil kalibrasi didapatkan error rata-rata sebesar 0,11. KESIMPULAN Dari hasil pengujian sistem dan analisis yang sudah dilakukan, maka dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Sistem pendeteksi kadar alkohol yang sudah dibuat dapat mendeteksi kadar
Fibusi (JoF) Vol. 2 No. 1, April 2014 9
alkohol pada range 0% sampai dengan 55% dari minuman. 2. Sistem pendeteksi kadar alkohol berbasis mikrokontroler AVR ATMega16 dapat menampilkan persentase kadar alkohol pada LCD sesuai dengan program yang sudah dirancang. 3. Error dari hasil pengukuran sistem untuk Golongan A 1-5% sebesar 0,27. Golongan B 5-20% sebesar 0,21. Golongan C 20-55% sebesar 0,11%. DAFTAR PUSTAKA Andrianto, Heri. (2008). Pemrograman Mikrokontroler AVR ATMEGA16 Menggunakan Bahasa C (CodeVisionAVR). Bandung: Informatika Bandung. Winoto, Ardi. (2010). Mikrokontroler AVR ATmega8/16/32/8535 dan Pemrogramannya dengan Bahasa C pada WinAVR. Bandung: Informatika Bandung. Budiharto, Widodo. (2011). Aneka Proyek Mikrokontroler. Yogyakarta: Graha Ilmu. Pitowarno, Endra. (2005). Mikroprosesor dan Interfacing. Yogyakarta: Andi. Budiastra, I.N., Jayamiharja, I.M., Negara, IG.A.M. (2009). “Rancang Bangun Alat Ukur Kadar Alkohol Pada Minuman Berbasis Mikrokontroler AT89S51”. Jurnal Teknologi Elektro. 8, (1), 31-37. Satria, A.V., Wildan. (2013). “Rancang Bangun Alat Ukur Kadar Alkohol Pada Cairan Menggunakan Sensor MQ-3 Berbasis Mikrokontroler AT89S51”. Jurnal Fisika Unand. 2, (1), 13-19.
