IMPLEMENTAS I KONVERT ER FREKUENS I KE TEGANGAN DALAM SISTEM IDENTIFIKAS I AROMA MENGGUNAKAN QUARTZ CR YSTAL MICROBALANCE Muhammad Farih-2207100027 Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknol ogi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Surabaya – 60111
Hidung merupakan suatu indra manusia yang sangat penting untuk mengenal dan mendeteksi berbagai jenis aro ma. Beberapa sampel aro ma yang diuji seperti bensin, alkohol, minyak kayu putih dan minyak tanah mempunyai karakteristik yang khas. Dalam pendeteksian aroma terdapat banyak jenis sensor, salah satunya menggunakan sensor deret Quartz Crystal Microbalance (QCM). Sensor terbuat dari kristal dengan frekuensi resonansi dasar 20 MHz. Tiap sensor QCM diberi zat polimer yang berbeda-beda seperti OV-101, OV-1701, OV25, OV225, PEG-20M , PEG-6000, PEG-4000, dan PEG2000. Frekuensi resonansi akan berubah jika ada uap yang diserap pada permukaan sensor. Pada saat ini pengukuran data sensor dilakukan dengan frekuensi counter, dengan delay 1 detik/kanal. Pada tugas akhir ini, pengamb ilan data sensor menggunakan 32-bit A/D converter ads1281 setelah melewat i frequency to voltage converter, sehingga diharapkan sampling time-nya men jadi lebih cepat. Data sensor yang didapat dari 32-bit A/D converter diakuisisi o leh mikro kontroler ATMega32. Data tersebut dikirim ke PC melalui ko munikasi serial RS232 untuk diidentifikasi. Kata Kunci : Quartz Crystal Microbalance (QCM), identifikasi aro ma, 32-b it A/D converter ads1281. 1.
Pendahul uan Hidung merupakan alat indera manusia yang menanggapi rangsang berupa bau atau zat kimia yang berupa gas. Di dalam rongga hidung terdapat serabut saraf pembau yang dilengkapi dengan sel-sel pembau. Dalam sistem penciu man pada hidung dapat dibuat tiruannya dengan menggunakan beberapa sensor gas sebagaimana serabut syaraf pembau pada hidung. Alat pendeteksi aroma in i banyak sekali kegunaannya. Salah satu fungsi utama tekno logi ini berada dalam industri makanan dan minuman, yaitu untuk memonitor atau mengontrol kualitas suatu produk atau melakukan klasifikasi. Seperti pada proses pembuatan kopi, tembakau ataupun produk yang akan diekspor ke negara asing. Selain itu dapat digunakan di daerah lain seperti minyak bumi untuk analisis kualitatif dan kuantitatif, deteksi bahan peledak, klasifikasi dan degradasi minyak zaitun
penelitian, pengembangan bidang lingkungan detektor bau aplikasi, aplikasi kontrol kualitas dalam industri otomotif, membedakan antara sapi perah bersih dan tercemar, analisis bahan baku kosmetik, serta banyak bidang penting lainnya seperti dalambidang medis dan ruang. Dalam rekayasa pembuatan pembau tiruan ini menggunakan banyak sensor yang tersusun berderet(array) yang diilhami dari struktur hidung yang terdiri dari sel-sel pembau. Pemasangan sensor dengan berderet karena dalam proses identifikasi aro ma tidak dapat menghasilkan data yang akurat apabila hanya menggunakan sebuah sensor. 2. Teori Penunjang 2.1. Quartz Crystal Microbal ance (QCM) Pada 1959, Sauerbrey menunjukkan penemuan yang sangat penting tentang karakteristik kristal kuarsa. Dia menemukan potensi man faat dari kristal kuarsa dan menunjukkan suatu teknologi yang sangat sensitif dengan menunjukkan bahwa pergeseran frekuensi dari kristal yang diamat i o leh banyak peneliti sebelumnya adalah proporsional untuk penambahan massa pada kuarsa kristal. Itu adalah langkah pertama menuju sebuah alat baru untuk mengukur perubahan yang sangat kecil dari massa kristal kuarsa. Dalam beberapa tahun terakhir, telah tumbuh banyak penggunaan kristal kuarsa sebagai sensor gas untuk identifikasi dari odor, parfu m dan aroma. Pemilihan kristal kuarsa (QCM ) sebagai odor sensing karena ukuran kecil, sederhana dan perangkat massa sensitivitas tinggi[1].
Gambar 2.1 Sensor QCM Material seperti kristal kuarsa ini mempunyai sifat unik yaitu mampu menghasilkan
1
tegangan listrik ketika diberi tekanan mekan ikal dan juga sebaliknya, berubah bentuk mekanikalnya ketika diberi tegangan listrik. Sifat ini d ikenal dengan nama efek piezoelectrik. Sifat in ilah yang dimanfaat kan untuk menghasilkan resonansi listrik-mekanik, sehingga kristal akan bergetar pada frekuensi alami tertentu jika diberi tegangan listrik bolak-balik. Frekuensi alami in i d itentukan oleh potongan dan dimensi keping kristal, yang ditetapkan pada saat pembuatan. Jadi struktur dari sensor QCM adalah kristal yang terdapat lapisan SiO2 dan diapit oleh dua elektrode sehingga dapat menghasilkan potensial listrik sebagai respon terhadap tekanan mekanik yang diberikan[2].
Namun, Cu, Cr, Ni, Pt logam dan lainnya juga dapat digunakan. Pada tugas akhir in i d igunakan sensor kristal dengan elektrode yang terbuat dari bahan Kro m. Teori latar belakang untuk menggunakan kuarsa kristal sebagai sensor perubahan massa didasari persamaan Sauerbrey. Pada persamaan Sauerbrey dikatakan bahwa yaitu adanya hubungan antara perubahan massa kristal dengan perubahan frekuensi resonansi kristal[3]. Persamaan Saurb rey dinyatakan sebagai berikut : ∆f=-Cf .∆m
[2.1]
Dimana: ∆f = perubahan frekuensi(Hz) ∆m= perubahan massa per unit area (g/cm2 ) Cf = konstanta kristal yang digunakan (56,6 Hz μg -1 cm2 )
Gambar 2.2 Prinsip Piezoelectric Potongan keping kristal mengacu kepada orientasi sudut pemotongan keping kristal terhadap garis struktur kristalin, dan juga bentuk keping kristal tersebut. Ada banyak standar potongan keping kristal, yang masing-masing mempunyai karakteristik yang berbeda-beda. Sebagai contoh, potongan AT yang populer mempunyai frekuensi fundamental maksimu m yang tidak terlalu tinggi dan koefisien suhu yang cukup baik (berbentuk kurva fungsi kubik). Contoh lain adalah potongan BT, yang mempunyai frekuensi fundamental maksimu m yang lebih tinggi tetapi koefisien suhunya lebih buruk (berbentuk kurva parabolik).
Gambar 2.4 Prinsip QCM Sensitivitas frekuensi osilasi kristal pada suhu, kelembaban, tekanan, kecepatan dan getaran tertentu, akan membuat osilator piezoelekt rik in i digunakan sebagai sensor yang mempunyai tingkat akurasi yang tinggi. Frekuensi osilasi pada kristal tergantung ukuran fisik dan ketebalan dari kristalnya, bila dilapisi dengan sebuah polimer yang dapat menyerap massa mo lekul gas, maka didapat respon yang dinamis dari sensor sehingga membentuk suatu pola tertentu untuk mengklasifikasi gas[4]. Dalam memilih jenis resonator kuarsa yang digunakan sebaiknya diperhatikan bentuk elektrode pada kristal, yaitu persegi panjang, lingkaran kecil dan lingkaran besar, seperti terlihat pada gambar 2.5. Bila sensor digunakan dalam med ia cairan, sebaiknya menggunakan yang persegi panjang dan bila digunakan dalam media udara sebaiknya menggunakan yang lingkaran kecil[5].
Gambar 2.3 Gambar sebelah kiri, yaitu kristal kuarsa alami dan gambar sebelah kanan adalah ilustrasi kristal kuarsa dengan perbedaan sudut potong Bahan Elektrode kristal yang terbuat dari emas biasanya sering digunakan dalam penerapan aplikasi QCM, karena kemudahan dari penguapan Au.
Gambar 2. 5 Bentuk-bentuk elektrode sensor QCM
2
2.2. A/D Converter ADS1281 ADS1281 ini adalah, ch ip tunggal konverter analog-ke-dig ital (ADC) yang mempunyai perfoma tinggi yang dirancang untuk kebutuhan dengan ketelitian yang tinggi, misalnya untuk eksplorasi energi atau pengamatan seismik. ADC ini dikemas dalam bentuk TSSOP(Thin-shrink small-outline package) 24 p in. Konfigurasi pin-pin dari ADC ADS1281 in i adalah sebagai berikut:
Gambar 2.6 Konfigurasi pin ADS1281
Penggunaan ads1281 pada tugas akhir ini dimaksudkan untuk mendeteksi perubahan frekuensi yang sangat kecil. 3. Perancangan Hardware 3.1.1. Blok Diagram Al at Alat yang dibuat terdiri dari beberapa bagian, dimana blok d iagramnya ditunjukkan pada Gambar 3.1.
Perangkat keras dalam Tugas Akhir in i ada beberapa bagian. Bagian-bagian tersebut adalah : 1. Sensor QCM 2. Rangkaian Osilator 3. Rangkaian mixer 4. Rangkaian frequency to voltage converter 5. Rangkaian mu lt iplekser 6. Rangkaian A DC 3.1.2. Perancangan Sensor QCM Sensor QCM dibuat dari bahan kristal yang terdapat lapisan SiO2 dengan dua elektrode yang mengapitnya. Kristal yang digunakan dengan frekuensi resonansi dasar 20 MHz. Pada tugas akhir ini digunakan 8 buah sensor QCM yang diberi lapisan polimer berbeda meliputi yaitu OV-101, OV-1701, OV25, OV225, PEG-20M, PEG-6000, PEG-4000, dan PEG-2000. Polimer merupakan suatu molekul panjang yang terdiri atas banyak blok penyusun yang identik atau serupa yang dihubungkan dengan ikatanikatan kovalen. Bahan polimer yang digunakan mempunyai polaritas yang berbeda berdasar pada ketetapan McReynoldnya[4]. Perancangan mekanik sensor perlu diperhatikan untuk mendapatkan respon yang baik. Perlu diperhatikan, apakah pemberian gas dilaku kan dengan disuntik atau dipo mpa dengan pompa udara. Pada tugas akhir ini cara pemberian gas dengan dipompa sehingga chamber dari sensor diusahakan dengan volume yang kecil. Seperti terlihat pada gambar 3.2.
Gambar 3.2 Sensor QCM 3.1.3. Perancangan Rangkaian Osilator Rangkaian osilator yang digunakan adalah model osilator pierce seperti pada gambar 3.5.
Gambar 3.1 Blok diagram alat Gambar 3.3 Rangkaian Osilator
3
Osilator Pierce menggunakan kristal sebagai rangkaian tangkinya. Pada osilator in i kristal merespon sebagai rangkaian resonansi paralel. Keluaran Pengoperasian osilator didasarkan pada balikan yang dipasang dari kolektor ke basis melalui C1 dan C2 . Kedua transistor memberikan ko mb inasi pergeseran fase sebesar 180°. Keluaran dari inverter akan mengalami pembalikan agar sefase atau sebagai balikan regeneratif. Nilai C1 dan C2 menentukan besarnya tegangan balikan. Sekitar 10 – 50 % dari keluaran dikirim kembali sebagai balikan untuk memberikan energi kembali ke kristal. Jika kristal mendapatkan energi yang tepat, frekuensi resonansi yang dihasilkan akan sangat tajam. Kristal akan bergetar pada selang frekuensi yang sangat sempit. Keluaran pada frekuensi ini akan sangat stabil. Namun keluaran osilator Pierce adalah sangat kecil dan kristal dapat mengalami kerusakan dengan strain mekanik yang terus-menerus[9]. 3.1.4. Perancangan Rangkaian Mi xer Pada tugas akhir in i, kristal yang digunakan untuk sensor QCM me mpunyai frekuensi 20M Hz. Dengan demikian, frekuensi yang dikeluarkan o leh sensor QCM sebesar 20MHz. Dengan frekuensi sebesar ini maka perlu d iturunkan agar mudah untuk diolah dalam proses berikutnya. Salah satu cara untuk menurunkan frekuensi keluaran dari sensor QCM adalah dimasukkan ke dalam rangkaian mixer. Rangkaian ini menggunakan IC D-Flip Flop sebagai dasarnya. Dalam rangkaian in i akan dicari selisih antara frekuensi sensor QCM dengan frekuensi referensi. Rangkaian mixer ditunjukkan dalam ganbar 3.4.
Gambar 3.5 Rangkaian frequency to voltage converter 3.1.6. Perancangan Rangkaian Multi plekser Rangkaian mult iplekser atau disingkat MUX adalah alat atau ko mponen elektronika yang bisa memilih input (masukan) yang akan diteruskan ke ADC. Pemilihan input mana yang dipilih akan ditentukan oleh signal yang ada di bagian kontrol (kendali) selektor. Dala m tugas akhir ini menggunakan IC(integrated circuit) mult iplekser MAX4051. Cara kerja mult iplekser dapat dilihat dari table kebenaran pada tabel 3.1. Table 3.1 Tabel kebenaran mul tiplekser Input Channel E(akt if S2 S1 S0 ON low) 0 0 0 0 Y0 ke Z 0
0
0
1
Y1 ke Z
0
0
1
0
Y2 ke Z
0
0
1
1
Y3 ke Z
0
1
0
0
Y4 ke Z
0
1
0
1
Y5 ke Z
0
1
1
0
Y6 ke Z
0
1
1
1
Y7 ke Z
X
X
X
X
Switch off
Gambar 3.4 Rangkaian Summing 3.1.5. Perancangan Rangkaian f to v converter Dalam pengamb ilan data dari sensor yang berupa frekuensi dikonversi ke dalam data tegangan. Dalam hal ini menggunakan IC LM 331. Dari fungsi asalnya, LM 331 merupakan IC(integrated circuit) voltage to frequency converter, akan tetapi dapat digunakan sebagai frequency to voltage converter, dan rangkaiannya ditunjukkan pada gambar 3.5.
4
Dari tabel kebenaran di atas, maka rangkaian mu ltip lekser adalah sebagai berikut:
Gambar 3.6 Rangkaian mu ltiplekser 3.1.7. Perancangan Rangkaian ADC Pada tugas akhir in i, proses akuisisi data menggunakan IC ADC 32 bit ads1281 dari Texas Instrument. Alasan menggunakan ADC dengan resolusi tinggi dikarenakan perubahan data sensor QCM in i sangat kecil.
Gambar 3.8 Diagram Alir(flowchart) perangkat lunak 4. Pengujian Alat 4.1.1. Pengujian Respon Sensor Pada pengujian ini menunjukkan respon sensor terhadap sampel etanol yang diakuisisi dengan ADC 32 bit ads1281. Kanal 0(OV-101)
Gambar 3.7 Skematik Rangkaian ads1281 3.2. Perancangan Software Perangkat lunak yang dirancang dalam sistem ini terd iri dari dua bagian, yakni perangkat lunak pada mikro kontroler dan perangkat lunak pada PC. Pada mikrokontroler, perangkat lunak dirancang untuk melakukan pengambilan data digital dari rangkaian ADC ads1281 dan mengirimkan ke PC menggunakan ko munikasi serial. Sedangkan perangkat lunak PC dirancang untuk dapat mengolah dan menamp ilkan data secara grafik output dati ADC yang dikirim o leh mikro kontroler ke PC dengan menggunakan komunikasi serial RS232. Tamp ilan grafik pada PC ini akan mempermudah pengguna untuk melaku kan analisa dari data yang didapat. Mengenai rancangan perangkat lunak pada mikro kontroler dapat melihat diagram alir pada gambar 3.6.
Gambar 4.1 Respon sensor 1 Kanal 1(OV-1701)
Gambar 4.2 Respon sensor 2
5
Kanal 2(OV-25)
Gambar 4.3 Respon sensor 3 Kanal 3(OV-225)
Gambar 4.4 Respon sensor 4 Kanal 4(PEG-20 M)
Gambar 4.5 Respon sensor 5 Kanal 5(PEG-6000)
Kanal 6(PEG-4000)
Gambar 4.7 Respon sensor 7 Kanal 7(PEG-2000)
Gambar 4.8 Respon sensor 8 Pengujian 8 kanal
Gambar 4.9 Respon 8 sensor 4.1.2. Pengujian Software Mikrokontroler Program pada mikro kontroler berfungsi sebagai pengontrol proses akuisisi data yang dilakukan o leh ADC ads1281. Disamping itu juga berfungsi untuk mengirimkan data dari mikrokontroler ke PC menggunakan ko munikasi serial RS232.
Gambar 4.6 Respon sensor 6
6
Gambar 3.7 Data ADC Sensor 4.1.3. Pengujian Program pada PC berfungsi sebagai memonitor proses akuisisi data yang dilakukan oleh ADC ads1281. Disamp ing itu juga berfungsi untuk menamp ilkan data dari mikrokontroler ke PC menggunakan ko munikasi serial RS232.
5. Penutup 5.1. Kesimpul an Dari hasil pengujian dan pengukuran seluruh sistem dalam Tugas Akhir in i dapat diambil beberapa kesimpulan dan saran untuk keperluan pengembangan selanjutnya adalah sebagai berikut: 1. Pengujian dengan satu per satu kanal mu ltip lekser dapat mendeteksi perubahan dengan data pada sensor. 2. Pada kanal 1 tidak menunju kkan perubahan data dikarenakan rusak sensor yang berlapis polimer OV-101 tersebut rusak. 3. Hasil dari pengujian dengan mengaktifkan 8 kanal mult iplekser tidak teratur, dikarenakan efek dari perpindahan kanal pada mu ltip lekser. 5.2. Saran Untuk dapat mendeteksi perubahan data dari 8 sensor sekaligus sebaiknya juga menggunakan 8 ADC supaya menghasilkan perubahan data dapat terdeteksi.
Gambar 3.7 Pengujian so ftware pada PC
7
DAFTAR PUS TAKA [1] Nakamoto,T., dan Moriizimi, T. 1998. ” Odor sensor using quartz-resonator array and neuralnetwork pattern recognition”, Proceeding Ul trason. Symp. [2] Saldiro Doni, (2009), ”Mengenal Ko mponen Dasar Kristal”, Majalah Elektronika Online. [3] Jie Han, 2006. “Technical background, applications and i mplementation of quartz crystal microbal ance systems”, University of Jyvaskyla Depart ment of Physics. [4] Nakamu ra M. and Sugimoto Iwao, (1999), ”A Neural Net work Model for an Electronic Nose Based on QuartzCrystal Microbalance Sensors”, IEEE Proceeding on Artificial Neural Network. No. 470. [5] Anderson Hendrik, et al, (2006), ”Quart z crystal microbalance sensor design I. Experimental study of sensor response andperformance”, Sensors and Actuators Elsevier B. Vo l. 123. issue 1. p.21-26. [6] Rivai, M ., Ju wono, H., dan Mujiono T., 2008. “Prototipe Sistim Penciu man Elektronik Menggunakan Deret Kristal SiO2 Terlapis Polimer dan Neural Net work”. ITS-Research. [7] …“QCM100-Quartz Crystal Microbal ance Theory and Cali bration”,
. [8] Bejo Agus, 2007, C&AVR Rahasia Kemudahan B ahasa C dalam Mikrokontroler ATMega8535,2007, Graha Ilmu , Yogyakarta. [9] ...“Rangkaian Osilator ”, [10] Laros Edu, 2007. ”Ko munikasi Serial Mikrokontroler denganPC (PC)”, Artikel Pembelajaran Mikrokontroler. [11] Setiawan Rach mad,2008.” Teknik Akuisisi Data”,Graha Ilmu, Yogyakarta.
RIWAYAT HIDUP PENULIS Muhammad Farih dilahirkan di Tuban, 28 Mei 1987. Merupakan anak pertama dari t iga bersaudara pasangan Bapak Muchtar dan Ibu Mahmudah. Penulis memu lai pendidikan di MI Salafiyah Merak Urak, Tuban, akan tetapi hanya sampai kelas 4. Setelah itu penulis melanjutkan di SD Islam Tuban. Lalu melanjutkan di MTs Manbail Futuh Beji, Jenu, Tuban. Penulis menempuh jenjang pendidikan selanjutnya di MAN Darul Ulu m Rejoso,Peterongan, Jombang. Pada tahun 2007 penulis diterima di jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Su rabaya melalui jalu r SPM B. Selanjutnya penulis mengambil konsentrasi Bidang Studi Elekt ronika pada Jurusan Teknik Elektro ITS Surabaya sebagai pilihan terbaik. Selain akitf sebagai asisten praktiku m dan koordinator laboratoriu m, penulis juga aktif sebagai tim robot ITS sejak tahun 2008 sampai dengan tahun 2010.
8
