IV. ANALISIS PERANCANGAN Penggunaan alat pertanian yang erat hubungannya dengan faktor mekanis tanah akan sangat menentukan tindakan pengolahan tanah. Selain itu sifat mekanis yang dimiliki tanah berbeda-beda karena tanah di setiap lokasi memilki jenis tanah yang berbeda sehingga pangukuran kekuatan tanah sangat diperlukan. Analisis rancangan penetrometer digital yang digunakan terbagi menjadi analisi fungsional dan struktural. Untuk mengukur kekuatan tanah dapat menggunakan penetrometer.
A.
ANALISIS KOMPONEN ELEKTRONIKA PADA PENETROMETER
Perancangan penetrometer digital harus memperhatikan aspek keteknikan agar pembuatan alat tersebut sesuai dengan hasil rancangan. Analisis fungsional perancangan penetrometer digital terdiri dari analisis pengukuran gaya penetrasi tanah, analisis pengukuran kedalaman tanah, dan analisis pengukuran suhu.
A.1. Analisis Fungsional Pengukuran Gaya Penetrasi Pengukuran gaya penetrasi merupakan salah satu syarat yang dibutuhkan untuk mengetahui cone indeks dari penetrasi tanah. Untuk mengetahui penetrasi tanah harus memberikan gaya luar sehingga tanah akan memberikan reaksi berupa penetrasi tanah. Menurut Wesley (1977), dengan menekan atau memukul berbagai macam alat ke dalam tanah, dan mengukur besarnya gaya atau jumlah pukulan yang diperlukan dapat menentukan dalamnya berbagai lapisan yang berbeda, dan mendapatkan indikasi mengenai kekuatannya. Dari dua alternatif tersebut, untuk mendapatkan nilai penetrasi tanah yang dipilih adalah menekan tanah karena menekan tanah tidak menimbulkan diharapkan tidak menimbulkan deformasi pada alat. Selain itu, dengan menggunakan proses menekan tanah tidak menimbulkan getaran yang lebih besar dari pada proses memukul untuk memperoleh kekuatan tanah. A.1.1. Analisis fungsional menekan tanah Menekan alat ke tanah adalah memberikan tenaga tekan ke dalam tanah sehingga alat dapat memberikan aksi berupa gaya tekan tanah. Dari sumber tenaga untuk menekan tanah dapat menggunakan berbagai macam alaternatif, antara lain: dengan menggunakan tenaga manusia, tenaga hewan, atau dengan menggunakan tenaga mesin. Pada penelitian ini untuk menekan tanah dipilih menggunakan tenaga manusia. Menurut widodo (1980) melakukan penetrasi tanah latosol Darmaga, mendapatkan bahwa tahanan penetrasi maksimum pada kedalaman 30 cm adalah 13.79 kgf/cm2.. Pengukuran dilakukan pada kadar air mendekati kapasitas lapang, yaitu dua hari setelah hujan lebat. Dapat diartikan bahwa penetrasi tanah tidak terlalu membutuhkan tenaga yang besar untuk dapat menekan ke dalam tanah. Pemilihan tenaga manusia akan lebih efektif karena tenaga manusia dapat dikontrol dari pada tenaga hewan, sedangkan tenaga mesin akan lebih rumit pada saat pembuatan. Dengan menggunakan tenaga manusia dengan tangan maka diperlukan pegangan agar tenaga manusia dapat ditransmisi ke alat penetrasi tanah.
31
Gaya tekan tanah diukur untuk menjadi acuan nilai penetrasi berbagai macam tanah. Dari pengukuran tersebut maka didapat variasi kekuatan tanah dari berbagai tempat. Untuk mengukur gaya tekan tanah dengan menggunakan tenaga manusia ada berbagai macam cara untuk mengukur ketahanan tanah yaitu menggunakan prinsip pegas menggunakan elemen tahanan listrik (strain gage), monometer kolom cair, menggunakan spindle, elemen bordon, dan sistem pressure gage. Pengukuran gaya tekan manusia yang diharapkan adalah dapat ditampilkan secara langsung dan pengukuran dapat direkam serta dapat dilihat kembali. Untuk itu strain gage merupakan salah satu sistem pengukuran yang sangat cocok untuk hal tersebut karena strain gage adalah elemen tranduser yang dapat merubah perubahan dimensi linier (panjang perpindahan, pergerakan) menjadi perubahan tahanan listrik. Bebarapa kelebihan strain gage antara lain:a) ukurannya kecil dan mudah dipasang. b) Ketelitiannya sangat tinggi. c) Daerah pengukurannya sangat lebar. d)Kestabilnya ssangat tinggi dan kelurannya dapat dikondisikan dengan mudah. e) Tidak peka terhadap getaran dan kejutan. f) kecepatan responnya tinggi, sehingga dapat digunakan untuk pengukuran tekanan dinamik. Karena tenaga manusia terbatas dan tidak telalu besar maka diperlukan peletakkan strain gage yang membaca gaya tekan yang dihasilkan oleh tenaga manusia. Peletakan strain gage dapat mengukur tenaga tekan secara vertikal sehingga pembacaan tenaganya akan lebih akurat. Ada berbagai macam cara peletakan strain gage antara lain pada batang atau kolom metal, elemen diafragma metal, elemen tabung bourdon, dan ring tranduser. Pada peletakan strain gage, sistem ring tranduser dipilih karena bentuk ring tranduser mudah dibuat serta ring tranduser dapat membaca rengangan dan tegangan yang kecil. Ada berbagai macam produk sensor yang digunakan yaitu strain gage 120 ohm, gage 350 ohm, gage 500 ohm, strain gage DT3747. Prinsip kerja dari dari seluruh strain sama yaitu mengukur resistansi dari elastisitas besi yang ditempelkan. Strain gage yang digunakan pada penelitian adalah menggunakan strain gage KFG 120 ohm. karena harga tahanan gage 120 ohm menghindari kawat gage terlalu berlebih. Salain itu, pabrikasi KFG 120 ohm lebih banyak sehingga mudah ditemukan dan harganya lebih murah.
B.1. Analisis pengukur kedalaman tanah Gaya penetrometer menunjukkan pembacaan per unit luas penampang lintang menunjukkan kekuatan relatif tanah yang berbeda dan keragaman terhadap kedalaman pada suatu kondisi tanah tertentu (Kepner, Bainer, dan Barger, 1982). Pengukuruan kedalaman tanah dilakukan untuk mengetahui hubungan kedalaman tanah dengan nilai penetrasi. Nilai kedalaman tanah dilakukan dengan menancapkan cone sampai masuk ke dalam tanah. Nilai kedalaman tanah tergantung pengguna menancapkan cone ke tanah. Ada berbagai alternatif untuk mengukur kedalaman tanah antara lain: menggunakan batang terukur, meteran roll, ultrasonik, infrared, Sensor Linier Variable Differential Transformers. Alternatif tersebut yang akan digunakan berdasarkan alasan antara lain: dapat diukur dengan mudah dan dapat disimpan ke dalam penyimpan. Berdasarkan pertimbangan tersebut maka sensor ultrasonik yang menjadi pilihan. Kelebihan sensor ultrasonik yaitu jangkauan sensor ultrasonik dalam menditeksi objek penghalang relatif luas dibandingkan dengan sensor infrared. Dalam hal ini jika objek tidak tegak lurus dengan sensor 32
ultrasonik, masih dapat terdeteksi keberadaan objek tersebut. Radiasi dari gelombang ultrasonik yang dipancarkan tidak berbahaya. Pengukuran nilai kedalaman yang digunakan adalah sensor ultrasonik. Ultrasonik adalah sensor yang berfungsi untuk mengukur jarak dengan cara memancarkan sinyal ultrasonik. Modul ultrasonik yang ukurannya cukup kecil dan mempunyai jarak pengukuran yang bervariasi minimal bisa 2 cm dan maksimal bisa mencapai lebih dari 6 m. Keluaran modul sensor ultrasonik yaitu berupa pulsa dengan satuan ms atau us yang lebarnya tergantung dari jenis modul ultrasonik. Sensor ultrasonik ada berbagai macam tipe antra lain: Ultrasonik SRF04, Ultrasonik PING, dan DT ultrasonik ranger. Prinsip kerja dari sensor tersebut sama akan tetapi penggunaan dari penilitan ini adalah adalah DT ultrasonik ranger. Pemilihan DT ultrasonik ranger ini berdasarkan pertimbangan kemudahan dalam penggunaan pemrograman dalam pembacaan sensor ultrasonik ranger. Selain itu, sensor ini memiliki akurasi kedalaman yang besar dari pada modul sensor ultrasonik yang lain yaitu bisa mencapai 2 cm.
C.1. Analisis pengukuran suhu Pengukuran suhu adalah mengukur tingkatan suhu yang terjadi, satuan suhu memiliki satuan yang bermacam-macam antara lain: Celcius, Farenhait, Kelvin, Reamur. Namun berdasarkan satuan suhu yang digunakan adalah Celcius. Pengukuran suhu digunakan untuk mengetahui nilai suhu lingkungan. Suhu lingkungan ini berguna untuk mengetahui apakah suhu lingkungan dapat mempengaruhi pengukuran sensor kedalaman. Ada banyak alternatif untuk mengukur suhu lingkungan, antara lain: Termometer, dan sensor suhu. Pengukuran suhu yang diharapkan yaitu dapat ditampilkan secara langsung dan dapat direkam secara otomatis serta memiliki ketelitian yang lebih baik. Berdasarkan pertimbangan tersebut maka sensor suhu adalah salah satu alternatif yang cocok dengan kriteria yang diinginkan. Sensor suhu adalah sensor yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. Sensor suhu digunakan untuk mengukur suhu lingkungan dapat mengukur suhu suhu 0 oC sampai 100 oC. ada berbagai macam alternatif sensor suhu yang digunakan untuk mengukur suhu lingkungan antara lain: Termistor, Resistance Temperature Detectore (RTD), dan LM35. Dari alternatif tersebut, untuk mengukur suhu digunakan LM35. Sensor suhu yang digunakan adalah jenis sensor suhu LM35 karena berdasarkan pertimbangan pengukuran suhunya dapat mengukur suhu 0 oC sampai 100 oC, selain itu, sensor suhu LM35 memiliki keluaran sinyal yang linier sehingga tidak perlu pengkalibrasian ulang dan harga sensor LM35 tidak terlalu mahal.
D.1. Analisis pengubahan sinyal keluaran penetrasi, kedalaman, dan suhu D.1.1. Analisis pengubahan sinyal pada nilai penetrasi Pengukuran penetrasi tanah dengan menggunakan strain gage. Strain gage adalah elemen tranduser yang dapat merubah perubahan dimensi linier (panjang perpindahan, pergerakan) menjadi perubahan tahanan listrik. Keluaran tegangan strain gage sangat kecil dengan keluaran sampai milivolt. Hal ini, tidak bisa dibaca dengan alat ukur. Untuk itu, perlu adanya penguat yang bisa meningkatkan nilai keluaran tegangan dari strain gage. 33
Oprasional Amplifier atau disingkat Op amp adalah peranti solid yang berfungsi untuk memperkuat sinyal masukan baik DC maupun AC. Keluaran tengangan pada strain gage sangatlah kecil sehingga tidak bisa dibaca perbesaran tegangan yang keluar pada strain gage sehingga dengan bantuan penguat Op amp maka strain gage dapat dibaca perbesarannya. Sebelum strain gage masuk ke penguat, strain harus melewati jembatan Wheatstone terlebih dahulu karena keluaran tengan yang dihasilkan dari strain gage belum diketahui. Fungsi dari jembatan Wheatstone adalah suatu susunan rangkaian listrik untuk mengukur suatu tahanan yang tidak diketahui harganya (besarannya). Pada umumnya jembatan Wheatstone dipergunakan untuk memperoleh ketelitian dalam melaksanakan pengukuran terhadap suatu tahanan yang nilainya relatif kecil. Pada penelitian ini jembatan Wheatstone digunakan untuk mengetahui nilai hambatan yang terjadi pada sensor strain gage yang ditempelkan pada cincin tranduser. Jembatan Wheatstone yang digunakan mengguanakan nilai R yang diketahui 120 ohm, karena nilai tersebut berdasarkan strain gage yang digunakan yaitu sebesar 120 ohm. Setelah keluaran tengangan diketahui maka strain gage dapat dibaca oleh penguat. Penguat op amp mempunyai tipe penguatan yaitu non-inverting, inverting, diferensial. Penelitian ini menggunakan penguatan diferensial. Penguat diferensial adalah suatu penguat yang bekerja dengan memperkuat sinyal yang merupakan selisih dari kedua Masukkannya. Penguat diferensial sangat cocok digunakan karena pada penguat diferensial terdapat dua sinyal Masukkan (input) yaitu V1 dan V2 dan keluaran (output) yaitu Vout. Untuk memperbesar penguatan dapat digunakan dua tingkat penguat diferensial (cascade). Keluaran penguat diferensial dihubungkan dengan masukkan penguat diferensial tingkatan berikutnya. Keluaran sensor strain gage masih berupa nilai tegangan sedangkan satuan yang diharapkan adalah nilai satuan gaya tekan yaitu kgf. Untuk itu perlu adanya pengubahan sinyal dari keluaran masih berupa analog menjadi keluran digital. Pengubahan analog menjadi digital sering disebut ADC. Analog to digital converter (ADC) adalah sebuah piranti yang dirancang untuk mengubah sinyal-sinyal analog menjadi bentuk sinyal digital. Biasanya ADC sering digunakan untuk mengkonversi keluaran sensor karena pada dasarnya keluaran dari sensor masih berupa sinyal analog. Sinyal analog yang akan dimasukkan ke ADC berupa sinyal gaya yang masih berupa tegangan yang diambil dari penguat(inverter). Ada berbagai macam alternatif dari ADC antara lain: ADC 0804, ADC 0809, dan ADC LM741. Dari alternatif tersebut, ADC yang digunakan adalah 0804 karena ADC ini biasanya sudah terpaket dengan modul dari keluaran AVR.selain itu, modul ADC 0804 memiliki resolusi besar yaitu 10 bit. D.1.2. Analisis pengubahan sinyal nilai pengukuran kedalaman Nilai pengukuran kedalaman dengan menggunakan sensor ultrasonik menggunakan sistem waktu tempuh yang dipancarkan oleh sensor dengan satuan milisecound atau mikrosecond ultrasonik.sistem kerja dari ultrasonik adalah gelombang dengan besar frekuensi diatas frekuensi gelombang suara yaitu lebih dari 20 KHz. Seperti telah disebutkan bahwa sensor ultrasonik terdiri dari rangkaian pemancar ultrasonik yang disebut transmitter dan rangkaian penerima ultrasonik yang disebut receiver. Sinyal ultrasonik yang dibangkitkan akan dipancarkan dari transmitter ultrasonik. Ketika sinyal mengenai benda penghalang, maka sinyal ini dipantulkan, dan diterima 34
oleh receiver ultrasonik. Sinyal yang diterima oleh rangkaian receiver dikirimkan ke rangkaian mikrokontroler untuk selanjutnya diolah untuk menghitung jarak terhadap benda di depannya (bidang pantul). Harapan dari keluaran sensor ultrasonik adalah satuan jarak yaitu centimeter sehingga perlu pengolahan data yang mengubah satuan ultrasonik menjadi satuan jarak. Biasanya ADC sering digunakan untuk mengkonversi keluaran sensor karena pada dasarnya keluaran dari sensor masih berupa sinyal analog. Sinyal analog yang akan dimasukkan ke ADC berupa sinyal gaya yang masih berupa tegangan yang diambil dari penguat(inverter). Ada berbagai macam alternatif dari ADC antara lain: ADC 0804, ADC 0809, dan ADC LM741. Dari alternatif tersebut, ADC yang digunakan adalah 0804 karena ADC ini biasanya sudah terpaket dengan modul dari keluaran AVR.selain itu, modul ADC 0804 memiliki resolusi besar yaitu 10 bit. D.1.3. Analisis pengubahan sinyal keluaran suhu Keluran sensor suhu LM35 adalah berupa nilai tegangan sedangkan satuan suhu yang diharapka adalah derajat Celsius sehingga diperlukan pengubah keluran sensor suhu LM35 dari keluran tegangan menjadi keluran derajat. Untuk mengubah keluran analog menjadi digital diperlukan Analog to digital converter (ADC). Analog to digital converter (ADC) adalah sebuah piranti yang dirancang untuk mengubah sinyal-sinyal analog menjadi bentuk sinyal digital. Biasanya ADC sering digunakan untuk mengkonversi keluaran sensor karena pada dasarnya keluaran dari sensor masih berupa sinyal analog. Biasanya ADC sering digunakan untuk mengkonversi keluaran sensor karena pada dasarnya keluaran dari sensor masih berupa sinyal analog. Sinyal analog yang akan dimasukkan ke ADC berupa sinyal gaya yang masih berupa tegangan yang diambil dari penguat(inverter). Ada berbagai macam alternatif dari ADC antara lain: ADC 0804, ADC 0809, dan ADC LM741. Dari alternatif tersebut, ADC yang digunakan adalah 0804 karena ADC ini biasanya sudah terpaket dengan modul dari keluaran AVR.selain itu, modul ADC 0804 memiliki resolusi besar yaitu 10 bit. D.1.4. Analisis pemrosesan hasil pengukuran gaya, kedalaman, dan suhu Hasil pengukuran nilai gaya penekan, nilai kedalaman, dan suhu yang sudah dirubah kedalaman digital oleh ADC perlu adanya proses lebih lanjut yaitu menjadi satuan keluaran yang diharapkan gaya penekan dengan satuan kgf, kedalaman dengan satuan cm, dan suhu dengan satuan oC. alternatif untuk proses perhitungan tersebut antara lain yaitu mikroprosesor dan mikrokontroler. Alternatif yang digunakan adalah mikrokontroler karena untuk pemrosesan yang tidak telalu besar cukup dengan menggunakan mikrokontroler.. Selain itu, mikorokontroler memiliki komponen yang lebih kecil dari pada mikroprosesor. Sedangkan untuk mikroprosesor terlalu besar dan ukurannya dimensinya juga sangat besar. Mikrokontroler adalah sebuah chip terintegrasi yang biasanya menjadi bagian dari sebuah embedded system (sistem yang didesain untuk melakukan satu atau lebih fungsi khusus yang real time). Pada penelitian ini mikrokontroler ini sebagai pengolah data sensor suhu, sensor kedalaman, dan sensor gaya. Masukkan sensor yang berupa analog kemudian diubah menjadi data digital oleh ADC yang sudah terintegrasi di dalam mikrokontroler. Ada banyak pilihan mikrokontroler yang sudah dalah bentuk modul, antra lain: de KIT PC- Link Serial PPI,DT 35
BASIC Nano System, DT 51 Prog PAL, DT AVR Low Cost Nano System, dan DT AVR Low Cost Micro System ATmega 8535. Pada penelitian ini digunakan adalah mikrokontroler keluaran AVR yaitu mikrokontroler DT AVR Low Cost Micro System ATmega 8535. Karena AVR termasuk kedalam jenis mikrokontroler RISC (Reduced Instruction Set Computing) 8 bit. Berbeda dengan mikrokontroler keluarga MCS-51 yang berteknologi CISC (Complex Instruction Set Computing). Pada mikrokontroler dengan teknologi RISC semua instruksi dikemas dalam kode 16 bit (16 bits words) dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam 1 clock, sedangkan pada teknologi CISC seperti yang diterapkan pada mikrokontroler MCS-51, untuk menjalankan sebuah instruksi dibutuhkan waktu sebanyak 12 siklus clock. D.1.5. Analisis penyimpanan data pengukuran Hasil perhitungan yang dilakukan oleh mikrokontroler diharapkan dapat menyimpan hasil pengukuran nilai penetrasi, nilai kedalaman, dan nilai suhu. Salah satu kelebihan dari penetrometer digital adalah dapat menyimpan hasil pengukuran dan dapat ditampilkan kembali hasil pengukuran penetrometer digital tersebut. Ada beberapa alternatif alat penyimpanan data pengukuran yang selaras dengan mikrokontroler antara lain DT flash memory, Arduino SD Card Shield, EMS (Embedded Module System) SD/MMC/FRAM, DT-HiQ SEEPROM Copier, dan lain sebagainya. Dari alternatif tersebut, yang digunakan untuk menyimpan data yaitu EMS DT flash memory karena kapasitas SRAM 2 x 264 Byte SRAM cukup untuk menyimpan data diatas, dapat menerima data saat flash memory sedang ditulis, dan mendukung mikrokontroler DT-AVR Low Cost series yang digunakan. D.1.6. Analisis peraga data pengukuran Peraga digital berfungsi untuk menampilkan hasil pengolahan data analog menjadi digital oleh mikrokontroler berupa angka, grafik maupun teks yang menunjukan hasil pengukuran secara visual. Pada penelitian ini peraga digital digunakan untuk menampilkan nilai suhu, nilai sensor gaya, dan nilai sensor kedalaman yang sudah diolah lebih lanjut oleh mikrokontroler sehingga oprator dapat melihat secara langsung keluaran dari ketiga sensor. Ada dua macam peraga digital yaitu grafik LCD dan teks LCD. Grafik LCD digunakan untuk menampilkan hasil berupa. Alat peraga yang digunakan adalah LCD teks karena hasil yang ketiga sensor berupa nilai teks. Selain itu, penggunaan LCD teks lebih murah dari pada menggunakan LCD grafik.
B.
ANALISIS FUNGSIONAL PADA MEKANIK PENETROMETER
Desain fungsional adalah desain setiap bagian-bagian dari suatu alat yang memiliki fungsi yang berbeda-beda.Pada desain pengukur kekuatan tanah digital terdiri dari transmisi pengukur gaya, batang penekan, dan cone. Setiap bagian memiliki hubungan satu sama lain dalam pengoperasian alat.
36
Gambar 24. Desain penetrometer digital.
B.1. Analisis transmisi pengukur gaya Gaya yang dilakukan oleh penetrometer digital yaitu berupa gaya tekan secara vertikal sehingga penetrometer dapat menembus ke dalam tanah sehingga gaya dapat disalurkan dan dapat mengukur nilai penetrasi tanah. Untuk menyalurkan tenaga manusia ke alat maka diperlukan transmisi atau pegangan tangan agar tenaga tangan manusia dapat dikeluarkan secara optimal. Ada berbagai macam alternatif jenis pegangan untuk penetrometer antra lain berbentuk kotak pejal, pipa kotak, silinder pejal, pipa silinder, dan lain sebagainya. Berdasarkan alternatif di atas, maka pegangan yang digunakan adalah silinder pejal karena berdasarkan jenis pengangan tangan manusi lebih cenderung membentuk bulat. Selain itu, bentuk pejal diharapkan agar pada saat penekanan lebih stabil. Dilihat dari bahan yang digunakan untuk pengangan penetrometer, ada berbagai macam bahan yang digunakan untuk pembuatan batang penekan antara lain besi, plastik, maupun alumunium. Pada penelitian ini digunakan bahan batang penekan berupa besi pejal. Besi pejal ini diharapkan pada saat penekanan ke bawah lebih stabil. Pada saat pengoperasian alat perlu adanya kestabilan dalam penggenggaman alat, ketidakstabilan pengoperasian akan berdampak pada pengambilan data yang tidak akurat. 37
Gambar 25. Batang penekan pada penetrometer
B.2. Analisis batang penekan
Gambar 26. Silinder penekan pada penetrometer Batang penekan berfungsi untuk mentransmisikan gaya tekan dari handle untuk dapat menembus kedalaman tanah. Ada berbagai macam bahan yang digunakan untuk membuat batang silinder ini antara lain besi baja, stainless steel, dan sebagainya. Batang penekan yang digunakan bersentuhan langsung dengan tanah sehingga batang penekan diharapkan tidak mudah mengalami karat. Untuk itu, batang penekan yang digunakan adalah batang penekan yang terbuat dari stainless steel. Dilihat dari bentuk dari batang penekan, ada berbagai macam alternatif jenis pegangan untuk penetrometer antra lain berbentuk kotak pejal, pipa kotak, silinder pejal, pipa silinder, dan lain sebagainya. Berdasarkan alternatif di atas, maka pegangan yang digunakan adalah silinder pejal karena berdasarkan jenis pengangan tangan manusi lebih cenderung membentuk bulat. Selain itu, bentuk pejal diharapkan agar pada saat penekanan lebih stabil.
B.3. Cone Cone merupakan konstruksi alat pengukur kekuatan tanah yang bersentuhan langsung dengan tanah sehingga perlu adanya bahan yang kuat, tidak mudah berkarat, dan mudah menembus tanah. Bentuk cone sudah harus disesuaikan dengan yang sudah terstandarisasi. Adapun bahan untuk membuat cone berbagai macam antara lain alumuium, stainless steel, besi. Cone yang digunakan diharapkan tidak mudah karat dan dapat menahan gaya tekan dari manusia. Untuk itu cone yang digunakan terbuat dari stainless steel karena bahan tersebut terdapat lapisan anti karat dan dapat menahan beban tekan manusia.
38
Gambar 27. Cone pada penetrometer
B.4. Kotak penyimpan Kotak penyimpan berfungsi untuk melindungi komponen yang mudah rusak dan tidak tahan dengan kondisi lingkungan. Kotak penyimpan pada penetrometer digital digunakan untuk menyimpan dan melindungi komponen elektronika penetrometer digital. Ada bebagai macam bahan untuk membuat kotak penyimpan rangkaian elektronik penetrometer antara lain kotak penyimpan terbuat dari plat besi, kotak penyimpan yang terbuat dari akrilik, dan kotak penyimpan yang terbuat dari alumunium, dan lain sebagainya. Kotak penyimpan yang digunakan terbuat dari akrilik karena kotak penyimpan ini mudah dibuat sesuai dengan ukuran yang dikehendaki. Selain itu, bahan akrilik termasuk bahan isolator sehingga tidak mempengaruhi kerja komponen elektronik.
C.
ANALISIS STRUKTURAL ELEKTRONIKA PENETROMETER
C.1. Analisis Sensor Gaya Sensor gaya
Jembatan wheatstone
Panguat diferensial
Pengkondisian sinyal
ADC
Mikrokontroler
Perhitungan tegangan
Peraga digital Gambar 28. Bagan alir pembacaan sensor gaya 39
1 Analisis gaya Sensor gaya yang digunakan pada penetrometer digital adalah strain gage. Strain gage R120 yang dirancang berdasarkan perhitungan yang nantinya akan direncakan sebesar 2100. Strain gage yang digunakan sebesar 120 ohm dengan faktor AR 0.2 ohm. Penggunaan strain gage, karena sensor ini sangat cocok dikombinasikan dengan sistem gaya cincin tranduser. Sistem cincin tranduser adalah salah satu metode untuk mengukur nilai tekan dengan memperhatikan nilai elastisitas bahan. Karakteristik strain gage dihitung dengan rumus :
R S
GF
L
R (14)
L
Keterangan: S=GF R ΔR L ΔL
= sensitivitas atau gage factor = resistansi awal sebelum terbebani = perubahan nilai resistansi setelah terbebani = panjang awal sebelum terbebani perubahan = panjang strain gage setelah terbebani
2. Analisis Penguat Rangkaian penguat instrumentasi menggunakan tipe three op amp instrumentation amplifier.IC yang digunakan adalah single supply yang low noise yaitu LM358.
Gambar 29. Penguat tipe three op amp instrumentation 40
Penghitungan penguatan menggunakan rumus sebagai berikut:
Gain
R 4 2 xRf R 2 Rg
1
(15)
Nilai hambatan yang digunakan terlihat pada gambar rangkaian strain-gage sensor disajikan pada gambar . nilai Rg yang digunakan menggunakan resistor tetap 10K Ohm dan nilai Rf yang digunakan adalah 1K Ohm, sehingga nilai penguatan bisa disetel sesuai dengan kesensitifan penguat dengan catatan tidak terjadi kejenuhan. Semakin kecil Rg maka semakin besar penguatan tetapi perlu diwaspadai akan terjadinya kejenuhan.
Gain
3.
100000 2 x10000 1 1000 1000
2100
(16)
Analisis pengkondisian sinyal
Pengkondisian sinyal dari analog ke digital yang akan digunakan adalah ADC 0804. IC yang sering digunakan untuk mengkonversi sinyal analog menjadi sinyal digital adalah IC ADC 0804. IC ADC 0804 mempunyai dua inputan analog, Vin+ dan Vin- sehingga dapat menerima input diferensial. Input analog sumbernya sama dengan selisih antar tegangan-tegangan yang dihubungkan dengan kedua pin input yaitu Vin=Vin+ - Vin-. Penggunaan IC ADC 0804 karena ADC 0804 ini sudah compatable dengan mikrokontroler ATmega 8535. 4.
Analisis Mikrokontroler
Mikrokontroler yang digunakan adalah DT AVR Low Cost Micro System ATmega 8535 karena modul ini merupakan sebuah modul single chip dengan basis mikrokontroler AVR dan memiliki kemampuan untuk melakukan komunikasi data serial secara UART RS-232 serta pemrograman memori melalui ISP (In -System Programming). Modul ini cocok untuk aplikasi-apalikasi sederhana hingga menengah.contohnya adalah aplikasi sensor, driver motor, komunikasi data antara modul dengan PC. Selain itu, modul ini dilengkapi dengan ADC dengan resolusi 10 bit. DT Low Cost Micro System sudah dilengkapi dengan I/O program dan pemrogramannya sangat mudah dibandingkan dengan yang lainya yaitu menggunakan code vision AVR. Mikrokontroler yang digunakan adalah DT-AVR Low Cost Micro System merupakan modul single chip mikrokontroler ATmega8535 dengan 8 Kbyte Flash memory, 512 byte SRAM, dan 512 byte EEPROM. DT-AVR Low Cost Micro System juga memiliki ADC hingga 8 channel single-ended A/D converter dengan resolusi 10 bit. 5.
Perhitungan
Perhitungan dilakukan setelah memperoleh kalibrasi dari strain gage yang sudah dikuatkan dan kalibrasi ADC. Kalibrasi strain gage yang digunakan adalah hubungan beban mati dengan keluran tegangan dari penguat 41
Kalibrasi ADC yang digunakan berdasarkan nisbah antara tegangan referensi ADC (Vreff) dengan besarnya resolusi ADC (10 bit) Didapat dengan rumus:
R 6.
1 Vref 2N
(17)
Analisis peraga
Alat peraga yang digunakan adalah teks LCD 2x16, karena teks LCD untuk menampilkan data berupa karakter teks (angka dan huruf). Peraga digital yang akan digunakan adalah teks LCD. Karena untuk menampilkan angka dan huruf sudah cukup menggunakan teks LCD. Rangkaian LCD display ini akan dikonesikan ke mikrokontroler pada PORT C dan kemudian akana diprogram dengan menggunakan softwar e codevision AVR dengan menggunakan bahasa C. Peraga komputer dapat menyimpan data hasil pengukuran nilai penetrasi tanah. Penyimpanan data menggunakan EMS Dataflah Memory, karena dapat digunakan untuk menyimpan berbagai jenis data digital. Selain itu, ukuran dimensinya sangat kecil yaitu 4.1 cm x 4.1 cm x 1.2 cm.
C.2. Analisis Sensor Kedalaman Sensor kedalaman
ADC
Pembangkit pulsa
Mikrokontroler
Pengukuran waktu
Perhitungan
Peraga digital Gambar 30. Bagan alir pembacaan sensor kedalaman tanah 1.
Sensor ultrasonik ranger
Sensor yang digunakan adalah DT ultrasonik ranger karena sensor ini mempunyai kelebihan yaitu pengaruh faktor suhu lingkungan yang sering mempengaruhi faktor jarak sudah diperhitungkan. 42
DT ultrasonik ranger merupakan modul pengukur jarak non-kontak yang sangat mudah dihubungkan dengan berbagai sistem berbasis mikrokontroler. Untuk memicu dan membaca data pengukuran dengan DT ultrasonik ranger hanya memerlukan 1 buah pin mikrokontroler. Selain itu disediakan antarmuka komunikasi I2C sehingga beberapa modul DT ultrasonik ranger serta peralatan lain yang mendukung protokol komunikasi I2C dapat digunakan bersama cukup dengan 2 buah pin mikrokontroler.Selain itu, sensor DT ultrasonik ranger ini mudah untuk pemrogramnya dan sudah compatable dengan program code vision AVR.Sensor untuk mengukur kedalaman tanah menggunakan ultrasonik renger. Pengukuran menggunakan ultrasonik ranger dapat menjangkau 2 cm sampai 3 m. Sensor didesain dapat mengukur kedalaman hingga 60 cm. Untuk mengetahui lebih lanjut spesifikasi sensor ini dapat dilihat pada tinjauan pustaka. 2.
Mikrokontroler
Mikrokontroler yang digunakan adalah DT-AVR Low Cost Micro System merupakan modul single chip mikrokontroler ATmega8535 dengan 8 Kbyte Flash memory, 512 byte SRAM, dan 512 byte EEPROM. DT-AVR Low Cost Micro System juga memiliki ADC hingga 8 channel single-ended A/D converter dengan resolusi 10 bit. Mikrokontroler ini memperoleh dua inputan daya yaitu 5 volt dan 9 volt. 3.
Pengukuran waktu
Pengukuran waktu kerja dari sensor ultrasonik ranger akan mempengaruhi jarak tempuh kedalaman tanah. Untuk itu pengukuran waktu akan sangat berkaitan dengan pengukuran jangkauan. Jarak antara sensor tersebut dihitung dengan cara mengalikan setengah waktu yang digunakan oleh sinyal ultrasonik dalam perjalanannya dari rangkaian pengirim sampai diterima oleh rangkaian penerima, dengan kecepatan rambat dari sinyal ultrasonik tersebut pada media rambat yang digunakannya yaitu udara. Dalam menggunakan waktu yang harus dilakukan terlebih dahulu adalah mengetahui konstanta pengali untuk mendapatkan hasil keluaran nilai yang benar. Rumus awalnya adalah 2s= v.t
(18)
Kecepatan sinyal di udara
3443.3 m/s
Hitungan timer
t=n/f
(19)
n=banyak detak (TCNT1 jika penggunaan timer1) F=frekuensi timer (yg digunakan sbg contoh adalah 4MHZ) Maka rumus nya menjadi
2s=34443.3 cm/s * n/4000.000
S= n * 0.0043053 43
4.
Peraga digital
Alat peraga menggunakan komputer dan grafik LCD 2 x 16. Rangkaian LCD display ini akan dikonesikan ke mikrokontroler pada PORT C dan kemudian akana diprogram dengan menggunakan software CodeVision AVR dengan menggunakan bahasa C. Data flash dapat menyimpan data hasil pengukuran nilai kekuatan tanah. Data flash yang dilengkapi pin support akan lebih mudah untuk pengiriman data sehingga data dapat disimpan di komputer.
C.3. Analisis Sensor Suhu 1.
Sensor suhu IC LM35
Untuk mengetahui temperatur lingkungan yang akan diukur menggunakan sensor LM35 yang merupakan salah satu sensor temperatur. Sensor ini akan mengeluarkan satu keluaran beruapa tegangan yang akan berubah sesuai dengan perubahan temperatur lingkungan.
Gambar 31. Gambar rancangan perangkain LM35 Sensor LM35 bekerja dengan mengubah besaran suhu menjadi besaran tegangan. Tegangan ideal yang keluar dari LM35 mempunyai perbandingan 100°C setara dengan 1 volt. Sensor ini mempunyai pemanasan diri (self heating) kurang dari 0.1°C, dapat dioperasikan dengan menggunakan power supply tunggal dan dapat dihubungkan antar muka (interface) rangkaian kontrol yang sangat mudah. IC LM 35 sebagai sensor suhu yang teliti dan terkemas dalam bentuk Integrated Circuit (IC), dimana output tegangan keluaran sangat linear terhadap perubahan suhu. Sensor ini berfungsi sebagai pegubah dari besaran fisis suhu ke besaran tegangan yang memiliki koefisien sebesar 10 mV /°C yang berarti bahwa kenaikan suhu 1° C maka akan terjadi kenaikan tegangan sebesar 10 mV. 2.
Analisis pengubah sinyal 44
Pengubah sinyal dari analog ke digital yang akan digunakan adalah ADC 0804. IC yang sering digunakan untuk mengkonversi sinyal analog menjadi sinyal digital adalah IC ADC 0804. IC ADC 0804 mempunyai dua inputan analog, Vin+ dan Vin- sehingga dapat menerima input diferinsial. Input analog sumbernya sama dengan selish antar tegangan-tegangan yang dihubungkan dengan kedua pin input yaitu Vin=Vin+ - Vin-. Penggunaan IC ADC 0804 karena ADC 0804 ini sudah compatable dengan mikrokontroler ATmega 8535. 3.
Analisis Mikrokontroler
Mikrokontroler yang digunakan adalah DT AVR Low Cost Micro System ATmega 8535 karena modul ini merupakan sebuah modul single chip dengan basis mikrokontroler AVR dan memiliki kemampuan untuk melakukan komunikasi data serial secara UART RS-232 serta pemrograman memori melalui ISP (In -System Programming). Modul ini cocok untuk aplikasi-apalikasi sederhana hingga menengah.contohnya adalah aplikasi sensor, driver motor, komunikasi data antara modul dengan PC. selain itu, modul ini dilengkapi dengan ADC dengan resolusi 10 bit. DT Low Cost Micro System sudah dilengkapi dengan I/O program dan pemrogramannya sangat mudah dibandingkan dengan yang lainya yaitu menggunakan code vision AVR. Mikrokontroler yang digunakan adalah DT-AVR Low Cost Micro System merupakan modul single chip mikrokontroler ATmega8535 dengan 8 Kbyte Flash memory, 512 byte SRAM, dan 512 byte EEPROM. DT-AVR Low Cost Micro System juga memiliki ADC hingga 8 channel single-ended A/D converter dengan resolusi 10 bit. 4.
Analisis peraga
Alat peraga yang digunakan adalah teks LCD 2x16, karena teks LCD untuk menampilkan data berupa karakter teks (angka dan huruf). Peraga digital yang akan digunakan adalah teks LCD. Karena untuk menampilkan angka dan huruf sudah cukup menggunakan teks LCD. Rangkaian LCD display ini akan dikonesikan ke mikrokontroler pada PORT C dan kemudian akana diprogram dengan menggunakan softwar e codevision AVR dengan menggunakan bahasa C. Peraga komputer dapat menyimpan data hasil pengukuran nilai penetrasi tanah. Penyimpanan data menggunakan EMS Data flah Memory, karena dapat digunakan untuk menyimpan berbagai jenis data digital. Selain itu, ukuran dimensinya sangat kecil yaitu 4.1 cm x 4.1 cm x 1.2 cm.
D. ANALISIS STRUKTURAL MEKANIK PENETROMETER Gaya tekan maksimum yang mampu diterima oleh konstrusksi penetrometer adalah 100 kg. Bahan ring yang akan dipakai adalah besi baja ASSAB 760.. Analisis gaya yang bekerja dan dimensi pada ring transduser telihat pada gambar 24. 1. Analisis cincin gaya a. Analisis gaya pada cincin Pada cincin tranduser gaya yang dihasilkan adalah gaya tarik dan gaya tekan. Gaya tarik digunakan pada saat akan mencabut penetrometer yang telah digunakan, sedangkan gaya tekan diperoleh pada saat penggunaan penetrometer.
45
Gambar 32. Cincin yang menerima gaya tekan
2. Analisis dimensi a. Analisis dimensi cincin Untuk menentukan dimensi cincin tranduser yang berupa lebar cincin, jari-jari cincin dan tebal cincin dapat menggunakan rumus:
1.09
Fr Ebt2
(20)
dimana, ε = strain yang terjadi F = gaya tarik atau tekan (N) r = jari-jari cincin transduser (m) E= modulus elastisitas bahan (GPa) b = tebal cincin (m) t = tebal cincin(m) Modulus elastisitas untuk semua baja ( yang secara relatif tidak tergantung dari kuat leleh ) adalah 28000 sampai 30000 ksi atau 193000 sampai 207000 Mpa. Nilai untuk desain lazimnya diambil sebesar 29000 ksi atau 200000 Mpa. Berdasarkan Peraturan Perencanaan Bangunan Indonesia ( PPBBI ), nilai modulus elastisitas baja adalah 2,1 x 10 6 kg/cm² atau 210 x 106 Pa. Dengan asumsi tebal cincin= 0.015 meter dan lebar cincin= 0.0035meter. Berdasarkan perhitungan pada lampiran 10 didapat jari-jari ring tanduser yang digunakan adalah 4.4 cm. 46
Gambar 33. Dimensi cincin transduser
Tabel 2. Desain dimensi karakter cincin tranduser Simbol F R
Satuan newton meter
Ε
Angka 980 0.41 0.001
Ε b T
2.1 x1011 0.015 0.0035
GPa meter meter
Silinder penekan terbuat dari besi assental (SS41) dengan diameter 12 mm, panjang 70 cm a.
Analisis dimensi handle
Berdasarkan nilai antropometri nilai genggaman tangan manusia adalah 29 mm, maka desain genggamana menggunakan diameter 29 mm. Bahan yang digunakan adalah baja dengan nilai modolus elastisnya 2.1 x 106. Gaya yang diperoleh handle adalah gaya tekan manusia.
50kgf
50kgf
24cm 48cm
100kgf Gambar 34. Diagram gaya dan stress yang terjadi pada handle 47
Jadi untuk membuat handle yang menahan beban 100 kg diameter minimal handle adalah 17.3 mm. Supaya nyaman untuk dipegang. Berdasarkan nilai ergonomis pegangan adalah 27 mm. Tabel 3. Desain dimensi handle Simbol F Ε D L
b.
Angka 980 250x106 200 x109 2.4 48
Satuan Newton Pa Pa cm cm
Analisis batang penekan
Batang peraga menggunakan bahan stainlees steel karena batang penekan akan berhubungan langsung dengan tanah sehingga stenlesteel adalah bahan yang tepat untuk menghindari karat bahan. Panjang batang penekan adalah 70 cm alat ukur kekuatan tanah didesain dapat mengukur kedalaman sampai 60 centimeter. Panjang penekan lebih dari 60 centimeter karena 10 centimeter untuk melindungi sensor ultrasonik agar tidak bersentuhan dengan tanah yang dapat menimbulkan kerusakan. Antara pangkal batang penekan dengan handle berjarak kurang lebih 20 cm sehingga total ketinggian alat penetrometer kurang lebih 90 centimeter. Nilai kebutuhan batan g penekan berdasarkan pehitungan pada lampiran 12 dan lampiran 13 dapat dilihat pada tabel berikut. Tabel 4. Desain dimensi batang penekan penetrometer Simbol P Ε D L
Angka 980 215x106 200 x109 1.2 70
Satuan Newton Pa Pa cm cm
48
