No title

SEMINAR NASIONAL II SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGY AKARTA, 21-22 DESEMBER ISSN 1978-0176

2006

Daftar Isi

RANCANG BANGUN DENSITOMETER DIGITAL BERBASIS MIKROKONTROLER *JOKO SUNARDI, **NUGROHO TRI SANYOTO, *THERESIA LESTARI

*Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BATAN Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 YKBB Yogyakarta 55281 Telepon 0274-484085,489716, Faksimili 0274-489715 **Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Jl. Babarsari Kotak Pos 6101/YKBB, Yogyakarta 55281 Telp. (0274) 488435 [email protected]

L

Abstrak RANCANG BANGUN DENSITOMETER PORTABLE DIGITAL MODEL TC52. Telah dibuat suatu perangkat pendukung radiografi dengan tujuan untuk mengukur densitas suatu film. Perangkat keras terdiri dari fototransistor sebagai sensor cahaya, rangkaian pengkondisi sinyal, rangkaian pengubah tegangan analog ke digital, dan rangkaian sistem mikrokontroler AT89C52. Fototransistor dipasang pada pengkondisi sinyal inverting sehingga tegangan keluaran berbanding lurns dengan intensitas cahaya yang masuk dan berbanding terbalik dengan densitas film. ADC 0804 digunakan untuk mengubah tegangan analog menjadi digital dan mikrokontroler AT89C52 digunakan sebagai pengendali. Data hasil pengukuran akan ditampilkan dan diolah menjadi nilai densitas. Hasil pengujian Densitometer Portabel Digital Model TC 52 ini memperlihatkan kesalahan rata-rata sebesar 5,37%. Kata kunci : densitometer,fototransistor

Abstract SRUCTURAL DESIGN OF PORTABLE DIGITAL DENSITOMETER MODEL TC52. A complement equipment of radiography has been made to measure the density of radiographical film. The hardware consists of light sensor phototransistor, signal conditioning circuit, analog to digital converter circuit (ADC), and AT89C52 microcontroller. The software is developed using software BASCOM Phototransistor is installed on inverting signal conditioning circuit so that output voltage is directly proportional to input light intensity is in converse to film density. ADC-0804 is used to convert voltage from analog to digital and AT 89C52 microcontroller is used to control the process. The measurement data will be displayed and processed automatically as density value. This test of Portable Digital Densitometer Model TC52 gives as its result an Average of error 5,37%. Key word: Densitometre, fototransistor

PENDAHULUAN Salah satu aplikasi teknologi nuklir untuk bidang industri adalah penerapan uji tak rusak (non destructive test). Beberapa macam metode pengujian tak merusak ini antara lain penetrant test, magnetic test, ultrasonic test, eddy current test dan radiography test. Uji tak rusak dengan metode radiography test adalah suatu cara untuk menganalisis cacat suatu bahan baik berupa Joko Sunardi dkk

257

lasan (welding), maupun hasil cetakan, dengan memanfaatkan sifat-sifat khusus sumber radiasi. Salah satu sifat radiasi adalah kemampuan menembus speciment (bahan atau material) sehingga pengujian yang dilakukan tidak mengubah atau tidak merusak bahan yang diuji dan hasil pengujiannya dapat direkam sebagai dokumen dalam bentuk film. Hasil rekaman dapat ditentukan dalam bentuk, ukuran dan lokasi cacat. Hal ini merupakan salah satu

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BA TAN

SEMINAR NASIONAL II SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER2006 ISSN 1978-0176 keuntungan dari metode test radiografi. Sumber radiasi yang biasa dipakai antara lain isotop Iridium -197, Cobalt-60, pesawat sinarX, dan lain-lain. Hasil pengujian metode test radiografi adalah berupa film. Film tersebut terbuat dari bahan selulosa yang dilapisi dengan emulsi (AgBr). Dari hasil penyinaran benda uji, pada film tersebut akan tergambar bayangan dari benda atau speciment. Film hasil radiografi dapat diterima sebagai alat uji tak rusak apabila memiliki kualitas yang baik serta bebas dari cacat film. Untuk itu perlu diketahui parameter-parameter yang berkaitan dengan kualitas radiografi dan faktor-faktor yang mempengaruhinya serta kondisi-kondisi yang dianjurkan untuk mendapatkan film yang bebas dari cacat. Film hasil radiografi dikatakan memiliki kualitas baik apabila memenuhi empat parameter, yaitu densitas yang cukup, distorsi yang minimal, definisi yang tajam, dan kontras yang tinggi. Secara kualitatif densitas film radiografi menunjukkan tingkat kehitaman film setelah diproses. Film dengan tingkat kehitaman lebih gelap dikatakan memiliki densitas yang lebih tinggi. Tingkat kehitaman film (densitas) dapat diukur dengan film pembanding atau menggunakan alat ukur elekronik yang disebut densitometer (Pelatihan radiografi BAT AN 2001). LANDA SAN TEaR!

Gambar 1. Perancangan Perangkat Keras Sistem Secara Blok Diagram PERANCANGANPERANGKATKERAS

Untuk melakukan pengukuran densitas film hasil radiografi, digunakan densitometer, Film Step Wedge, dan alat bantu pencahayaan. Densitometer adalah alat untuk mengukur tingkat kehitaman film hasil radiografi. Film Step Wedge adalah film standar yang berisi rekaman benda uji dengan tingkat ketebalan film yang berbeda-beda. Alat bantu pencahayaan adalah sumber penerangan yang mempunyai penyebaran cahaya merata di sepanjang permukaan temp at pembacaan film (Pusdiklat, 2001, BAT AN) Densitometer berfungsi untuk mengukur tingkat kehitaman film hasil radiografi dengan cara mengambil data densitas selama selang waktu tertentu yang kemudian diproses dalam sistem mikrokontroler dan ditampilkan dalam LCD.

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BATAN

Komponen utama penyusun alat ini adalah rangkaian sensor cahaya, rangkaian penguatan, rangkaian pengkonversi tegangan analog menjadi digital (ADC), rangkaian kendali utama untuk mengontrol pengambilan data densitas serta rangkaian penampil LCD. Prinsip kerj a alat ini adalah sebagai berikut sensor cahaya melakukan pengukuran tingkat kehitaman film dan mengubahnya menjadi tegangan, tegangan keluaran dari sensor kemudian dikondisikan dengan pengkondisi sinyal yaitu rangkaian penguat inverting. Setelah diperkuat, sinyal ini dikonversi menjadi digital oleh ADC 8 bit. Mikrokontroler sebagai kendali utama akan memproses data digital tersebut lebih lanjut yang kemudian akan ditampilkan pada rangkaian LCD. Rancangan alat yang dibuat secara blok diagram seperti pada Gambar 1 dibawah ini .

258

(HADRWARE) Amplifier Operasional

(Op-Amp)

Operational Amplifier (Op-Amp) atau biasa disebut Pengkondisi sinyal adalah peranti solid-state yang mampu mengindera dan memperkuat sinyal masukan baik DC maupun AC (Huges 1990), agar diperoleh sinyal keluaran sesuai dengan jangkauan yang dikehendaki, yang dapat diolah selanjutnya oleh rangkaian pengolah sinyal misalnya ADC. Pada perancangan densitometer digunakan rangkaian pengkondisi sinyal seperti Gambar 2 yang merupakan rangkaian penguat inverting.

Joko Sunardi dkk


2006

R2

dalam jangkauan ini diwakili biner yang sarna, maka ketidakpastian konversi sebesar setiap pengubahan. Masalah ini

--+ i

R1

II

ein •

dengan menambah jumlah bit pada output pengubah. Output maksimal suatu ADC tidak berada pada nilai FS akan tetapi pada 7/8 FS. Misalkan sebuah ADC 3 bit idealnya akan mempunyai LSB sebesar 1/8 FS. Jangkauan input akan dikuantisasikan pada delapan tingkatan dari 0 sampai 7/8 kali FS. Lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3.

eo

j--+

Gambar 2. Rangkaian Penguat Inverting pada F ototransistor

Analisis perhitungannya adalah : il = i2 = 0 akibatnya iR1 = iR2 VR1

RI

oleh bilangan akan terdapat ± LSB untuk dapat dikurangi

(1)

= VR2 R2

e -ein=eo-e RI R2 e + di-ground-kan, e- = e+ = 0

karena output

maka

-e·

e

_'_n RI

= _0

(Av)

= ~=-~

: · ·· :· :

~

.

: :

,

..:

7/8 FS

penguatan input analog

RI

Gambar 3. Lineritas ADC

(2)

Untuk rangkaian ini, sinyal keluaran berbeda phasa 1800 dari sinyal masukan. Rangkaian ini memungkinkan didapat penguatan (Av) dari 0 sampai --. Analog Digital Converter (ADC) Salah satu komponen penting dalam sistem akuisisi data adalah pengubah besaran analog ke digital atau disebut juga ADC (Analog to Digital Converter). Pengubah ini akan mengubah besaran-besaran analog menjadi bilangan-bilangan digital sehingga bisa diproses dengan mikrokontroler. Kuanlitas penting dalam ADC adalah rentang tegangan terkecil yang tidak dapat mengubah hasil konversi. Rentang tegangan ini sering disebut dengan minimal Representable Voltage (MRV) atau LSB. Diketahui LSB menunjukan nilai analog dari suatu Least Significant Bit (LSB), dan FS (Full Scale) adalah nilai maksimum dari tegangan refernsi. Karena semua tegangan

Joko Sunardi dkk

: ..

liS liS 3/8 4/8 5/8

R2

ein

: : : ... :

259

Terdapat berbagai cara mengubah sinyal analog ke digital, dalam pekerjaan ini dipakai metode beruntun atau succesive approximation. Karena ADC dengan jenis ini sudah banyak dipasaran dalam bentuk chip sehingga mempermudah pemakaian. Metode ini didasari pada pendekatan sinyal input dengan kode biner dan kemudian berturut-turut memperbaiki pendekatan ini untuk setiap bit pada kode sampai didapatkan yang paling baik. Untuk menyimpan kode biner pada setiap tahapan digunakan Succesive Approximation Register (SAR), (Sukarman.et aI, 2005) Besaran jangkauan tegangan dan bit yang digunakan (resolusi 8 bit) menentukan seberapa kecil perubahan tegangan yang mampu dideteksi. Tingkat ketelitian dapat ditunjukan dengan persamaan: T·mg k at k ete 1" jangkauan tegangan lhan = -------resolusi Hasil mikrokontroler pada LCD.

konversi

ADC

diolah

ke dalam

untuk dibaca dan ditampilkan

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN

SEMINAR NASIONAL II SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006 ISSN 1978-0176

Liquid Crystal Display (LCD) LCD (Liquid Crystal Display) merupakan suatu modul display. LCD tersusun dari dot matrix LCD controller, segment driver, serta panel LCD. Kontroler LCD telah terintegrasi dengan RAM/ROM pembangkit karakter atau CGRAM (character generator RAM) dan RAM data display atau DDRAM (display data RAM). Semua fungsi display dikendalikan oleh instruksi-instruksi sehingga dapat dengan mudah dihubungkan dengan mikrokontroler. Sensor Cahaya Sensor cahaya yang digunakan fototransistor L 14GI, akan memberikan tegangan keluaran, sedangkan tegangan tersebut akan berbanding terbalik dengan densitas film. Idealnya, pada kondisi sangat terang densitas yang terukur adalah 4, sedangkan pada kondisi

gelap adalah O. Pada rangkaian sensor Gambar 4 diperlukan rangkaian pengkondisi sinyal agar diperoleh tegangan keluaran sesuai dengan yang diharapkan yaitu bisa menunjukan nilai densitas 4 pada kondisi gelap dan densitas 0 pada kondisi terang(lampu). Namun, pada pengujian sensor tanpa signal conditioning diperoleh data yaitu pada densitas 0 keluaran tegangannya adalah 1,789 volt. Dari rangkaian Gambar 4 diperoleh Vout = Rf x If. Dari rangkaian pada Gambar 5 didapatkan sinyal pada kondisi densitas 4 sebanding dengan tegangan 3,996 volt. Berdasarkan hasil yang diperoleh dari pengukuran per step, kemudian dibuat grafik. Persamaan yang diperoleh digunakan sebagai acuan pengkonversi tegangan ke digital probe seperti ditampilkan pada Gambar 5.

Gambar4. RangkaianSensordanPengkondisiSinyal

Gambar5. KonstruksiProbeDensitometer Keterangaan gambar: 5. ground 1. jendela 6. kabel 2. sensor cahaya fototransistor 7. probe silinder 3. penyekat cahaya 4. rangkaian penguat sinyal kondisioning


260

Joko Sunardi dkk

"


Rangkaian Mikrokontroler

A T89C52

Perancangan sistem kendali pada penelitian ini menggunakan mikrokontoler AT89C52. Untuk dapat mengendalikan suatu sistem, mikrokontroler ini hams dilengkapi dengan komponen dasar seperti sumber clock dan rangkaian reset. Sumber clock diperoleh dengan memasang penghasil detak, yaitu crystal dengan frekuensi detak sebesar 12 MHz dan kapasitor sebesar 30 pF yang dihubungkan dengan pin XTAL 1 dan XTAL2 dari mikrokontroler. Dengan frekuensi crystal tersebut, akan dikeluarkan (12 x 6/12) machine

. "~

'" ,..P" P" ",

.» ro

p" Z\"'VI" TO AT89C52

TXD

'" ""

."' ...

"" 10

'".IDe' p,,~ """ I ."" "', ~~I •.. PO' PO, POI PSE>"

P"

P" PI<

'"

....,

""

cycle dengan kata lain satu machine cycle memakan waktu 1 mikrodetik. Rangkaian reset berfungsi sebagai pereset program dalam mikrokontroler, diperoleh dengan cara menghubungkan pin reset dari pin mikrokontroler (pin 9) dengan logika 1 atau 5 volt. Namun pada kenyataannya, pin reset ini tidak langsung dihubungkan dengan tegangan 5 volt, melainkan diberi kapasitor untuk memberikan reset pada saat awal mikrokontroler dinyalakan. Rangkaian ini nantinya akan disebut ranngkaian minimum sistem atau single chip AT89C52. Adapun rangkaian selengkapnya dapat dilihat pada Gambar 6.

""

P"

~I

,. ,, , "

~F

L.!...J

J~.ot

,., •

~TOrt "'

1

..:..-

.,.,,,

"I' vcc ", ",

±I" Gambar 6. Rangkaian Minimum AT89C52 Funtiun Gwenerator, Osciloscope Cs 1570 A 30 mHz Trio, DC Power Supply

TATA KERJA DAN PERCOBAAN

Proses Pelaksanaan

Bahan dan peralatan Bahan dan peraatan yang digunakan adalah PCB dan Komponen Elektronik, Soldering iron , Multimeter dan Toolset,

Joko Sunardi dkk

261

Proses pelaksaaan meliputi; tahap perancangan, tahap kontruksi, tahap pengujian seperti diagram alir pada Gambar 6.

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN

SEMINAR NASIONAL II SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006 ISSN 1978-0176 2000

Diagram Alir Perancangan Perangkat Lunak

1800 ~ 1600

1

i

1400

uoo

..,. moo ~

800

"

600 400

c:

J

~

T~gmgan!ernb, (milivclt)

lee o o

ftjm5t~p

Gambar 7. Hubungan Tegangan dan Densitas Standar Dari

ADC

Datal= -x5

255

Kcnversi densitlls

t~ ( ~eie~ai) Gambar 6. Flowchart Program Utama PENGUJIAN

DAN PEMBAHASAN

Gambar 7 terlihat bahwa keluaran

sensor kecil, maka diperlukan pengkondisi sinyal. Dari referensi yang diperoleh ( Hogenboom, Data Sheet BookJ) untuk pengkondisi sinyal pada rangkaian sensor cahaya sebaiknya menggunakan rangkaian penguat seperti terlihat pada Gambar 4.

Pengujian Rangkaian Pengkondisi SinyaI Pengujian dilakukan dengan mengukur densitas keluaran dari rangkaian pengkondisi sinyal pada tiap perubahan tingkat densitas film. Densitas yang digunakan mulai dari densitas 0 dinaikkan setahap derni setahap sampai densitas maximum (yang terukur densitas 4) dengan menggunakan persamaan Vout = RF x IF, diketahui padajika RF = 4,7M , IF = 0,85 /lA sedangkan hasil Vout yang terukur pada saat kondisi cahaya yang mengenai fototransistor pada kondisi penerangan maximum densitometer yang dibuat adalah 3,996 volt sedangkan jika pada kondisi gelap Vout yang terukur = 0 volt. Setelah pengujian dilakukan, diperoleh hasil seperti pada Gambar 8 4.5

Pengujian Sensor Pengujian sensor dilakukan dengan cara menguji hasil keluaran dari rangkaian sebelum diberikan pengkondisi sinyal. Gambar rangkaian dapat dilihat pada Gambar 4 Diketahui RL = IMO, V= 5 V. Dari hasil keluaran sensor diperoleh tegangan keluaran pad a kondisi lampu terang sebesar 1,789 volt. Dari hasil tersebut terlihat bahwa keluaran dari

4 3,5

2

hasil sensor kecil. Data selanjutnya dapat dilihat pada Gambar 7.

3

4

5

densibs

Gambar 8. Grafik Hubungan Tegangan Vout Rangkaian Pengkondisi Sinyal dan Densitas

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BA TAN

262

Joko Sunardi dkk


2006

Berdasarkan Gambar 8 apabila tegangan makin besar maka densitas makin kecil hal ini temyata telah sesuai dengan teori yaitu bahwa densitas berbanding terbalik dengan tegangan Pengujian Densitometer Model TC 52 Dibandingkan Dengan Densitometer Standar Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui apakah nilai densitas hasil pengukuran alat ini telah sesuai dengan densitas sebenamya yang diukur. Menggunakan Densitometer merk Victroeen model 07-444 sebagai alat pembanding. Pengujian dilakukan dengan mengamati densitas yang tertera pada display LCD dari alat dan dibandingkan dengan densitas yang terukur pada alat pembanding. Hasil pengamatan ini ditunjukan pada Tabel I, contoh hasil perhitungan dan perhitungan yang lain seperti contoh serta dimasukkan dalam tabel :

film no lampu

Contoh perhitungan : Persentase kesalahan

Valat- Vstd =-----XI00% Vstd _1,23 -1,21 XlOO% 1.21 =1,65%

Dari Tabel I dapat dilihat bahwa persentase kesalahan masih dibawah rata-rata < 10 % dan pada kondisi gelap densitometer hasil rancangan ini menunjukkan hasil pengukuran maksimum 3,64 dibandingkan dengan densitometer standar yang dapat menghasilkan pengukuran 4, hal ini menunjukkan kwalitas dari sensor yang baik dibandingkan sensor yang ada pada densitometer standar.

03,59 01,71 01,79% 40 Pengukuran % kesalahan densitometer rata-rata model Standar TC2 2,30 1,71 1,57 2,61 2,21 2,3 1,89 2,18 0,98 2,35 2,5 1,68 1,71 1,86 1,57 2,61 2,5 0,97 2,21 1,94 4,71% 2,30 2,61% 1,57 0,97 2,21 0,40% 8 1,02% 3,27% 22,3 2,61 ,56% ,13% 1,23 1,21 3,64 0,00% 3,64 1,23 1,65% 3,57 1,86 0,97 1,69 2,14 1,98 1,53 2,30 2,3 1,64 3,49 1,23 Tabel 1. 2,37 Hasil Densitometer dengan Densitometer

Model TC 52

desitometer

Joko Sunardi dkk

263



~ t: ... ,£

I()

4 QI ... () E 2,52 N "'C$ 3 E(ij 1,5 1 '0 -0,5 0,5 -g 3,5 -1

°

2. 3.

Bagaimana tingkat kesalahan (Aliq Zuhdi, STTN) Batas-batas penggunaanya (Mulyono, Bapeten)

sampai 8% ? (range)

?

Jawaban 1.

y = 0,9462x - 0,3415 R2 = 0,9225

5

2.

Gambar 9. Grafik Hubungan Densitas Densitometer Standard dan Densitometer Model TC 52

3.

2

3

4

densitometer std

Belum dicoba. Mungkin bisa yaitu dengan prinsip pengukuran intensitas cahaya yang dilemahkan oleh kain tersebut. hal ini merupakan kondisi optimal clari sensor yang memberikan kesalahan terkecil 8%. Dengan sensor yang lebih baik maka tingkat kesalahan dapat diperkecil. Batas range 0-10 densitas

Saran

KESIMPULAN Dari hasil perancangan dan pengujian sensor dan ADC dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: 1. Telah dapat dibuat 1 buah Densitometer Portabel untuk mengukur densitas film hasil radiografi. 2. Hasil pengujian komparasi densitometer model TC 52 dengan densitometer merk Victroeen Model 07-444 memperlihatkan penyimpangan rata-rata sebesar 5,37%. 3. Densitas akan berbading terbalik dengan tegangan

Hasil penelitian ini merupakan penyambungan dari hasil yang sudah ada sehingga bisa dilakukan perbandingan dengan alat yang ada. (molyono, Bapeten)

DAFT AR PUST AKA 1. Pusat Pendidikan dan Pelatihan BATAN, Diklat Radiografi Levell, Jakarta 2001. 2. http://www.atmel.com. Datasheet microcontoller AT89C52, diakses 3 Ju1i2006 3. HOGENBOOM, P, Data Sheet 3, PT Elex Media Komputindo, Jakarta 4. httv://w'.vw.datasheetarchive.com/, Data ADC 0804, diakses 28 Juni 2006

sheet

5. http://www.datasheetarchive.coml. LMI08, diakse 22 Juni 2006

sheet

Data

6. http://www.fairchi1dsemi.com. Hermetic Silicon Fototransistor diakses 21 Juni 2006 TANYAJAWAB Pertanyaan 1.

Bisakah untuk mengukur densitas kain ?

Daftar Isi Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BA TAN

264

Joko Sunardi dkk

No title

Recommend Documents