J u r n a l Te k n i k A Vo l 7 N o 2 S e p t e m b e r 2 0 1 5
ISSN No. 2085 - 0859
RANCANG BANGUN ALAT PENGADUK BAHAN BIOGAS BERBASIS MIKROKONTROLER MCS51 Suharijanto*) *)
Dosen Prodi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Islam Lamongan Email :
[email protected]
ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk merencanakan dan mendesain alat kontrol pengaduk bahan biogas berbasis mikronkontroler. Dimana selama ini pengaduk bahan biogas masih menggunakan cara-cara manual atau dengan bantuan kerja manusia. Tahapan awal pembuatan alat kontrol pengaduk bahan biogas ini dengan melihat bentuk asli pengolahan bahan biogas. Pada bangunan pengolah biogas, ada tiga tempat bagian penting dalam pengolahan biogas, yaitu inlet (tempat ini digunakan untuk mencampurkan campuran kotoran ternak dan air ke dalam digester), digester (disebut juga reaktor berfungsi sebagai tempat mengolah kotoran ternak melalui proses difermentasi oleh bakteri-bakteri untuk menghasilkan gas) dan Outlet (saluran ini digunakan untuk mengeluarkan kotoran yang telah difermentasi oleh bakteri. Saluran ini bekerja berdasarkan prinsip kesetimbangan tekanan hidrostatik). Dibagian inlet inilah ada alat pencampur. Alat ini digunakan untuk mempersiapkan campuran yang baik antara air dan kotoran hewan. Alat pengaduk terkotrol ini terbuat dari tiga komponen, yaitu motor penggerak, pelat yang didesain seperti balingbaling dan pengontrol yang menggunakan minimum sistem mikrokontroler. Program pada alat kontrol ini berbasis mikrokontroler MCS51 dengan menggunakan bahasa assembly dan C. Hasil yang diperoleh dari penelitian ini desain miniatur alat kontrol pengaduk bahan biogas dengan mengunakan sistem minimum mikrokontroler MCS51 dengan beberapa instrumen pendukung berupa mekanik, penggerak motor dan pengaduk. Ukuran miniatur tempat pengaduk diameter 0.5 m dan tinggi 1 m. Kata kunci : Alat kontrol, Pengaduk, Mikrokontroler MCS51 PENDAHULUAN Persoalan energi menjadi sangat penting untuk di bahas lebih detail, apalagi disaat seperti ini dimana telah terjadi krisis energi yang berdampak pada kebijakan mencabut subsidi BBM yang berakibat naiknya harga BBM terutama gas elpiji. Di Kabupaten Lamongan untuk mengatasi dampak dari kenaikkan BBM terutama gas elpiji, masyarakat sudah mulai mencari alternatif bahan bakar lain pengganti gas elpiji, yaitu memanfaatkan kotoran hewan yang diolah menjadi biogas. Data Dinas Peternakan Kabupaten Lamongan tahun 2010 jumlah ternak sapi sebanyak 60.299 ekor. Kambing sebanyak 54.801 ekor dan Domba sebanyak 39.850 ekor. Dari jumlah hewan ternak tersebut tentunya memiliki potensi energi biogas yang cukup besar. Dari kondisi diatas, maka peneliti membuat alternatif terutama dalam proses
703 | P a g e
pengadukan bahan biogas. Peneliti merancang sebuah pengaduk otomatis yang dikontrol dengan mikrokontroler. Pengaduk ini bekerja diatur sesuai dengan kebutuhan, mulai dari pencampuran kotoran dengan air sampai lama pengadukan dilakukan. Semua pekerjaan ini dilakukan dengan pengaduk yang digerakkan oleh sebuah motor ditambah pengaduk seperti mixer yang terbuat dari baling-baling plat dan dikendalikan oleh mikrokontroler. Permasalahan yang timbul adalah bagaimana cara mendesain alat kontrol pengaduk bahan biogas berbasis mikrokontroler dan bagaimana membuat penggerak motor untuk pengaduk biogas. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mendesain alat kontrol pengaduk bahan biogas berbasis mikrokontroler dan membuat penggerak motor untuk pengaduk bahan biogas.
J u r n a l Te k n i k A Vo l 7 N o 2 S e p t e m b e r 2 0 1 5
ISSN No. 2085 - 0859
KAJIAN LITERATUR
Biogas Biogas merupakan zat mudah terbakar (flamable) yang dihasilkan dari proses fermentasi bahan-bahan organik oleh bakteribakteri anaerob yang berasal dari limbah kotoran hewan (sapi). Biogas merupakan gas yang mudah terbakar (flamabel) yang dihasilkan dari proses fermentasi bahan-bahan organic oleh bakteri-bakteri anaerob yang berasal dari limbah kotoran hewan (sapi). Biogas dapat dihasilkan pada hari ke 4-5 sesudah biodigester terisi penuh, dan mencapai puncaknya pada hari ke 20-25. Akan tetapi perlu juga dipertimbangan ketinggian lokasi pembuatanya karena pada suhu dingin biasanya bakteri lambat berproses sehingga biogas yang dihasilkan mungkin lebih lama. (wahyono, E.H dan Sudarno,N, 2012) Ada 6 bagian utama dari bagian digester : inlet (tangki pencampur) sebagai tempat kotoran hewan masuk, reactor (ruang pencernaan anaerob), penampung gas (ruang penyimpanan), outlet (ruang pemisah), system pengangkut gas dan lubang kompos kotoran hewan yang telah hilang gasnya/bio-slurry. Campuran kotoran dan air (dicampur dalam saluran masuk atau ruang pencampur) mengalir melalui saluran pipa menuju digester. Pencampur menghasilkan gas melalui proses pencernaan di reaktor dan gas yang telah dihasilkan kemudian disimpan dalam penampung gas (bagian atas kubah).
704 | P a g e
Gambar 1. Contoh Skema Digester Biogas Tipe Fixed Dome Plant (Sumber: Biru, Kementrian Energi, 2010) Dibagian bak pencampur (waste(1)) ada pengaduk yang digerakkan secara manual, berfungsi untuk mengaduk pencampuran air dengan kotoran sapi.
Gambar 2. Alat Pencampur Bahan Biogas (Sumber:Wahyono, E.H. dan Sudarno,N, 2012) Mikrokontroler Mikrokontroler adalah komponen berbasis mikroposesor yang digunakan sebagai pengendali utama system. Komponen tersebut berfungsi memproses dan mengolah data. Pada dasarnya mikrokontroler mempunyai fungsi yang hampir sama dengan mikroprosesor, mikrokontroler mempunyai fungsi yang hampir sama dengan mikroprosesor, yaitu untuk mengontrol kerja dari suatu system. Seperti halnya pada mikroposesor, mikrokontroler juga dikemas dalam satu chip (singgel chip). Didalam mikrokontroler juga terdapat CPU (Central Processor Unit), ALU (Aritmetic Logic Unit), PC(Program Counter), SP (stack Pointer). Selain itu, pada mikrokontroler juga terdapat peripheral tambahan, seperti ROM (Read Only Memory), RAM (random Access Memory), PIO (programmable input Output), SIO (serial Input Output) counter dan sebuah rangkaian clock yang tidak terdapat pada mikroposesor. (Usman, 2008).
J u r n a l Te k n i k A Vo l 7 N o 2 S e p t e m b e r 2 0 1 5
Gambar 3.Diagram Blok Mikrokontroler MCS51 (Sumber : Atmel, 1995).
705 | P a g e
ISSN No. 2085 - 0859
ISSN No. 2085 - 0859
J u r n a l Te k n i k A Vo l 7 N o 2 S e p t e m b e r 2 0 1 5
Sensor Level Air Inti dari rangkaian level air ini adalah IC 4093 yang dihubungkan dengan bagian input menggunakan dua buah batang plat dan outputnya dihubungkan ke mikrokontroler. Gambar rangkaiannya bisa dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 4. Rangkaian Sensor Level Air (Sumber : Elektuur, 2012) 2.4. Motor Listrik AC Satu Fasa Konstruksi motor induksi satu fasa terdiri atas dua komponen yaitu stator dan rotor. Stator adalah bagian dari motor yang tidak bergerak dan rotor adalah bagian yang bergerak yang bertumpu pada bantalan poros terhadap stator. Motor induksi terdiri atas kumparan-kumparan stator dan rotor yang berfungsi membangkitkan gaya gerak listrik akibat dari adanya arus listrik bolak-balik satu fasa yang melewati kumparan-kumparan tersebut sehingga terjadi suatu interaksi induksi medan magnet antara stator dan rotor. Bentuk dan konstruksi motor tersebut digambarkan pada gambar 5.
2.4.1. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Phasa Satu Motor induksi satu fasa terdiri kumparan stator dan kumparan rotor. Kumparan stator dan rotor masing-masing terdiri dari parameter resistansi “R’, reaktansi “jX”dan lilitan penguat “N”. Rangkaian ekivalen dari motor induski satu fasa dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 6. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Sederhana. (Sumber : Lister, Eugene, 1984)
Gambar 7. Rangkaian Pengganti Motor induksi Satu Fasa. (Sumber : Lister, Eugene, 1984) Nilai arus suber bolak-balik satu fasa dapat dirumuskan sebagai berikut : I1 = IØ + I2
’
Besarnya arus pemaknitan IØ yang timbul akibat adanya induksi yang terjadi antara medan stator dan rotor adalah : IØ = I r + I m
Ggl yang dihasilkan akibat interaksi induksi medan magnet antara stator dan rotor yang masingmasing sebesar E1 dan E2 adalah : ’
E1 = I2 (Rs +jXs)
Gambar 5. Konstruksi Motor Induksi Satu Fasa (Sumber : Lister, Eugene, 1984)
703 | P a g e
E2 = I2 [ Rr/S + jXr ] Impedansi pada kumparan motor stator dan rotor masing-masing adalah :
ISSN No. 2085 - 0859
J u r n a l Te k n i k A Vo l 7 N o 2 S e p t e m b e r 2 0 1 5
jXs = jωs Ls jXr = jωr Lr Prinsip Kerja Motor Induks Phasa Satu Apabila kumparan-kumparan motor induksi satu fasa dialiri arus bolak-balik satu fasa, maka pada celah udara akan dibangkitkan medan yang berputar dengan kecepatan putaran sebesar dengan menggunakan rumus : Ns = 120.f p
putaran [ppm] menit
atau,
selama motor induksi satu fasa berputar tergantung pada perubahan slip dan perubahan dalam Newton.meter. Perubahan pembebanan dapat terjadi dengan naiknya nilai tegangan dan arus pada rotor. Hubungan torsi (Td) terhadap parameter impedansi stator, impedansi rotor, arus rotor, tegangan sumber dan kecepatan sudut secara umum dapat dirumuskan sebagai berikut : Arus rotor (Ir) yang dihasilkan pada motor induksi satu fasa pada rumus : Ir = [(Rs
ωs = 2Πf p
Medan magnet berputar bergerak memotong lilitan rotor sehingga menginduksikan tegangan listrik pada kumparan-kumparan tersebut. Biasanya lilitan rotor berada dalam hubung singkat. Akibatnya lilitan rotor akan mengalir arus listrik yang besarnya tergantung pada besarnya tegangan induksi dan impedansi rotor. Arus listrik yang mengalir pada rotor akan mengakibatkan medan magnet rotor dengan kecepatan sama dengan kecepatan medan putar stator (ns). Interaksi medan stator dan rotor akan membangkitkan torsi yang menggerakkan rotor berputar searah dengan arah medan putar stator. Interaksi medan stator dan rotor juga menyebabkan terjadinya ggl induksi yang disebabkan oleh kumparan-kumparan stator dan rotor. Rumusan matematis gaya gerak listrik yang terjadi pada motor induksi satu fasa dengan rumus sebagai berikut:
Dimana nilai dari Ф(t) untuk fluksi maksimum akibat dari penyebaran kerapatan fluks yang melewati lilitan dengan rumus : Ф(t) = Фmax. cosωt Adanya perbedaan medan putar stator dan medan putar rotor atau yang disebut slip pada motor induksi satu fasa pada rumus sebagai berikut: s = ωs - ωr atau s = ns - nr ωs ns Hubungan Torsi dan Slip pada Motor Berubah-ubahnya kecepatan motor induksi (ns) akan mengakibatkan harga slip dari 100% pada saat start hingga 0% pada saat motor diam (nr-ns). torsi yang dihasilkan
704 | P a g e
Ir =
Vs + Rr/S)+(Xs Rr . Vs
+ Xr)2]1/2
2
22 sωs[(Rs + Rr/S) + (Xs – Xr] ]
Karakteristik torsi terhadap perubahan slip saat 100% pada saat start hingga 0% pada saat motor diam (nr = ns) pada motor induksi satu fasa dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 7. Karakteristik Td = f(s) dan n/ns = f(s) (Sumber : Lister, Eugene, 1984) METODE PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian dilaksanakan mulai bulan Januari – Desember 2014, dilakukan di peternakan di Desa Puter Kecamatan Tikung Kabupaten Lamongan Rancangan Penelitian Dalam penelitian ini akan di buat alat kontrol pengaduk bahan biogas yang berbasis mikrokontroler. Ada dua tahap dalam membuat alat kontrol pengaduk bahan biogas, yaitu : 1. Pembuatan hardware, yang meliputi : a. Pembuatan minimum sistem mikrokontroler b. Pembuatan tempat pengaduk c. Pembuatan alat pengaduk d. Pemilihan motor penggerak 2. Pembuatan Software kontrol Untuk lebih memahami bagaimana sistem kontrol yang di rancang dalam
J u r n a l Te k n i k A Vo l 7 N o 2 S e p t e m b e r 2 0 1 5
penelitian ini bisa di lihat pada blok diagram di bawah ini.
Gambar 8. Blok Sistem Kontrol Alat Pengaduk Bahan Biogas Tahapan-Tahapan Penelitian Pengumpulan data-data, referensi penunjang tentang mikrokontroler, minimum sistem mikrokontroler, software pemrograman, motor penggerak. a. Melakukan survey lokasi ke instalasi biogas yang sudah ada, dimana system pencampuran bahan biogas ( air dengan kotoran sapi) masih manual. Dan direncanakan akan membuat kontrol pencampur bahan secara otomatis di tempat tersebut. b. Melakukan survey berapa ukuran tempat pencampur bahan biogas yang ada di lokasi peternakan dengan dukungan
Gambar 9. Tata Letak Minimum System
705 | P a g e
ISSN No. 2085 - 0859
potensi hewan ternak yang cukup (minimal 10 ekor). c. Membuat ukuran pengaduk yang sesuai dengan ukuran tempat pencampur kotoran sapi dengan air. d. Memilih bahan-bahan yang digunakan sebagai pengaduk yang bisa digerakkan oleh motor e. Memilih motor penggerak yang cocok dengan pengaduk. f. Melakukan pengujian alat pengaduk. g. Menarik kesimpulan h. Membuat laporan i. Evaluasi. Karena dalam penelitian ini membuat alat pengaduk bahan biogas yang dikontrol dengan mikrokontroler, maka analisa yang dilakukan adalah dengan mengukur berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk pengisian reaktor biogas dengan pengaturan putaran motor mulai level 1, 2, 3 dan 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Mendesain Minimum Sistem Mikrokontroler Pada penelitian ini digunakan minimum system DT-51 Low Cost Micro System v.2.0. dimana merupakan suatu modul single chip dengan mikrokontroler AT89S51 dan kemampuan komunikasi serial secara UART serta In-system programming (untuk mikrokontroler yang berkemampuan ISP). Adapun tata letak dan setting jumper bisa dilihat pada gambar di bawah ini.
J u r n a l Te k n i k A Vo l 7 N o 2 S e p t e m b e r 2 0 1 5
ISSN No. 2085 - 0859
Adapun rangkain minimum system mikrokontroler yang di buat bisa dilihat pada gambar 10.
Gambar 10. Rangkaian Minimu DT Low Cos Micro System 4.2. Mendesain Driver Motor AC Dalam pembuatan alat pengaduk digunakan motor jenis AC satu fase. Dalam pembuatan driver ini digunakan beberapa komponen, diantaranya relay, transistor serta indikator led. Rangkaian lengkap driver motor AC bisa di lihat pada gambar 11.
Gambar 11. Rangkaian Driver Motor AC
704 | P a g e
ISSN No. 2085 - 0859
J u r n a l Te k n i k A Vo l 7 N o 2 S e p t e m b e r 2 0 1 5
Mendesain Sensor Level Air.
1.
Untuk mendesain alat kotrol pengaduk bahan biogas berbasis mikrokontroler diperlukan tiga komponen penting, yaitu pengontol (mikrokontroler), penggerak motor dan pengaduk. Tiga komponen ini sangat penting dalam proses pembuatan pencampuran air dengan kotoran sapi.
2.
Untuk membuat penggerak motor untuk pengaduk bahan biogas di butuhkan tiga hal, yaitu driver pengendali putar motor AC, sensor dan software pengontrol kecepatan putar motor. Ketiga hal ini sangat penting karena berkaitan dengan proses pencampuran air dengan kotoran sapi yang selanjutnya akan dikirim ke bak penampung pembuatan biogas.
Pada sensor level air di gunakan komponen utama IC4093 dengan tambahan beberapa komponen pendukung dan juga plat yang di pasang di tempat penampung. Adapun detail rangakaian sensor level air ini dapat di lihat pada gambar 12.
Gambar 5.8. Rangkaian Level Air Hasil Pengujian Alat Setelah dilakukan pengujian alat secara lengkap dalam miniature alat, mulai dari pengaturan pengadukan sampai campuran kotoran masuk ke bak penampungan, didapat data sebagai berikut :
Putaran Motor
Waktu
Putaran 1
2 Jam
Putaran 2
1 Jam 25 Menit
Putaran 3
1 Jam 5 Menit
Putaran 4
1,5 Jam
5. KESIMPULAN Dari hasil penelitian, dapat disimpulkan sebagai berikut :
705 | P a g e
6. REFERENSI Atmel, 1997, Flash Microcontroller Architectural Overview, Atmel Inc., (http://www.atmel.com),USA BIRU. Mei 2010. Model instalasi biogas Indonesia. Hivos, SNV, kementrian Energi, Jakarta Direktorat Jenderal pertanian,2006. Teknologi bioenergy
dunialistrik.blogspot.com/2009/04/m otor-listrik-ac-satu-fasa.html Elektuur, 303 Rangkaian Elektronika, PT.Elex Media Komputindo,Jakarta 2012 Lister, Eugene C, Mesin Dan Rangkaian Listrik, Erlangga, Jakarta,1984. Usman, teknik antarmuka dan pemograman mikrokontroler AT89S52, andi Offset Yogyakarta, 2008 Wahyono, E.H & Sudarno, N, Biogas : Energi Ramah Lingkungan, Yapekam Bogor, 2012
