KE DAFTAR ISI 172
ISSN 0216 - 3128
RANCANG GAS
BANGUN
SISTEM KARAKTERISASI
Taxwim, dkk.
SENSOR
Taxwim, Sayono, Eko Priyono Pusat Teknologi Akselerator dan Prosf:sBahan - BATAN, Yogyakarta
ABSTRAK RANCANG BANGUN SISTEM KARAKTERISASI SENSOR GAS. Telah selesai dibuat sebuah prototipe alat untuk karakterisasi sensor gas di Bidang Teknologi Akselerator dan Fisika Nuk/ir PTAPB-BATAN. Prototip ini.menggunakan rangkaian elektronika dan mikrokontroler sebagai pengolah data yang dapat diprogram serta rangkaian Liquid Crystal Display (LCD)16 x 2 sebagai unit penampil hasil pengukuran. Prototip tersebut dapat bekerja dengan menggunakan gas dengan konsentrasi tertentu dan akan merubah resistansi lapisan tipis yang disebabkan oleh perubahan konsentrasi gas tersebut. Perl/bahan resistansi ini menyebabkan perubahan signal/istrik yang dapat dibaca oleh sistem mikrokontroler. Prinsip kerja dari prototip ini adalah membaca sinyal dari sensor gas yang disebabkan oleh perubahan resistansi yang dapat diimplementasikan pada sinyal analog yang diubah dalam bentuk digital dan hasilnya ditampilkan pada LCD. Mikrokontroler diprogram menggunakan perangkat lunak BASCOM 8051 versi demo yang lebih mudah daripada bahasa Assembler dan lebih mudah untuk pengembangan program lebih lanjut. Dari hasil pengujian, prototip ini dapat berfungsi dengan baik sampai dengan 200 ill, dan pengujian dengan resistor tipe metal film diperoleh persamaan /inieritas Y=I:0085x-O,849 dengan R]= I dan Sl/Iw kerja diperoleh berkisar 275°C dengan sensitivitas sensor,gas lapisan tipis TiO] = 22,5 ml/volt/kD.. Kala kunci : Prototip, karakterisasi sensor gas
ABSTRACT DESIGN AND CONSTRUCTION OF GAS SENSOR CHARACTERISATION SYSTEM. A prototype of gas sensor characterisation system has been made in Division of Accelerator and Nuclear Physic Technology, PTAPB-BATAN. The prototype was constructed using electronic circuit as amplifier circuit, microcontrol/er circuit and Liquid Crystal Display circuit (LCD) 16x2 as a measured display unit. The prototype has been examined using gas with certain concentration in testing tube, and the changing of thin layer resistance dl/e to the changing of gas concentration was detected. The resistance change causes the change of electrical signal which can be read by microcontrol/er system. The work principle of prototype is to read electrical signal from gas sensor caused by the change of gas sensor resistance, which can be implemented in analog signal converted to digital signal and displayed by LCD. The microcontroller is programmed using BASCOM 8051 software demo version, which is easier than assembler language and it is easier for program development in thefuture. The test shows that the prototype is running well up to 200 ill, and the test using metal film type resistor yields the linearity equation of Y=I,0085X-O,849, where R2=1 and the working temperature is about 275°C. The sensitivities of gas sensorfor TiO] thinfilm is 22.5 ml/volt/ill. Keyword: prototype, characterization gas sensor
PENDAHULUAN tipis dari (thinproses film) merupakan yang Lapisan dihasilkan kondensasi bahan atom-atom, molekul-molekul atau ion-ion yang memiliki sifat atau karakter unik yang sangat berbeda dengan bahan asalnya. Hal ini merupakan akibat dari perubahan geometri, sifat-sifat fisika, kimia ataupun nonequlibrium microstructure(1). Ada beberapa metode dalam pembuatan lapisan tipis, diantaranya metode sputtering, implan-
Lapisan tipis sebagai tast JOn dan evaporasi[21• sensor gas sekarang telah banyak dimanfaatkan karena mempunyai karakteristik tertentu. Sensor gas terse but mampu mendeteksi campuran gas tertentu dan mampu mendeteksi jenis gas. Salah satu cara untuk mengetahui karakteristik suatu lapisan tipis adalah dengan mengukur sifat kelistrikannya, diantaranya adalahsifat kapasitansi, konduktansi dan resistansinya. Sifat konduktansi merupakan kebalikan dari sifat resistansi. Resistansi mempunyai sifat yang lebih nyata sehingga lebih mudah untuk ditentukan dari pad a sifat yang lain.
Prosldlng PPI - PCIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
ISSN 0216 - 3128
Taxwim, dkk.
Besaran resistansi lapisan tipis sangat beragam mulai orde Ohm hingga orde ratusan kilo Ohm bahkan mega Ohm dan lapisan tipis ini rentan terhadap pemberian bias tegangan besar dan rentan dilalui arus listrik. Dalam penelitian ini dibuat suatu sistem alat ukur resistansi yang mempunyai jangkauan tertentu yang dapat disesuaikan dengan nilai resistansi saat ini misalnya dengan orde Kilo Ohm atau lebih tinggi lagi, dengan kelebihan yang dapat diprogram.
173
membuat rangkaian penguat dan pengkondisi. Kedua rangkaian ini digunakan untuk memperkuat dan memisahkan noise keluaran sinyal analog dari sensor gas lapisan tipis. Selain itu, juga dirancang rangkaian V to F Converter untuk mengubah sinyal tegangan menjadifTekuensi sehingga keluarannya dapat dibaca oleh mikrokontroler dalam bentuk digital Dengan bantuan perangkat lunak (software) BASCOM 8051 Demo, nilai fTekuensi tersebut dikonversi dan ditampilkan sebagai nilai resistansi hasil pengukuran dari sensor gas lapisan tipis. Gambar I adalah gambar blok diagram sistem sensor gas lapisan tipis berbasis mikrokontroler.
Sistem pengukur ini dibuat berbasis mikrokontroller dan diprogram dengan komputer yang mempunyai perangkat lunak BASCOM 8051 versi demo, yang memudahkan untuk dipahami karena seperti bahasa pemrograman basic, selanjutnya sistem akan bekerja secara mandiri. Untuk pengembangan masa mendatang, apabila terjadi perubahan maka akan memudahkan untuk merubah program yang lebih sesuai. Tujuan penelitian ini antara lain membuat suatu alatJprototip portabel untuk mengukur resistansi sensor gas lapisan tipis dengan jangkau ukur yang tak terlalu besar dalam orde beberapa ratus kilo Ohm yang dipergunakan untuk karakterisasi lapisan tipis yang dihasilkan dari penelitian Bidang Teknologi Akselerator dan Fisika Nuklir, PUSTEK APB, BATAN.
Penguat awal dan pengkondisi Dalam sistem ini dibuat rangkaian penguat awal yang mampu memperkuat sinyal keluaran dari sensor gas lapisan tipis karena sinyal yang dihasilkan oleh sensor gas lapisan tipis sangat lemah serta terdapat noise. Penguat awal ini menggunakan opamp tipe IC 74 I. Dipilihnya IC 74 I karena mempunyai impedansi keluaran yang kecil, impedansi masukan tinggi dan memiliki penguatan yang sangat tinggi. Jenis rangkaian penguat yang digunakan adalah rangkaian umpan balik negatif (inverting), dimana sebuah resistan umpan balik luar (RJ) dihubungkan di antara terminal keluaran dan masukan negatif. Keuntungannya penguatan hanya tergantung pada resistansi luar, yaitu ditentukan oleh besamya nilai RJ dan Rj 131. Penguat awal ini dibuat untuk pengukuran sampai (RJ) 200 kO yaitu nilai maksimal resistansi yang dapat diukur oleh prototip tersebut, sedangkan resistansi Rj yang digunakan adalah 20 kO. Tegangan masukan (Vin) dibuat tetap sebesar 1 volt. Dari ketentuan diatas dihasilkan keluaran penguat awal (VOIII)
TAT A KERJA Sistem Perancangan Prinsip pengukuran resistansi sensor gas lapisan tipis menyerupai pengukuran resistansi alat ukur Ohm meter. Tetapi dalam penelitian ini menggunakan sistem minimum mikrokontroler AT89C51 (single chip) yang dirancang dengan
KomputeriPC
~I Sensor Gas lapisan Tipis
Gambar
D
Volt to Penguat A wal, Pengkondisi
~I
Frekuensi Converter
I~
Mikrokontroler
AT89C51
1. Blok diagram sistem sensor gas lapisan tipis berbasis mikrokontroler.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
174
ISSN 0216 - 3128
20 kQ RfI J vIII = ( 200 =(R kQ ) I V = 10 V.
Sehingga nilai frekuensi yang disuplai ke sistem A T89C51 sebesar 0-200 kHz. Apabila tegangan terukur pad a pin 4 (AD 654) bemilai maksimal (2V), maka keluaran dari VFC = 200 kHz. Alasan dibuat 200 kHz supaya mempermudah dalam konversi data. Jadi setiap nilai resistan 0,5 Volt mengeluarkan frekuensi 20 kHz yang dikonversikan menjadi 20 kQ.
(I)
minimum
Untuk faktor penguatan sesuai persamaan : (2)
Rangkaian
pengubah
tegangan
ke
Rangkaian
frekuensi
(VFC) Rangkaian V to F Converter ini berfungsi untuk mengubah tegangan menjadi frekuensi (Gambar 2). Dengan menggunakan IC AD654, diperoleh nilai frekuensi secara proporsional[4]. R9, RIO dan VRs berfungsi sebagai pembagi tegangan. Nilai keluaran 0-10 volt dari sistem penguat diturunkan menjadi 0-2 volt dan dimasukkan ke pin 4 (AD654). Besamya nilai frekuensi dapat ditentukan oleh resistor R\I dan kapasitor CIO.
(3)
f
= [
IO::.C" ]
Diasumsikan nilai tegangan masukan Vi adalah 2 volt (skala maksimum), maka:
!=(
10.1.103.1.10.9 2
) = 200kHz
(4)
Taxwim, dkk.
sistem minimum A T89C51181
Perancangan sistem kendali pada penelitian ini menggunakan IC mikrokontroler AT89C51. Untuk mengendalikan suatu sistem, mikrokontroler ini harus dilengkapi dengan komponen dasar seperti sumber clock, dan rangkaian reset. Sumber clock diperoleh dengan memasang penghasil detak yaitu crystal dengan frekuensi detak sebesar 11,0592 MHz dan kapasitor sebesar 33 pF yang dihubungkan dengan pin XTALI dan XTAL2 pada mikrokontroler. Dengan frekuensi c/)'stal terse but. maka crystal mengeluarkan II ,0592x I 06 pulsa per detik. Hal ini berarti dalam I detik ada 921600 (11,0592 x machine cycle, dengan kata lain satu 106/12) machine cycle memakan waktu 0,92 mikrodetik1S.6J. Rangkaian reset berfungsi untuk me-reset program pada mikrokontroler dengan menghubungkan pin reset dari mikrokontroler (pin 9) dengan logika I atau 5 volt. Pin reset tidak langsung dihubungkan dengan 5 volt, namun ditambah kapasitor untuk memberikan resetpada awal mikrokontroler dinyalakan. Dalam, penelitian ini rangkaian reset juga ditambah tombol push on agar pengguna dapat melakukan reset secara manual.
TP3
OHz _ 200kHz
RiO
iK
2K2
TP2
VR4
R7
5K
Gambar 2. Rangkaian
pengubah
tegangan
ke frekuensi.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
+9V
ISSN 0216-3128
Taxwim, dkk.
/75
PH
n,o PO,s PO.6
:w 10 11 30 ALEIP TJa) Dim PSEN
P1.S P],1 n.l PI,. Pl.3 Pi.] Pl.l P1.5 INTI
+ l.
u
n,.
n,6
P1.3
_
31
INTOPl.O
RJ(I)
3. 33
PO~~
P1.1 P1.6
Gambar 3. Rangkaian
Rangkaian
LCD
Rangkaian LCD menggunakan modul LCD M-1632. Nilai VR I kQ untuk pengaturan kontras pad a karakter LCD. Hubungan antara LCD dan mikrokonroler dapat ditunjukkan pad a Gambar 4[71.
Pembuatan Perangkat Lunak (Software) Sistem pengolah data pada mikrokontroler menggunakan bahasa BASIC dengan perangkat lunak BASCOM 8051 (basic compiler). BASCOM 8051 versi demo yang mempunyai fasilitas compile, yaitu untuk mengkompilasi menjadi file-file berekstensi HEX (heksa desimal) dan BIN (biner) File terse but (berekstensi HEX atau BIN) ditanamkan
Sistem Minimum AT89C5I.
pada memori mikrokontroler sebagai program pngendali prototip ini. Untuk menanamkan file tersebut ke dalam memori IC AT89C51 digunakan peralatan modul downloader Atmel Writer. Fungsi utama perangkat lunak mikrokontroler adalah membaca pulsa yang dihasilkan oleh sensor gas. Mikrokontroler mencacah pulsa masukan dari rangkaian pengubah tegangan menjadi tTekuensi melewati pin 14 (timer 0). Hasil cacahan tersebut dikonversi dan ditampilkan ke penampil (LCD). Nilai tTekuensi tersebut akan sebanding dengan nilai resistansi yang terukur, sehingga setiap ada pulsa masukan tTekuensi, mikrokontroler akan merespon, mencacah dan mengkonversinya. Diagram alir pembuatan program seperti pada Gambar 5.
LCD MODULE
50
5VoJl
PI3 PI2 PIA
PI5 PI~ PI~
A T89C5I
Gambar
4. Rangkaian
modul LCD dengan mikrokontroler
Prosiding PPI - PCIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
AT89C5I.
176
ISSN 0216-3128
Taxwim, dkk.
A=1 Pwkt= 10 \M
CounteriJ= 0 Counting Nilai= CounteriJ Nilai 2= Nilai 2+Nilai
Ulang; Mulai=O; Hapus=O Henti=O ; Nilai=O Pw kt= 0 : Tahan an=O P£J=FFH
Tahan an= Tahan anl1 0 Tahan an2= Tahanan/100 0
T
Gambar 5. Diagram alir pembuatan program. Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
Taxwim, dkk.
-
ISSN 0216 - 3128
177
HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian
Re!;'istor Jenis Metal Film Sebagai Kalibrasi Tabel1. Resistor Metal 10 140 20 100 160 120 200 180 40 60 80
Data pengukuran dengan resistor metalfilm. 181 119,5 9,9 119,5 179,5 39,8 99,5 199,2 19,8 19,7 79,4 140,2 160,6 79,6 139,5 59,7 159,5 201,4 39,5 99,5 Alat YangStandar Dibuat 959,5 ,8Alat (kO) (kO)
Film
No
250
200
E
.£:
o
150
~ 1/1
c:
.f!
1 00
.!!! 1/1 Q) r:x:
o
o
50
100
150
200
250
Resistor metal Film (k Ohm)
Gambar
6. Grafik kalibrasi system, Ohm meter dan resistor metal film.
Dari hasil pengujian diatas diperoleh: persamaan garis linieritas (alat) Y = I,0085x - 0,849 dengan R2 = I. dan persamaan garis linier (Ohm meter) Y = 1.0 129x - 0,9448 dengan R2 = I. Hal ini menunjukan bahwa alat yang dibuat telah berfungsi dengan baik untuk pengukuran resistansi. Nilai resistansi alat berbanding linier dengan nilai resistor metal film dan alat standar. Pad a Tabel 2 didapatkan data hasil pengukuran resistansi sensor gas lapisan tipis Ti02 dengan
variasi suhu, ketika pengukuran suhu kamar 33°C, didapat nilai resistansi 57,14 kO. Dengan memvariasi suhu didapatkan daerah kerja dari sensor lapisan tipis Ti02 yaitu berkisar pada suhu 275°C Dengan kenaikan nilai suhu akan menurunkan nilai resistansi sensor. Pada suhu tertentu penurunan resistansi sensor cenderung lambat dan relatif tetap. Hal ini memmjukkan sensor gas lapisan tip is sudah mencapai tingkat kejenuhan.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN Yogyakarta, 10 Jull 2006
178
ISSN 0216 - 3128
Tabel2. Data resistansi sensor gas
60
0 40
E
Ti02 dengan variasisuhu.
250 200 225 175 150 125 300 100 75 33 275 50 (0C) Resistansi 14,55 18,41Sensor (kO) 12,32 13,31 24,52 33,57 40,21 47,87 44,76 11,41 57,14 Suhu 50,49
No
hu (Celsius)
TlLnvim, dkk.
100 250 200 150 350 300 50
'!50
'"i:" .!12 0:: oX ~
10 0 .a 030 en <5 ~ 20
Gambar
7. Grafik resistansi sensor Ti02 terhadap
perubahan
suhu.
Pengujian Sensor Gas Lapisan Tipis Ti02 Dengan Varia.•• i Konsentrasi Gas No
Tabel3. Data resistansi sensor gas Ti02 dengan variasi suhu. 15 45 35 30 25 5 Gas Alkohol Konsentrasi 40 010 20 11,35 11,54 11,88 12,35 11,45 11,48 12,11 12,55 (kO)Resistansi Sensor 11,67
(ml)
Prosiding PPI • PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
/79
ISSN 0216 - 3128
Taxwim, dkk.
,• •
•
,
10
Konsentrasi Gambar
8.
Grafik pengukuran terhadap konsentrasi
GaS
S = t!.X = 22,5 mIl Ivol
d. Sensitivitas
10
suhu 275 ·C
peralatan t!. X
t!.Y
_ -
sensor
gas yang
telah
Ivol 22,5 mil
kO
DAFT AR PUST AKA I.
TRI MARDJI ATMONO, Teori Dasar Bahan Lapisan Tipis, Diktat Aplikasi Fisika Nuklir dan Atom di Bidang Industri, Batan, Yogyakarta, 1995.
2.
TRI MARDJI ATMONO, Metode Karakterisasi Bahan Lapisan Tipis, Diktat Aplikasi Fisika Nuklir dan Atom di Bidang Industri, Batan, Yogyakarta, 1995.
3.
WASITO S, Data Sheet Book I IC Linier, TTL dan CMOS, PT. Elex Media Komputindo, Jakarta, 1996.
4.
MALVINO A.P. and LEACH D.P, Digital Principles and Applications, McGraw-HilI, Inc., U.K., 1981.
5.
MALIK M.1. dan ANIST ARDI, Bereksperimen dengan Mikrokontroler 803 I, PT. Elex Media Komputindo, Jakarta, 1997.
6.
GARLAND H., Introduction to Microprocessor System Design, McGraw-Hili, Inc., U.K. 1979.
KESIMPULAN
a. Prototype berfungsi dengan baik sampai 200 k Ohm
dengan
dibuat = S =
kO
Dari hasil penelitian tersebut dapat diambil kesimpulan sebagai berikut.
40
alkohol (mIJvol)
resistansi sensor Ti02 gas alkohol.
Hasil pengujian sensor gas terhadap variasi densitas gas alkohol terlihat seperti pada Tabel 3. dan Gambar 8. Dengan bertambahnya densitas gas alkohol akan meningkatkan moleku\-molekul oksigen yang terserap permukaan lapisan tipis sehingga meningkatkan konduktivitas dan mengakibatkan resistansi sensor gas TiOz menurun. Hal ini menunjukkan bahwa sensor gas lapisan tipis TiOz peka (sensitit) terhadap perubahan konsentrasi gas alkohol. Dari Grafik diatas diperoleh sensitivitas sensor gas lapisan tipis TiOz sebesar:
t!.Y
10
20
b. Pengujian dengan resistor metal film didapatkan persamaan linieritas Y=I,0085x-0,849 dengan RZ=I
c. Suhu kerja diperoleh berkisar 275 ·C
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
180
7.
8.
ISSN 0216 - 3128 ANONIM, Liquid Crystal Display Module, M1632 User Manual. Seiko Instruments Inc. 1987. ANONIM, 89C51 Development Tools DT51 Version 3, User's Guide, Manual Book, Innovative Electronics, 1999.
Taxwim, dkk.
Taxwim - Besaran tegangan. - Tentu saja berpengaruh tetapi relatif tidak besar dan dapat diatasi dengan memasang condensator sebagai filter pada semua IC yang digunakan. Sri Sukmajaya - Peubah tegangan ke frekuensi, dapat dibuat suatll rangkaian elektronik? Dengan kelebihan mampll memperkecil deviasi/penyusutan tegangan (misal aplikasi untuk generator plasma).
TANYA JAWAB Taufik - Besaran apa diterima?
yang
diambil
dari
sensor
yang
- Apakah noise berpengaruh besar pada keluaran sensor? Bagaimana mengatasinya?
Taxwim - Dapat. Untuk memperkecil deviasilpenurunan tegangan tergantung dari sumber inputnya. jika inputnya tak stabil tentu saja output dari frekuensijuga tak stabil.
KE DAFTAR ISI
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
