1
Rancang Bangun Sistem Kontrol Total Dissolved Solid Berbasis Mikrokontroler Akhmad Khusaeri, Muhammad Rivai, Tasripan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Abstrak—Air memiliki peranan yang sangat ubah dengan cepat dan secara tidak beraturan sesuai dengan kondisi penting bagi kehidupan. Banyak diantara kita hanya lingkungan sekitar, sehingga bisa berakibat negatif bagi ikan. mengetahui bahwa air yang sehat adalah air yang bebas Sebagian besar ekosistem perairan yang melibatkan fauna ikan bakteri dan virus, padahal kualitas air yang sehat lebih dapat mentolerir tingkat TDS hingga 1000 mg/l [1]. dari itu. Salah satu faktor yang sangat penting dan Peningkatan padatan terlarut dapat membunuh ikan secara menentukan bahwa air yang sehat adalah kandungan TDS langsung, meningkatkan penyakit dan menurunkan tingkat (Total Dissolved Solids) atau kandungan unsur mineral pertumbuhan ikan serta perubahan tingkah laku dan penurunan dalam air. Contoh unsur mineral dalam air adalah: zat reproduksi ikan. Selain itu, kuantitas makanan alami ikan akan kapur, besi, timah, magnesium, tembaga, sodium, chloride, semakin berkurang [2]. dan chlorine. Sebagian besar ekosistem perairan yang Metode yang ditawarkan dalam publikasi ini adalah dengan melibatkan fauna ikan dapat mentolerir tingkat TDS menggunakan sistem kontrol TDS berbasis mikrokontroler. hingga 1000 mg/l. Peningkatan padatan terlarut dapat Sensor yang digunakan adalah dengan menggunakan prinsip membunuh ikan secara langsung, meningkatkan penyakit konduktansi. Sensor ini mampu mengukur level TDS air dan menurunkan tingkat pertumbuhan ikan serta secara real time, yang hasil pembacaanya diproses oleh perubahan tingkah laku dan penurunan reproduksi ikan. mikrokontroler. Hasil pengolahan data oleh mikrokontroler Pada tugas akhir ini penulis akan membuat digunakan untuk mengontrol level TDS air. Jika level TDS air Sistem kontrol TDS Berdasarkan Pada Pengukuran melebihi set point sistem, maka pompa Membran RO akan Konduktansi. Hasil pengukuran nilai konduktansi akan melakukan proses filterisasi oleh membrn RO, sehingga TDS dirubah menjadi tegangan melalui rangkaian pembagi air selalu dapat dijaga sesuai dengan keinginan kita secara real tegangan yang kemudian dilakukan proses ADC dengan time. menggunakan mikrokontroler. Hasil pengolahan data pada mikrokontroler ditampilakan pada LCD sebagai II. TEORI PENUNJANG pengukuran nilai TDS serta digunakan untuk mengontrol pompa. Pompa dilengkapi dengan membran RO untuk 2.1. Konsep Konduktansi filterisasi yang kecepatannya terkontrol. Pompa akan aktif Konduktansi atau EC (Electrical Conductivity) adalah jika tingkat TDS melebihi set point yang di inginkan , ukuran kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan arus filterisasi dilakukan secara terus-menerus hingga tingkat listrik. Konduktansi (G) merupakan kebalikan (invers) dari TDS kembali normal. resistansi (R). Sehingga persamaan matematisnya adalah : Berdasarkan hasil pengujian yang telah 1 dilakukan, sistem ini telah bekerja secara efektif. Dalam (1) G= proses pengujian, sistem mampu menurunkan TDS rataR rata sebesar 50 PPM dalam 20 menit untuk volume air Sehingga dengan menggunakan Hukum Ohm, maka sebanyak 1 liter. didapatkan definisi lainnya : Kata Kunci : TDS, ATmega 16, Membran RO I. PENDAHULUAN engontrolan TDS air merupakan hal yang penting dilakukan. Banyaknya pencemaran lingkungan menyebabkan naiknya TDS air hingga melebihi batas normal. Hal ini bisa diatasi dengan menggunakan sistem otomatisasi TDS air.
P
Pada metode konvensional, cara yang digunakan adalah dengan mengukur level TDS air secara berkala dengan menggunakan TDS meter. Metode ini tidak bisa diandalkan karena TDS air bisa berubah-
V = IR =
I G
(2)
Secara definisi diatas, jika dua plat yang diletakkan dalam suatu larutan diberi beda potensial listrik (normalnya berbentuk sinusioda), maka pada plat tersebut akan mengalir arus listrik. Konduktansi suatu larutan akan sebanding dengan konsentrasi ion-ion dalam larutan tersebut yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini :
2 Kontrol ON-OFF memiliki karakteristik sinyal keluaran dari kontroler u(t) tetap pada salah satu nilai maksimum atau minimum tergantung pada sinyal pembangkit kesalahan positif atau negatif. Diagram blok kontroler ONOFF yang memiliki masukan r(t) dan keluaran u(t), ditunjukkan pada Gambar berikut. Gambar. 1. Hubungan Konduktansi dan Konsetrasi Ion
Satuan dasar untuk konduktansi adalah Siemens (S), dan formalnya menggunakan satuan Mho (kebalikan dari Ohm). Karena luas penampang plat dan jarak antar plat juga mempengaruhi konduktansi, maka secara matematis ditulis dengan [3]:
G=
CxA L
(3)
Gambar. 2. Pengaruh luas penampang terhadap konduktansi
Dimana : C : Konduktansi spesifik (S) G : Konduktansi yang terukur (S) L : Jarak antar plat (cm) A : Luas penampang plat (cm2) 2.2. Total Dissolved Solid (TDS) Total Dissolved Solid (TDS) yaitu jumlah zat terlarut (baik itu zat organik maupun anorganik) yang terdapat pada sebuah larutan. TDS menggambarkan jumlah zat terlarut dalam part per million (ppm) atau sama dengan milligram per liter (mg/L). Sumber utama untuk TDS dalam perairan adalah limpahan dari pertanian, limbah rumah tangga, dan industri. Unsur kimia yang paling umum adalah kalsium, fosfat, nitrat, natrium, kalium, Raksa, Timbal dan klorida. Bahan kimia dapat berupa kation, anion dan molekul. Kandungan TDS yang berbahaya adalah pestisida yang timbul dari aliran permukaan. Beberapa padatan total terlarut alami berasal dari pelapukan dan pelarutan batu dan tanah [4]. Sebagai sampel ikan digunakan udang vaname di lokasi Gresik, tingkat TDS perairan udang ini optimal antara 300 - 400 PPM, kurang dari 300 PPM, tidak dikatakan optimal, karena semakin kecil TDS akan menyebabkan berkurangnya kandungan mineral yang dibutuhkan plankton, yaitu Fosfat dan nitrat, dua mineral ini sangat bagus untuk pertumbuhan plankton, dimana plankton merupakan makanan alami bagi ikan. 2.3. On-Off Kontroller Pada sistem kontrol ON-OFF, elemen pembangkit hanya memiliki dua posisi tertentu yaitu ON atau OFF.
Gambar 3 Diagram Blok kontrol On-Off Aksi kontrol ON-OFF ditunjukkan pada persamaan berikut:
Persamaan diatas memiliki nilai U1 dan U2 yang konstan. Nilai minimum U2 dapat sebesar nol atau – U1. Pada sistem kontrol close loop, sinyal e(t) merupakan sinyal kesalahan aktuasi (error) sebesar selisih antara sinyal input dengan sinyal umpan balik [5].
2.4. Regresi Polinomial Regresi Polynomial digunakan untuk menentukan fungsi polinomial yang paling sesuai dengan kumpulan titik data (x n ,yn ) yang diketahui.
Gambar 4 Grafik regresi polinomial
Fungsi Pendekatan : Untuk persamaan hubungan [6]:
polinomial
orde
2,
didapatkan
3 III. PERANCANGAN SISTEM 3.1. Gambaran Umum Sistem
Gambar 6 Rangkaian Sensor TDS
V out :tegangan output sensor R 2 :resistansi beban V IN :tegangan supply R 1 :resistansi sensor
Gambar 5. Diagram Blok Sistem
Pada sistem kontrol TDS ini, sensor utama yang digunakan adalah sensor plat sejajar (prinsip konduktansi). Perubahan nilai konduktansi air akan menyebabkan perubahan nilai tegangan ADC, nilai ADC ini dikonversikan menjadi nilai TDS air (dalam satuan PPM) dengan menggunakan pendekatan regresi polynomial, semua proses pengolahan data dilakukan oleh mikrokontroler yang hasil pengukurannya di tampilkan oleh LCD. Pada system ini, digunakan pompa sebagai pemberi tekanan tinngi kepada membrane RO yang semuanya dikontrol oleh mikrokontroler, jika TDS air melebihi set point yang diinginkan, maka pompa akan melakukan filterisasi air dengan tekanan tinggi, sehingga proses revers osmosis dapat terjadi. Air hasil filterisasi terbagi menjadi 2, yaitu air buangan dengan nilai TDS yang tetap dan yang kedua air hasil RO dengan nilai TDS yang lebih rendah disbanding dengan air sebelumnya. Proses ini dilakukan secara terus menerus hingga mencapai target. 3.2. Perancangan Hardware Perancangan hardware terbagi menjadi beberapa bagian, diantaranya adalah rangkaian instrumentasi dan akusisi data sensor TDS, minimum sistem, rangkaian pengatur kecepatan motor DC. Untuk mendeteksi kadar zat terlarut dalam air digunakan sensor TDS dengan menggunakan prinsip konduktansi yang dikalibrasi dengan menggunakan alat TDS meter merk HMDigital, TDS meter ini bisa mengukur kadar zat terlarut pada air hingga 9990 ppm. Besarnya output dari sensor TDS dapat diketahui dari persamaan berikut:
V
Out
=
R2 xVIn R1 + R2
(4)
Gambar di atas (gambar 6) merupakan desain skematik dari board sensor TDS. Output dari sensor tersebut akan dihubungkan pada ADC mikrokontroler Atmega16 pada PORTC.0. Minimum sistem digunakan untuk membaca ADC, pengontrol putaran dari pompa melalui PWM mikrokontroler. Selain itu pada minimum sistem ini juga berperan dalam pengaturan tampilan (display) nilai kadar zat terlarut pada air. Pada gambar rangkaian minimum system Atmega16 di bawah (gambar 7) menunjukkan konfigurasi penggunaan masing – masing pin dari mikrokontroler dalam menjalankan fungsinya.
Gambar 7. Perancangan minimum sistem Atmega16
Komponen utama dari rangkaian driver motor DC ini adalah Optocoupler Tipe TLP521 dan Transistor Power NPN TIP3055. Rangkaian ini akan memicu motor DC jika pin 1 IC TLP521 diberi logika “1” (High). Bit – bit logika yang diberikan pada IC tersebut berupa sinyal PWM yang diatur oleh register OCR1A ditunjukkan oleh Gambar 8 di bawah ini.
4 24 25 26 27 28 29 30
596 578 573 542 536 526 512
406 354 344 292 275 265 241
54 55 56 57 58 59 60
295 293 286 265 220 213 195
80 77 72 64 49 41 40
2000 1500 Gambar 8. Perancangan rangkaian pengatur kecepatan motor DC
1000
Series1
500 3.3. Perancangan Software Perancangan software dilakukan secara bertahap, dengan melakukan bernbagai pengujian setiap blok hardware setelah hardware siap dijalankan. Langkah-langkah dalam perancangan software adalah sebagai berikut : 1. Uji dan kalibrasi data sensor TDS untuk kadar zat terlarut pada air yang berbeda dengan pembacaan ADC. 2. Uji rangkaian driver motor AC dengan kontrol modulasi PWM. 3. Pembuatan algoritma Kontroler P berdasarkan data uji yang didapat.
0 0
500
1000 ADC
Gambar 9. Grafik nilai PPM
Dari hubungan tersebut, maka dibuat sebuah persamaan konversi dari nilai ADC ke nilai PPM menggunakan curve Fitting dengan bantuan Matlab. Sehingga didapatkan persamaan berikut :
y = 0.0009 x 2 − 0.0313 x + 8.0538
(5)
Proses pembacaan ADC ditangani oleh mikrokontroler slave ATMega16. Proses pembacaan adc dilakukan dengan IV. HASIL PENGUJIAN sampling rate 732.42 kHz/s. Pemilihan frekuensi sample ini didasarkan pada respon sensor TDS yang lambat, sekitar 4.1. Analog to Digital Converter 1000ms. Jadi pemilihan frekuensi sample sebesar 732.42 Pengujian yang pertama kali adalah dengan melakukan kHz/s masih jauh dari aliasing. Selain itu data pembacaan adc pengujian pembacaan data ADC. Hal ini sangat diperlukan adalah sebesar 10bit, untuk itu diperlukan proses yang agak dikarenakan keakuratan pengukuran data sensor berdasarkan lambat untuk mendapatkan data pembacaan yang akurat. Dari keakuratan pembacaan data ADC. Dalam pengujian ini ADC beberapa pengujian sampel air, didapatkan hubungan antara diberikan inputan tegangan dengan nilai tertentu antara 0 – pembacaan ADC terhadap nilai TDS yang sebenarnya. 4.71volt. Dan hasil pembacaannya akan dicocokkan dengan pembacaan dari multimeter. Tabel 1. Data PPM Vs ADC Dari pengujian tersebut didapat data pembacaan ADC sebagai berikut : No ADC PPM No ADC PPM No ADC PPM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
750 745 738 736 734 728 727 724 721 717 716 714 703 700 696 690 687 685 673 672 627 626 624
1500 1390 1300 1285 1280 1180 1170 1120 1100 1070 1040 1030 905 902 877 844 831 809 752 751 499 492 472
31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
510 507 503 492 487 464 427 415 414 412 391 390 378 375 373 368 346 342 340 324 320 318 308
240 235 226 217 212 185 159 156 151 143 142 139 131 130 128 122 106 105 101 93 90 89 86
61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80
147 136 131 127 122 115 111 107 98 84 78 75 72 65 59 54 52 43 38 15
25 23 22 21 20 19 18 17 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 2
Tabel 2. Data pembacaan ADC No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
V INP 3.59 3.56 3.53 3.52 3.51 3.48 3.48 3.46 3.45 3.43 3.43 3.42 3.36 3.35 3.33 3.30 3.29 3.28 3.22
ADC 750 745 738 736 734 728 727 724 721 717 716 714 703 700 696 690 687 685 673
No 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49
V INP 2.44 2.43 2.41 2.35 2.33 2.22 2.04 1.99 1.98 1.97 1.87 1.87 1.81 1.79 1.78 1.76 1.66 1.64 1.63
ADC 510 507 503 492 487 464 427 415 414 412 391 390 378 375 373 368 346 342 340
No 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79
V INP 0.70 0.65 0.63 0.61 0.58 0.55 0.53 0.51 0.47 0.40 0.37 0.36 0.34 0.31 0.28 0.26 0.25 0.21 0.18
ADC 147 136 131 127 122 115 111 107 98 84 78 75 72 65 59 54 52 43 38
5 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
3.22 3.00 3.00 2.99 2.85 2.77 2.74 2.59 2.56 2.52 2.45
672 627 626 624 596 578 573 542 536 526 512
50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60
1.55 1.53 1.52 1.47 1.41 1.40 1.37 1.27 1.05 1.02 0.93
324 320 318 308 295 293 286 265 220 213 195
80
0.07
15
4.3. Pengujian Awal TDS air Sebelum semua hal diatas dilakukan, hal yang terpenting yang harus dilakukan adalah mencari nilai saturasi sensor terhadap kandungan TDS, dengan tujuan untuk melakukan kalibrasi. Sensor TDS memerlukan waktu yang relatif lambat untuk mencapai nilai yang stabil, waktu yang diperlukan oleh 1 liter air dengan nilai TDS awal sebesar 100 untuk mencapai keadaan saturasi (25 PPM) adalah kurang lebih 20 menit. Tabel ini menampilkan respon sensor waktu pertama kali dinyalakan hingga dalam keadaan saturasi. Tabel 3. Daftar respon sensor terhadap waktu
ADC
VINP (Volt) Gambar 10. Grafik nilai ADC
Dari persamaan ADC maka dapat diketahui error dari pembacaan.
DataADC = (Vin / Vref ) x1024
(6) Diketahui referensi ADC = 4.9 volt, dan resolusi yang dipakai adalah 10 bit. Pada No 20
DataADC = (3.22 / 4.9) x1024 DataADC = 672.9 ≈ 672
4.2. Pengujian sensor TDS Pengujian sensor ini dimaksudkan untuk mengetahui presisi alat. Dengan membandingkan pengukuran dengan alat buatan sendiri terhadap alat TDS meter yang berada di pasaran. TDS meter yang digunakan adalah merk HM-Digital. perhatikan gambar-gambar dibawah ini :
Gambar 11. pengukuran TDS
Waktu ke (detik) 0 10 40 70 100 130 160 190 220 250 280 310 340 370 400 430 460 490 520 550 580 610
TDS (PPM) 100 99 95 90 84 79 75 70 65 62 58 55 52 49 46 44 43 41 39 38 37 35
untuk siap digunakan
Waktu ke (detik) 640 670 700 730 760 790 820 850 880 910 940 970 1000 1030 1060 1090 1120 1150 1180 1210(±20 menit ) 1240 1270
TDS (PPM) 34 33 32 31 31 30 30 29 29 28 28 27 27 27 26 26 26 26 25 25 Stabil stabil
Dari pegujian diatas jika sensor TDS memerlukan rentang waktu sekitar 20 menit untuk mencapai keadaan yang stabil. Dan pada saat sensor mencapai keadaan yang stabil maka nilai yang ditunjukkan dari hasil pembacaan sensor relative berada pada kondisi satrurasi, yaitu pada nilai 25 ppm dari 100 ppm. Pengujian respon resistansi sensor TDS terhadap kandungan zat terlarut pada air 4.4. Pengujian pembangkit sinyal PWM Pengujian PWM dilakukan untuk mengetahui respon dari rangkaian PWM baik Duty cycle maupun frekuensi yang dihasilkan. Gambar 12 menunjukkan hasil pengujian PWM dengan menggunakan osiloschope. Frekuensi PWM dibangkitkan melalui mikrokontroler Atmega16, dengan memanfaatkan fasilitas timer counter. Dalam hal ini digunakan timer counter 1 sehingga untuk mengatur duty cyle dilakukan dengan mengganti nilai OCR1A untuk kondisi high dan kondisi low. Dalam membangkitkan sinyal PWM digunakan Mode Fast Correct PWM dengan pengaturan sebagai berikut:
6 Tabel 4.4 Tegangan sensor terhadap TDS buatan
TCCR1A (Timer/Counter Control Register 1A) = 0x82
PPM Tegangan sensor (Volt) 451.13 2.99 244.39 2.33 159.10 1.97 81.22 1.53 29.32 1.05 13.22 0.7 11.93 0.58 11.94 0.55 12.16 0.51 14.02 0.4 15.15 0.36 15.80 0.34 18.12 0.28 21.50 0.21 Pada saat tegangan sensor (V RL = 2.99 Volt) • Dengan alat ukur standard : TDS = 472 PPM • Dengan alat ukur buatan : TDS = 451.2 PPM Pada saat tegangan sensor (V RL = 0.58 Volt) • Dengan alat ukur standard : TDS = 20 PPM • Dengan alat ukur buatan : TDS = 11.94 PPM
TCCR1B (Timer/Counter Control Register 1B) = 0x12
Gambar 12. Sinyal PWM dengan duty cycle 36% dan 60%
4.5. Pengujian tegangan sensor TDS terhadap kandungan zat terlarut pada air Pengujian disini akan dilakukan dengan mengamati perubahan tegangan output dari sensor TDS sebagai bentuk respon terhadap perubahan kadar zat terlarut dalam air. Selnjutnya setiap perubahan nilai tegangan dari sensor akan dicatat untuk setiap perubahan kadar TDS. Untuk mendapatkan nilai TDS dengan sensor buatan sendiri, dapat digunakan persamaan (4.2) berikut: y = 74.8629x2 – 85.0167x + 36.0513
(7)
dimana y : nilai TDS yang terukur ( ppm atau mg/L) x : tegangan sensor (V) Berikut tabel 4.3 dan grafik hasil pengujian sensor untuk beberapa macam sampel air.
V. KESIMPULAN Setelah melakukan pengujian dari keseluruhan sistem pada tugas akhir ini, dan berdasarkan data yang telah didapat dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Dengan menggunakan sistem Pengontrolan tingkat TDS air secara otomatis, maka air untuk budidaya ikan dapat terkontrol. Sehingga system ini dapat membantu para peternak ikan (terutama peternak pada aquarium) dalam mengontrol tingkat TDS air. 2. Sistem Penurunan TDS dengan menggunakan Membran RO memiliki kemampuan yang cukup optimal untuk menurunkan tingkat TDS. 3. Dengan digunakannya Sistem otomatisasi TDS air di dalam betrnak, maka tingkat kesehatan ikan lebih terjaga dibandingkan tanpa menggunakan system pengontrolan TDS.
Tabel 4.3 Tegangan sensor terhadap TDS alat ukur standard
PPM 472 212 143 90 49 25 20 19 17 14 12 11 9 6
Tegangan sensor (Volt) 2.99 2.33 1.97 1.53 1.05 0.7 0.58 0.55 0.51 0.40 0.36 0.34 0.28 0.21
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis Ery mengucapkan terima kasih kepada Bapak Muhammad Rivai, selaku dosen pembimbing pertama, dan Bapak Tasripan , selaku dosen pembimbing kedua, yang telah memberikan dukungan dan motivasi berupa ide dan pemberian referensi, serta kepada rekan-rekan asisten yang turut membantu dalam proses pengerjaan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA [1] [2]
[3] [4] [5] [6]
Effendi, H. 2003. Telaah Kualitas Air Bagi Pengelolaan Sumber Daya dan Lingkungan Perairan. Kanisius. Yogyakarta Alabaster, JS dan R Lloyd. 1982. Water Quality Criteria for Freshwater Fish. Second Edition. Food and Agriculture Organization of United Nations. Butterworths. London. http://insansainsprojects.wordpress.com/tds-meter http://www.airminumisiulang.com/product/12/14/Total Dissolved Solid http://amryagus.blogspot.com/2011/04/sistem-kontrol.html Algifari. 1997. Analisis Regresi, Teori, Kasus dan Solusi, Edisi pertama. BPFE. Universitas Gajah Mada, Yogyakarta.
