23 3
PENERAPAN FILM Ba0,55Sr0,45TiO3 (BST) SEBAGAI SENSOR CAHAYA DAN SENSOR SUHU PADA MODEL SISTEM PENGERING OTOMATIS PRODUK PERTANIAN BERBASIS ATMEGA8535
Pendahuluan Indonesia sebagai negara agraris yang memiliki lahan pertanian yang subur, ironisnya justru mengimpor beras dari negara lain. Salah satu penghambat produksi beras di Indonesia yaitu permasalahan pada proses pengeringan gabah. Selama ini para petani Indonesia hanya mengandalkan panas matahari untuk mengeringkan gabah hasil panennya sehingga pada saat musim hujan mereka mengalami kesulitan dalam proses pengeringannya. Pengeringan menggunakan panas matahari membutuhkan waktu minimal 3 hari untuk mencapai kadar air minimal dalam gabah agar dapat digiling dengan sempurna sehingga jika hari hujan petani tidak dapat mengeringkan gabah mereka dan hal ini dapat menyebabkan gabah rusak yang pada akhirnya beras yang dihasilkan memiliki kualitas jelek (Daulay, 2005). Kelemahan menjemur dengan memanfaatkan panas matahari adalah ketika malam hari atau cuaca tidak mendukung (mendung, hujan) maka proses pengeringan produk pertanian tidak dapat berlangsung. Dryer (pengering) digunakan sebagai alat kontrol ketika cuaca tidak mendukung untuk proses pengeringan. Tentunya, dengan adanya dryer proses pengeringan produk pertanian akan terus berjalan sehingga akan mempercepat proses pengeringan produk pertanian.
Bahan dan Metode Pembuatan mekanik sistem pengering Model dibuat dengan ukuran alas 50 cm x 50 cm dari bahan plastik mika membentuk sebuah rumah. Membuka/menutupnya atap bagian kanan dan kiri digerakan oleh 2 motor servo. Model sistem pengering ditunjukkan pada Gambar 21 sampai Gambar 27.
Gambar 21. Model tampak depan
24
Gambar 22. Model tampak belakang
Gambar 23. Model tampak samping
Gambar 24. Model tampak atas
25
Gambar 25. Model tampak bawah
Gambar 26. Model atap terbuka
Gambar 27. Desain pemasangan motor servo
Rangkaian sensor cahaya dan sensor suhu Sensor yang digunakan terdiri atas 2 buah film BST yang yang masingmasing dirangkai dengan rangkaian jembatan wheatstone. Jembatan wheatstone digunakan untuk menambah sensitivitas sensor. Sinyal tegangan keluaran dari
26 jembatan wheatstone diperkuat oleh rangkainan op-amp. Untuk op-amp digunakan IC LM324. Rangkaian op-amp ditunjukkan pada Gambar 10. Rangkaian catu daya Supaya sistem pengering otomatis dapat bekerja maka sistem harus diberi tegangan sumber. Input sumber tegangan sebesar 220 volt diturunkan dengan menggunakan transformator step down. Output AC dari sisi sekunder transformator kemudian disearahkan dengan menggunakan dioda bridge sebagai penyearah gelombang penuh dan mengubah tegangan AC menjadi DC. Dari hasil penyearahan menggunakan dioda bridge masih terdapat tegangan bolak-baliknya (dengan kata lain tegangan riak). Untuk mengurangi tegangan riak hasil dari penyearahan maka digunakan kapasitor yang berfungsi sebagai penapis. Untuk mendapatkan output 5 volt DC digunakan IC regulator tegangan LM 7805 sebagai penyetabil tegangan 5 volt DC. Sedangkan untuk mendapatkan output 12 volt DC digunakan IC regulator tegangan LM 7812 sebagai penyetabil tegangan 12 volt DC. Pada keluaran IC 7805 dipasang transistor 2N3055 yang digunakan untuk memperkuat arus output. Dipasang juga kapasitor sebesar 100µF/25v sebagai filter tegangan. Gambar rangkaian catu daya ditunjukkan pada Gambar 28. 7812 Vin
Vout +12V/1A
GND
10uF/25V 12V 5A
7805
5A Vin
CT
2N3055
Vout
330 100uF/25V
10 K
+5V/2A
4700uF/25V
100nF
5A
1N4001
5A 12V
4700uF/25V
GND
Gambar 28. Skema power supply Rangkaian mikrokontroler ATMega8535 Pada rangkaian sistem pengering otomatis, mikrokontroler ATMega8535 mendapat catu daya 5 volt. PORTA pada mikrokontroler digunakan sebagai input yang dipakai untuk mengontrol tegangan analog dari sensor cahaya BST dan sensor suhu BST yang masuk ke mikrokontroler. Rangkaian mikrokontroler ATMega8535 ditunjukkan pada Gambar 29.
27
Gambar 29. Rangkaian mikrokontroler ATMega8535 Rangkaian driver relay Driver relay digunakan untuk pensaklaran arus AC (mengaktifkan dryer 220 AC). Rangkaian driver relay disusun secara darlington yang terdiri 2 buah transistor bipolar (Anas, 2010). Rangkaian driver relay ditunjukkan pada Gambar 30.
Gambar 30. Rangkaian driver relay Rangkaian liquid crystal display (LCD) Rangkaian LCD 16 x 2 yang ditunjukkan pada Gambar 31 dihubungkan ke PORTB pada mikrokontroler. LCD digunakan untuk menampilkan output perubahan tegangan baik dari sensor cahaya BST maupun dari sensor suhu BST akibat pemberian rangsangan tertentu pada masing-masing sensor BST. Output perubahan tegangan dari sensor cahaya BST dikonversi dan ditampilkan dalam satuan lux, sedangkan output perubahan tegangan dari sensor suhu BST dikonversi dan ditampilkan dalam satuan oC.
28 Vcc
LCD Connector
1
2
3
50 K
PB.0 PB.1 PB.2
PB.4 PB.5 PB.6 PB.7
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Gambar 31. Rangkaian LCD Perancangan Perangkat Lunak Perancangan perangkat lunak mempergunakan bahasa C melalui mikrokontroler sebagai sistem programmable. CPU, memori, dan I/O yang dirangkai dalam satu chip merupakan parameter pendukung dalam perancangan perangkat lunak untuk menjalankan sistem. Software yang digunakan adalah Code Vision AVR untuk pembuatan program. Pembuatan program ini meliputi pembuatan program pada mukrokontroler dengan Code Vision AVR, dan pembuatan coding program dengan menggunakan bahasa C.
Hasil dan Pembahasan Rancangan Film Sebagai Sensor Cahaya BST dan Sensor Suhu BST Film BST yang memiliki sensitivitas terbaik digunakan pada model sistem pengering otomatis. Ada dua film yang digunakan sebagai sensor, satu untuk sensor cahaya dan satu untuk sensor suhu (film BST terbaik). Kedua sensor ini digunakan untuk membaca tegangan output dari masing-masing rangsangan yang diberikan. Perubahan tegangan output yang kecil perlu diperkuat oleh rangkaian penguat dengan tujuan dapat dibaca oleh mikrokontroler. Mikrokontroler ATMega8535 menggunakan ADC dengan resolusi 8 bit=255 desimal, dengan tegangan referensi 4,8 V, sehingga mikrokontroler dapat membedakan tegangan yang masuk sebesar 0,0188 V. Digunakan dua rangkaian penguat, yaitu rangkaian penguat diferensial yang merupakan gabungan antara rangkaian penguat noninverting (penguat 1) dan penguat inverting (penguat 2) yang berfungsi untuk membandingkan dua input yang masuk. Rangkaian penguat diferensial digunakan karena pada tahap awal film dirangkai dengan jembatan wheatstone yang mempunyai dua keluaran. Rangkaian penguat kedua adalah rangkaian penguat noninverting (penguat 3). Pada rangkaian penguat inverting (penguat 2), tegangan referensi diberi tegangan referensi positif, sehingga nilai penguatannya akan bernilai positif. Besar penguatan untuk rangkaian penguat diferensial adalah 2 kali. Sedangkan besar penguatan untuk rangkaian penguat noninverting (penguat 3)
29 adalah 11 kali. Sehingga total penguatan rangkaian sensor adalah 22 kali. Total penguatan sensor sebesar 22 kali memberikan perubahan tegangan output yang kecil menjadi 22 kali lebih besar, sehingga perubahan tegangan output tersebut dapat dibaca oleh mikrokontroler. Perhitungan besar penguatan pada rangkaian sensor cahaya dan sensor suhu BST adalah sebagai berikut: Besar penguatan untuk rangkaian penguat diferensial adalah: Vout Rf = 1+ Vin Rin
Rf Rin
Vout R6 = 1+ Vin R5
R4 R3
Vout 100K = 1+ Vin 100K
100K 100K
Vout = 2 kali Vin Besar penguatan untuk rangkaian penguat noninverting (penguat 3) adalah: Vout Rf = 1+ Vin Rin R2 Vout = 1+ R1 Vin 1M Vout = 1+ Vin 100K Vout = 11 kali Vin Total penguatan rangkaian sensor adalah 22 kali. Pengujian rangkaian catu daya Tujuan pengujian rangkaian catu daya adalah untuk mengukur tegangan keluaran dan arus keluaran pada catu daya. Dengan menggunakan sebuah multimeter, maka tegangan dari output regulator dapat diukur. Tegangan yang diperoleh dari pengujian sebesar 4,96 volt dan 12,04 volt. Tegangan yang diperoleh dari hasil pengujian digunakan sebagai sumber tegangan untuk mensuplay tegangan pada rangkaian elektronika. Sumber tegangan 4,96 volt digunakan untuk mensuplay tegangan pada rangkaian mikrokontroler, sensor cahaya BST, sensor suhu BST, motor servo dan LCD. Sedangkan sumber tegangan 12,04 volt digunakan untuk mensuplay tegangan pada rangkaian driver relay.
30 Pengujian rangkaian mikrokontroler ATMega8535 Rangkaian pengendali pada prototipe sistem pengering otomatis adalah sebuah mikrokontroler 8 bit ATMega8535. Tegangan output dari rangkaian sensor cahaya dan sensor suhu adalah sinyal input untuk mikrokontroler. Mikrokontroler ATMega8535 mempunyai 42 pin. Pengujian mikrokontroler dilakukan langsung pada rangkaian mikrokontroler sistem pengering otomatis yang ditunjukan pada Gambar 32. Input untuk mikrokontroler dari sensor cahaya BSTadalah PORTA.0, sedangkan input dari sensor suhu BST adalah PORTA.1. PORTD.0 digunakan sebagai output untuk meng-on/off-kan driver relay. PORTB digunakan sebagai output untuk LCD. PORTC.6 dan PORTC.4 digunakan sebagai output ke motor servo 1 dan motor servo 2. PORTD.6, PORTC.1, PORTC.0, dan PORTD.7 digunakan sebagai input dari switch 1, switch 2, switch 3, dan switch 4.
LCD
RW E Data 4 Data 5 Data 6 Data 7
Relay
Switch 1
PORTB.0 PORTB.1 PORTB.2 PORTB.3 PORTB.4 PORTB.5 PORTB.6 PORTB.7 RESET VCC GND XTAL2 XTAL1 PORTD.0 PORTD.1 PORTD.2 PORTD.3 PORTD.4 PORTD.5 PORTD.6
PORTA.0 PORTA.1 PORTA.2 PORTA.3 PORTA.4 PORTA.5 PORTA.6 PORTA.7 AREF GND AVCC PORTC.7 PORTC.6 PORTC.5 PORTC.4 PORTC.3 PORTC.2 PORTC.1 PORTC.0 PORTD.7
BST Light Sensor BST Temprature Sensor
Servo 1 Servo 2
Switch 2 Switch 3 Switch 4
Gambar 32. Rangkaian mikrokontroler sistem pengering otomatis Pengujian rangkaian driver relay Relay berfungsi sebagai saklar elektronik. Pada sistem pengering otomatis, relay digunakan untuk mengaktifkan dan mematikan dryer 220 AC. Dryer 220 AC digunakan saat kondisi atap tertutup, sehingga proses pengeringan tetap berlangsung. Rangkaian driver relay terdiri dari dua transistor bipolar yang disusun secara darlington (Gambar 30). Fungsi transistor ini adalah mengalirkan arus jika terdapat arus bias pada kaki basisnya. Pada sistem pengering otomatis, relay dikontrol oleh mikrokontroler ATMega8535. Prinsipnya, jika PORTA.0 mendapat input gelap (kondisi atap tertutup), maka PORTD.0 memerintahkan driver relay dalam keadaan NC yang akan menghubungkan arus AC ke dryer 220 AC, sehingga dryer 220 AC hidup. Jika PORTA.0 mendapat input terang (kondisi atap terbuka), maka PORTD.0 memerintahkan relay dalam keadaan NO yang akan memutuskan arus AC ke dryer 220 AC, sehingga dryer 220 AC mati. Dalam kondisi input gelap, sensor suhu berfungsi untuk membaca perubahan suhu di dalam sistem pengering. Input dari PORTA.1 bekerja memerintahkan PORTD.0. Jika PORTA.1 mendapat input suhu ≤ 60 oC, maka PORTD.0 memerintahkan relay dalam keadaan NC yang akan menghubungkan
31 arus AC ke dryer 220 AC, sehingga dryer 220 AC hidup. Ketika PORTA.1 mendapat input suhu > 60 oC, maka PORTD.0 memerintahkan relay dalam keadaan NO sampai suhu mencapai 30 oC, saat suhu < 30 oC maka PORTD.0 aktif kembali memerintahkan driver relay dalam keadaan NC. Proses tersebut berlangsung secara terus menerus saat kondisi atap tertutup. Pengujian berfungsi atau tidaknya rangkaian driver relay dilakukan dengan memberikan input tegangan. Tabel 4 menunjukkan hasil pengujian rangkaian driver relay. Saat driver relay belum diberi input tegangan maka relay belum tersinergis. Saat relay diberi input tegangan maka relay akan tersinergis. Tabel 4. Hasil pengujian rangkaian relay Input Tegangan Kondisi (V) 0 Tidak Tersinergis/off 4, 96 – 5,00
Tersinergis/on
Output Tegangan AC Tidak Terhubung Tegangan AC Terhubung
Pengujian rangkaian liquid crystal display (LCD) Untuk menjalankan sebuah LCD supaya bisa bekerja dengan baik, maka pin LCD dihubungkan dengan PORTB pada mikrokontroller. Pada pengujian LCD dibuat sebuah tampilan suhu yang terukur di dalam ruangan sistem pengering. Pin sensor suhu BST dihubungkan dengan PORTA.1. Suhu yang terukur berasal dari data yang terbaca sensor suhu BST. Output berupa tegangan diolah menjadi data digital pada Analog Digital Converter (ADC) internal ATMega8535. Data digital diolah oleh mikrokontroler. LCD berukuran 16 x 2 akan menampilkan perubahan tegangan dalam satuan derajat Celcius (oC) ketika sensor suhu BST diberikan rangsangan suhu, tentunya dengan tahapan memasukan persamaan linear (hasil karakterisasi monoton naik sensor suhu BST ) ke dalam listing program ADC pada Code Vision AVR. Tampilan suhu terukur ditunjukkan pada Gambar 33.
Gambar 33. Tampilan suhu yang terukur sensor suhu BST pada LCD 16 x 2
32 Pengujian motor servo Motor servo yang digunakan adalah motor servo standar 180° produk HITEC HS-646MG. Motor servo ini hanya mampu bergerak dua arah dengan defleksi masing-masing sudut mencapai 90°, sehingga total defleksi sudut dari kanan - tengah - kiri adalah 180°. Pulsa kontrol motor servo dikendalikan oleh sebuah pulsa selebar ±20 ms, dimana lebar pulsa antara 0,5 ms dan 2 ms menyatakan akhir dari range sudut maksimum. Jika motor servo diberikan pulsa dengan besar 1,5 ms mencapai gerakan 90°, maka bila berikan pulsa kurang dari 1,5 ms maka posisi mendekati 0° dan bila berikan pulsa lebih dari 1,5 ms maka posisi mendekati 180°. Pada pengujian motor servo, bagian pin kontrolnya diberikan sinyal PWM dengan frekuensi 50,31 Hz yang ditunjukkan pada Gambar 34, dimana pada saat sinyal dengan frekuensi 50,31 tersebut dicapai kondisi ton duty cycle 1,5 ms, maka rotor dari motor akan berhenti tepat di tengah-tengah.
Gambar 34. Frekuensi sinyal PWM Pengujian motor servo dilakukan langsung pada mekanik atap sistem pengering bagian kanan dan kiri dengan mengubah frekuensi sinyal PWM. Tabel 5 menunjukkan data frekunsi sinyal PWM yang digunakan motor servo untuk membuka/menutup atap. Tabel 5. Data frekuensi sinyal PWM untuk membuka/menutup atap sistem pengering otomatis. Frekuensi Sinyal Frekuensi Sinyal PWM untuk PWM untuk Menutup MotorServo Membuka Atap Atap (Hz) (Hz) Servo 1 28 68 Servo 2 62 20
33 Dalam pengujian ini, motor servo langsung dikontrol dari mikrokontroler yang terhubung dengan PORTC.6 untuk motor servo 1 dan PORTC.4 untuk motor servo 2. Motor servo 1 digunakan untuk menggerakan atap bagian kanan, sedangkan motor servo 2 digunakan untuk menggerakan atap bagian kiri. Pengujian rangkaian keseluruhan sistem Pengujian secara keseluruhan dilakukan dengan menggabungkan masingmasing rangkaian menjadi satu sistem yang terpadu. Rangkaian sensor cahaya BST, sensor suhu BST, driver relay, motor servo, LCD, switch, mikrokontroler ATMega8535 digabungkan menjadi satu dalam suatu prototipe sistem pengering sehingga terbentuk suatu sistem pengering otomatis yang berbasiskan mikrokontroler ATMega8535 dengan bahasa C sebagai bahasa pemrograman yang digunakan. Skema rangkaian keseluruhan elektronika sistem pengering otomatis ditunjukkan pada Gambar 35. R6 100 K R9 4,7 K
+ LM324
R4 100 K R3 100 K
+ BST film
-
R7 100 Ω
+ LM324 + -
R1 100 K R15 100 K R17 1M
R18 4,7 K
R14 100 K
+ LM324 +
BST film
R16 100 Ω
-
16 x 2 LCD 1 Vcc 2 Gnd 3 VEE 4 RS 5 RW 6E 7 Data 0 8 Data 1 9 Data 2 10 Data 3 11 Data 4 12 Data 5 13 Data 6 14 Data 7 15 Vcc 16 Gnd
R8 1M
R5 100 K
+ LM324 + R2 1M
R13 100 K R12 100 K
+ LM324 + -
+ LM324 +
PORTB.0 PORTB.1 PORTB.2 PORTB.3 PORTB.4 PORTB.5 PORTB.6 PORTB.7 RESET VCC GND XTAL2 XTAL1 PORTD.0 PORTD.1 PORTD.2 PORTD.3 PORTD.4 PORTD.5 PORTD.6
PORTA.0 PORTA.1 PORTA.2 PORTA.3 PORTA.4 PORTA.5 PORTA.6 PORTA.7 AREF GND AVCC PORTC.7 PORTC.6 PORTC.5 PORTC.4 PORTC.3 PORTC.2 PORTC.1 PORTC.0 PORTD.7
SERVO 1
SERVO 2
COMMON R10 100 K
R11 1M
Switch 1 Switch 3
Switch 4
RELAY
Switch 2
1N 4001 NC NO 100 K
Q1 C828 Q2 TIP31C
Gambar 35. Rangkaian keseluruhan elektronika sistem pengering otomatis Prinsipnya, saat catu daya dihidupkan, catu daya memberikan tegangan input yang dibutuhkan setiap rangkaian elektronika yang digunakan. Sistem ini menggunakan 2 buah film BST yang digunakan sebagai sensor cahaya dan sensor suhu. Sensor cahaya BST akan mendeteksi ada atau tidaknya cahaya yang diterima, sedangkan sensor suhu BST digunakan untuk membaca perubahan suhu di dalam ruangan sistem pengering otomatis. Data yang diterima dari sensor cahaya BST dan sensor suhu BST kemudian dikirim ke mikrokontroler. Mikrokontroler akan mengolah data yang terbaca dari kedua sensor BST. Apabila data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah terang, maka mikrokontroler akan memberikan perintah pada masing-masing motor servo untuk membuka atap bagian kanan dan kiri. Mikrokontroler juga akan memberikan perintah untuk mengnonaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan mati.
34 Jika data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah gelap, maka mikrokontroler akan memberikan perintah pada masing-masing motor servo untuk menutup atap bagian kanan dan kiri. Mikrokontroler juga akan memberikan perintah untuk mengaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan hidup. Ketika data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah gelap, jika data yang terbaca dari sensor suhu BST adalah ≤ 60 oC, mikrokontroler akan memberikan perintah untuk mengaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan hidup. Jika data yang terbaca dari sensor suhu BST > 60 oC, mikrokontroler akan memberikan perintah untuk mengnonaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan mati sampai data yang terbaca oleh sensor suhu BST mencapai 30 oC. Saat data yang terbaca sensor suhu BST < 30 oC maka mikrokontroler akan memberikan perintah untuk mengaktifkan kembali driver relay sehingga dryer dalam keadaan hidup. Penentuan data dari sensor cahaya BST terbaca terang atau gelap, ditentukan dari nilai komparator yang ditentukan pada program. Jika data intensitas cahaya sensor cahaya BST > intensitas cahaya komparator maka dikatakan terang, dan sebaliknya. Data yang terbaca dari sensor cahaya BST dan sensor suhu BST ditampilkan dalam LCD berukuran 16 x 2. Switch pada rangkaian sistem pengering otomatis digunakan untuk memasukan intensitas cahaya komparator, memasukan batasan pembacaan suhu untuk sensor suhu BST, pengecekan dryer, pengecekan buka tutup atap yang digerakan oleh motor servo. Dengan kata lain switch berfungsi untuk mengendalikan sistem pengering secara manual. Simpulan Telah berhasil dilakukan penerapan film BST sebagai sensor cahaya dan suhu pada model sistem pengering otomatis produk pertanian berbasis mikrokontroler ATMega8535 dengan prinsip kerja memanfaatkan film BST sebagai saklar otomatis.
