SISTEM PENGUKUR KECEPATAN PADA VISKOMETER BOLA JATUH BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA8535

SISTEM PENGUKUR KECEPATAN PADA VISKOMETER BOLA JATUH BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA8535 Arif Surtono dan Sri Wahyu Suciyati Jurusan Fisika Fakultas MIPA Universitas Lampung Jl. Prof. Sumantri Brojonegaoro No. 1 Bandar Lampung Email: [email protected] / [email protected] ABSTRAK Pengukuran viskositas fluida dengan metoda bola jatuh sering dilakukan mengingat kesederhanaan alat dan kemudahan dalam pelaksanaannya. Pengukuran kecepatan pada viskometer bola jatuh merupakan kunci utama keakuratan pengukuran viskositas. Oleh karena itu perlu dirancang sistem pengukuran kecepatan bola jatuh yang akurat. Penelitian ini bertujuan untuk rancang bangun sistem pengukur kecepatan bola jatuh menggunakan sensor fotodioda dan mikrokontroler pada pengukuran viskositas metoda bola jatuh agar mengurangi kesalahan-kesalahan dalam mengukur kecepatan bola jatuh. Untuk mendeteksi bola jatuh digunakan laser pointer dan sensor fotodioda. Keluaran sensor dihubungkan ke pin 16 (PD.2) dan pin 17 (PD.3) ATMega8535. Setiap ada perubahan level tegangan pada pin 16 mikrokontroler akan memicu mulai cacahan waktu dan setiap ada perubahan level tegangan pada pin 17 membuat mikrokontroler menghentikan cacahan waktu. Cacahan waktu ini disimpan di dalam register perekam counter yaitu TCNT1H dan TCNT1L. Pencacah waktu diatur menggunakan frekuensi 1 MHz sehingga resolusi waktu adalah 1 mikrodetik (1 us). Data waktu ini digunakan untuk menghitung kecepatan bola jatuh pada sampel oli. Diperoleh hasil bahwa kecepatan yang dihitung mikrokontroler sama dengan kecepatan dari analisa perhitungan. Kecepatan bola jatuh dalam oli yang sama diperoleh tetap meskipun jarak antar sensor diubahubah. Kata-kata kunci : kecepatan, bola jatuh, mikrokontroler, fotodioda.

Proseding SATEK 3, 19 Oktober 2010, Universitas Lampung

Page 1

1. PENDAHULUAN Mengukur viskositas fluida dengan metoda bola jatuh merupakan metoda yang sering digunakan karena sederhana dan mudah memakainya (Viswanath, et.al, 2007; Walters and Jones, 1996). Prinsip pengukuran viskositas metode bola jatuh ialah dengan cara mengukur kecepatan bola (pejal) jatuh di dalam fluida uji. Dengan terlebih dulu diketahui data jari-jari bola, massa jenis bola, massa jenis cairan dan percepatan gravitasi maka viskositas cairan dapat dihitung. Mengukur kecepatan bola jatuh biasanya dilakukan dengan cara mencatat waktu yang dibutuhkan untuk menempuh jarak tertentu (Zemansky and Sears, 1991). Kelemahan utama metode bola jatuh selama ini adalah (Giancoli, 1998) : 1) kesalahan dalam pengamatan gerak bola akibat tidak lurus pandangan (kesalahan paralak), 2) kelelahan atau kerusakan mata pengamat, 3) ketidakakuratan dalam mengukur waktu tempuh bola jatuh karena tidak serempaknya pengamatan bola dan pengamatan pencatatan waktu. Alhasil, data kecepatan bola jatuh yang diinginkan tidak akurat. Meskipun dengan cara tersebut sudah memberikan hasil yang cukup untuk praktikum di laboratorium, namun untuk mendapatkan data dengan keakuratan tinggi misalnya untuk tujuan riset, perlu dilakukan perbaikan terhadap kelemahan tersebut. Untuk meminimalisir kelemahan tersebut maka perlu dikembangkan sistem pengukuran kecepatan yang lebih baik sehingga diperoleh data viskositas yang akurat. Penelitian serupa pernah dilakukan menggunakan sensor fototransistor (Surtono dan Susanto, 2007) dan sensor koil (Suciati dan Surtono, 2007), namun keduanya masih menggunakan komputer pribadi (PC) sehingga kurang fleksibel jika digunakan di lapangan dan membutuhkan daya listrik besar. Pada penelitian ini sistem pengukur kecepatan bola jatuh menggunakan sensor fotodioda dan laser pointer berbasis mikrokontroler ATMega8535 sehingga lebih fleksibel dan konsumsi daya listrik lebih rendah. Mikrokontroler ATMega8535 merupakan mikrokontroler keluarga AVR yang memiliki fitur cukup lengkap seperti timer/counter, kapasits memori cukup besar, PWM, USART, ADC internal dan lain-lain sehingga cocok untuk kebutuhan rancang bangun instrumentasi pengukuran maupun kendali (Heryanto dan Adi, 2008; Bejo, 2008; Wardhana, 2006). Selain itu juga memiliki kemudahan dalam pemrograman menggunakan bahasa C.


Page 2

2. METODE PENELITIAN 2.1 Diagram Blok dan Prinsip Kerja Alat Gambar di bawah ini adalah diagram blok alat yang direalisasikan dalam penelitian.

Bola pejal LCD 2x16 karakter L A S E R

F L U I D A

SC

SC

Mikro kontroler Atmega 8535

Kecepatan bola jatuh v

fotodioda

Gambar 1. Diagram blok rancangan alat

Adapun prinsip kerja alat dijelaskan sebagai berikut : Laser dan fotodioda dibuat berpasangan, yaitu dalam posisi berhadap-hadapan. Pasangan bagian atas untuk mendeteksi mulainya hitungan waktu bola jatuh dan pasangan bagian bawah untuk deteksi berakhirnya hitungan waktu. Jadi fotodioda atas untuk menentukan mulai (START) cacahan waktu dan fotodioda bawah untuk menghentikan (STOP) cacahan waktu. Ketika bola melewati cahaya laser bagian atas cacahan waktu dimulai (START) dan ketika bola sudah melewati cahaya laser bagian bawah maka cacahan waktu berhenti (STOP). Kedua fotodioda ini dihubungkan ke rangkaian pengkondisi sinyal berupa komparator tegangan yang tersusun atas sejumlah resistor dan sebuah IC komparator LM 311. Keluaran pengkondisi sinyal (komparator) bagian atas dihubungkan ke pin 16 (port D.2) ATMega8535 dan keluaran pengkondisi sinyal bagian bawah dihubungkan ke pin 17 (port D.3). Register timer1 (TCNT1H dan TCNT1L) difungsikan untuk mencacah waktu. Banyaknya cacahan waktu (misal n) disimpan


Page 3

dalam bentuk integer di register tersebut. Interval waktu bola jatuh diperoleh dari hitungan konversi nilai cacahan : Interval waktu (t) = n . T (detik)

(1)

dengan T = 1/fclock = periode clock mikrokontroler. fclock = 1 MHz = 1000000 Hz. Nilai interval waktu ini oleh mikrokontroler digunakan untuk menghitung kecepatan bola jatuh ( v = d/t ). Hasil perhitungan nilai kecepatan v dikirim ke LCD untuk ditampilkan sebagai nilai kecepatan bola jatuh. 2.2 Rangkaian Pengkondisi Sinyal Pada prinsipnya rangkaian ini terdiri dari dua buah, yang pertama untuk memberi tanda mulai cacahan waktu dan yang kedua untuk tanda cacahan waktu berakhir. Komponen penting rangkaian ini adalah fotodioda, IC komparator LM311 dan laser pointer seperti pada gambar 2. VCC

R2 1K

R3 1 0K

R4 1 00 K

R6 1K

8 6

L0 LED/LASER

5

VCC

L1

2 7

PD2

3 IC4

R5 1 00 K

1

LM3 11

4

PT0

Gambar 2. Rangkaian pendeteksi bola Keluaran komparator LM311 akan memiliki kondisi high jika input tak-membalik V+ (pin 2) lebih besar dari input membalik V- (pin 3). Begitu pula sebaliknya, keluaran komparator LM311 akan memiliki kondisi low jika input tak-membalik V+ lebih kecil dari input membalik V-. Besarnya tegangan pada pin 2 adalah Vcc/2 karena adanya pembagi tegangan R4 dan R5 yang nilainya sama. Keluaran LM311 selalu berubah-ubah seiring dengan perubahan cahaya dari laser pointer yang mengenai sensor fotodioda (Fraden, 1996 ; Areny and Webster, 1991).


Page 4

Ketika cahaya laser mengenai sensor maka terjadi

hubungan singkat ke ground

sehingga V- lebih kecil dari V+, akibatnya keluaran LM311 menjadi high (indikatornya LED mati). Dan ketika cahaya laser terhalang oleh bola jatuh maka sensor tidak terjadi hubungan singkat ke ground sehingga V- lebih besar dari V+ sehingga keluaran LM311 menjadi low (indikatornya LED nyala). Pada prakteknya cahaya laser akan mengalami perubahan jika ada benda yang menghalanginya, dalam penelitian ini ada bola yang jatuh di dalam fluida oli. Dua keluaran LM311 merupakan level TTL yang dihubungkan ke pin 16 dan pin 17 ATMega8535 untuk mengatur kapan cacahan waktu dimulai dan diakhiri.

2.2 Kerangka Dudukan Laser dan Sensor Tiang untuk dudukan laser pointer dan sensor harus dibuat berdiri tegak dan berhadapan. Di tengah-tengah di antara dudukan laser dan sensor ditempatkan tabung gelas untuk mewadahi sampel oli yang hendak diukur viskositasnya. Cahaya laser ditembakkan pada gelas dan oli, lurus menghadap sensor di depannya. Gambar 3 berikut ini adalah kerangka dudukan laser dan sensor yang digunakan pada penelitian ini.

Gambar 3. Dudukan laser pointer dan sensor fotodioda


Page 5

Dudukan laser dan sensor menempel pada sebuah tiang alumunim empat persegi panjang. Kedua dudukan dapat digerakkan naik-turun agar fleksibel mengatur jarak antar sensor. Dari gambar 3 dapat dilihat tiang laser pointer disebelah kanan dan sensor disebelah kiri. 3 HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Tanggapan Rangkaian Pengkondisi Sinyal Tanggapan rangkaian pengkondisi sinyal merupakan tanggapan keluaran IC komparator LM311 seperti pada rangkaian di gambar 2. Tanggapan ini diperoleh dengan cara mengukur tegangan pada titik pembagi tegangan yang menjadi input komparator ( V+ dan V-) terhadap respon cahaya dari laser pointer. Keluaran pin 7 LM311 diamati dengan melihat LED indikator. Jika LED menyala maka keluaran komparator low dan jika LED padam maka keluaran komparator high. Tanggapan rangkaian terjadi pada saat sensor diberikan paparan cahaya dari laser pointer dan saat tidak dipapari cahaya laser. Ketika hanya ada cahaya dari lingkungan, misal dari lampu ruangan atau cahaya dari luar, sensor tidak menanggapinya. Artinya sensor dirancang hanya menanggapi cahaya dari laser pointer. Hasil selengkapnya tanggapan rangkaian pendeteksi bola terangkum pada tabel 1 berikut ini.

Tabel 1. Tanggapan rangkaian pendeteksi bola Kondisi laser pointer

Tanggapan rangkaian V+

V-

Output LM311

Kondisi LED

Menyala (ON)

2,34 V

0,01 – 0,02 V

High

Padam (OFF)

Padam (OFF)

2,34 V

4,33 – 4,88 V

Low

Menyala (ON)

Berdasarkan tabel 1 dapat dikatakan bahwa rangkaian pendeteksi bola memiliki tanggapan yang sangat baik. Sensor memberikan tanggapan sangat sensitif terhadap perubahan cahaya laser, yaitu membuat tegangan pada titik pembagi tegangan berubah dari sekitar 0,01 V saat dikenai laser menjadi sekitar 4,33 – 4,88 V saat laser dipadamkan.


Page 6

3.2 Hasil Uji Pengukuran Waktu Bola Jatuh dan Kecepatannya Keakuratan pengukuran kecepatan bola jatuh ditentukan oleh keakuratan pengukuran waktu tempuh bola jatuh. Hal ini pada aplikasinya juga menentukan keakuratan viskometer bola jatuh. Pada penelitian ini digunakan sebuah bola terbuat dari bahan ebondit bermassa 2,8129 gram dan kerapatannya 1478,1041 kg/m3 . Bola dijatuhkan pada sampel oli baru SAE20W-50 dan jarak tempuh ditetapkan 12 cm. Waktu tempuh bola diukur menggunakan alat hasil rancangan yang ditampilkan pada LCD dan dibandingkan dengan pengukuran manual menggunakan stopwatch. Tabel 2 berikut ini adalah hasil pengukuran waktu bola jatuh pada sampel oli tersebut. Tabel 2. Waktu bola jatuh pada oli Pengukuran ke1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

talat(s) 1.875 1.875 1.899 1.923 1.923 1.974 1.948 2.000 2.027 1.974

tmanual (s) 1.95 1.94 1.95 1.93 1.94 1.93 1.96 1.95 2.06 2.00

Grafik data pengukuran waktu tabel 2 seperti gambar 4 berikut ini.

Gambar 4. Pengukuran waktu bola jatuh pada oli SAE20W-50 Proseding SATEK 3, 19 Oktober 2010, Universitas Lampung

Page 7

Berdasarkan tabel 2 dan grafik gambar 4 dapat diterangkan bahwa : 1) alat mampu mengukur waktu bola jatuh yang tidak jauh berbeda dengan hasil pengukuran manual menggunakan stopwatch. Ini berarti hasil sistem pengukur kecepatan bola jatuh menggunakan mikrokontroler ATMega8535 dapat berfungsi sesuai dengan yang diharapkan. 2) Pengukuran waktu berulang sebanyak 10 kali pada alat menunjukkan konsistensi yang baik. Hal ini ditunjukkan tidak adanya perbedaan yang signifikan antar hasil pengukuran satu dengan yang lain seperti pada data tersebut. Adapun pengukuran kecepatan juga diujikan pada sampel yang sama, namun dilakukan pada jarak tempuh berbeda-beda untuk mengetahui apakah kecepatan bola jatuh di berbagai tempat dalam sampel oli berubah-ubah. Pengukuran kecepatan dilakukan menggunakan alat sistem pengukur kecepatan berbasis mikrokontroler ATMega8535 hasil rancangan dan dibandingkan dengan perhitungan kecepatan secara manual yang didasarkan pada rekaman waktu alat tersebut. Tabel 3 berikut ini adalah data uji pengukuran kecepatan bola jatuh di dalam sampel oli SAE20W-50 pada jarak berbeda-beda. Tabel 3. Kecepatan bola jatuh pada sampel oli pada jarak berbeda-beda. Jarak (m) 0.15 0.13 0.11 0.09 0.07 0.05

Waktu (s) 2.445 2.092 1.859 1.467 1.114 0.820

Valat (m/s) 0.061 0.062 0.059 0.061 0.063 0.061

Vhitung (m/s) 0.061 0.062 0.059 0.061 0.063 0.061

Berdasarkan hasil pada tabel 3 diperoleh bahwa kecepatan yang dihitung mikrokontroler sama dengan kecepatan dari analisa perhitungan yang didasarkan bacaan waktu oleh alat (pada LCD). Ini berarti dalam hal menghitung rumus kecepatan mikrokontroler mampu memberikan hasil sesuai dengan perhitungan secara manual. Proseding SATEK 3, 19 Oktober 2010, Universitas Lampung

Page 8

Selain itu kecepatan bola jatuh di dalam oli yang sama diperoleh relatif tetap meskipun jarak antar sensor diubah-ubah. Kondisi ini adalah ideal untuk sebuah desain viskometer bola jatuh karena kecepatan bola jatuh di dalam sampel oli telah konstan. Kecepatan bola jatuh konstan artinya jumlah gaya-gaya yang bekerja pada bola di dalam sampel oli adalah nol sehingga viskositas sampel dapat dihitung secara sederhana berdasarkan persamaan viskositas metoda bola jatuh yaitu (Giancoli, 1998 ; Zemansky and Sears, 1991) : 2r 2 g  '    9v

(2)

dengan: = viskositas (N s/m2) r = jejari bola (m) ρ’ = massa jenis bola (kg/m3) ρ = massa jenis fluida (kg/m3) g = percepatan gravitasi (m/s2) ν = kecepatan gerak bola jatuh (m/s) 4 KESIMPULAN Secara umum dari pengujian alat sistem pengukur kecepatan ini diperoleh kesimpulan bahwa 1. pasangan laser pointer-sensor fotodioda yang dirangkai ke dalam rangkaian komparator tegangan menggunakan IC LM311 dapat berfungsi sebagai sistem deteksi objek bergerak, dalam hal ini bola jatuh di dalam fluida oli. 2. Mikrokontroler Atmega 8535 dapat mengukur waktu dan kecepatan bola jatuh dengan hasil cukup baik dibanding cara manual. 3. Sistem pengukur kecepatan bola jatuh berbasis mikrokontroler Atmega 8535 layak digunakan untuk alat viskometer bola jatuh karena cukup akurat mengukur kecepatan bola jatuh dan UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terimakasih kami sampaikan kepada Pemerintah melalui Dirjen Dikti yang telah membiayai penelitian ini pada Program Penelitian Hibah Bersaing Dikti Tahun Anggaran 2009-


Page 9

2010. Ucapan terimakasih juga kami sampaikan kepada Jurusan Fisika FMIPA Unila yang telah menyediakan sarananya selama menyelesaikan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA Areny, P.R. and Webster, J.G, 1991, Sensors and Signal Conditioning, John Willey and Sons, Ins. , New York. Bejo, A., 2008, C dan AVR : Rahasia Kemudahan Bahasa C dalam Mikrokontroler ATMega8535, Graha Ilmu, Yogyakarta. Fraden, J, 1996, Modern Sensor: Physics, Designs and Application, Thermoscan Inc., Sandiego, California. Giancoli, Douglas C., 1998, Physics, terjemahan Yuhilza Hanum, Erlangga, Jakarta. Heryanto, M.A. dan Adi P, W., 2008, Pemrograman Bahasa C untuk Mikrokontroler Atmega8535, Penerbit ANDI, Yogyakata. Surtono, A. dan Susanto, E., 2007, Aplikasi Sensor Fotodioda pada Viskometer Metode Bola Jatuh Berbantukan Komputer, Jurnal Sains dan Teknologi, vol. 13, No. 03, hal. 251-256. Suciati, S. dan Surtono, A., 2007, Aplikasi Kumparan Kawat sebagai Sensor pada Pembuatan Viskositasmeter Metode Bola Jatuh Berbasis Komputer, Laporan Akhir Penelitian Dosen Muda, Lembaga Penelitian Unila. Visnawath, D.S, Ghosh, T.K, Prasad, D.H.L, Dutt, N.V.K, and Rani, K.Y, Viscosity of Fluid : Theory, Estimation, Experiment, and Data, Springer, Netherlands. Walters, K. and Jones, W. N., 1996, Measurement of Viscosity, dalam Instrumentation Reference Book, editor Noltingk, B. E., Butterwoth-Heineman, Oxford. Wadhana,L., 2006, Belajar Sendiri Mikrokontroler AVR Seri ATMega8535, Penerbit ANDI, Yogyakarta. Zemansky, M.W. and Sears, F.W., 1991, University Physics, terjemahan Soerdajana dan Amir Achmad, Binacipta, Jakarta.


Page 10

SISTEM PENGUKUR KECEPATAN PADA VISKOMETER BOLA JATUH BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA8535

Recommend Documents