Gambar 46. Sensor ultrasonik
Sensor yang digunakan adalah sensor DT-Sense ultrasonik ranger yang memiliki jarak dari 2 cm sampai dengan 3 m. Penampilan data sensor kedalaman menggunakan satuan centimeter dengan kedalaman maksimal 70 cm.
57 Sistem kerja dari sensor ultrasonik adalah mengirim pulsa ke jarak yang dinginkan kemudian memantulkan sesuai dengan jarak yang dikirim. Sensor yang sudah diprogram akan menentukan jarak secara otomatis yang akan ditampilkan di layar LCD. Pada saat percobaan dilapangan jarak yang dihasilkan selalu berubah. Hal ini disebabkan karena ada beberapa faktor antara lain. Alat yang selalu bergerak dan lahan yang diukur tidak terlalu rata. Untuk mengatasi tersebut kehandalan operator diutamakan. Sensor suhu digunakan untuk memperhitungkan pengaruh perubahan suhu terhadap kecepatan dari pancaran gelombang ultrasonik dari sensor ultrasonik yang digunakan. Berdasarkan teori tentang kecepatan suara, keceptan suara pada udara dipengaruhi oleh berbagai faktor antara lain yaitu perubahan suhu dari udara karena sensor akan ditempatkan di ruangan terbuka yang terkena panas matahari langsung.
Dalam pengujian, data yang dibandingkan yaitu data yang jarak pembacaan ultrasonik murni dengan suhu lingkungan dan data pembacaan pada penggaris. perbedaan antara pembacaan sensor ultrasonik murni terhadapa suhu mempunyai perbedaan yang tidak begitu besar. Pengujian didapat kepekaan sensor ultrasonik sampai kedalaman 70 cm, dengan nilai ketepatan rata-rata 0.83% dan nilai ketelitian rata-rata mencapai 1.07%. Yang cukup mencolok pada data di atas adalah perbedaan dari pengukuran jarak ultrasonik dan jarak asli pada pengukuran jarak di bawah 2 cm. Hal ini dikarenakan karakteristik dari sensor ultrasonik itu sendiri yang memang mempunyai batasan minimal pengukuran 2 cm. Di bawah 2 cm, maka error yang dihasilkan akan sangat besar karena dengan jarak yang sangat dekat, gelombang ultrasonik yang dipancarkan oleh transmitter telah dipantulkan terlebih dahulu sebelum bisa di deteksi sensor ultrasonik. Faktor lain dari kesalahan pembacaan data sensor ultrasonik yaitu getaran pada saat pengambilan data dilapangan. Data kedalaman sensor ultrasonik mengalami perubahan yang sangat darastis.
2. Gaya( Strain gage)
Rangkaian cincin tranduser membentuk cincin dengan diameter yang khusus dirancang penetrometer sistem tekan. Cincin tranduser diberi lubang bagian atas dan bagian bawah dengan tujuan untuk menyambungkan bagian handle dengan cincin dan menyambungkan batang penetrometer dengan cincin tranduser. Pelubangan untuk menghubungkan antara cincin gaya dengan batang penghubung harus tegak lurus hal ini bertujuan agar gaya tekan dan gaya tarik tidak mengalami perubahan sudut gaya tekan. Untuk memperoleh nilai penetrasi tanah diperlukan sensor strain gage. Sensor strain gage di letakkan di cincin tranduser yang terbuat dari besi baja. Desain cincin sensor gaya ini apa bila di tekan atau ditarik akan menghasilkan kelenturan dan kerutan. Kelenturuan dan kerutan ini akan dibaca oleh sensor strain gage. cincin tranduser diberi dua sensor strain gage yang memiliki hambatan 240 ohm, setiap satu strain gage memilki hambatan 120 ohm
Sistem kerja strain gage adalah mengirimkan hasil hambatan yang disebabkan oleh tegangan atau regangan yang dilakukan oleh cincin gaya. jenis material dan dimensi cincin gaya berpengaruh langsung terhadap hasil keluaran sensor strain gage. Strain gage yang dipasang di bagian luar dan bagian dalam cincin akan merespon perubahan elastisitas cincin tranduser. Pada saat penempelan sensor strain gage menggunakan lem power glue karena lem tersebut dapat merekatkan sensor sangat kencang. Posisi penekanan strain gage sangat berpengaruh dari keluaran. Kepekaan strain gage
tersebut dibuat sampai 100 kg, dengan nilai ketepatan alat dan ketelitian alat mencapai 8.94 %, 12.33%.
58 Gambar 47. Sensor strain gage
3. Layar LCD
LCD yang digunakan untuk penelitian adalah LCD 2x16. LCD tersubut dihubungkan ke mikrokontroler pada PORTC. Untuk mengetahui LCD yang kondisi LCD maka dilakukan penyetelan terlebih dahulu, kemudian dimasukkan program sebagai berikut:
Gambar 48. Penyetingan CodeVision AVR
Penyetingan CodeWizard AVR berfungsi untuk menentukan port yang akan dihubungkan dengan LCD dan jensi lcd yang akan digunakan pada gambar di atas menunjukan bahwa penyetelan dengan menggunakan LCD dengan 16 karakter dan menggunakan port C pada mikrokontroler sebagai penghubung dengan LCD.
59 Gambar 49. LCD 2x16
LCD yang digunakan untuk penelitian adalah LCD 2x16. LCD tersebut dihubungkan ke mikrokontroler pada PORTC. Program yang digunakan adalah codevisionAVR dengan menggunakan perintah lcd_gotoxy(0,0). Perintah lcd_gotoxy(0,0) menunjukan bahwa data akan ditampilkan pada kolom 0 dan baris ke-0. LCD ini digunakan untuk menampilkan data secara visual dari pembacaan sensor gaya, sensor suhu, dan sensor kedalaman. Modul LCD 2x16 menampilkan hasil olahan data oleh mikrokontroler dalam bentuk karakter. Penampilan data lewat LCD mempermudah pengguna melihat data secara visual.
4. Mikrokontroler
Gambar 50. Mikrokontroler ATmega 8535
Komponen utama pada rangkain elektronika alat ukur kekuatan tanah adalah mikrokontroler yang berfungsi mengontrol sistem yang menghubungkan antara sensor gaya, sensor jarak, sensor suhu, data
flash memory, dan layar LCD. Mikrokontroler yang digunakan adalah tipe DT Low Cosh ATmega 8535 dengan menerima input tegangan 9 volt. Input tegangan tersebut kemudian akan diproses oleh IC yang diprogram menggunakan softwareCodeVision AVR yang akan mengontrol sensor suhu, jarak dan sensor kedalaman.
Sensor suhu LM35 dihubungkan pada ADC PORT A pin 7 dan sumber daya dari sensor suhu LM35 dihubungkan dengan sumber daya 5 Volt pada mikrokontroler. Sensor suhu tersebut kemudian dubah sinyal dari analog ke digital.
60 Sensor kedalaman DT ultrasonik ranger dihubungkan dengan mikrokontroler pada PORT B. Pembacaan waktu tempuh dari pemantulan ultrasonik akan dibaca dan diprogram oleh mikrokontroler menjadi satuan jarak.
Sensor gaya strain gage yang telah dikuatkan oleh penguat dihubungkan pada PORT A pada pin 2 dan sumber tegangan pada pada penguat tersebut dihubungkan dengan daya 9 Volt pada mikrokontroler. Kalibrasi penguat akan dikondisikan sinyalnya oleh ADC dan diolah lebih lanjut dengan mikrokontroler untuk mengubah keluaran dengan menjadi keluaran gaya.
Sensor suhu, sensor kedalaman, dan sensor gaya dibaca oleh mikrokontroler selama 400 ms sekali. Dari pembacaan semua sensor oleh mikrokontroler kemudian ditampilkan oleh LCD untuk visualisasi data dan data pembacaan kemudian disimpan ke dalam data flash memory.
5. Penguat
Gambar 51. Penguat diferensial
Rangkaian penguat yang di rancang dapat menguatkan 2100 kali dengan keluaran maksimal 5 volt. Penguat yang diracang dengan menggunakan prinsip difrensial yang menggunakan IC LM358 sebanyak 2 buah pembuatan layout penguat sesuai pada analisa rancangan penguat. Penguat menggunakan dua trimpot dengan ukuran 1 kiloohm dan 5 kiloohm. Trimpot 1 kiloohm digunakan untuk mengatur perbesaran keluaran penguat diferensial. Sedangkan trimpot ukuran 5 kilo ohm digunakan untuk memberi balance pada jembatan Wheatstone. Keluaran penguat akan diolah ke mikrokontroler pada PORT A pin 2.
6. Data flash
Data yang telah ditampilakan di layar LCD data dapat disimpan juga dengan mengunakan EMS Data Flash memory. EMS Data flash memory adalah modul memori non-volatile (flash) yang memiliki kapasitas 4.325.376 bit (2048 page x 264 byte x 8 bit). Modul ini memiliki antarmuka SPI dan dapat digunakan untuk menyimpan berbagai jenis data digital.
Sistem penyimpanan data flash ini saat pengambilan data penetrometer, data akan ditampilkan dilayar LCD, data yang sudah diambil akan disimpan ke data flash. Dengan bantuan kabel transfer data akan dimasukkan ke layar komputer melalui program pembacaan port Visual Basic
61 Gambar 52. EMS Data flash memory
.
7. Sensor suhu
Gambar 53. Rangkain sensor suhu LM35
Ada banyak macam sensor suhu yang dapat digunakan. Pemilihan sensor tersebut tergantung dari kebutuhan dan nilai ekonomisnya. Pada penelitian ini sensor yang digunakan adalah sensor suhu LM35. Data yang diinginkan adalah suhu lingkungan sehingga dari segi kebutuhan LM35 adalah yang paling tepat dari pada sensor suhu yang lain karena LM35 harganya murah dan dapat mengukur suhu dari 0 oC sampai 100 oC.
Pemasangan LM35 dilapisi dengan lem pada bagian kaki. Hal ini bertujuan agar pada saat pengambilan data tidak terjadi gangguan. Kaki-kaki LM35 apabila terkena air maka keluaran suhunya akan tidak sesuai. Kekurangan sensor suhu dengan menggunakan LM35 adalah pada saat pengukuran suhu ekstrim untuk kembali keposisi suhu semula (suhu normal) akan membutuhkan waktu yang lama. 8. Kotak penyimpanan elektronika
Elektronika merupakan bahan yang sangat rentan terhadap kondisi lingkungan untuk itu perlu adanya pelindungan untuk mencegah terjadinya kerusakan yang disebabkan oleh faktor lingkungan. Bahan untuk untuk membuat kotak penyimpanan menggunakan akrilik.
62 Gambar 54. Kotak penetrometer
9. Software Penerima data
Pembacaan data berupa nilai suhu, tekanan, dan kedalaman yang telah di tampilkan di LCD kemudian akan disimpan di flash memory, supaya data dapat di catat oleh pengguna alat. Data yang disimpan di flash memory akan dikirim ke program pembacaan port data tersebut sehingga dapat ditampilkan ke komputer. Program pembacaan port ini terdiri banyak menu antara lain: menu pembacaan USB PORT, pembacaan kecepatan pengiriman data, koneksi komputer dengan alat,
disconnect, dan penghapusan layar. Untuk menampilkan data ke microsoft word yaitu ketika data sudah ditampilkan di layar program pembacaan port kemudian tekan tool “cut”, kemudian masuk perintah “paste”.
63
C.
KELEMAHAN DESAIN PENETROMETER DIGITAL
Rancangan penetrometer digital yang dilengkapi dengan sensor suhu, sensor kedalaman, dan sensor gaya yang mempunyai beberapa kelemahan antara lain:
1. Handle yang diplatting ternyata gampang mengelupas sehingga handle yang tidak terlapisi akhirnya berkarat. Untuk itu, agar lebih tahan lagi proses pemolesan adalah yang terbaik. Selain itu, pada saat penekanan penetrometer pada saat handle basah akan menyulitkan proses penekanan ini akan berakibat kurang optimalnya kerja penetrometer. Untuk mencegah dampak tersebut rancangan handle ditambah dengan lapisan busa agar tidak licin dan terluka pada saat pengoperasian alat penetrometer.
2. Apabila ada pengaruh sudut akan berakibat kurang akuratnya nilai penetrasi tanah. Penyambungan antara handle dengan cincin akan sangat mempengaruhi nilai penetrasi. Apabila cincin gaya dengan
handle sejajar maka akan berpengaruh pada nilai tekan antara cincin bagian kanan dan cincin bagian kiri ini disebabkan tekanan cincin bagian kanan dan cincin bagian kiri memperoleh tekanan yang berbeda. 3. Pada saat sensor di posisi sejajar dengan tangan kanan keluaran dari sensor strain gage sangat besar akan tetapi pada saat penekanan pada tangan kiri hasil yang dikeluarkan sangat berbeda dari penekanan pada tangan kanan. Hal ini disebabkan karena hasil strain yang dihasilkan sangat berbeda atau tidak seimbang. Untuk meminimalisasi kesalahan tersebut sensor di letakkan di bagian depan handle atau sejajar dengan arah pandangan. Cincin gaya dipasangkan di bagian depan handle. Dengan peletakkan demikian tekanan yang diperoleh tidak tergantung pada tekanan tangan kanan dan tekanan tangan kiri. 4. Batang penekan pada penetrometer digital yang dirancang dapat mengukur kedalaman hingga 60 centimeter. Batang penekan terbuat dari stainless steel dengan diameter 12 milimeter ini. Bahan stainless steel ini sangat tepat untuk mencegah terjadinya karat. Akan tetapi pada saat melakukan penekanan pada tanah ada butiran-butiran tanah yang menempel pada batang penekan ini akan mengakibatkan perkaratan pada batang penekan. Untuk mencegah terjadinya perkaratan perlu adanya pembersihan batang penekan setelah digunakan.
5. Kotak penyimpanan komponen elektronika kurang kompak sehingga pada saat penekanan komponen elektronika goyang hal ini akan sangat menggangu.
6. Pada saat terjadi getaran data sensor ultrasonik yang diperoleh tidak sesuai atau terjadi penyimpangan sangat jauh. Penguat dengan menggunakan IC LM358 kurang stabil, selalu berubah ubah hal ini akan mempengaruhi ketepatan dalam memperoleh data nilai penetrasi tanah. Rangkain penguat menggunakan IC LM358 ini banyak mengalami kendala pada saat dihubungkan dengan sensor strain gage. pada saat pengujian dilapangan keluaran sensor strain gage yang dikuatkan sedikit terjadi ketidakstabilan pada saat tidak ditekan akan tetapi pada saat dilakukan penekanan keluaran data cukup stabil. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh beberapa hal anatara lain noise dari IC LM358 cukup tinggi dan dan perangkaian penguat yang kurang baik.
7. Pengiriman data dari software pembacaan port ke microsoft word dengan menggunakan perintah copy-
paste kurang praktis pada saat dilapangan.
8. Pada saat sensor ultrasonik dilakukan pengujian lapangan, apabila bidang pantul miring maka pembacaan ultrasonik akan tidak stabil.
9. Pembacaan sensor strain gage dipengaruhi oleh penguat, pada saat pembacaan digital kurang stabil hal ini dimungkinkan karena penguat kurang stabil dan kuat arus baterai kurang stabil.
64
VI.SIMPULAN DAN SARAN
A.
SIMPULAN
Dari penelitian perancangan alat ukur kekuatan tanah (penetrometer) digital dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Prototipe penetrometer digital telah berhasil dibuat dan diuji coba. Prototipe penetrometer digital menggunakan tenaga manusia untuk menekan alat dan baterai 9 volt sebagai daya komponen elektronik penetrometer.
2. Rancangan penetrometer terdiri dari rancangan elektronika (DT Ultrasonik Ranger untuk mengukur kedalaman, strain gage untuk mengukur gaya penetrasi tanah, IC LM35 untuk mengukur suhu lingkungan, ADC untuk mengubah data analog menjadi digital, mikrokontroler ATmega 8535 untuk mengontrol ketiga sensor, penguat diferensial untuk penguatan resistansi strain gage , LCD untuk penampilan data, dan EMS Data flash memory untuk menyimpan data). Rancangan mekaniknya yaitu:
handle, cincin tranduser, batang penekan, dan cone).
3. Faktor suhu lingkungan tidak berpengaruh terhadap sensor jarak ultrasonik ranger karena hubungan jarak penggaris dengan jarak pembacaan ultrasonik bersifat linier yaitu y = 0.998x – 0.403, R² = 0,9999, penggunaan sensor suhu IC LM35 sangat cocok untuk aplikasi pengukuran suhu lingkungan karena dapat menditeksi perubahan suhu secara cepat dengan akurasi yang cukup bagus.
4. Kalibrasi sensor gaya(strain gage) menggunakan tranduser tipe cincin pada selang beban 0 kg sampai 30 kg dengan berat nominal 3 kg didapatkan hubungan linier y = 35.553x + 9.6705.
5. Kepekaan sensor ultrasonik kedalaman 70 cm, dengan nilai ketepatan rata-rata 0.83% dan nilai ketelitian rata-rata mencapai 1.07%. Sedangkan kepekaan strain gage mencapai 100 kg, dengan nilai ketepatan alat 8.94% dan nilai ketelitian 12.33%.
B.
SARAN
Penyempurnaan penetrometer digital yang dilengkapi dengan sensor ultrasonik, sensor strain gage, dan sensor suhu disarankan perbaikan pada rancangan sebagai berikut:
(1) Memperbaiki ketidakstabilan pada penguat sebaiknya menggunakan IC 324 yang memilki noise yang cukup kecil.
(2) Trimpot yang untuk menolkan penguat apabila sering diputar akan cepat rusak, sebaiknya trimpot yang digunakan yang berkualitas.
(3) Wadah komponen elektronika dibuat lebih kompak agar pada saat pengoperasian alat tidak terjadi kerusakan pada komponen elektronikanya.
(4) Baterai yang digunakan sebaiknya yang memiliki arus yang stabil.
(5) Sudut kemiringan penekanan akan mempengaruhi nilai kedalaman tanah, maka diperlukan water pass