BAB III RANCANGAN PENELITIAN
3.2. Perancangan Perangkat Keras
Desain alat direncanakan seperti dispenser air minum yang berukuran kurang lebih 30 cm x 40 cm dengan tinggi 80 cm (sudah termasuk penampung air). Gambar 3.2 menunjukkan desain alat beserta bagian-bagiannya.
Beberapa bagian atau komponen akan ditempatkan di dalam box yaitu : rangkaian sistem mikro, sensor, dan solenoid valve. Keypad dan LCD akan ditempatkan di luar box karena sebagai input pilihan dan output tampilan.
3.2.2. Minimum Sistem ATmega8535
Rangkaian elektronika AVR mikrokontroler akan berfungsi dengan baik jika dirangkai dengan sistem minimum pada chip AVR agar bekerja dengan optimal. Pada pin
Gambar 3.2 Desain Alat Penakar Volume Air a. Pandangan samping b. Pandangan depan 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Keterangan : 1. Penampung air 2. Box 3. Solenoid valve
4. Water flow sensor 5. Saluran keluar air 6. Sistem Mikro
a. b.
7. Keypad 8. LCD
9. Driver solenoid valve
40 cm 30 cm 45 c m 35 c m
12 dan pin 13 adalah pin kristal eksternal yang harus dirangkaikan dengan kristal sebagai sumber clock eksternal pada chip ATmega8535. Pada pin 9 adalah pin RESET yang harus dirangkaikan dengan rangkaian reset, yang berfungsi sebagai pe-reset program apabila terjadi error saat program berjalan.
Komponen yang dibutuhkan untuk rangkaian sumber clock eksternal adalah [11]: a. satu buah Kristal 10 MHz
b. dua buah Kapasitor 22 pF
Nilai kapasitor diambil dari datasheet yang memiliki rentang dari 12 pF sampai 22 pF dengan Kristal 10 MHz.
Komponen yang dibutuhkan untuk rangkaian reset adalah : a. satu buah Kapasitor 22 pF
b. satu buah Push Button sebagai tombol Reset
Gambar 3.3 menunjukkan rangkaian minimum sistem ATmega8535.
Rangkaian reset pada perancangan menggunakan Reset Pull-up Resistor yang sudah tersedia pada mikrokontroler dengan batasan sesuai datasheet sebesar 30 kΩ sampai 60 kΩ. Reset diperlukan untuk me-reset mikrokontroler secara otomatis setiap kali catu daya dinyalakan dan me-reset program counter sehingga perintah program dieksekusi dimulai pada alamat awal. Ketika catu daya diaktifkan, rangkaian reset menahan logika rendah pada pin reset dengan jangka waktu tertentu. Sesuai datasheet, jangka waktu
minimal (t) yang direkomendasikan adalah 1,5 s dan tegangan reset (vC) adalah 0,2 volt sampai 0,9 volt. Perhitungan RC time constant (t) mengacu pada persamaan 2.12 adalah :
= . t 0,9 = 5 . ,t 0,18 = ,t ln 0,18 = ln ,t ln 0,18 = −1,5 t 8,75x10 = t
Nilai pull-up resistor minimal pada datasheet sebesar 30 kΩ, maka didapat nilai kapasitor maksimal yang mengacu pada persamaan 2.10.
= t = 8,75x10
30x10 = 29,16 pF
Nilai pull-up resistor maksimal pada datasheet sebesar 60 kΩ, maka didapat nilai kapasitor minimal yang mengacu pada persamaan 2.10.
= t = 8,75x10
60x10 = 14,58 pF
Dari perhitungan diperoleh nilai kapasitor minimal adalah 14,58 pF dan maksimal adalah 29,16 pF, maka dipilih nilai kapasitor (C3) standar adalah 22 pF.
3.2.3. Rangkaian Water Flow Sensor
Water flow sensor yang rencananya digunakan adalah water flow sensor G1/2.
Sensor bekerja dengan sistem hall effect. Sensor hall effect akan mengeluarkan output pulsa sesuai dengan besarnya aliran air. Pulsa-pulsa tersebut akan diolah oleh mikrokontroler berupa counter volume air yang melewati sensor. Rangkaian bekerja pada tegangan 5 volt sampai 24 volt DC. Arus maksimum pada tegangan 5 volt DC adalah sebesar 15 mA. Kabel output berjumlah 3 sudah didefinisikan fungsinya masing-masing oleh produsennya. Gambar 3.4 dan tabel 3.1 menunjukkan rangkaian sensor ke mikrokontroler ATmega8535.
Tabel 3.1 Konfigurasi Kabel Output Water Flow Sensor G1/2
No. Kabel Warna Kabel Fungsi Keterangan 1. a Merah VCC PS 5-24 VDC
2. b Kuning Sinyal pulsa Input ke mikrokontroler Pin
3. c Hitam Ground
Mengacu pada datasheet sensor dapat dihitung jumlah pulsa pada perancangan jika debit air diketahui. Ketelitian sensor sebesar 3% saat debit air 1 liter per menit sampai 10 liter per menit. Apabila debit air 1 liter per menit maka dapat dihitung nilai frekuensi pulsanya dengan mengacu pada persamaan 2.8.
= 7,5. = 7,5. 1 = 7,5 Hz
Dari hasil perhitungan dapat disimpulkan saat debit air adalah 1 liter per menit maka pulsa dari sensor adalah 7,5 pulsa per detik. Tabel 3.2 adalah contoh hubungan nilai volume yang terukur sensor dengan jumlah pulsa sensor jika debit air adalah 1 liter per menit.
Tabel 3.2 Hubungan Volume dengan Jumlah Pulsa (jika Q = 1 liter/menit)
No. Volume Waktu Jumlah Pulsa Keterangan
1. 100 ml 6 detik 7,5 x 6 = 45 volume minimal pada perancangan 2. 1000 ml 1 menit 7,5 x 60 = 450
3. 2000 ml 2 menit 7,5 x 120 = 900 volume maksimal pada perancangan
Debit air dan jumlah pulsa yang telah diketahui menjadi acuan dalam proses pembuatan program mikrokontrolernya.
3.2.4. Rangkaian Driver Solenoid Valve
Solenoid valve yang rencananya digunakan adalah electric solenoid valve G1/2 normally closed. Spesifikasi alat dari produsen adalah menggunakan power supply 12 volt
DC dan arus maksimum 450 mA. Driver dari mikrokontroler menuju solenoid valve menggunakan transistor. Transistor bipolar adalah komponen yang bekerja berdasarkan ada-tidaknya arus pemicuan pada kaki basisnya. Pada aplikasi driver, transistor bekerja sebagai saklar yang pada saat tidak menerima arus pemicuan, maka transistor akan berada pada posisi cut-off dan tidak menghantarkan arus, Ic = 0. Dan saat kaki basis menerima arus pemicuan, maka transistor akan berubah ke keadaan saturasi dan menghantarkan arus.
Gambar 3.5 menunjukkan rangkaian praktis driver solenoid valve. Ketika mikrokontroler memberikan logika 1, maka akan memicu transistor sehingga solenoid
valve akan ON. Sebaliknya ketika mikrokontroler memberikan logka 0, maka transistor
tidak terpicu dan solenoid valve kembali OFF.
Rangkaian driver menggunakan transistor Darlington tipe TIP31, 2 resistor dan 1 dioda 1N4001. Penguatan transistor TIP31 (bdc=hFE) ditentukan sebesar 150 yang diambil dari grafik DC Current Gain TIP31. Sedangkan untuk resistor RB dapat dihitung dengan acuan persamaan 2.16, 2.17 dan 2.20.
= ≈ 450 mA ≅ 450 mA
150 ≅ 3 mA
= − 0,7 = − 0,7= 5 − 0,7 V
3 mA = 1433,33 Ω
Dipilih nilai resistor RBadalah 1,5 kΩ, sesuai nilai standar resistor dipasaran.
Perhitungan ulang untuk memastikan nilai resistor (RB) yang akan digunakan memenuhi syarat arus maksimal solenoid valve 450 mA dengan acuan persamaan 2.17 dan 2.20.
= − 0,7= 5 − 0,7 V
1,5 kΩ = 2,87 mA = .b = 2,87 . 150 = 430,5 mA
= 430,5 mA < 450 mA
Pada datasheet solenoid valve terdapat tekanan operasi 0,02 MPa sampai 0,8 MPa yang artinya solenoid valve akan bekerja dengan baik saat tekanan air antara 0,02 MPa sampai 0,8 MPa. Apabila di bawah 0,02 MPa maka aliran akan mengecil dan jika di atas 0,8 MPa maka solenoid valve tidak akan kuat menutup maksimal (tekanan terlalu besar). Desain perancangan menggunakan galon air minum 19 liter dengan memanfaatkan gravitasi bumi dan perhitungan tekanan air dalam galon menggunakan persamaan 2.7 adalah sebagai berikut :
= 1000 kg/m = 10 m/s
ℎ = 35 cm = 0,35 m
ℎ = . . ℎ
ℎ = 1000 . 10 .0,35 = 3500 Pa = 0,0035 MPa
Berarti tekanan air dalam galon adalah 0,0035 MPa yaitu di bawah tekanan operasi
solenoid valve.
Sedangkan pengujian terhadap kerja solenoid valve saat dialiri air dengan tekanan rendah masih bisa mengalir dengan lancar, yang artinya solenoid valve masih bisa beroperasi. Ditambah lagi dengan perancangan alat yang dipakai untuk mengukur volume dengan batasan antara 100 ml sampai 2000 ml.
3.2.5. Rangkaian LCD 2x16
Gambar 3.6 menunjukkan rangkaian mikrokontroler ATmega8535 ke LCD 2x16.
Power supply menggunakan 5 VDC dan pin 4, 5, 6, 11, 12, 13 dan 14 dihubungkan ke Port
C mikrokontroler. Baris pertama LCD akan menampilkan mode volume pilihan, sedangkan baris kedua menampilkan counter saat sensor membaca aliran air.
3.2.6. Rangkaian Keypad 4x4
Gambar 3.7 menunjukkan rangkaian ATmega8535 ke keypad. Baris A, B, C dan D sebagai input ke mikrokontroler pada Port D0 sampai D3. Kolom 1, 2, 3 dan 4 sebagai
output dari mikrokontroler Port D4 sampai D7.
Gambar 3.6 Rangkaian ATmega8535 ke LCD 2x16
Tabel 3.3 merupakan tombol-tombol keypad yang dibutuhkan pada perancangan ini.
Tabel 3.3 Tombol Keypad Perancangan
No. Tombol Tombol Pilihan Keterangan 1. Angka 0 sampai 9 untuk input angka
2. Khusus
Mode “Khusus” untuk memilih mode khusus
Mode “Lain” untuk memilih mode lain
RUN untuk menjalankan perintah / eksekusi Cancel membatalkan perintah / kembali ke awal
Clear Menghapus salah ketik
Mode “Khusus” dan mode “Lain” merupakan mode utama yang disediakan untuk
pemilihan volume. Pilihan volume dapat dilihat pada tabel 3.3. Tombol “RUN” merupakan tombol “Running process” yaitu menjalankan perintah atau tombol eksekusi. Tombol “Cancel” disediakan untuk membatalkan perintah ketika terjadi kesalahan pemilihan. Tombol “Clear” untuk menghapus salah pengetikan keypad.
3.2.7. Kalibrasi Volume
Kalibrasi dilakukan untuk memastikan nilai dari hasil pengukuran alat sesuai dengan standar ukur nasional maupun internasional [2]. Pengukuran volume terutama volume benda cair, yang paling umum digunakan untuk mengukur adalah gelas ukur seperti pada gambar 2.1. Gelas ukur sudah ada garis atau nilai besaran volume yang sudah distandarkan. Pada perancangan alat ini akan menggunakan gelas ukur kapasitas 2000 mililiter yang berfungsi sebagai penampung dan pengukur volume air keluaran dari alat secara visual. Gelas ukur ini memiliki ketelitian garis skala 20 mililiter. Proses kalibrasi menggunakan timbangan digital. Kalibrasi menggunakan timbangan ini terkait dengan proses pengujian alat yang harus dilakukan beberapa kali uji dengan rentang uji tertentu. Tujuannya adalah mendapatkan nilai nominal yang terbaca berbentuk angka. Proses ini harus memperhitungkan berat penampung air dan berat jenis air. Karena yang diukur adalah volume air maka berat jenis air adalah 1000 kg/m3, yang berarti air dengan volume 1 liter bila diukur beratnya adalah 1 kg.
Berkaitan dengan desain alat dan program mikrokontroler, pada saat counter
dengan nilai tertentu yang masih keluar sebagai sisa. Hal ini disebabkan karena desain perancangan solenoid valve berada di atas flow sensor, supaya lebih jelas akan ditunjukkan pada gambar 3.8. Besarnya nilai volume sisa harus diperhitungkan atau diketahui agar pengukuran alat bisa tepat. Nilainya menjadi dasar pada saat pembuatan program mikrokontrolernya.
Volume sisa dapat dihitung dengan persamaan volume tabung jika diameter tabung 16 mm dan tinggi 80 mm.
= . .
= . 8 . 80 = 16084,95 mm = 16,09 ml
Sehingga disimpulkan untuk mencapai volume yang tepat pada perancangan ini, besarnya volume adalah hasil penjumlahan antara volume yang terbaca sensor ditambah dengan volume sisa.