RANCANG BANGUN SISTEM
3.1 Perancangan Sistem
Perancangan sistem terdiri atas perancangan perangkat keras dan perangkat lunak/ program. Perangkat keras meliputi rangkaian catu daya, rangkaian sensor gas semikonduktor TGS 2620, ADC (8-bit) dan komunikasi serial dengan komputer melalui USART RS-232 dengan mikrokontroler ATmega8535. Program meliputi program untuk pembacaan nilai tegangan hasil ADC, pengiriman data ke komputer dengan menggunakan komunikasi USART dan pembangkitan sinyal pemanas pulsa pada mikrokontroler, program untuk penerimaan data kemudian menyimpannya pada komputer dan program analisis data.
Pada analisis sensitifitas, pemodulasian suhu pertama sekali dilakukan melalui pemanasan elemen pemanas sensor TGS 2620 dengan sinyal periodik pulsa dari mikrokontroler serta segitiga dan sinus dari function generator dengan Amplitudo 5 V berperiode 16 detik dengan duty cycle 50 %. Sampel yang digunakan adalah gas minyak tanah dengan 6 konsentrasi yang berbeda, yaitu 1200, 2400, 3600, 4800, 6000 dan 7200 ppm. Sesuai dengan rumusan menentukan konsentrasi gas di udara, yaitu :
1 1 1 m V g gas ppm M L udara (3.1)
dimana Vm adalah volume molar standard dari gas ideal pada tekanan 1 bar dan suhu 273.15oK sebesar 22.71108 /L mol . M adalah molaritas sebesar 182 g/mol dan ρ adalah berat jenis sebesar 0.7884 g/cm3 (Lenntech Water treatment & air purification Holding B.V.,2008).
Volume minyak tanah untuk konsentrasi 1200 ppm dalam wadah 330 mL udara dapat ditentukan, yaitu :
1 1 1 m ppm L udara M g gas V (3.2) 1200 0.33 182 ( ) 22.71108 berat gas g (3.3) 3173.429g 0.003173g
karena ρ = 0.7884 g/cm3 dan berat = ρx volume, maka : berat volume (3.4) 3 0.003173 0.004 0.7884 volume cm
Dari hasil yang telah diperoleh, maka untuk menghasilkan konsentrasi gas minyak tanah 1200, 2400, 3600, 4800, 6000 dan 7200 ppm dapat dilakukan dengan menyuntikkan masing-masing 0.004, 0.008, 0.012, 0.016, 0.020 dan 0.024 ml cairan minyak tanah kedalam botol kosong 330 ml.
Analisis data untuk menentukan kemiringan garis (gradient) dari grafik perubahan tegangan sensor terhadap perubahan konsentrasi gas minyak tanah. Hal ini untuk melihat respon sensor terhadap perubahan konsentrasi. Bila perubahan sedikit konsentrasi mengakibatkan perubahan tegangan yang lebih besar, maka sensor tersebut menjadi lebih sensitif. Tegangan sensor untuk tiap sampel pada penggunaan tiap pemanas didapatkan dengan merata-ratakan ke-16 nilai tegangan yang dicuplik komputer dengan waktu pencuplikannya disesuaikan dengan periode sinyal pemanas sehingga periode sinyal analog pemanas sama dengan
periode sinyal diskritnya. Sampel dengan konsentrasi tertentu yang sama diperlakukan dengan semua jenis pemanas terlebih dahulu baru kemudian konsentrasinya diubah. Dari ketiga grafik sensitifitas yang didapatkan, ditentukan jenis pemanas terbaik, yaitu pemanas yang dapat memberikan gradient terbesar. Setelah didapatkan jenis pemanas yang terbaik, maka periodenya diubah menjadi lebih kecil yaitu 8 detik dan lebih besar yaitu 32 dan 48 detik. Akhirnya bila didapatkan periode sinyal yang membuat gradient garis sensitifitas tersebut paling besar dan bila periode dinaikkan lagi menghasilkan gradient yang lebih kecil, maka periode tersebut yang terbaik. Blok diagram perancangan sistem analisis sensitifitas dapat dilihat pada Gambar 3.1.
Pada analisis selektifitas, pemodulasian suhu pertama sekali dilakukan melalui pemanasan elemen pemanas sensor TGS 2620 dengan sinyal periodik pulsa dari mikrokontroler serta segitiga dan sinus dari function generator dengan Amplitudo 5 V berperiode 32 detik dengan duty cycle 50 %. Sampel yang digunakan adalah bahan bakar minyak tanah, pertamax, premium dan solar dengan masing-masing 10 sampel untuk proses pelatihan dan 5 sampel untuk proses pengujian. Pada analisis selektifitas, penganalisisan data menggunakan algoritma FFT dan PCA untuk pengelompokan jenis gas serta FFT dan BP pada JST untuk pengidentifikasian jenis gas.
Pada analisis pengelompokan ke-4 jenis gas, tampilan visual pengelompokannya menggunakan PCA dengan memplot antara komponen utama pertama dan komponen utama kedua pada tiap penggunaan tegangan pemanas sensor akan dibandingkan. Bila pengelompokan tiap jenis gas telah terpisah, maka jenis pemanas penghasil pengelompokan tersebut dapat ditentukan sebagai jenis pemanas terbaik.
Pada analisis pengidentifikasian yang akan dilakukan adalah melihat perbandingan jumlah epoch pada proses pelatihan untuk mencapai target tertentu, yaitu 0.000001. Dari ketiga jumlah epoch yang didapatkan, ditentukan jenis pemanas terbaik, yaitu pemanas yang dapat memberikan jumlah epoch terkecil. Setelah didapatkan jenis pemanas yang terbaik, maka periodenya diubah menjadi lebih kecil yaitu 16 detik dan lebih besar yaitu 32, 48 dan 64 detik. Akhirnya bila didapatkan periode sinyal yang menghasilkan jumlah epoch terkecil dan bila
periode dinaikkan lagi menghasilkan jumlah epoch nya akan menurun, maka periode tersebutlah yang terbaik. Pada tiap penggunaan jenis pemanas ditentukan pola keluarannya untuk mengetahui tingkat kebenaran pengidentifikasian keseluruhan sampel pada proses pelatihan dan pengujian. Blok diagram perancangan sistem analisis selektifitas menggunakan algoritma FFT dan PCA untuk pengelompokannya dapat dilihat pada Gambar 3.2. Blok diagram perancangan sistem analisis selektifitas menggunakan algoritma FFT dan BP pada JST untuk pengidentifikasiannya pada proses pelatihan dan pengujiannya dapat dilihat pada Gambar 3.3 dan 3.4.
Gambar 3.1 Blok diagram rancangan sistem analisis sensitifitas
Gambar 3.2 Blok diagram rancangan sistem analisis selektifitas menggunakan algoritma FFT dan PCA
Program baca dan simpan data Analisis sensitifitas KOMPUTER RS 232 ADC USART DT-AVR Atmega8535 Function Generator Rangkaian sensor TGS 2620 RS 232 Program baca dan simpan data Program FFT Program PCA
Plot Pengelompokan Gas
KOMPUTER ADC USART DT-AVR Atmega8535 Function Generator Rangkaian sensor TGS 2620 Tampilkan grafik
Gambar 3.3 Blok diagram rancangan sistem analisis selektifitas untuk proses pelatihan menggunakan algoritma FFT dan BP pada JST
Gambar 3.4 Blok diagram rancangan sistem analisis selektifitas untuk proses pengujian menggunakan algoritma FFT dan BP pada JST
Rangkaian mikrokontroler digunakan untuk pembacaan data sensor dan dilakukan proses konversi data dari analog ke digital dan kemudian dikirimkan ke komputer melalui komunikasi serial (USART) serta pembangkit sinyal pemanas pulsa. Sistem mikrokontroler ini lebih praktis karena telah memiliki sistem ADC dan komunikasi serialnya sendiri. Pemrograman mikrokontroler ini menggunakan
RS 232 Program baca dan simpan data Program FFT Propagasi maju Identifikasi KOMPUTER ADC USART DT-AVR Atmega8535 Function Generator Rangkaian sensor TGS 2620 RS 232 Program baca dan simpan data Program FFT Propagasi maju JST-BP Identifikasi KOMPUTER ADC USART DT-AVR Atmega8535 Function Generator Rangkaian sensor TGS 2620 Propagasi mundur Perubahan bobot J S T B P
software CodeVision AVR untuk melakukan penyettingan AVR sesuai dengan kebutuhan dan melakukan pemrogramannya dengan menggunakan bahasa C. Komputer digunakan untuk menganalisis data yang diperoleh dari mikrokontroler. Pada komputer tersebut dilakukan pemrograman baca data dari mikrokontroler dan menyimpannya pada suatu file.
Cara kerja dari blok diagram sistem analisis sensitifitas pada Gambar 3.1 adalah sebagai berikut:
a. Sensor gas TGS 2620 sebagai input data dengan pemodulasian suhu dari function generator atau mikrokontroler.
b. Pada blok DT-AVR Atmega8535, ADC pada mikrokontroler melakukan pembacaan data keluaran sensor dan melakukan pengiriman data ke komputer melalui protokol komunikasi serial (USART).
c. Pada blok program baca dan simpan data, program pembacaan 16 nilai tegangan untuk tiap satu periode dari data pengiriman oleh mikrokontroler dan penyimpanannya dilakukan pada komputer.
d. Pada blok analisis sensitifitas, ditentukan tegangan rata-rata dari 16 nilai tegangan sensor untuk tiap konsentrasi gas.
e. Pada blok tampilkan grafik ditampilkan grafik perubahan tegangan sensor terhadap konsentrasi gas dan ditentukan kemiringan garis (gradient) dengan menggunakan trendline.
Cara kerja dari blok diagram sistem analisis selektifitas pada Gambar 3.2 adalah sebagai berikut:
a. Sensor gas TGS 2620 sebagai input data dengan pemodulasian suhu dari function generator atau mikrokontroler.
b. Pada blok DT-AVR Atmega8535, ADC pada mikrokontroler melakukan pembacaan data keluaran sensor dan melakukan pengiriman data ke komputer melalui protokol komunikasi serial (USART).
c. Pada blok program baca dan simpan data, program pembacaan 16 nilai tegangan untuk tiap satu periode dari data pengiriman oleh mikrokontroler dan penyimpanannya dilakukan pada komputer.
d. Pada blok Program FFT, dilakukan proses FFT terhadap data untuk mendapatkan 8 nilai frekwensi dan menormalisasinya.
e. Pada blok Program PCA, dilakukan proses PCA terhadap data hasil FFT ternormalisasi sehingga mendapatkan data baru yang mewakili data tersebut. f. Pada blok plot pengelompokan gas, diplot 1stPC dan 2ndPC untuk melihat
pengelompokan gas minyak tanah, pertamax, premium dan solar.
Cara kerja dari blok diagram sistem analisis selektifitas untuk proses pelatihan pada Gambar 3.3 adalah sebagai berikut:
a. Sensor gas TGS 2620 sebagai input data dengan pemodulasian suhu dari function generator atau mikrokontroler.
b. Pada blok DT-AVR Atmega8535, ADC pada mikrokontroler melakukan pembacaan data keluaran sensor dan melakukan pengiriman data ke komputer melalui protokol komunikasi serial (USART).
c. Pada blok program baca dan simpan data, program pembacaan 16 nilai tegangan untuk tiap satu periode dari data pengiriman oleh mikrokontroler dan penyimpanannya dilakukan pada komputer
d. Pada blok Program FFT, dilakukan proses FFT terhadap data untuk mendapatkan 8 nilai frekwensi dan menormalisasinya.
e. Pada blok propagasi maju dalam blok JST-BP, tiap unit masukan menerima sinyal dan meneruskannya ke unit tersembunyi diatasnya dan ditentukan semua keluaran.
f. Pada blok propagasi mundur dalam blok JST-BP, ditentukan unit kesalahan yang akan dipakai dalam perubahan bobot lapis dibawahnya dari unit keluaran dan unit tersembunyi berdasarkan kesalahan disetiap unit keluaran dan unit tersembunyi serta ditentukan suku perubahan bobot.
g. Pada blok perubahan bobot dalam blok JST-BP, dihitung semua perubahan bobot.
h. Pada blok identifikasi, dihasilkan jumlah epoch untuk mencapai target error tertentu dan pola keluaran tiap gas.
Cara kerja dari blok diagram sistem analisis selektifitas pada Gambar 3.4 pada proses pengujian adalah sebagai berikut:
a. Sensor gas TGS 2620 sebagai input data dengan pemodulasian suhu dari function generator atau mikrokontroler.
b. Pada blok DT-AVR Atmega8535, ADC pada mikrokontroler melakukan pembacaan data keluaran sensor dan melakukan pengiriman data ke komputer melalui protokol komunikasi serial (USART).
c. Pada blok program baca dan simpan data, program pembacaan 16 nilai tegangan untuk tiap satu periode dari data pengiriman oleh mikrokontroler dan penyimpanannya dilakukan pada komputer
d. Pada blok Program FFT, dilakukan proses FFT terhadap data untuk mendapatkan 8 nilai frekwensi dan menormalisasinya.
e. Pada blok propagasi maju JST-BP, tiap unit masukan menerima sinyal dan meneruskannya ke unit tersembunyi diatasnya dan ditentukan semua keluaran f. Pada blok identifikasi, dihasilkan pola keluaran tiap gas.
Program pembacaan data dari sensor gas, pengirimannya ke komputer melalui komunikasi serial USART dan pembangkitan sinyal pemanas pulsa dibuat pada mikrokontroler. Pembangkitan sinyal segitiga dan sinus dari function generator. Pengambilan data nilai frekwensi ditentukan 8 nilai karena telah dapat menentukan karakteristik sinyal dengan baik dari sinyal tegangan sensor yang dicuplik. Ke-8 nilai ini adalah nilai pada frekwensi ke-2 hingga ke -9 karena frekwensi ke-1 adalah komponen DC nya dan frekwensi ke-10 hingga ke-16 merupakan pencerminannya. Untuk mendapatkan 8 nilai frekwensi dari hasil proses dengan algoritma FFT ini maka dibutuhkan 16 buah masukan pada proses FFT yang merupakan 16 nilai tegangan sensor yang dicuplik dengan waktu cuplik disesuaikan dengan periode sinyal pemanas. Pengaturan ini dapat dilihat pada Tabel 3.1 dimana T adalah periode dan Ts adalah waktu cuplik. Pengambilan data untuk tiap sampel dilakukan dalam satu periode sinyal pemanas. Pengambilan data 3 sampel untuk pemanas periode 32 detik dapat dilihat pada Gambar 3.5. Tabel 3.1 Pengaturan pengambilan data
T (det) Ts (det) Frekwensi ke - (Hz) 1 2 3 4 5 6 7 8 8 0,5 0,1250 0,2500 0,3750 0,5000 0,6250 0,7500 0,8750 1,0000 16 1,0 0,0625 0,1250 0,1875 0,2500 0,3125 0,3750 0,4375 0,5000 32 2,0 0,0312 0,0625 0,0937 0,1250 0,1562 0,1875 0,2187 0,2500 48 3,0 0,0208 0,0416 0,0625 0,0833 0,1041 0,1250 0,1458 0,1666 64 4,0 0,0156 0,0312 0,0468 0,0625 0,0781 0,0937 0,1093 0,1250
Gambar 3.5 Pengambilan data untuk pemanas periode 32 detik
Periode 8 det Periode 16 det
Periode 32 det Periode 48 det
XS1 XS2 XS3
Normalisasi
X1 X2 X3
Periode 64 det
Gambar 3.6 Pengambilan data series untuk pemanas pulsa
Pengambilan tiap data sampel diambil dari satu periode setelah stabil. Pada saat pemanasan awal, tegangan keluaran sensor belum stabil sehingga perlu memanaskan sensor terlebih dahulu selama 64 detik sesuai dengan periode terlama yang diujikan karena dari grafik pengambilan data series untuk periode pemanas 64 detik menunjukkan bahwa setelah 64 detik profil tegangannya telah stabil. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 3.6. Pemanasan ini dilakukan dengan mengeksitasi sinyal pemanas selama 64 detik.
Program pembacaan data dari mikrokontroler dan penyimpanan data pada suatu file mulai dari 1 sampai 16 data dilakukan pada komputer, demikian juga dengan program analisis data dengan algoritma FFT, PCA dan BP pada JST. Data sampel untuk proses pelatihan berjumlah 40 buah dan untuk proses pengujian berjumlah 20 buah sehingga data sampel keseluruhan berjumlah 60 buah. X1, X2 dan X3 adalah data masukan JST setelah pada data keluaran sensor dilakukan proses dengan algoritma FFT. Proses identifikasi dilakukan menggunakan algoritma BP pada JST untuk menghasilkan 4 nilai keluaran untuk tiap gas. Xs1, Xs2, Xs3 adalah 8 nilai frekwensi hasil FFT dari sampel 1, 2 dan 3 untuk selanjutnya dilakukan proses normalisasi dimana tujuan utama normalisasi adalah agar terjadi sinkronisasi data dari jenis data yang sangat beragam untuk memudahkan dalam proses komputasi. Hasil dari proses normalisasi adalah
sekumpulan bilangan yang berkisar antara 0 dan 1. Pada simulasi ini, metoda normalisasi yang digunakan adalah:
' 8 1 i i i i X X X
(3.5)dimana Xi merupakan nilai mutlak dari nilai frekwensi ke-i. Diagram alir untuk menampilkan secara visual pengelompokan gas dan sistem identifikasi dapat dilihat pada Gambar 3.7 dan 3.8.
Gambar 3.7 Diagram alir pengolahan data sistem identifikasi
Untuk tampilan visual pengelompokan gas dengan memplot antara nilai komponen utama pertama dan kedua dari ke-8 nilai komponen PCA. Nilai komponen PCA dibentuk dari 8 nilai frekwensi hasil proses FFT. Input data dari hasil pengolahan FFT untuk 4 jenis bahan bakar dijadikan satu matriks dengan ukuran 8xN dimana 8 baris mewakili data dari 8 nilai frekwensi hasil pengolahan data dengan algoritma FFT yang merupakan variable atau dimensi dari himpunan data ini dan N adalah jumlah gabungan sample pembacaan oleh sensor tersebut untuk 4 jenis bahan kimia. Matrik covariance adalah matrik berukuran 8x8, dimana mewakili 8 data nilai frekwensi hasil pengolahan data dengan algoritma FFT sebagai 8 variable. Eigenvalues yang didapat menandakan sebagai persentase keutamaan principal components, koordinat eigenvalues yang nilainya paling besar menandakan koordinat data yang dihasilkan merupakan principal component yang paling utama, dan begitu seterusnya sampai principal components yang paling rendah. Data dengan principal components paling besar dianggap mewakili variasi data yang lain. Pengelompokan jenis gas yang berbeda secara visual akan dapat dilihat dari plot komponen utama pertama dan komponen utama kedua pada plot PCA. Dari hasil plot titik dapat ditentukan jarak antara gas berbeda yang berdekatan dimana bila jaraknya jauh maka pengelompokannya lebih baik. Covariance dari sampel yang berbeda dapat diketahui dengan menggunakan ttest. Dari hasil ttest dapat ditentukan seberapa besar perbedaan covariance antar gas yang berbeda.
Input data hasil dari pengolahan FFT dimasukkan sebagai input dari JST kemudian dilakukan inisialisasi jaringan. Inisialisasi parameter pelatihan JST ditentukan dimana parameter goal adalah nilai error yang diinginkan. Hasilnya adalah bobot hasil pelatihan dan setelah pelatihan dilakukan, maka diberikan perintah untuk mendapatkan nilai keluaran dari JST untuk pengujiannya dimana hasil akhir adalah nilai keluaran JST berupa jumlah epoch untuk nilai error tertentu pada proses pelatihannya dan tingkat kebenaran pengidentifikasian untuk keseluruhan sampel.