ABSTRACT
DESIGN AND REALIZATION MEASUREMENT DENSITY OF LIQUID BY ARCHIMEDES’S LAW USING PHOTODIODIDE SENSOR
By
LUH ARI ANJARSARI
A measuring instrument density of liquid by Archimedes’s law has been implemented with photodiode as the detection for floating object volume. Analogue signals produced by photodiode have a range 4,81-2,18 volt with the measurement of distance from 1,0 cm - 9,0 cm and has been variated every 0,2 cm. The object of floating used mahoni’s tree with volume 400 cm3 and mass 238
grams. Software used to this research is CAVR for programming mikrokontroler and the result of measuring a density of liquid shown on the lcd screen 16x2. Calibration instrument is by comparing the value of a density with manual calculate mass and volume use a digital weight in Fisika Material’s Laboratorium. Range of measurement this device for distance is 1,0 cm – 9,0 cm from above floating objects. While the volume has fixed that is 500 ml and limit of the height of a liquid substance in a container constant consisting of 5 cm. The liquid samples used for this research are water, kerosene, oil SA-E 40 and cooking oil. From the results, the density of water is 1.04 r/cm3, kerosene is 0.83 gr/cm3, oil SA-E 40 is 0.85 gr/cm3 and 0.92 gr /cm3 for cooking oil. This measurement have
ABSTRAK
DESAIN DAN REALISASI ALAT UKUR MASSA JENIS ZAT CAIR BERDASARKAN HUKUM ARCHIMEDES MENGGUNAKAN
SENSOR FOTODIODA
Oleh
LUH ARI ANJARSARI
Telah direalisasikan alat ukur massa jenis zat cair berdasarkan hukum Archimedes menggunakan sensor fotodioda sebagai pendeteksi kenaikan tinggi benda terapung. Penelitian ini bertujuan untuk merealisasikan alat ukur massa jenis zat cair berbasis mikrokontroler ATMEGA 8535 menggunakan prinsip hukum Archimedes. Sinyal analog yang dihasilkan oleh fotodioda memiliki rentang 4,81-2,18 volt dengan pengukuran jarak 1 cm - 9 cm dan divariasikan setiap 0,2 cm. Benda apungan yang digunakan yaitu balok kayu mahoni dengan volume 400 cm3
dan massa 238 gram. Perangkat lunak yang digunakan adalah CAVR untuk pemrograman mikrokontroler dan hasil pengukuran massa jenis zat cair ditampilkan pada layar LCD 16x2. Kalibrasi alat dilakukan dengan cara membandingkan nilai massa jenis yang diperoleh dari perhitungan massa dan volume sampel zat cair dengan menggunakan timbangan digital yang ada pada Lab Fisika Material FMIPA Unila. Rentang pengukuran alat ini untuk jarak yaitu 1 cm – 9 cm dari atas permukaan benda terapung sampai dengan posisi sensor, dengan volume tetap yaitu 500 ml dan memiliki batasan ketinggian zat cair dalam wadah konstan yaitu 5 cm. Sampel zat cair yang digunakan pada penelitian adalah air, minyak tanah, oli SA-E 40 dan minyak goreng. Dari hasil penelitian diperoleh nilai massa jenis rata-rata untuk air adalah 1,04 gr/cm3, minyak tanah sebesar 0,83 gr/cm3, oli SA-E 40 sebesar 0,85 gr/cm3 dan untuk minyak goreng sebesar 0,92 gr/cm3. Alat ukur ini memiliki keakurasian sebesar 98,25% dan error sebesar 3,875%.
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Kedaton, Kota Bandar Lampung pada tanggal 5 Juni 1992, anak pertama dari pasangan Bapak I Ketut Sarya, S.Pd dan Ibu Tunik. Penulis menyelesaikan pendidikan di TK PTPN VII pada tahun 1997, SDN 2 Way Galih pada tahun 2004, SMPN 29 Bandar Lampung pada tahun 2007 dan SMAN 5 Bandar Lampung pada tahun 2010.
Kuniatkan karya kecilku ini karena
Tuhan Yang Maha Esa
Aku Persembahkan Karya Ini Untuk:
Kedua Orang Tuaku,
yang Selalu Mendo’akanku
dan Selalu
Mendukungku
Keluargaku,Yang Selalu Mendukungku
Angkatan ’10 dan Teman Seperjuanganku
MOTO
“Diberkatilah orang yang mengandalkan TUHAN, yang menaruh harapannya pada TUHAN!”
“Practice Make Perfect”
“Never put off till tomorrow what you can do today”
SANWACANA
Puji syukur Penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Mahaesa, karena atas kuasa-Nya penulis masih diberikan kesempatan untuk mengucapkan terima kasih kepada pihak yang telah banyak membantu dalam penyelesaian penelitian dan skripsi ini, terutama kepada:
1. Bapak Arif Surtono S.Si., M.Si., M.Eng., sebagai pembimbing I yang telah memberikan bimbingan serta nasehat untuk menyelesaikan tugas akhir. 2. Bapak Drs. Amir Supriyanto, M.Si., sebagai pembimbing II yang senantiasa
memberikan masukan-masukan serta nasehat untuk menyelesaikan tugas akhir.
3. Bapak Gurum Ahmad Pauzi, S.Si., M.T., sebagai penguji yang telah mengoreksi kekurangan, memberi kritik dan saran selama penulisan skripsi. 4. Kedua orangtuaku Bapak I Ketut Sarya dan Ibu Tunik yang tiada henti
memberiku semangat dan doa.
5. Ibu Suprihatin, S.Si, M.Si., sebagai Pembimbing Akademik, yang telah memberikan bimbingan serta nasehat dari awal perkuliahan sampai menyelesaikan tugas akhir.
7. Bapak Prof. Suharso, Ph.D., selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung.
8. Para dosen serta karyawan di Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Lampung.
9. Rika Erviana S.Si., yang tiada henti memberikan semangat dan dukungannya. 10. Sahabatku: Pandapotan Tambunan dan Wayan Diatniti, terimakasih atas
semangat dan dukungannya selama penulis kuliah.
11. Teman–teman seperjuangan angkatan 2010 yang selama ini memberikan semangat.
12. Kakak-kakak tingkat serta adik-adik tingkat dan semua teman-teman.
Semoga Tuhan Yang Mahaesa senantiasa memberikan rahmat dan hidayah-Nya, serta memberkahi hidup kita. Amin.
Bandar Lampung, Februari 2015 Penulis
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Mahaesa, yang telah memberikan kesehatan dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Desain dan Realisasi Alat Ukur Massa Jenis Zat Cair Berdasarkan Hukum Archimedes Menggunakan Sensor Fotodioda”. Tujuan penulisan skripsi ini adalah sebagai salah satu persyaratan untuk mendapatkan gelas S1 dan juga melatih mahasiswa untuk berpikir cerdas dan kreatif dalam menulis karya ilmiah.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam skripsi ini, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun. Akhir kata, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi semua.
Bandar Lampung, Februari 2015 Penulis,
i
D. Tujuan Penelitian ... 5
E. Manfaat Penelitian ... 5
II. TINJAUAN PUSTAKA A. Penelitian Terkait ... 6
B. Perbedaan dengan Penelitian Sebelumnya ... 7
C. Teori Dasar... 8
7. Mikrokontroler ATMEGA 8535 ... 22
III. METODE PENELITIAN A. Waktu dan Tempat Penelitian ... 25
B. Alat dan Bahan ... 25
C. Prosedur Penelitian ... 27
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Karakteristik Sensor Fotodioda ... 40
B. Karakteristik ADC Terhadap Jarak ... 45
ii
D. Hasil Uji Alat Ukur Massa Jenis ... 52 E. Cara Penggunaan Alat Ukur Massa Jenis Zat Cair ... 57
V. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan... 59 B. Saran ... 60
iii
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel
2.1. Massa jenis zat cair ... 9
2.2 Tegangan maju untuk setiap warna LED ... 17
2.3 Konfigurasi pin LCD ... 20
3.1. Data karakteristik sensor ... 35
3.2. Data karakteristik Perubahan Jarak Terhadap Cacahan Biner ADC ... 37
3.3 Hasil perbandingan nilai massa jenis menggunakan perhitungan dan alat ... 39
iv
DAFTAR GAMBAR
halaman Gambar
2.1. Menghitung gaya apung ... 10
2.2. Benda mengapung dalam keadaan setimbang ... 11
2.3. Bentuk fisis fotodioda (a), simbol fotodioda (b) ... 15
2.4. Reserve bias fotodioda ... 16
2.5. LED dan simbolnya ... 16
2.6. Konfirgurasi pin LCD ... 19
2.7. Mikrokontroler ATMega 8535... 22
2.8. Konfirgurasi pin ATMega 8535 ... 23
3.1. Rancang sistem mekanik alat ukur massa jenis zat cair ... 27
3.2. Balok kayu mahoni (a) real ukuran balok kayu dengan mengguakan uang kertas sebagai pembanding (b) ... 28
3.3. Blog diagram penelitian ... 29
3.4. Rangkaian catu daya ... 31
3.5. Rangkaian fotodioda ... 31
3.6. Rangkaian sistem minimum mikrokontroler... 32
3.7. Rangkaian LCD... 33
3.8. Flow chart program ... 34
3.9. Grafik hubungan antara jarak dan tegangan keluaran ... 36
v
3.11. (a) Menghitung massa jenis zat cair dengan sensor fotodioda, (b) Benda
yang terapung dalam fluida ... 38
4.1. Grafik tegangan terhadap jarak ... 42
4.2. Grafik repeatabilitas (a), skala simpangan yang diperbesar (b) ... 44
4.3. Grafik cacahan biner ADC terhadap jarak ... 46
4.4. Perangkat keras penelitian (a) tampak atas, tampak samping (b) ... 52
4.5. Tampilan keluaran alat ukur massa jenis zat cair ... 53
1
I. PENDAHULUAN
A.Latar Belakang
Hukum Archimedes adalah sebuah hukum tentang prinsip pengapungan di atas zat cair. Ketika sebuah benda tercelup seluruhnya atau sebagian di dalam zat cair, zat cair akan memberikan gaya ke atas (gaya apung) pada benda, dimana besarnya gaya keatas (gaya apung) sama dengan berat zat cair yang dipindahkan (Halliday, 1987). Pada prinsip Archimedes, sebuah benda akan mengapung di dalam fluida jika massa jenis suatu benda lebih kecil daripada massa jenis zat cair (Jewwet, 2009).
2
Alat ukur massa jenis suatu zat cair adalah hidrometer. Prinsip kerja dari hidrometer didasarkan pada prinsip Archimedes. Semakin rendah kerapatan zat cair, maka hidrometer akan semakin tenggelam (Giancoli, 2001). Dalam perkembangannya, hingga saat ini alat ukur hidrometer sangat langka keberadaannya. Kalaupun ada, pemakaiannya terbatas untuk keperluan industri dan penelitian di laboratorium. Sehingga, pengukuran nilai massa jenis masih banyak yang menggunakan metode konvensional (menghitung massa dibagi volume) dan dengan menerapkan hukum Archimedes.
Nurlaili (2010) menerapkan hukum Archimedes sebagai metode penelitian dengan menggunakan minyak tanah dan air sebagai zat cair yang akan ditentukan massa jenisnya. Alat yang dirancang menggunakan tabung reaksi sebagai benda yang akan dicelupkan ke dalam zat cair, gotri sebagai massa beban agar tabung reaksi berdiri secara vertikal, bejana sebagai wadah yang menampung zat cair, serta kertas skala untuk mengukur perubahan volume. Jika benda (tabung reaksi) itu tenggelam seluruhnya, maka perubahan skala akan menunjukkan volume dari benda tersebut. Sedangkan pengukuran volume tabung reaksi terlebih dahulu diukur dengan mengukur diameternya, dan dengan menggunakan rumus
maka diperoleh massa jenis dari air
dan minyak tanah.
3
benda yang tercelup dalam zat cair dan ketidakakuratan pada data yang diperoleh. Meskipun dengan cara tersebut sudah memberikan hasil yang cukup untuk kebutuhan praktikum di laboratorium dalam mengukur massa jenis suatu zat, namun untuk mendapatkan data dengan keakuratan tinggi misalnya untuk tujuan riset, perlu dilakukan perbaikan terhadap kelemahan tersebut.
Dewasa ini, perkembangan teknologi semakin pesat baik di dunia riset maupun industri. Hal ini dibuktikan dengan banyaknya teknologi dan penelitian yang telah diciptakan oleh mahasiswa serta ilmuwan di negeri ini. Berdasarkan uraian di atas, penulis mengadakan suatu penelitian untuk mengembangkan cara pengukuran massa jenis zat cair berdasarkan hukum Archimedes. Penelitian ini memanfaatkan peristiwa terapungnya sebuah balok kayu pada zat cair yang diukur massa jenisnya dan dengan memanfaatkan piranti elektronik yang dapat diandalkan sebagai pengukuran dan merekam banyak parameter dengan menggunakan mikrokontroler dan sensor fotodioda.
4
B. Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut.
1. Bagaimana merancang sistem mekanik alat ukur massa jenis zat cair menurut hukum Archimedes?
2. Bagaimana mendesain sebuah sensor fotodioda sebagai sensor cahaya yang terintegrasi dengan mikrokontroler sehingga dapat mengukur volume benda apung yang tercelup.
3. Bagaimana mikrokontroler digunakan untuk menghitung massa jenis zat cair berdasarkan sinyal masukan dari sensor fotodioda dan menampilkan hasilnya pada layar LCD.
C. Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut.
1. Sensor yang digunakan adalah fotodioda dan transmitter cahayanya adalah LED berwarna merah.
2. Zat yang digunakan yaitu beberapa sampel zat cair.
3. Volume benda dan volume fluida yang digunakan adalah konstan. 4. Perangkat lunak yang digunakan adalah Bahasa C.
5. Data pengukuran massa jenis zat cair akan ditampilkan pada sebuah layar LCD.
5
D. Tujuan Penelitian
Tujuan dilakukan penelitian ini adalah:
1. Membuat sistem mekanik untuk mengukur volume bagian benda apung yang tercelup pada zat cair menggunakan sensor fotodioda dan mikrokontroler ATMEGA 8535.
2. Merealisasikan alat ukur massa jenis zat cair berbasis mikrokontroler ATMEGA 8535 menggunakan hukum Archimedes.
E. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah:
1. Adanya alat ukur yang memudahkan pengukuran massa jenis zat cair menurut hukum Archimedes.
6
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Penelitian Terkait
7
data yang dilakukan masih secara manual dan proses perolehan nilai massa jenis air dan minyak tanah dilakukan dengan perhitungan berdasarkan rumus
. Penelitian tersebut menggunakan tabung reaksi sebagai benda
yang dicelupkan kedalam zat cair, gotri sebagai massa beban agar tabung reaksi berdiri secara vertikal, bejana sebagai wadah yang menampung zat cair, serta kertas skala untuk mengukur perubahan volume. Pengukuran volume tabung reaksi terlebih dahulu diukur dengan mengukur diameternya. Penggunaan rumus
menghasilkan massa jenis untuk air dari
penelitian yang dilakukan adalah sebesar 1,054 gr/cm3 dan massa jenis untuk
minyak tanah adalah 0,778 gr/cm3. Sedangkan besarnya massa jenis air yang terdapat dalam buku literature adalah 1,00 gr/cm3 dan massa jenis minyak tanah adalah 0.80 gr/cm3.
B. Perbedaan dengan Penelitian Sebelumnya
8
LCD. Melalui penelitian ini diharapkan dapat menyempurnakan penelitian sebelumnya dan memperoleh data yang memiliki tingkat akurasi tinggi.
C. Teori Dasar 1. Massa Jenis
Massa jenis (density) suatu zat adalah kuantitas konsentrasi zat dan dinyatakan dalam massa persatuan volume. Nilai massa jenis suatu zat dipengaruhi oleh temperatur. Semakin tinggi temperatur, kerapatan suatu zat semakin rendah karena molekul molekul yang saling berikatan akan terlepas. Kenaikan temperatur menyebabkan volume suatu zat bertambah, sehingga massa jenis dan volume suatu zat memiliki hubungan yang berbanding terbalik. Secara matematika massa jenis dinyatakan dengan persamaan:
(2.1)
keterangan:
ρ = massa jenis air (kg/m3); m = massa benda (kg); V = volume benda (m3).
9
Tabel 2.1. Massa Jenis Zat Cair Zat Cair Massa Jenis
(kg/m3)
Air (4oC) 1000
Air es 920
Minyak tanah 800
Alkohol 800
(Tripler, 1996).
2. Hukum Archimedes
Hukum Archimedes berbunyi “Ketika sebuah benda tercelup seluruhnya atau sebagian di dalam zat cair, zat cair akan memberikan gaya ke atas
(gaya apung) pada benda, dimana besarnya gaya ke atas (gaya apung) sama
dengan berat zat cair yang dipindahkan.” (Halliday, 1987).
10
Gambar 2.1 Menghitung gaya apung
Gambar 2.1 menunjukkan fluida yang berada di bagian bawah benda memiliki tekanan yang lebih besar daripada fluida yang terletak pada bagian atas benda. Hal ini disebabkan karena fluida yang berada di bawah benda memiliki kedalaman yang lebih besar daripada fluida yang berada di atas benda (h2 > h1).
Besarnya tekanan fluida pada kedalaman h2 adalah :
(2.2)
Besarnya tekanan fluida pada kedalaman h1 adalah :
(2.3)
Selisih antara F2 dan F1 merupakan gaya total yang diberikan oleh fluida
pada benda, yang dikenal dengan istilah gaya apung. Besarnya gaya apung adalah sebagai berikut.
Fapung= F2-F1
Fapung= (
Fapung=
Fapung=
11
keterangan
F1= gaya yang diberikan oleh fluida pada bagian atas benda;
F2= gaya yang diberikan oleh fluida pada bagian bawah benda;
A= luas permukaan benda;
ρf = massa jenis fluida (kg/m3);
g = Percepatan grafitasi bumi (m/det2);
V= volume benda yang tercelup dalam fluida (m3) (Giancoli, 2001).
a. Perhitungan Massa Jenis Zat Cair Menggunakan Hukum Archimedes
Prinsip Archimedes berlaku sama baiknya untuk benda-benda yang terapung dalam keadaan setimbang. Umumnya benda dapat terapung pada fluida jika massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis fluida tersebut. Keadaan kesetimbangan, yaitu ketika terapung, gaya apung (Fa) pada
benda mempunyai besar yang sama dengan berat benda (W), Fa= W,
dengan W adalah berat benda. Gambar 2.2 menunjukkan benda mengapung dalam keadaan setimbang.
Gambar 2.2 Benda mengapung dalam keadaan setimbang Fa= W
12
ΣF = 0
Fa - Wb = 0
Fa = Wb (2.5)
Persamaan untuk gaya berat benda adalah sebagai berikut.
Wb = m .g (2.6)
Substitusikan persamaan (2.1) ke persamaan (2.6) maka diperoleh:
Wb= ρb .g .Vb (2.7)
Berdasarkan hukum Archimedes bahwa besarnya gaya keatas yang dikerjakan fluida pada benda adalah sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda. Jika disubtitusi persamaan (2.4) dan persamaan (2.7) ke persamaan (2.5) maka diperoleh:
ρf .g .Vbf= ρb . g .Vb
13
3. Sensor
Sensor adalah piranti atau komponen elektronika yang digunakan untuk mengubah besaran fisik menjadi besaran elektris sehingga bisa dianalisa dengan menggunakan rangkaian listrik (Warsito, 2010).
Ada dua jenis sensor, yaitu sensor aktif dan sensor pasif. Sensor pasif adalah sensor yang tidak memerlukan power supply pada saat bekerja, outputnya muncul akibat adanya rangsangan atau dikatakan sensor pasif apabila energi yang dikeluarkan seluruhnya dari sinyal masukan. Misalnya: thermocouple, piezoelectric, microphone. Sedangkan sensor aktif yaitu sensor yang
memerlukan power supply dari luar agar sensor tersebut dapat berfungsi atau memiliki sumber energi tambahan yang digunakan untuk output sinyalnya. Adapun sinyal input hanya memberikan kontribusi yang kecil terhadap daya keluaran. Sensor optik atau cahaya adalah sensor yang mendeteksi perubahan cahaya yang mengenai benda atau ruangan. Contoh; photocell, phototransistor, photodiode, photovoltaic, photomultiplier, pyrometer optic,
(Fraden, 2004).
4. Fotodioda
14
penyambungan atau daerah intrinsik menimbulkan pasangan elektron hole yang mengalami perubahan karakteristik elektris ketika energi cahaya melepaskan pembawa muatan dalam bahan itu, sehingga menyebabkan berubahnya konduktivitas. Energi cahaya yang besarnya lebih besar dari energi ikat elektron dalam bahan, akan melepaskan elektron yang menyebabkan fotodioda menghasilkan tegangan jika terkena cahaya, seperti ditunjukkan dengan rumus dibawah ini.
(2.9)
atau
(2.10)
keterangan
Eg= Energi foton;
h= Potensial ionisasi (4,136x10-15 eV);
c= Kecepatan cahaya (3x108 m/s);
= Panjang gelombang cahaya (m) (Fraden, 2004).
15
bagian dari kisi-kisi semikonduktor yang kehilangan elektron. Gambar 2.3 menunjukkan bentuk fisis (a) dan simbol (b) fotodioda.
(a) (b)
Gambar 2.3 Bentuk fisis fotodioda (a), simbol fotodioda (b)
a. Prinsip Kerja Fotodioda
16
Gambar 2.4 Reverse biased pada fotodioda (Fraden, 2004).
5. LED
LED adalah salah satu jenis dioda yang memiliki 2 kutub yaitu anoda dan katoda. Dalam hal ini LED akan menyala bila ada arus listrik mengalir dari anoda menuju katoda. Pada penelitian ini, LED yang digunakan adalah LED warna merah dengan besarnya arus yang melewatinya tidak boleh lebih dari 50 mA dan pada tegangan 1,8 V. Pemasangan kutub LED tidak boleh terbalik karena apabila terbalik kutubnya maka LED tersebut tidak akan menyala. Gambar 2.5 merupakan gambar untuk LED dan simbolnya.
Gambar 2.5 LED dan simbolnya
17
Semakin tinggi arus yang mengalir pada led maka semakin terang pula cahaya yang dihasilkan, namun perlu diperhatikan bahwa menurut karakter warna, arus yang mengalir tidak lebih dari 50mA . Jika melebihi 50 mA maka led akan terbakar. Untuk menjaga agar LED tidak terbakar perlu kita gunakan resistor sebagai pembatas arus listrik yang dirangkai secara seri dengan LED. RL = (2.11) menyalakannya. Tabel 2.2 merupakan tabel tegangan maju untuk setiap warna.
Tabel 2.2 Tegangan maju untuk setiap warna LED (Kasap, 2001)
Warna Tegangan Maju (Vf)
18
a. Cara Kerja LED
LED merupakan keluarga dari dioda yang terbuat dari semikonduktor. Cara kerjanya hampir sama dengan dioda yang memiliki dua kutub yaitu kutub positif (P) dan kutub negatif (N). LED hanya akan memancarkan cahaya apabila dialiri tegangan maju (bias forward) dari anoda menuju ke katoda. Ketika LED dialiri tegangan maju atau bias forward yaitu dari anoda (P) menuju ke katoda (K), kelebihan elektron pada tipe N material akan berpindah ke wilayah yang kelebihan hole (lubang) yaitu wilayah yang bermuatan positif tipe P. Saat elektron berjumpa dengan hole akan melepaskan photon dan memancarkan cahaya monokromatik (satu warna) (Eko, 2012).
6. LCD
19
Gambar 2.6 Konfigurasi pin LCD (Amarylis, 2010).
a. Fungsi Pin LCD
20
Tabel 2.3 Konfigurasi Pin LCD
No Pin Fungsi
1 Vss GND
2 Vcc 5V
3 VLC LCD Contras Voltage
4 RS Register Select; H: Data Input; L: Instruction Input 5 RD H: Read; L: Write
15 V+ BL Positif Backlight Voltage 16 V- BL Negatif Backlight Voltage
Sedangkan secara umum pin-pin LCD diterangkan sebagai berikut . a. Pin 1 dan 2
Merupakan sambungan catu daya, Vss dan Vdd. Pin Vdd dihubungkan dengan tegangan positif catu daya, dan Vss pada 0V atau ground.
b. Pin 3
Pin 3 merupakan pin kontrol Vee, yang digunakan untuk mengatur kontras display. Idealnya pin ini dihubungkan dengan tegangan yang bisa dirubah untuk memungkinkan pengaturan terhadap tingkatan kontras display sesuai dengan kebutuhan, pin ini dapat dihubungkan dengan
21
c. Pin 4
Pin 4 merupakan Register Select (RS), masukan yang pertama dari tiga command kontrol input. Dengan membuat RS menjadi high, data karakter dapat ditransfer dari dan menuju modulnya.
d. Pin 5
Read/Write (R/W), untuk memfungsikan sebagai perintah write maka
R/W low atau menulis karakter ke modul. R/W high untuk membaca data karakter atau informasi status dari register-nya.
e. Pin 6
Enable (E), input ini digunakan untuk transfer aktual dari perintah-perintah atau karakter antara modul dengan hubungan data. Ketika menulis ke display, data ditransfer hanya pada perpindahan high atau low. Tetapi ketika membaca dari display, data akan menjadi lebih cepat tersedia setelah perpindahan dari low ke high dan tetap tersedia hingga sinyal low lagi.
f. Pin 7-14
Pin 7 sampai 14 adalah delapan jalur data/data bus (D0 sampai D7) dimana data dapat ditransfer ke dan dari display.
g. Pin 16
22
7. Mikrokontroler ATMEGA 8535
Mikrokontroler adalah sebuah sistem mikroprosesor dimana di dalamnya sudah terdapat CPU, RAM, ROM, I/O, Clock dan peralatan internal lainnya yang sudah saling terhubung dan terorganisasi (teralamati) dengan baik oleh pabrik pembuatnya dan dikemas dalam satu chip yang siap dipakai (Winoto, 2010). Mikrokontroler AVR berteknologi RISC (Reduced Instruction Set Computing). Secara umum, AVR dikelompokkan menjadi 4 kelas, yaitu
keluarga ATtiny, keluarga AT90Sxx, keluarga ATMega dan keluarga AT86RFxx. Pada dasarnya yang membedakan masing-masing adalah kapasitas memori, peripheral dan fungsinya. Dari segi arsitektur dan instruksi yang digunakan bisa dikatakan hampir sama (Wardhana, 2006). Gambar 2.7 merupakan bentuk fisik mikrokontroler ATMega 8535.
Gambar 2.7 Mikrokontroler ATMega 8535 (Soni, 2011).
7.1Konfigurasi Pin ATMega8535
23
Gambar 2.8 Konfigurasi pin ATMega 8535.
Berdasarkan gambar 2.9 dapat dijelaskan secara fungsional konfigurasi pin ATMega8535 sebagai berikut.
a. VCC berfungsi sebagai input sumber tegangan (+)
b. Port A (PA7 … PA0) berfungsi sebagai input analog dari ADC (Analog to Digital Converter). Port ini juga berfungsi sebagai port I/O dua arah, jika ADC tidak digunakan.
c. Port B (PB7 … PB0) berfungsi sebagai port I/O dua arah. Port PB5,
PB6 dan PB7 juga berfungsi sebagai MOSI, MISO dan SCK yang dipergunakan pada proses downloading.
d. Port C (PC7 … PC0) berfungsi sebagai port I/O dua arah.
e. Port D (PD7 … PD0) berfungsi sebagai port I/O dua arah. Port PD0
24
f. RESET pada pin 9 merupakan reset dari AVR. Jika pada pin ini diberi masukan low selama minimal 2 machine cycle maka sistem akan di-reset.
g. XTAL1 adalah masukan ke inverting oscillator amplifier dan input ke internal clock operating circuit.
h. XTAL2 adalah output dari inverting oscillator amplifier.
i. AVcc adalah kaki masukan tegangan bagi A/D Converter. Kaki ini harus secara eksternal terhubung ke Vcc melalui lowpass filter.
j. AREF adalah kaki masukan referensi bagi A/D Converter. Untuk operasionalisasi ADC, suatu level tegangan antara AGND dan Avcc
harus diberikan ke kaki ini.
23
III. METODE PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan pada bulan September 2014 sampai November 2014 di Laboratorium Pemodelan Fisika dan Laboratorium Elektronika Dasar Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan IImu Pengetahuan Alam Universitas Lampung.
B. Alat dan Bahan
1. Alat
Alat - alat yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut. a. Catu Daya
Pada rancang bangun ini menggunakan alat yang menggunakan arus DC sebagai suplai tegangan.
b. Multimeter
26
c. Solder listrik
Alat pemanas timah yang berfungsi untuk menghubungkan kaki komponen dengan papan PCB.
d. Sedotan timah
Alat penyedot timah ketika terjadi kesalahan saat penyolderan. e. Tool Set
Perkakas elektronika seperti gunting, gergaji, dll. 2. Bahan
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut. a. Printed Circuit Board (PCB) berfungsi sebagai tempat meletakkan
komponen alat elektronika yang akan dirangkai. b. Fotodioda
Sensor optik yang berfungsi sebagai penerima (receiver) terhadap sumber cahaya.
c. LED
Piranti elektronik yang berfungsi sebagai transmitter. d. Mikrokontroler ATmega8535
Mikrokontroler ini digunakan untuk merekam dan mengolah data yang hasilkan oleh sensor cahaya fotodioda yang datanya kemudian di tampilkan ke dalam layar LCD.
e. Komponen-komponen elektronika seperti resistor, kapasitor dan transistor.
27
C. Prosedur Penelitian
Adapun prosedur penelitian yang dilakukan pada penelitian ini terdiri dari tahap perancangan perangkat keras dan perancangan software.
1. Perancangan Hardware atau Perangkat Keras
Perancangan alat ukur massa jenis zat cair berdasarkan hukum Archimedes ini menggunakan sensor fotodioda dan LED. LED pada alat ini berfungsi sebagai sumber cahaya yang kemudian cahaya tersebut diserap oleh sensor fotodioda untuk diubah menjadi besaran elektrik. Keluaran sensor diolah oleh mikrokontroler yang hasilnya berupa massa jenis (ρ) dan ditampilkan pada layar LCD. Perancangan lengkap alat dapat dilihat pada Gambar 3.1.
keterangan.
1. LED; 5. Benda mengapung ( Kayu Mahoni); 2. Fotodioda; 6. Mikrokontroler;
3. Wadah Zat Cair; 7. LCD;
4. Zat Cair; 8. Lubang Kontrol Volume Fluida 9. Penutup
Gambar 3.1 Rancangan sistem mekanik alat ukur massa jenis zat cair menggunakan prinsip Archimedes dan sensor fotodioda
28
Gambar 3,1 merupakan rancangan sistem mekanik alat ukur massa jenis zat cair pada penelitian ini beserta keterangannya. Batasan yang digunakan untuk pengukuran massa jenis zat cair ini, untuk volume zat cair adalah 500 mL dan level ketinggian zat cair pada saat balok kayu mahoni dimasukkan ke dalam wadah konstan yaitu 5 cm. Prinsip kerja dari alat ini yaitu ketika zat cair diletakkan pada wadah akan mengakibatkan benda apung (balok kayu mahoni) yang diletakkan kedalam zat cair mengalami perubahan ketinggian Balok kayu mahoni memiliki dimensi (10x8x5) cm3 dan massa sebesar 238 gram dan memiliki massa jenis sebesar 0,595 gr/cm3. Gambar
3.2 merupakan balok kayu mahoni yang kami gunakan pada penelitian ini.
(a) (b)
Gambar 3.2 Balok kayu mahoni (a) real ukuran balok kayu dengan mengguakan koin sebagai skala pembanding
29
dengan benda apung maka semakin kecil nilai resistansi dan semakin besar nilai tegangan yang dihasilkan. Tegangan yang dihasilkan kemudian diproses pada mikrokontroler ATMega 8535 yang selanjutnya akan dikonversi digital oleh ADC. Selanjutnya, pada mikrokontoler dilakukan perhitungan dan kemudian akan menampilkan hasil massa jenis pada layar LCD.
a. Blok diagram penelitian
Diagram blok penelitian dapat dilihat pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3. Blok diagram penelitian
Secara keseluruhan alat ini merupakan alat ukur massa jenis zat cair dengan menggunakan sensor optik dan mikrokontroler ATMega 8535 sebagai
Mikrokontroler
30
sistem akuisisi data serta menampilkan nilai massa jenis dengan tampilan LCD. Sinyal keluaran dari fotodioda selanjutnya masuk ke dalam ADC internal yang berada pada mikrokontroler ATMega 8535. Pada alat ini digunakan sensor optik berupa fotodioda sebagai receiver dan LED sebagai transmitter. Fotodioda bertindak sebagai sensor pendeteksi perubahan
ketinggian benda yang tercelup berdasarkan intensitas cahaya dan LED sebagai variabel fisis input yang menghasilkan intensitas cahaya serta mikrokontroler ATMega 8535 sebagai komponen utama akuisisi data.
Tegangan yang dihasilkan oleh sensor kemudian diubah menjadi sinyal data digital oleh ADC yang terdapat pada mikrokontroler ATmega8535. Sinyal atau keluaran dari sensor yang diterima oleh mikrokontroler diolah dan ditampilkan ke LCD.
b. Rangkaian Catu Daya
31
Gambar 3.4. Rangkaian catu daya.
c. Rangkaian Pengkondisi Sinyal Sensor Fotodioda
Sensor yang digunakan pada penelitian ini adalah sensor fotodioda dengan LED. LED berfungsi sebagai sumber cahaya dan fotodioda sebagai sensor yang mengubah cahaya menjadi besaran elektrik. Rangkaian dari sensor ditunjukkan pada Gambar 3.5.
Gambar 3.5. Rangkaian sensor fotodioda
d. Rangkaian Mikrokontroler
32
ATMega8535. Pada pembuatan alat ini digunakan mikrokontroler ATMega 8535 sebagai sistem akuisisi data atau tempat proses perhitungan. Mikrokontroler ini memiliki ADC yang telah terintegrasi di dalamnya sehingga masukan dari sensor tidak memerlukan rangkaian tambahan untuk mengkonversi besaran analog ke bentuk digital. Pada pembuatan alat ini digunakan port A.7 sebagai tegangan input ke mikrokontroler. Berikut sistem minimum mikrokontroler ditunjunjukkan pada Gambar 3.6.
Gambar 3.6. Rangkaian sistem minimum mikrokontroler.
e. Rangkaian LCD
33
data yang dihasilkan pada LCD. Rangkain LCD ditunjukkan pada Gambar 3.7.
Gambar 3.7 Rangkaian LCD
2. Perancangan Software
34
Gambar 3.8 Flow chart program alat ukur massa jenis zat cair menggunakan sensor fotodioda
3. Rancangan Data Pengamatan
Data penelitian yang diperlukan adalah data karakteristik dari sensor fotodioda dan data dari output massa jenis yang dihasilkan oleh alat.
a. Data Karakteristik Sensor
Pada alat ukur ini digunakan LED sebagai trasmitter cahaya dan sensor fotodioda sebagai receiver. Sensor fotodioda dihubungkan dengan catudaya. Fotodioda di letakkan simetris dengan LED sehingga ketika benda terapung dimasukkan ke dalam zat cair, cahaya yang dipancarkan
35
oleh LED akan terpantul saat mengenai benda dan pantulan cahaya tersebut dideteksi oleh fotodioda. Hal ini mengakibatkan perubahan jarak antara LED dan fotodioda dan berpengaruh juga pada intensitas cahaya yang diterima fotodioda sehingga menyebabkan terjadinya perubahan nilai resistansi.
Selanjutnya dilakukan pengujian sensor untuk melihat kelinieran sensor dalam mengubah besaran jarak ke besaran elektrik. Hasil pengujian sensor dilampirkan pada Tabel 3.1. Grafik hubungan antara jarak dan tegangan keluaran yang dihasilkan oleh sensor yang ditunjukkan pada Gambar 3.9.
36
Dari Tabel 3.1 diperoleh grafik hubungan antara jarak dan tegangan keluaran yang dihasilkan oleh sensor yang ditunjukkan pada Gambar 3.9.
Gambar 3.9 Grafik hubungan antara jarak dan tegangan keluaran
b. Data Karakteristik Cacahan Biner ADC terhadap Jarak
Setelah pengujian karakteristik sensor berdasarkan hubungan kelinieran jarak terhadap tegangan dilakukan, langkah selanjutnya adalah melakukan pengujian karakteristik sensor terhadap perubahan jarak dan keluaran cacahan biner ADC. Tabel 3.2 merupakan rancangan pengambilan data karakteristik cacahan biner ADC terhadap jarak.
Tegangan (volt)
37
Tabel 3.2 Data Karakteristik Perubahan Jarak Terhadap Cacahan Biner ADC
Dari data yang diperoleh, dibuat grafik hubungan antara jarak dan cacahan biner ADC seperti Gambar 3.10.
Gambar 3.10 Grafik hubungan antara jarak dan cacahan biner ADC
Cacahan Biner ADC
38
c. Mengukur Volume Apungan Benda Tercelup
Sketsa gambar sistem apungan dan sensor fotodioda pada wadah penampung zat cair ditunjukkan pada Gambar 3.11.
(b) (a)
Gambar 3.11 (a) Menghitung massa jenis zat cair dengan sensor fotodioda, (b) Benda yang terapung dalam fluida
Berdasarkan Gambar 3.11, volume bagian apungan benda yang tercelup (Vbf ) diperoleh sebagai berikut.
(3.1)
(3.2)
(3.3)
keterangan
Vbf= Volume bagian benda apung yang tercelup ke dalam zat cair; = Tinggi benda yang tercelup dalam zat cair;
Y = Tinggi benda total (konstan);
H= Jarak dari penutup ke zat cair (konstan);
39
d. Pengujian Alat
Setelah alat selesai dirangkai, maka langkah selanjutnya yaitu menguji alat yang telah direalisasikan. Sebelum alat ukur massa jenis ini digunakan, diperlukan kalibrasi untuk mengetahui keakuratan dari alat. Cara pengkalibrasian alat ukur massa jenis ini dengan cara mengukur massa jenis salah satu sampel zat cair yaitu oli dengan cara mengukur massa dan volume dari zat cair lalu membagi massa dengan volume zat cair. Kalibrasi alat ini menggunakan zat cair yaitu oli Yamalube SA-40.
Data pengujian alat selanjutnya dibandingkan dengan data pengukuran nilai massa jenis menggunakan perhitungan. Data tersebut disajikan dalam bentuk tabel seperti pada Tabel 3.3.
Tabel 3.3 Hasil Perbandingan Nilai Massa Jenis Menggunakan Perhitungan dan Alat
No Zat Cair
1 Minyak Goreng Merk A
2 Minyak Tanah
3 Air
60
V. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian, analisis dan pembahasan diperoleh kesimpulan sebagai berikut.
1. Sistem mekanik untuk mengukur volume bagian benda apung yang tercelup pada zat cair menggunakan sensor fotodioda dan mikrokontroler ATMega 8535 telah terealisasi berdasarkan hukum Archimedes. Alat ukur massa jenis zat cair ini memiliki rentang pengukuran dari posisi sensor sampai permukaan benda sebesar 1 cm – 9 cm dengan keakurasian sebesar 98,25%.
2. Minyak tanah memiliki massa jenis yang lebih kecil yaitu sebesar 0,83gr/cm3dibandingkan massa jenis air ( 1,04 gr/cm3), oli( 0,85 gr/cm3) dan minyak goreng ( 1,04 gr/cm3).
60
B. Saran
DAFTAR PUSTAKA
Amarylis, Steffania. 2010. Sistem Keran Wudhu Otomatis Berbasis Mikrokontroler ATMega8535 Dengan Solenoid Water Valve. FMIPA UGM Yogyakarta.
Eko, Iyant. 2012. Handout Mata Kuliah Sensor dan Tranduser. Fakultas Sains dan Teknologi. UIN Sunan Kalijaga: Yogyakarta.
El Munir, Misbah. 2008. Alat pengukur massa jenis oli berbasis mikrokontroler. Universitas Indonesia Depok.
Fraden, J. 2004. Handbook of Modern Sensor Physics, Design and Application. New York: Springer-Verlag.
Fuadi, Masrur. 2012. Sistem Monitoring Tinggi Muka Air Tandon Berbasis Sensor Ultrasonik. Universitas Islam Negeri Sunan Kalijaga Yogyakarta.
Giancoli, Douglas C. 2001. Fisika Jilid I Terjemahan Edisi Kelima. Jakarta: Erlangga.
Halliday, David dan Robert Resnick. 1991. Fisika Jilid I Terjemahan. Jakarta: Erlangga.
Hani, Slamet. 2010. Sensor Ultrasonik SRF05 Sebagai Memantau Kecepatan Kendaraan Bermotor. Jurusan Teknik Elektro IST AKPRIND Yogyakarta.
Heryanto dan M. Ary. 2008. Pemrograman Bahasa C untuk Mikrokontroler ATMEGA 8535. Yogyakarta: ANDI.
Jewett, Serway. 2009. Fisika Untuk Sains dan Teknik, Buku 1 edisi 6. Salemba Teknika: Jakarta
Jones, Lary Dean dan A. Foster Chin. 1990. Electronic Instruments and Measurements Second Edition. New York: Prentice Hall College.
Kasap. 2001. Optoelectrnics and photonics. Edisi Terjemahan Jilid 2. Jakarta: Elex Media Komputindo.
Jannah, M., Warsito, dan G.A. Pauzi. 2013. Analisis Pengaruh Massa Jenis terhadap Kualitas Minyak Goreng Kelapa Sawit menggunakan Alat Ukur Massa Jenis dan Akuisisinya pada Komputer. Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung. Lampung
Nurlaili., Haiyan. 2010. Mengukur Massa Jenis Air dan Minyak Tanah dengan Menggunakan Hukum Archimedes. Jurnal Teknik Mesin Lokhsumawe. Volume 2, No.1.
Soni, 2011. Bahan Ajar Kuliah Elektronika. Universitas Airlangga: Surabaya Sutiah, Firdaus K Sofjan, dan Budi Wahyu Setia. 2008. Studi Kualitas Minyak
Goreng dengan Parameter Viskositas dan Indeks Bias.Jurnal Berkala FisikaVolume 11 No 2, April 2008, hal. 53 –58.
Tipler, P.A. 1998. Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I Terjemahan. Jakarta: Erlangga
Wardhana, Lingga. 2006. Belajar Sendiri Mikrokontroler AVR Seri ATMega8535 Simulasi, Hardware, dan Aplikasi. Yogyakarta: Andi Offset.
Wildian. 2000. Sistem Sensor. Universitas Andalas: Sumatera Barat.
