ALAT PENGONTROL EMISI GAS AMONIA (NH3) DI PETERNAKAN AYAM
BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA 8535 MENGGUNAKAN SENSOR GAS MQ 137
(Skripsi)
Oleh
REKA HERIAWAN
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS LAMPUNG
ABSTRAK
ALAT PENGONTROL EMISI GAS AMONIA (NH3) DI PETERNAKAN AYAM BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA 8535
MENGGUNAKAN SENSOR GAS MQ 137
Oleh Reka Heriawan
Telah dirancang dan dibuat sebuah alat pengontrol emisi gas amonia (NH3) di peternakan ayam berbasis mikrokontroler ATMega 8535 menggunakan sensor gas MQ 137. Alat ini memiliki dua sistem kerja yaitu alat ukur kadar amonia dan kendali untuk mengurangi emisi gas amonia dalam kandang. Alat ukur kadar amonia dikalibrasi menggunakan spektrometer.
Data dari sensor diolah oleh mikrokontroler yang hasilnya ditampilkan oleh LCD M1632. Proses pengambilan, pengolahan, komunikasi data, dan kendali diatur oleh program pada mikrokontroler ATMega 8535 dengan bahasa pemrograman BASCOM. Pengukuran dilakukan pada sampel yang berupa campuran antara cairan amonia dan akuades dengan jumlah 100 ml yang diuapkan. Pengukuran dilakukan dalam selang waktu 5 menit. Sampel yang digunakan dengan perbandingan konsentrasi amonia 5 ml, 10 ml, 15 ml, 20 ml, 25 ml, 30 ml, 35 ml, 40 ml, 45 ml, dan 50 ml. Hasil pengukuran kadar amonia konsentrasi 5 ml sampai 50 ml adalah 4 ppm, 4,5 ppm, 5,2 ppm, 6,5 ppm, 6,7 ppm, 6,9 ppm, 7,9 ppm, 8,5 ppm, 8,9 ppm, dan 10,2 ppm. Pengendalian kadar amonia dalam kandang berupa berputarnya kipas/blower untuk mengurangi emisi gas amonia jika kadar gas amonia dalam kandang melebihi 5 ppm. Selanjutnya, kipas/blower akan berhenti berputar jika kadar gas amonia dalam kandang di bawah 5 ppm.
ALAT PENGONTROL EMISI GAS AMONIA (NH3) DI PETERNAKAN AYAM
BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA 8535 MENGGUNAKAN SENSOR GAS MQ 137
Oleh
REKA HERIAWAN
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar SARJANA SAINS
Pada Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS LAMPUNG
Judul Penelitian : ALAT PENGONTROL EMISI GAS
AMONIA (NH3) DI PETERNAKAN AYAM BERBASIS MIKROKONTROLER
ATMEGA 8535 MENGGUNAKAN SENSOR GAS MQ 137
Nama Mahasiswa : REKA HERIAWAN
Nomor Pokok Mahasiswa : 0717041057
Jurusan : Fisika
Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
MENYETUJUI 1. Komisi Pembimbing
Sri Wahyu Suciyati, M.Si. Drs. Amir Supriyanto, M.Si.
NIP. 19710829 199703 2 001 NIP. 19650407 199111 1 001
2. a.n. Ketua Jurusan Fisika Sekertaris Jurusan Fisika
MENGESAHKAN
1. Tim Penguji
Ketua
:
Sri Wahyu Suciyati, M.Si.
...
Sekertaris
:
Drs. Amir Supriyanto, M.Si.
...
Penguji
Bukan Pembimbing :
Gurum A. Pauzi, S.Si., M.T.
...
2. Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Prof. Suharso, Ph.D.
NIP. 196905301995121001
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah dilakukan orang lain, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini sebagaimana disebutkan dalam daftar pustaka, selain itu saya menyatakan pula bahwa skripsi ini dibuat oleh saya sendiri.
Apabila pernyataan saya ini tidak benar maka saya bersedia dikenai sangsi sesuai dengan hukum yang berlaku.
Bandar Lampung, September 2012
RIWAYAT HIDUP
Penulis yang bernama lengkap Reka Heriawan dilahirkan di Desa Gisting Bawah, kec. Gisting, Kab. Tanggamus, anak keempat dari pasangan Bapak Yahmin dan Ibu Antiyah.
Penulis menyelesaikan pendidikan Sekolah Dasar di SD N 1 Gisting Bawah pada tahun 2000, Sekolah Lanjutan Tingkat Pertama (SLTP) di SLTP N 2 Talang Padang pada tahun 2003 dan Sekolah Menengah Umum (SMU) di SMU Muhammadiyah 1 Gisting pada tahun 2006.
Penulis terdaftar sebagai mahasiswa di Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) Universitas Lampung melalui Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru (SPMB) tahun 2007. Selama menempuh pendidikan, penulis pernah menjadi Asisten Praktikum Fisika Dasar I dan II, Asisten Praktikum Elektronika Dasar II, Asisten Praktikum Sistem Digital, Asisten Pemrograman Komputer, Asisten Praktikum Sistem Kontrol Otomatis, Asisten Praktikum Sensor dan Pengkondisian Sinyal, Asisten Praktikum Teknik Antarmuka, dan Asisten Praktikum Bahasa Assembler. Penulis pernah aktif di kegiatan organisasi kemahasiswaan antara lain, sebagai Kepala Bidang Scient dan Teknologi HIMAFI periode 2009-2010.
Bismillahirrohmanirrohim
Kuniatkan karya kecilku ini karna
Allah SWT
Aku Persembahkan Karya Ini Untuk:
Kedua Orang Tuaku, Yang Selalu
Mendo
’
akanku
Keluargaku,Yang Selalu Mendukungku
Angkatan
’
07, Teman Seperjuanganku
MOTTO
“….Maha Suci Engkau, tidak ada yang kami ketahui selain
dari apa yang telah Engkau ajarkan kepada kami;
sesungguhnya Engkaulah yang Maha Mengetahui lagi Maha
Bijaksana.”
Qs. Al-Baqarah 32
Mengapa bintang bersinar ?
Mengapa air mengalir ?
Mengapa dunia berputar ?
Lihat segalanya lebih dekat dan kau akan
“mengerti”
KATA PENGANTAR
Segala puji bagi Allah SWT berkat rahmat dan hidayah Nya, penulis dapat menyelesaikan kuliah serta skripsi dengan baik. Judul skripsi ini “Alat Pengontrol Emisi Gas Amonia (NH3) di Peternakan Ayam Berbasis Mikrokontroler ATMega 8535
Menggunakan Sensor Gas MQ 137”. Shalawat dan salam kepada Nabi Muhammad
SAW, keluarga dan pengikutnya.
Skripsi ini dilaksanakan dari bulan Januari 2012 sampai Juni 2012 bertempat di Laboratorium Elektronika Dasar Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung.
Penekanan skripsi ini adalah pembuatan alat pengontrol emisi gas amonia dalam kandang ayam untuk mengurangi emisi gas amonia dan dapat mengetahui kadar gas amonia dalam kandang sehingga peternak dapat mengetahui kadar amonia dan tidak terganggu kesehatannya.
Penulis menyadari dalam penyajian laporan ini masih banyak kekurangan dalam penulisan maupun referensi data. Semoga laporan ini dapat menjadi rujukan untuk penelitian berikutnya agar lebih sempurna dan dapat memperkaya khasanah ilmu pengetahuan.
Bandar Lampung, September 2012
SANWACANA
Puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat serta hidayah-Nya, 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. Ibu Sri Wahyu Suciati, M. Si., sebagai pembimbing I dan sekaligus sebagai Pembimbing Akademik, yang telah memberikan bimbingan serta nasehat dari awal perkuliahan sampai 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. Ibu Dr. Yanti Yuliati, M. Si., selaku ketua jurusan Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alan Universitas Lampung.
7. Buat Adek Vina yang selalu ada dalam suka dan duka, yang tak henti-hentinya memberikan semangat, dan terima kasih atas senyumannya yang telah menguatkanku ketika jenuh dan terjatuh.
8. Teman – teman seperjuangan angkatan 2007, “ Mardi (Cung), Budiman (Bejo Katrok), Fery, Ben cieh, Ade, Simbah, Aan, Kis, Ali, Muhajir, Eko, Hendruw, Satya, Pascoli, Dhan, Kiki, Fikri, Ulfah (Ijah), Istiati (zhien), Sherly (nyoyow), Eva, Eca, Juju, Arin, Dian, Ratna, Arum, Fitri, Lia, Lisna, Desi, Een, Mifta, Meta, Rica, Kimi, Yuyun, Nevi, yang selama ini memberikan semangat.
9. Kakak-kakak tingkat serta adik-adik tingkat. Semoga Allah SWT senantiasa memberikan rahmat dan hidayah-Nya, serta memberkahi hidup kita. Amin.
Bandar Lampung, September 2012
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
mata dan gangguan saluran penapasan pada manusia dan hewan itu sendiri (Charles dan Haryono, 1991).
Di bawah ini merupakan tabel konsentrasi kadar amonia di udara dan gejala atau pengaruh yang ditimbulkan pada manusia dan ternak.
Tabel 1.1 Tabel kadar amonia dengan gejala dan pengaruh yang ditimbulkan.
Kadar amonia (ppm)
Gejala/Pengaruh yang ditimbulkan pada manusia dan ternak
5 Kadar paling rendah yang tercium baunya.
6 Mulai timbul iritasi pada mukosa mata dan saluran napas. 11 Penurunan produktivitas ayam.
25 Kadar maksimum yang dapat ditolerir selama 8 jam. 35 Kadar maksimum yang dapat ditolerir selama 10 menit. 40 Mulai menyebabkan sakit kepala, mual, hilang nafsu makan
pada manusia.
50 Penurunan drastis produktivitas ayam dan juga terjadi pembengkakan bursa fabricious.
Sumber: Charles dan Haryono (1991) Bau kotoran ayam berdampak negatif terhadap kesehatan manusia yang tinggal di lingkungan sekitar peternakan juga berdampak pada ayam itu sendiri, selain itu dapat menyebabkan keuntungan peternak menipis.
3
NH3 di udara (Sutiadi dan Muslim, 2003). Selain penelitian Sutiadi ada pula penelitian Mustaqim yang mengukur emisi gas amonia di udara menggunakan tabung detektor gas dengan bantuan kamera, dimana pengukuran gas NH3 menggunakan tabung detektor gas yang dialiri udara melalui suatu pompa (Mustaqim dkk, 2010).
Dari beberapa penelitian tersebut maka berinisiatif membuat alat pengontrol emisi gas amonia di dalam peternakan. Alat pengontrol ini memiliki dua sistem kerja alat yaitu alat pengukur kadar amonia di udara dan alat pengontrol emisi yang berupa kipas atau blower. Alat pendeteksi yang akan dibuat menggunakan bahan semikonduktor pada sensor MQ 137 untuk merasakan emisi gas amonia sehingga elektron pada bahan semikonduktor ini memiliki energi yang lebih dari energi gap sehingga elektron pada pita valensi akan bergerak melewati energi gap kemudian berpindah mengisi hole-hole pada pita konduksi, pergerakan elektron itu yang akan menimbulkan adanya beda potensial yang kemudian akan diteruskan ke mikrokontroler dan ditampilkan melalui LCD sehingga kita dapat mengetahui emisi gas amonia dalam peternakan tersebut. Jika emisi melebihi ambang batas maka kipas atau blower akan berputar sehingga menyebabkan terjadinya sirkulasi udara untuk mengurangi emisi gas amonia dalam kandang.
Penelitian ini hampir sama dengan penelitian Nur Kasan tetapi berbeda aplikasi, sensor, dan tampilannya. Penelitian kasan yaitu mengukur kadar amonia yang ditimbulkan oleh penguapan urine pasien yang menderita peradangan pada saluran urine menggunakan sensor TGS 2602 kemudian ditampilkan melalui PC berbentuk grafik (Kasan dkk, 2007). Kelebihan dari penelitian yang akan dilakukan yaitu lebih sederhana karena tampilannya menggunakan LCD yang dapat dipasang di dalam kandang dan dapat dilihat langsung oleh karyawan berapa besar emisi gas amonia di dalam kandang tersebut.
B. Tujuan Penelitian
Tujuan penulis melakukan penelitian tentang alat pengontrol emisi gas amonia di peternakan ayam menggunakan sensor MQ 137 antara lain:
1. menganalisis sistem kerja sensor MQ 137 yang merupakan sensor gas amonia, sehingga dapat diterapkan pada aplikasi yang akan dibuat;
2. merancang dan merealisasikan alat pendeteksi emisi gas amonia di peternakan ayam dengan memanfaatkan sensor gas amonia MQ 137;
3. melakukan pengendalian gas amonia di peternakan dengan membuat sistem kontrol terhadap tingkat emisi gas dalam ruang.
C. Manfaat Penelitian
5
MQ 137 serta kontrol berupa berputarnya kipas atau blower untuk mengurangi emisi gas amonia dalam kandang.
D. Rumusan Masalah
Sesuai dengan latar belakang penelitian yang dipaparkan di atas, masalah yang akan diteliti dalam merealisasikan alat pengontrol emisi gas amonia di peternakan ayam menggunakan sensor MQ 137, secara lebih rinci dirumuskan sebagai berikut:
1. bagaimana merancang suatu sistem pengontrol emisi gas amonia di peternakan ayam, berikut cara mengurangi kadar emisi gas amonia di peternakan ayam ?
2. bagaimana alat pengontrol emisi gas amonia khususnya di peternakan ayam dapat dibuat sesensitif mungkin ?
E. Batasan Masalah
Batasan masalah ini dibuat sehingga penelitian ini fokus dengan apa yang akan dibuat dan tidak melenceng dari yang direncanakan. Batasan masalah penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. sensor yang digunakan adalah sensor gas amonia jenis MQ 137;
2. sistem yang digunakan adalah jenis pengendalian tertutup (Close Loop System);
4. alat ini hanya digunakan untuk kontrol gas amonia dalam kandang di peternakan ayam;
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Sistem Kontrol
Sistem kontrol adalah proses pengaturan atau pengendalian terhadap satu atau beberapa besaran (variabel, parameter) sehingga berada pada harga (range) tertentu (pakpahan, 1994). Kontrol mengandung 3 aspek yaitu rencana yang jelas, dapat melakukan pengukuran dan dapat melakukan tindakan (Sulasno, 2006).
Sistem kontrol merupakan sebuah sistem yang terdiri atas satu atau beberapa peralatan yang berfungsi untuk mengendalikan sistem lain yang berhubungan dengan sebuah proses. Dalam suatu industri, semua variabel proses seperti daya, temperatur dan laju alir harus dipantau setiap saat. Bila variabel proses tersebut berjalan tidak sesuai dengan yang diharapkan, maka sistem kontrol dapat mengendalikan proses tersebut sehingga sistem dapat berjalan kembali sesuai dengan yang diharapkan. Sistem kontrol dapat digunakan di dalam pabrik, gedung-gedung maupun dalam PLTN.
1. Sistem kontrol lup tertutup (Closed Loop Control System)
Sistem kontrol lup tertutup adalah sistem kontrol yang sinyal keluarannya mempunyai pengaruh langsung pada aksi pengontrolan. Jadi sistem kontrol lup tertutup adalah sistem kontrol berumpan balik. Sinyal kesalahan penggerak, yang merupakan selisih antara sinyal masukan dan sinyal umpan balik, diumpankan ke kontroler untuk memperkecil kesalahan dan membuat agar keluaran sistem mendekati harga yang diinginkan. Dengan kata lain, istilah “lup tertutup” berarti menggunakan aksi umpan balik untuk memperkecil
kasalahan sistem. Gambar 2.1 menunjukan hubungan masukan keluaran dari sistem kontrol lup tertutup.
Gambar 2.1 Sistem Kontrol Lup Tertutup (Ogata, 1995)
2. Sistem kontrol lup terbuka (Open Loop Control System)
9
Gambar 2.2 Sistem Kontrol Lup Terbuka (Ogata, 1995)
B. Amonia
Gas amoniaatau NH3 merupakan senyawa pengotor beracun yang cukup berperan dalam menghambat proses fotosintesis, penyebab berkurangnya karbohidrat dan dapat menghambat pertumbuhan (Sutiadi dan Muslim, 2003). Amonia telah banyak digunakan dalam produksi bahan peledak, pupuk, dan sebagai industri pendingin. Kelebihan amonia di atmosfer dapat menciptakan potensi bahaya untuk manusia dan ekosistem. Penghirupan dosis kecil dari uap amonia dapat menyebabkan keracunan pada manusia (Cao dan Duan, 2005).
saat penumpukan kotoran atau penyimpanan terjadi proses dekomposisi oleh mikroorganisme membentuk gas amonia, nitrat, dan nitrit serta gas sulfida. Amonia yang dilepaskan oleh kotoran ayam dapat bereaksi dengan udara bebas. Reaksi kimia NH3 dengan udara bebas atau O2 sebagai berikut.
4NH3 + 5O2 ↔ 4NO + 6H2O
Amonia dalam jumlah besar akan mengendap di atmosfer. Endapannya di atmosfer terus meningkat dan dapat menyebabkan proses nitrifikasi, yaitu konversi katalitik dari NH3 menjadi NOx. Senyawa NOx ini sangat tidak stabil dan bila terlepas ke udara bebas, akan berikatan dengan oksigen untuk membentuk NO2. Inilah yang amat berbahaya karena senyawa ini amat beracun dan bila terkena air akan membentuk asam nitrat.
Industri yang menyimpan amonia atau menggunakannya sebagai refrigeran dapat menghasilkan emisi gas amonia yang tinggi jika terjadi kebocoran. Kecelakaan transportasi pada tangki pembawa amonia juga dapat menghasilkan emisi amonia sangat tinggi. Orang-orang yang menyimpan banyak hewan peliharaan di dalam ruangan yang kebersihannya kurang terjaga dapat menghasilkan kadar amonia yang tinggi.
11
Badan kesehatan dunia memberikan batas 15 menit bagi kontak dengan amonia dalam gas berkonsentrasi 35 ppm, atau 8 jam untuk 25 ppm. Kontak dengan gas amonia berkonsentrasi tinggi dapat menyebabkan kerusakan paru-paru dan bahkan kematian. Amonia merupakan gas yang tak mudah terbakar, amonia masih digolongkan sebagai bahan beracun jika terhirup. Kegiatan peternakan dan industri pupuk adalah sumber emisi dominan NH3 (g) di atmosfer (Roadman dkk, 2003). Untuk menanggulangi emisi amonia diperlukan teknologi yang tersedia untuk panduan tentang kontrol dan pencegahan emisi amonia, Control Technology Center (CTC) memulai metode untuk kontrol emisi amonia (Blaszczak dan Phillips, 1995).
Pemerintah, dalam hal ini Departemen Pertanian mengeluarkan peraturan menteri melalui SK Mentan No. 237/1991 dan SK Mentan No. 752/1994, yang menyatakan bahwa usaha peternakan dengan populasi tertentu perlu dilengkapi dengan upaya pengelolaan dan pemantauan lingkungan. Paparan tingkat terkonsentrasi lebih (di atas 25 ppm) dapat menyebabkan sakit kepala, mual, dan pembakaran intens mata, hidung, tenggorokan, dan kulit.
C. Sensor dan tranduser
Sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejala-gejala atau sinyal-sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi seperti energi listrik, energi fisika, energi kimia, energi biologi, energi mekanik dan sebagainya.
Contoh; light dependent resistance (LDR), sensor ultrasonic, fotodiada, dan lainnya (Warsito, 2003).
Berdasarkan jenisnya, sensor dapat diklasifikasikan menjadi dua, yaitu sensor pasif dan sensor aktif.
1. Sensor Pasif
13
negatif (nilai kurang). Perubahan tegangan tersebut yang akan dimanfaatkan untuk mengetahui keadaan yang ingin diukur (Sugiharto, 2002).
2. Sensor Aktif
Sensor aktif tidak memerlukan catu daya dari luar, sensor ini dapat menghasilkan energi listrik berupa tegangan DC. Salah satu contoh tranduser aktif adalah photovoltaic atau solar cell yang dapat menghasilkan tegangan bila sebuah hubungan semikonduktor mendapat pancaran sinar (Sugiharto, 2002).
Pengertian sensor secara umum adalah alat yang digunakan untuk mendeteksi dan mengukur magnitudo sesuatu. Dapat didefinisikan sensor merupakan jenis tranduser yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, cahaya dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik (Setyawan, 2009).
Sensor dapat dibedakan menjadi 2 jenis.
1. Sensor Fisika
Sensor fisika mendeteksi suatu besaran berdasarkan hukum-hukum fisika. Contoh sensor fisika adalah sensor cahaya, sensor suara, sensor kecepatan, sensor percepatan, dan sensor suhu (Setyawan, 2009).
2. Sensor Kimia
Prinsip kerja sensor elektrokimia adalah reaksi sensor dengan gas yang diamati dan menghasilkan sinyal listrik yang sebanding untuk konsentrasi gas tersebut. Sebuah sensor elektrokimia terdiri dari dua bagian utama yaitu elektroda pensensor dan elektroda penghitung yang keduanya dipisahkan sebuah lapisan tipis bahan elektrolit. Gambar 2.3 memperlihatkan susunan sensor elektrokimia (Anonymous(a), 2008).
Gambar 2.3 Susunan sensor elektrokimia (Anonymous(a), 2008).
Udara yang datang menempel bagian atas sensor melalui kapiler khusus yang terbuka, kemudian berdifusi melalui membran hidrophobik. Udara yang menempel tersaring sehingga hanya gas tertentu yang menyentuh elektroda sensor. Pendekatan ini diperlihatkan pada Gambar 2.4 digunakan untuk mengetahui jumlah sebenarnya dari gas yang bereaksi pada elektroda sensor kemudian menghasilkan tegangan listrik.
15
Gas yang berdifusi melalui membran penghalang bereaksi pada permukaan elektroda sensor melalui salah satu mekanisme oksidasi atau reduksi. Reaksi ini merupakan katalis dengan bahan elektroda khusus yang dikembangkan untuk menarik gas tertentu.
3. Sensor MQ 137
Sensor MQ 137 merupakan sensor yang sensitive yang terbuat dari material SnO2 dengan konduktivitas rendah jika berada di udara bersih dan konduktivitasnya meningkat bersamaan dengan kenaikan konsentrasi gas yang dideteksi. Untuk mengkonversi perubahan konduktivitas sesuai dengan konsentrasi gas yang digunakan pada rangkaian elektrosirkuit sederhana.
Gambar 2.5 Sensor gas ammonia MQ 137
adalah untuk detektor gas amonia di suatu tempat, detektor gas amonia pada industri dan detektor gas portabel.
Struktur dan konfogurasi sensor MQ 137
Gambar 2.6 Struktur dan konfigurasi MQ 137. (Datasheet MQ 137, 2011)
Struktur dan konfigurasi sensor gas MQ 137 seperti gambar, sensor ini terdiri dari bahan mikro keramik Al2O3, tabung dioksida SnO2 sebagai lapisan sensitive. Pemanas menyediakan kondisi kerja yang diperlukan untuk pekerjaan komponen yang sensitive. Sensor MQ 137 memiliki 6 pin, 4 pin digunakan untuk mengambil sinyal dan 2 pin lainnya digunakan untuk pemanas.
17
Setiap sensor memiliki karakteristik masing-masing begitu pula dengan sensor MQ 137, karakteristik sensor MQ pada tabel dibawah ini.
Tabel 2.1 Tabel karakteristik Sensor MQ 137
Nomor model MQ 137
Tipe sensor semikonduktor
Standar Enkapsulasi Bakelite (bakelite Hitam)
Deteksi Gas amonia
Konsentrasi 5-200 ppm
Rangkaian Tegangan tertutup Vc ≤24V DC
Tegangan pemanas Vh 5.0V ± 0.2V ACorDC Beban hambatan Rl ideal
Karakter Hambatan pemanas Rh 31Ω±3Ω (suhu kamar) Konsumsi pemanas Ph ≤900mW
Hambatan pengindraan Rs 2KΩ-15KΩ ( 50ppm NH3) sensitivitas S Rs(in air)/Rs(5000ppm CH4)≥5 kemiringan α ≤0.6(R100ppm/R50ppm NH3) Keadaan Suhu kelembapan 200C±20C;65%±5%RH
Standar tes rangkaian Vc: 5.0V±0.1V; VH: 5.0V±0.1V Waktu pemanasan pertama Diatas 48 jam
Di bawah ini merupakan gambar grafik karakteristik sensor MQ 137.
Gambar 2.7 Grafik karakteristik sensor MQ 137
menurun seiring dengan kenaikan konsentrasi gas amonia. Jadi resistansi berbanding terbalik terhadap konsentrasi gas amonia. Sensor MQ 137 merupakan sensor yang memiliki tegangan keluaran 0-5 volt sehingga sensor ini tidak perlu menggunakan pengkondisi sinyal untuk menghubungkannya dengan ADC yang terdapat pada mikrokontroler ATMEGA8535 (Datasheet MQ 137, 2011).
Tranduser adalah sebuah alat yang bila digerakan oleh suatu energi di dalam sebuah sistem transmisi, akan menyalurkan energi tersebut dalam bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi berikutnya”. Transmisi energi ini bisa berupa listrik, mekanik, kimia, optik (radiasi) atau thermal (panas).
Contoh; generator adalah transduser yang merubah energi mekanik menjadi energi listrik, motor adalah tranduser yang merubah energi listrik menjadi energi mekanik, dan sebagainya.
Tranduser digolongkan menjadi dua yaitu:
a. Self generating transduser (tranduser pembangkit sendiri)
Self generatingtransduser adalah tranduser yang hanya memerlukan satu sumber energi.
Contoh: piezo electric, termocouple, photovoltatic, termistor, dsb.
Ciri tranduser ini adalah dihasilkannya suatu energi listrik dari tranduser secara langsung. Dalam hal ini transduser berperan sebagai sumber tegangan.
b. External power transduser (tranduser daya dari luar)
External power transduser adalah transduser yang memerlukan sejumlah energi dari luar untuk menghasilkan suatu keluaran.
19
D. Mikrokontroler ATMEGA 8535
Atmel merupakan salah satu vendor yang begerak dibidang mikroelektronika, telah mengembangkan Alf and Vegard’s Risc Processor (AVR) sekitar tahun 1997. Berbeda dengan mikrokontroler MCS51, AVR menggunakan arsitektur
Reduce Intruction Set Computer (RISC) yang mempunyai lebar bus data 8 bit. Perbedaan ini bisa dilihat dari frekuensi kerjanya. MCS51 memiliki frekuensi kerja seperduabelas kali frekuensi oscillator sedangkan frekuensi kerja AVR sama dengan frekuensi oscillator. Jadi dengan frekuensi oscillator yang sama, kecepatan. AVR dubelas kali lebih cepat dibanding kecepatan kecepatan MCS51. Secara umum AVR dibagi menjadi 4 kelas, yaitu ATtiny, AT90sxx, ATMega dan AT86RFxx. Perbedaan antar tipe AVR terletak pada fitur-fitur yang ditawarkan, sementara dari segi arsitektur dan intruksi yang digunakan hampir sama (Heryanto dan Wisnu, 2008 ).
1. Arsitektur ATMega8535
a. Fitur
1. 8 bit AVR berbasis RISC dengan performa tinggi dan konsumsi daya rendah
b. 1 buah 16 bit timer/counter c. 4 kanal PWM
5. 8 kanal 10/8 bit ADC
6. Programmable serial USART 7. Komparator analog
8. 6 pilihan sleep mode untuk penghematan daya listrik 9. 32 jalur I/O yang bisa diprogram
b. Konfigurasi Pin
Gambar 2.8 PINOut ATMega8535 (fadhilah, 2009)
1. Power , VCC dan GND (Ground)
2. PORTA (PORT0-7), merupakan pin I/O dua arah dan berfungsi khusus sebagai masukan ADC
3. PORTB (PORT0-7), merupakan pin I/O dua arah dan berfungsi khusus sebagai pin timer/counter, komparator analog dan SPI
21
5. PORTD (PORT0-7), merupakan pin I/O dua arah dan fungsi khusus 6. RESET adalah pin untuk mereset mikrokontroler
7. XTAL 1 dan XTAL2 pin untuk eksternal clock 8. AVCC adalah pin masukan untuk tegangan ADC
9. AREF adalah pin masukan untuk tegangan referensi eksternal ADC.
c. Peta Memori
ATMega8535 memiliki dua ruang memori utama, yaitu memori data dan memori program. Selain dua memori utama, ATMega8535 juga memiliki fitur EEPROM yang dapat digunakan sebagai penyimpan data.
1. Flash Memori
ATMega8535 memiliki Flash Memory sebesar 8 Kbytes untuk memori program. Karena semua intruksi AVR menggunakan 16 atau 32 bit, maka AVR memiliki organisasi memori 4 Kbyte x 16 bit dengan alamat dari $000 hingga $FFF. Untuk keamanan software, memori flash dibagi menjadi dua bagian yaitu bagian Boot Program dan bagian Application Program. AVR tersebut memiliki 12 bit Program Counter (PC) sehingga mampu mengalamati isi flash memori.
2. SRAM
ATMega8535 memiliki 608 alamat memori data yang terbagi menjadi 3 bagian, yaitu 32 buah register file, 64 buah I/O register dan 512 byte
Gambar 2.9 Peta Memori Data AVR ATMega8535 (Anonymous (b), 2006)
Tampak pada peta memori data bahwa alamat $0000-$001E ditempati oleh register file. I/O register menempati alamat dari $0020-$005F. Sedangkan sisanya sebagai internal SRAM sebesar 512 byte ($0060-$025F).
d. EEPROM
ATMega8535 juga memiliki memori data berupa EEPRO 8 bit sebesar 512 byte ($000-$1FF) (fadhilah, 2009).
E. Liquid Crystal Display (LCD)
23
Gambar 2.10 Liquid Crystal Display (LCD, 2011)
Mereka digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk monitor komputer , televisi , panel instrumen, display kokpit pesawat , signage , dll. LCD telah menggantikan tabung sinar katoda untuk menampilkan dalam sebagian besar aplikasi.
Sebuah LCD M1632 mampu menampilkan dalam satu baris 8 karakter atau 16 karakter dua baris. LCD M1632 ini memiliki karakteristik yaitu konsumsi daya yang rendah yaitu 2,7 sampai 5,5 volt. Gambar 2.12 menunjukkan hubungan antara layer LCD M1632 dengan dengan HD44780 yang merupakan mikrokontroler pengendali LCD. HD44780 buatan Hitachi sudah tertanam pada modul M1632 ini (Nalwan, 2003).
Tabel 2.2 Konfigurasi pin-pin LCD (Nalwan, 2003)
No Pin Sinyal I/O Fungsi
1 Vss Power Ground
2 Vcc Power 2,7 V sampai 5,5 V 3 VEE Power Penggerak LCD
4 RS Input 0 : Instruction register (write) dan address counter (read)
1 : Data register (write and read) 5 R/W Input Memilih operasi write (0)/read (1) 6 E Input Memilih operasi write/read Data
7..10 DB3..DB0 Input/Output Empat high data bus three state bidirectional
11..16 DB7..DB4 Input/Output Empat high data bus three state bidirectional
Modul LCD M1632 memiliki beberapa jenis memori yang digunakan untuk menyimpan atau memproses data-data yang akan ditampilkan pada layer LCD. Setiap jenis memori mempunyai fungsi.
a. DDRAM adalah memori tempat karakter yang ditampilkan berada. Contohnya karakter ‘A’ atau 41h yang ditulis pada alamat 00 akan tampil pada baris
pertama dan kolom pertama dari LCD. Apabila karakter tersebut ditulis pada alamat 40h, karakter tersebut akan tampil pada baris kanan dari LCD (Nalwan, 2003).
b. CGRAM adalah memori untuk menggambarkan pola sebuah karakter dan bentuk karakter dapat diubah-ubah sesuai keinginan. Akan tetapi isi memori ini akan hilang saat power supply dimatikan, sehingga pola karakter akan hilang.
25
tidak dapat mengubahnya. Oleh karena ROM bersifat permanen, pola karakter tersebut tidak akan hilang walau catu daya dimatikan (Nalwan, 2003).
F. Relay
Gambar 2.11 Relay (Relay, 2008)
telepon dan komputer awal untuk melakukan operasi logis. Relay dengan karakteristik operasi dikalibrasi dan operasi beberapa kumparan kadang-kadang digunakan untuk melindungi sirkuit listrik dari kelebihan beban atau kesalahan, dalam sistem tenaga listrik modern fungsi-fungsi ini dilakukan oleh instrumen digital masih disebut relay pelindung (Bapuks, 2008).
1. Prinsip Kerja
Relayterdiri dari coil dan contact. Coil adalah gulungan kawatyang mendapat arus listrik, sedang contact adalah sejenis saklar yang pergerakannya tergantung dari ada tidaknya arus listrik di coil. Contact ada 2 jenis : Normally Open (kondisi awal sebelum diaktifkan open), dan Normally Closed (kondisi awal sebelum diaktifkan close). Secara sederhana berikut ini prinsip kerja dari relay : ketika Coil mendapat energi listrik (energized), akan timbul gaya elektromagnet yang akan menarik armature (angker dinamo) yang berpegas, dan contact akan menutup.
2. Relay sebagai pengendali
Salah satu kegunaan utama relay dalam dunia industri ialah untuk implementasi logika kontrol dalam suatu sistem. Sebagai “bahasa
pemrograman” digunakan konfigurasi yang disebut ladder diagram atau relay
ladder logic.
Relay Ladder Logic terbagi menjadi 3 komponen. 1. Input sebagai pemberi informasi
27
3. Output sebagai usaha yang dilakukan
Output usaha dapat berupa penggunaan alat yang akan digunakan.
Sebagai pengendali, relay dapat mengatur komponen – komponen lain yang membentuk suatu sistem kendali di industri, di antaranya : switch, timer, counter,
III. METODE PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian tugas akhir ini dilaksanakan di Laboratorium Elektronika Dasar dan Laboratorium Pemodelan Jurusan Fisika Universitas Lampung. Penelitian dimulai pada bulan Januari 2012 dan berakhir pada bulan Juni 2012.
B. Alat dan Bahan
Alat yang digunakan untuk penelitian ini diantaranya.
1. Project board (papan uji) berfungsi sebagai tempat menguji rangkaian. 2. Multimeter berfungsi sebagai pembaca nilai tegangan listrik, arus listrik
dan hambatan listrik.
3. Kotak simulasi kandang ayam yang berfungsi untuk menempatkan sensor, kipas dan sebagai ruang uji gas yang akan diamati.
4. Power Supply berfungsi sebagai sumber tegangan.
Bahan yang digunakan dalam penelitian.
1. Gas amonia yang berasal dari feses ayam atau sampel cairan amonia. 2. Printed Circuit Board (PCB) berfungsi sebagai tempat meletakkan
komponen alat elektronika yang akan dirangkai.
29
4. Komponen-komponen elektronika seperti resistor, kapasitor dan transistor.
C. Tahap-tahap Dalam Perancangan Tugas Akhir
Dalam perancangan alat pengontrol emisi gas amonia ini dilakukan langkah- langkah kerja perancangan sebagai berikut.
1. Diagram Alir Penelitian.
Langkah-langkah penyelesaian penelitian ini secara umum dilakukan seperti dijelaskan dalam diagram alir Gambar 3.1.
2. Studi literatur.
Studi literatur dimaksudkan untuk mempelajari berbagai sumber referensi (buku dan internet) yang berkaitan dengan pembuatan alat. Literatur yang dipelajari adalah literatur yang berkaitan.
Prinsip kerja alat pengontrol emisi gas amonia yang didapat dari
pembelajaran sendiri.
Data sheet sensor MQ 137 yang digunakan. Cara kerja rangkaian dari alat yang dibuat.
D. Perancangan Sistem
Bab ini membahas perancangan bagian elektronik pada sistem pengontrol emisi gas amonia. Sistem pengontrol ini terdiri dari bagian elektris dan kendali. Bagian elektris berupa sensor MQ 137 yang dirangkai dengan mikrokontroler dan catu daya sedangkan rangkaian kendali berupa rangkaian driver dan kipas/blower. Sistem pengontrol ini terdiri dari perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software). Diagram blok sistem akuisisi data diperlihatkan pada Gambar 3.2.
31
1. Perancangan Sistem Pengendalian Emisi Gas Amonia
a. Rangkaian Catu Daya
Pada rangkaian ini menggunakan sebuah catu daya yang digunakan untuk mencatu semua rangkaian. Rangkaian catu daya ini menggunakan IC LM 7812 dan LM 7805 yang berfungsi sebagai regulator atau penstabil tegangan dengan kapasitas arus maksimal 500 mA. Sehingga keluaran tegangan dari catu daya ini sebesar 12 Vdc dan 5 Vdc. Dimana tegangan 5 V ini digunakan untuk mencatu mikrokontroler, rangkaian LCD. Sedangkan tegangan 12 V digunakan untuk mencatu rangkaian relay dan kipas.
Gambar 3.3 Rangkaian Catu Daya
b. Sensor MQ 137
Gambar 3.4 Skematik rangkaian sensor MQ 137.
Tahap ini bertujuan mengetahui sensitivitas sensor dengan mengetahui nilai Vout sensor dalam dua kondisi. Kondisi saat udara yang diukur belum tercemar polutan dan kondisi kedua, yaitu sensor dengan udara sudah tercemar.
c. Rangkaian Minimum ATMega8535
Mikrokontroler ATMega8535 adalah piranti yang digunakan sebagai kontrol pada penelitian ini, adapun rangkaian minimum dari mikrokontroler ATMega8535 dapat dilihat pada Gambar 3.5.
33
d. Rangkaian Relay
Rangkaian relay ini berfungsi sebagai saklar elektronik yang dapat menghidupkan atau mematikan peralatan elektronik (dalam hal ini kipas). Pada rangkaian di bawah, untuk menghubungkan rangkaian dengan catu daya 12 VDC digunakan relay. Relay pada rangkaian ini akan akan aktif berdasarkan kondisi transistor NPN (2SC945) yang dikendalikan oleh mikrokontroler.
Gambar 3.6 Skema rangkaian kipas.
Saat kaki basis transistor mendapatkan inputan berlogika high (1) maka kipas akan mendapatkan sumber tergangan sehingga kipas akan berputar Sedangkan kaki basis transistor mendapatkan inputan low (0) dari mikrokontroler maka kipas akan berhenti berputar.
e. Rangkaian LCD M1632
LCD. Ada dua macam cara pengiriman atau penerimaan data ke LCD. Pertama dengan antarmuka 8 bit (8 bit interface), artinya data dikirim atau diterima sekaligus 8 bit ke LCD. Untuk cara ini perlu 8+3 pin I/O yaitu 11 pin. Ada 3 pin tambahan yaitu untuk bit RS, R/W, dan EN.
Cara kedua dengan antarmuka 4 bit (4 bit interface), pada cara ini data dikirim/diterima 2 kali masing-masing 4 bit. Untuk cara ini perlu 4+3 pin I/O yaitu 7 pin proses kirim data dan perintah dua kali lebih lama daripada
8 bit interface. Pada penelitian ini digunakan mikrokontroller ATMega8535. Rangkaian mikrokontroler dengan LCD diperlihatkan pada Gambar 3.7.
35
f. Rangkaian keseluruhan
Mikrokontroler ATMEGA8535 merupakan mikrokontroler yang memiliki empat port yaitu port A, B, C dan D. Pada rangkaian keseluruhan ini rangkaian sensor terletak di Port A, rangkaian LCD terletak di Port D, dan rangkaian untuk kendali kipas/blower terletak di Port B. Di bawah ini merupakan gambar rangkaian keseluruhan alat pengontrol emisi gas amonia.
Gambar 3.8 Rangkaian keseluruhan alat pengontrol emisi gas amonia
2. Perancangan Perangkat Lunak
Perancangan perangkat lunak yang akan dilakukan pada penelitian ini meliputi perancangan perangkat lunak pada mikrokontroler ke LCD 16x2 dan rangkaian kipas. Perangkat lunak mikrokontroler berisi deretan instruksi yang akan dieksekusi oleh mikrokontroler untuk kendali ADC, LCD M1632 dan
PA0
rangkaian kipas. Perangkat lunak penelitian ini dibuat dengan menggunakan bahasa BASCOM dan kompiler AvrOsp II. Diagram alir rutin program dapat dilihat pada Gambar 3.9.
Gambar 3.9 Diagram alir rutin program pada mikrokontroler.
Ada beberapa tugas (task) yang dikerjakan oleh mikrokontroler pada penelitin ini. Pertama, mengendalikan sinyal input dari ADC. Kedua, mengubah sinyal ADC. Ketiga, inisialisasi LCD dan ketempat, update display LCD. Task update berfungsi menentukan kapan update display LCD dilakukan. Bila
Driver Kipas >5ppm Mulai
Inisialisasi Port A
Baca Data ADC
Simpan Data pada RAM internal Mikrokontroler
Pengiriman Data dari RAM internal
LCD M1632
37
interupsi timer-0 overflow terjadi 10 kali maka mikrokontroler memeriksa apakah ada perhitungan baru, bila ada maka hasil perhitungan akan ditampilkan pada display LCD. Pengecekan ‘data baru’ penting karena task
update LCD memerlukan waktu sekitar 3 ms untuk menulis karakter-karakter pada LCD, bila data tidak berubah maka tampilannya di LCD tidak perlu diubah. Berikut flowchart task interupsi timer-0.
Gambar 3.10 Task update LCD.
Sebelum menggunakan sebuah modul LCD harus dilakukan inisialisasi terlebih dahulu untuk menentukan panjang data, jumlah baris LCD yang aktif dan bentuk font. Flowchart pada Gambar 3.10 menunjukkan proses yang selalu terjadi saat inisialisasi modul LCD dilakukan sebelum masuk ke bagian
Mulai
Inc temp A
Update LCD Clear temp A
Temp A=10
Data display
pengaturan mode. Sistem harus menunggu selama 15 ms atau lebih setelah catu daya mencapai tegangan 4,5 volt.
3. Metode Kalibrasi Alat Ukur Kadar Amonia
Pada alat pengontrol emisi gas amonia terdapat dua sistem kerja yaitu alat ukur kadar amonia dan alat pengontrol emisi gas amonia. Pada alat ukur kadar amonia diperlukan kalibrasi untuk mengetahui keakuratan sensor untuk membaca kadar emisi amonia di udara. Cara pengkalibrasian alat ukur kadar amonia dengan cara mengukur kadar amonia menggunakan alat yang sudah baku atau spektrometer. Spektrometer merupakan alat optik untuk menghasilkan garis spektrum cahaya dan mengukur panjang gelombang serta intensitasnya. Pertama membuat amonia dengan konsentrasi yang diperlukan untuk pengukuran menggunakan spektrometer dengan besar konsentrasi seperti pada tabel.
39
Kemudian mengukur amonia yang telah diketahui kadarnya menggunakan spektrometer tadi dengan alat ukur amonia yang akan dibuat seperti pada tabel di bawah ini.
Tabel 3.2 Tegangan dari kadar amonia yang telah diketahui kadarnya.
No Konsentrasi Amonia ( ml ) Tegangan ( Volt )
1 5
4. Pengujian Fungsi Alat Ukur.
Percobaan alat terdiri atas tiga bagian yaitu percobaan untuk menguji alat ukur, percobaan untuk menguji sistem akuisisi data dan percobaan menguji perangkat lunak.
a. Pada percobaan untuk menguji alat ukur, digunakan rumah sensor (casing) yang berbentuk kotak. Posisi pemasangan sensor diperlihatkan pada Gambar 3.11 berikut.
Gambar 3.11 Posisi pemasangan sensor
b. Pengujian sistem akuisisi data, pengujian ini berguna untuk mengetahui apakah rangkaian sistem ini bekerja dengan baik atau tidak.
c. Pengujian perangkat lunak apakah sudah sesuai dengan apa yang diharapkan.
Rangkaian ini diawali dengan proses adaptasi sensor terhadap udara luar dengan menghidupkan peralatan terlebih dahulu sekitar 3 hingga 5 menit. Hal ini dilakukan untuk membuat sensor bekerja dengan kepekaan normal. Pada waktu ini, sistem heater sensor bekerja membersihkan ruangan sensor dari kontaminasi udara luar.
Sensor MQ 137
kipas
Lubang masuk gas
41
Selanjutnya, gas amonia dimasukkan ke dalam rumah sensor yang tertutup rapat. Percobaan ini dilakukan dengan melakukan penambahkan setiap 5 ppm ke dalam rumah sensor. Yang diharapkan dari pengujian ini adalah nilai resistansi keluaran sensor dan konsentrasi alat yang standar. Hasil pengukuran akan diperlihatkan pada Tabel 3.2.
Tabel 3.3 Hasil pengujian sensor untuk udara tanpa gas pencemar. No. Tegangan ( Volt ) Konsentrasi Gas(ppm)
1 2 3 4
Tabel 3.4 Hasil pengujian alat yang dibuat untuk udara dengan gas pencemar (NH3).
No. Tegangan ( Volt ) Konsentrasi Gas NH3(ppm) 1
2 3 4
E. Jadwal Kegiatan
Tabel 3.5 Jadwal rencana kegiatan
No
. Kegiatan
Bulan I Bulan II Bulan III Bulan IV 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 Studi literatur
2 Perancangan alat
3 Pembuatan alat
4 Pengujian alat 5 Pengambilan Data
6 Analisa dan Pembuatan
V. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Pada penelitian ini telah dibuat sebuah alat pengontrol emisi gas amonia (NH3) di peternakan ayam berbasis mikrokontroler ATMEGA 8535 menggunakan sensor gas MQ 137. Dari hasil pengujian yang dilakukan, maka dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut :
1. Pembacaan kadar amonia (NH3) dilakukan dalam selang waktu 30 detik dan kelipatannya, tujuannya untuk mengetahui sensitifitas alat ukur kadar amonia.
2. Jangkauan pengukuran kadar amonia (NH3) oleh alat ukur adalah antara 0,1 ppm sampai 58,7 ppm.
3. Hasil pengukuran alat yang telah dibuat sudah mendekati nilai pengukuran menggunakan alat spektrometer seperti pada tabel 4.12.
4. Grafik pengukuran pada masing-masing sampel menggunakan persamaan polinomial.
6. Pada populasi ayam 1500, 2000, dan 3000 ekor ayam kadar amonia dalam kandang yaitu 2,3 ppm, 2,7 ppm, dan 3,3 ppm dan tidak berbahaya bagi ternak dan peternak karena masih di bawah 5 ppm.
B. Saran