1
IMPLEMENTAS I KONVERT ER FREKUENS I KE TEGANGAN DALAM SISTEM IDENTIFIKAS IAROMA MENGGUNAKAN QUARTZ CR YSTAL MICROBALANCE Muhammad Farih-2207100027
Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknol ogi Sepuluh Nope mber Kampus ITS, Surabaya – 60111
Hidung me rupakan suatu indra manusia yang sangat penting untuk mengenal dan mendeteksi berbagai jenis aro ma . Beberapa sa mpel a ro ma yang diuji seperti bensin, alkohol, minyak kayu putih dan minyak tanah me mpunyai kara kteristik yang khas. Dala m pendeteksian aroma terdapat banyak jenis sensor, salah satunya menggunakan sensor deret
Quartz Crystal Microbalance (QCM). Sensor terbuat
dari kristal dengan frekuensi resonansi dasar 20 MHz. Tiap sensor QCM diberi zat polimer yang berbeda-beda seperti OV-101, OV-1701, OV25, OV225, 20M , 6000, 4000, dan PEG-2000. Fre kuensi resonansi akan berubah jika ada uap yang diserap pada permukaan sensor. Pada saat ini pengukuran data sensor dilakukan dengan frekuensi counter, dengan delay 1 detik/kanal. Pada tugas akhir ini, pengamb ilan data sensor menggunakan 32-bit
A/D converter ads1281 setelah me lewat i frequency to voltage converter, sehingga diharapkan sampling time-nya men jadi lebih cepat. Data sensor yang
didapat dari 32-bit A/D converter dia kuisisi o leh mikro kontroler ATMega32. Data tersebut dikirim ke PC me la lui ko munikasi seria l RS232 untuk diidentifikasi.
Kata Kunci : Quartz Crystal Microbalance (QCM), identifikasi a ro ma, 32-b it A/D converter ads1281.
1. Pendahul uan
Hidung merupakan a lat indera manusia yang menanggapi rangsang berupa bau atau zat kimia yang berupa gas. Di da la m rongga hidung terdapat serabut saraf pembau yang dilengkapi dengan sel-sel pembau. Da la m sistem penciu man pada hidung dapat dibuat tiruannya dengan menggunakan beberapa sensor gas sebagaimana serabut syaraf pembau pada hidung. Alat pendeteksi aroma in i banyak sekali kegunaannya. Salah satu fungsi utama tekno logi ini berada dalam industri ma kanan dan minuman, ya itu untuk me monitor atau mengontrol kualitas suatu produk atau mela kukan klasifikasi. Seperti pada proses pembuatan kopi, te mbakau ataupun produk yang akan diekspor ke negara asing. Se la in itu dapat digunakan di daerah lain seperti minyak bumi untuk analisis kualitatif dan kuantitatif, deteksi bahan peledak, klasifikasi dan degradasi minyak zaitun
penelitian, penge mbangan bidang lingkungan detektor bau aplikasi, aplikasi kontrol kualitas dala m industri otomotif, me mbedakan antara sapi perah bersih dan tercemar, analisis bahan baku kosmetik, serta banyak bidang penting lainnya seperti dala mbidang medis dan ruang. Da la m re kayasa pembuatan pembau tiruan ini menggunakan banyak sensor yang tersusun berderet(array) yang diilha mi dari struktur hidung yang terdiri dari sel-sel pe mbau. Pe masangan sensor dengan berderet karena dala m proses identifikasi aro ma tida k dapat menghasilkan data yang akurat apabila hanya menggunakan sebuah sensor.
2. Teori Penunjang
2.1. Quar tz Crystal Microbal ance (QCM)
Pada 1959, Sauerbrey menunjukkan penemuan yang sangat penting tentang karakteristik kristal kuarsa. Dia mene mukan potensi man faat dari kristal kuarsa dan menunjukkan suatu teknologi yang sangat sensitif dengan menunjukkan bahwa pergeseran frekuensi dari kristal yang dia mat i o leh banyak peneliti sebelumnya adalah proporsional untuk penambahan massa pada kuarsa kristal. Itu adalah langkah pertama menuju sebuah alat baru untuk mengukur perubahan yang sangat kecil dari massa kristal kuarsa. Da la m beberapa tahun terakhir, te lah tumbuh banyak penggunaan kristal kuarsa sebagai sensor gas untuk identifikasi dari odor, parfu m dan aroma . Pe milihan kristal kuarsa (QCM ) sebagai odor
sensing karena ukuran kecil, sederhana dan perangkat
massa sensitivitas tinggi[1].
Gambar 2.1 Sensor QCM
Material seperti kristal kuarsa ini me mpunyai sifat unik yaitu ma mpu menghasilkan
2
tegangan listrik ketika diberi te kanan mekan ika l dan juga sebaliknya, berubah bentuk mekanika lnya ketika diberi tegangan listrik. Sifat ini d ikena l dengan nama efek pie zoelectrik. Sifat in ilah yang dimanfaat kan untuk menghasilkan resonansi listrik-me kanik, sehingga kristal akan bergetar pada frekuensi alami tertentu jika diberi tegangan listrik bola k-balik. Frekuensi a la mi in i d itentukan oleh potongan dan dimensi keping kristal, yang ditetapkan pada saat pembuatan. Jadi struktur dari sensor QCM ada lah kristal yang terdapat lapisan SiO2 dan diapit oleh dua elektrode sehingga dapat menghasilkan potensial listrik sebagai respon terhadap tekanan mekanik yang diberikan[2].
Gambar 2.2 Prinsip Pie zoelectric
Potongan keping kristal mengacu kepada orientasi sudut pemotongan keping kristal terhadap garis struktur kristalin, dan juga bentuk keping kristal tersebut. Ada banyak standar potongan keping kristal, yang masing-masing me mpunyai kara kteristik yang berbeda-beda. Sebagai contoh, potongan AT yang populer me mpunyai fre kuensi fundamental ma ksimu m yang tidak terla lu tinggi dan koefisien suhu yang cukup baik (berbentuk kurva fungsi kubik). Contoh lain adalah potongan BT, yang me mpunyai frekuensi fundamental ma ksimu m yang lebih tinggi tetapi koefisien suhunya lebih buruk (berbentuk kurva parabolik).
Gambar 2.3 Ga mbar sebelah kiri, ya itu kristal kuarsa
ala mi dan ga mbar sebelah kanan adalah ilustrasi kristal kuarsa dengan perbedaan sudut potong
Bahan Elektrode kristal yang terbuat dari emas biasanya sering digunakan dalam penerapan aplikasi QCM, ka rena ke mudahan dari penguapan Au.
Na mun, Cu, Cr, Ni, Pt loga m dan la innya juga dapat digunakan. Pada tugas akhir in i d igunakan sensor kristal dengan elektrode yang terbuat dari bahan Kro m. Teori latar bela kang untuk menggunakan kuarsa kristal sebagai sensor perubahan massa didasari persamaan Sauerbrey. Pada persa maan Sauerbrey dikatakan bahwa yaitu adanya hubungan antara perubahan massa kristal dengan perubahan frekuensi resonansi kristal[3]. Persa maan Saurb rey dinyatakan sebagai berikut :
∆f=-Cf.∆m [2.1]
Dimana:
∆f = perubahan frekuensi(Hz)
∆m= perubahan massa per unit area (g/cm2
)
Cf = konstanta kristal yang digunakan (56,6 Hz μg-1 cm2)
Gambar 2.4 Prinsip QCM
Sensitivitas frekuensi osilasi kristal pada suhu, kele mbaban, tekanan, kecepatan dan getaran tertentu, akan me mbuat osilator piezoe lekt rik in i digunakan sebagai sensor yang me mpunyai tingkat akurasi yang tinggi. Frekuensi osilasi pada kristal tergantung ukuran fisik dan ketebalan dari kristalnya, bila dilapisi dengan sebuah polime r yang dapat menyerap massa mo lekul gas, ma ka didapat respon yang dinamis dari sensor sehingga me mbentuk suatu pola tertentu untuk mengklasifikasi gas[4].
Dala m me milih jenis resonator kuarsa yang digunakan sebaiknya diperhatikan bentuk elektrode pada kristal, yaitu persegi panjang, lingkaran kecil dan lingkaran besar, seperti terlihat pada gambar 2.5. Bila sensor digunakan dalam med ia cairan, sebaiknya menggunakan yang persegi panjang dan bila digunakan dalam media udara sebaiknya menggunakan yang lingkaran kecil[5].
3
2.2. A/D Converter ADS1281ADS1281 ini adalah, ch ip tunggal konverter analog-ke-dig ital (ADC) yang me mpunyai perfoma tinggi yang dirancang untuk kebutuhan dengan ketelitian yang tinggi, misalnya untuk eksplorasi energi atau pengamatan seismik. ADC ini dike mas dala m bentuk TSSOP(Thin-shrink small-outline
pack age) 24 p in. Konfigurasi pin-pin dari ADC
ADS1281 in i adalah sebagai berikut:
Gambar 2.6 Konfigurasi pin ADS1281
Penggunaan ads1281 pada tugas akhir ini
dimaksudkan untuk mendeteksi perubahan
frekuensi yang sangat kecil.
3. Peranc angan Har dware 3.1.1. Blok Diagram Al at
Alat yang dibuat terdiri dari beberapa bagian, dimana blok d iagra mnya ditunjukkan pada Ga mbar 3.1.
Gambar 3.1 Blok diagra m alat
Perangkat keras da la m Tugas Akhir in i ada beberapa bagian. Bagian-bagian tersebut adalah :
1. Sensor QCM 2. Rangkaian Osilator 3. Rangkaian mixer
4. Rangkaian frequency to voltage converter
5. Rangkaian mu lt iple kser 6. Rangkaian A DC
3.1.2. Peranc angan Sensor QCM
Sensor QCM dibuat dari bahan kristal yang terdapat lapisan SiO2 dengan dua elektrode yang mengapitnya. Kristal yang digunakan dengan frekuensi resonansi dasar 20 MHz.
Pada tugas akhir ini digunakan 8 buah sensor QCM yang diberi lapisan polime r berbeda me liputi ya itu OV-101, OV-1701, OV25, OV225, PEG-20M, PEG-6000, PEG-4000, dan PEG-2000. Polimer merupakan suatu mole kul panjang yang terdiri atas banyak blok penyusun yang identik atau serupa yang dihubungkan dengan ikatan -ikatan kovalen. Bahan polimer yang digunakan me mpunyai polaritas yang berbeda berdasar pada ketetapan McReynoldnya[4].
Perancangan me kanik sensor perlu diperhatikan untuk mendapatkan respon yang baik. Perlu diperhatikan, apakah pemberian gas dilaku kan dengan disuntik atau dipo mpa dengan pompa udara. Pada tugas akhir ini cara pe mberian gas dengan dipompa sehingga chamber dari sensor diusahakan dengan volume yang kec il. Seperti terlihat pada ga mbar 3.2.
Gambar 3.2 Sensor QCM 3.1.3. Peranc angan Rangkaian Osilator
Rangkaian osilator yang digunakan adalah model osilator pierce seperti pada ga mbar 3.5.
4
Osilator Pierce menggunakan kristal sebagai rangkaian tangkinya. Pada osilator in i kristal me respon sebagai rangkaian resonansi parale l. Keluaran Pengoperasian osilator didasarkan pada balikan yang dipasang dari kole ktor ke basis mela lui C1 dan C2 . Kedua transistor me mberikan ko mb inasi pergeseran fase sebesar 180°. Keluaran dari inverter akan mengala mi pe mba likan agar sefase atau sebagai balikan regeneratif. Nilai C1 dan C2 menentukan besarnya tegangan balikan. Se kita r 10 – 50 % dari keluaran dikirim ke mba li sebagai balikan untuk me mbe rikan energi ke mba li ke kristal. Jika kristal mendapatkan energi yang tepat, frekuensi resonansi yang dihasilkan akan sangat tajam. Kristal a kan bergetar pada selang frekuensi yang sangat sempit. Keluaran pada frekuensi ini a kan sangat stabil. Na mun keluaran osilator Pierce adalah sangat kecil dan kristal dapat mengala mi ke rusakan dengan strain me kanik yang terus -menerus[9].
3.1.4. Peranc angan Rangkaian Mi xer
Pada tugas akhir in i, kristal yang digunakan untuk sensor QCM me mpunyai fre kuensi 20M Hz. Dengan demikian, fre kuensi yang dikeluarkan o leh sensor QCM sebesar 20MHz. Dengan frekuensi sebesar ini maka perlu d iturunkan agar mudah untuk diolah dala m proses berikutnya. Salah satu cara untuk menurunkan frekuensi ke luaran dari sensor QCM adalah dimasukkan ke da la m rangkaian mixer. Rangkaian ini menggunakan IC D-Flip Flop sebagai dasarnya. Dala m rangkaian in i akan dicari selisih antara frekuensi sensor QCM dengan frekuensi referensi. Rangkaian mixer ditunjukkan dala m ganbar 3.4.
Gambar 3.4 Rangka ian Summing
3.1.5. Peranc angan Rangkaian f to v converter
Dala m pengamb ilan data dari sensor yang berupa frekuensi dikonversi ke dala m data tegangan. Dalam hal ini menggunakan IC LM 331. Dari fungsi asalnya, LM 331 merupakan IC(integrated circuit) voltage to
frequency converter, akan tetapi dapat digunakan
sebagai frequency to voltage converter, dan rangkaiannya ditunjukkan pada ga mbar 3.5.
Gambar 3.5 Rangka ian frequency to voltage converter
3.1.6. Peranc angan Rangkaian Multi plekser
Rangkaian mult iple kser atau disingkat MUX ada lah alat atau ko mponen elektronika yang bisa me milih
input (masukan) yang akan diteruskan ke ADC.
Pe milihan input mana yang dipilih akan ditentukan oleh signal yang ada di bagian kontrol (kendali) selektor. Dala m tugas akhir ini menggunakan IC(integrated circuit) mult iple kser MAX4051. Cara kerja mult iple kser dapat dilihat dari table kebenaran pada tabel 3.1.
Table 3.1 Tabel kebenaran multiplekser Input Channel ON E(akt if low) S2 S1 S0 0 0 0 0 Y0 ke Z 0 0 0 1 Y1 ke Z 0 0 1 0 Y2 ke Z 0 0 1 1 Y3 ke Z 0 1 0 0 Y4 ke Z 0 1 0 1 Y5 ke Z 0 1 1 0 Y6 ke Z 0 1 1 1 Y7 ke Z X X X X Switch off
5
Dari tabel kebenaran di atas, maka rangka ian mu ltip lekser adalah sebagai berikut:
Gambar 3.6 Rangka ian mu ltiple kser 3.1.7. Peranc angan Rangkaian ADC
Pada tugas akhir in i, proses akuisisi data menggunakan IC ADC 32 bit ads1281 dari Te xas Instrument. Alasan menggunakan ADC dengan resolusi tinggi dikarenakan perubahan data sensor QCM in i sangat kecil.
Gambar 3.7 Ske matik Rangka ian ads1281 3.2. Peranc angan Software
Perangkat lunak yang dirancang dalam sistem ini terd iri dari dua bagian, yakni perangkat lunak pada mikro kontroler dan perangkat lunak pada PC. Pada mikrokontrole r, perangkat lunak dirancang untuk mela kukan pengambilan data digital dari rangkaian ADC ads 1281 dan mengirimkan ke PC menggunakan ko munikasi serial. Sedangkan perangkat lunak PC dirancang untuk dapat mengolah dan menamp ilkan data secara grafik output dati ADC yang dikirim o leh mikro kontroler ke PC dengan menggunakan komunikasi seria l RS232. Ta mp ilan grafik pada PC ini akan me mpe rmudah pengguna untuk me laku kan analisa dari data yang didapat. Mengenai rancangan perangkat lunak pada mikro kontroler dapat melihat diagra m alir pada gambar 3.6.
Gambar 3.8 Diagra m Alir(flowchart) perangkat
lunak
4.
Pengujian Alat
4.1.1. Pengujian Respon Sensor
Pada pengujian ini menunjukkan respon sensor terhadap sampel etanol yang diakuisisi dengan ADC 32 bit ads1281.
Kanal 0(OV-101)
Gambar 4.1 Respon sensor 1 Kanal 1(OV-1701)
6
Kanal 2(OV-25)Gambar 4.3 Respon sensor 3 Kanal 3(OV-225)
Gambar 4.4 Respon sensor 4 Kanal 4(PEG-20 M)
Gambar 4.5 Respon sensor 5 Kanal 5(PEG-6000)
Gambar 4.6 Respon sensor 6
Kanal 6(PEG-4000)
Gambar 4.7 Respon sensor 7 Kanal 7(PEG-2000)
Gambar 4.8 Respon sensor 8 Pengujian 8 kanal
Gambar 4.9 Respon 8 sensor 4.1.2. Pengujian Software Mikrokontroler
Progra m pada mikro kontroler berfungsi sebagai pengontrol proses akuisisi data yang dilakukan o leh ADC ads1281. Disa mping itu juga berfungsi untuk mengirimkan data dari mikrokontroler ke PC menggunakan ko munikasi seria l RS232.
7
Gambar 3.7 Data ADC Sensor4.1.3. Pengujian
Progra m pada PC berfungsi sebagai me monitor proses akuisisi data yang dilakukan oleh ADC ads1281. Disamp ing itu juga berfungsi untuk mena mp ilkan data dari mikrokontroler ke PC menggunakan ko munikasi seria l RS232.
Gambar 3.7 Pengujian so ftware pada PC
5. Penutup 5.1. Kesimpul an
Dari hasil pengujian dan pengukuran seluruh sistem dala m Tugas Akhir in i dapat dia mbil beberapa kesimpulan dan saran untuk keperluan pengembangan selanjutnya adalah sebagai berikut:
1. Pengujian dengan satu per satu kanal mu ltip lekser dapat mendeteksi perubahan dengan data pada sensor.
2. Pada kanal 1 tidak menunju kkan perubahan data dikarenakan rusak sensor yang berlapis polimer OV-101 tersebut rusak.
3. Hasil dari pengujian dengan mengaktifkan 8 kanal mult iple kser tidak teratur, dikarena kan efek dari perpindahan kanal pada mu ltip lekser.
5.2. Saran
Untuk dapat mendeteksi perubahan data dari 8 sensor sekaligus sebaiknya juga menggunakan 8 ADC supaya menghasilkan perubahan data dapat terdeteksi.
8
DAFTAR PUS TAKA[1] Naka moto,T., dan Moriizimi, T. 1998. ” Odor sensor using quartz-resonator array and neural-network pattern recognition”, Proceeding
Ul trason. Symp.
[2] Saldiro Doni, (2009), ”Mengenal Ko mponen Dasar Kristal”, Majalah Elektronika Online. [3] Jie Han, 2006. “Technical background,
applic ations and i mple mentation of quartz crystal microbalance systems”, University of
Jyvaskyla Depart ment of Physics.
[4] Naka mu ra M. and Sugimoto Iwao, (1999), ”A Neural Net work
Model for an Electronic Nose Based on Quartz-Crystal
Microbalance Sensors”, IEEE Proceeding on
Artificial Neur al Ne twork. No. 470.
[5] Anderson Hendrik, et al, (2006), ”Quart z crystal mic robalance sensor design I. Expe rimental study of sensor response andperformance”, Sensors and Ac tuators
Elsevier B. Vo l. 123.
issue 1. p.21-26.
[6] Rivai, M ., Ju wono, H., dan Mujiono T., 2008. “Prototipe Sistim Penciu man Elektronik Menggunakan Deret Kristal SiO2 Terlapis Polimer dan Neural Network”. ITS-Research. [7] …“ QCM100-Quartz Crystal Microbal ance
The ory and Cali br ation”,
<URL:http://www.thinkSRS.com>.
[8] Be jo Agus, 2007, C&AVR Rahasia Ke mudahan B ahasa C dalam Mikrokontr oler ATMega8535,2007, Graha
Ilmu , Yogyakarta.
[9] ...“ Rangkaian Osilator
”,<http:://www.unej.ac.id/elektronika dasar> [10] La ros Edu, 2007. ”Ko munikasi Seria l
Mikrokontroler denganPC (PC)”, Artikel Pembelajar an Mikrokontroler.
[11] Setiawan Rach mad,2008.” Teknik Akuisisi
Data” ,Graha Ilmu, Yogyakarta.
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Muhammad Farih dilahirkan di Tuban, 28 Mei 1987. Merupakan anak pertama dari t iga bersaudara pasangan Bapak Muchtar dan Ibu Mahmudah. Penulis me mu la i pendidikan di MI Sala fiyah Merak Ura k, Tuban, a kan tetapi hanya sampai kelas 4. Setelah itu penulis me lanjutkan di SD Isla m Tuban. La lu me lanjutkan di MTs Manbail Futuh Beji, Jenu, Tuban. Penulis mene mpuh jenjang pendidikan selanjutnya di MAN Darul Ulu m Re joso,Peterongan, Jombang. Pada tahun 2007 penulis diterima di jurusan Teknik Ele ktro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Su rabaya mela lui jalu r SPM B. Selanjutnya penulis mengambil konsentrasi Bidang Studi Elekt ronika pada Jurusan Teknik Ele ktro ITS Surabaya sebagai pilihan terbaik. Se lain akitf sebagai asisten praktiku m dan koordinator laboratoriu m, penulis juga aktif sebagai tim robot ITS sejak tahun 2008 sa mpai dengan tahun 2010.
