T1 612009065 BAB III

(1)

9

PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT

Dengan memahami konsep dasar alat pada bab sebelumnya yang mencakup gambaran sistem prinsip kerja dan komponen-komponen pembentuk sistem, maka pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan sistem yang meliputi perangkat keras dan perangkat lunak.

3.1 Perancangan Perangkat Keras

Perangkat keras terdiri dari rangka dan komponen elektronik yang mendukung dalam pembuatan alat ini. Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai proses pembuatan mekanik beserta bahan yang dibutuhkan dan komponen elektronik yang digunakan.

3.1.1 Mekanik

Mekanik ini terdiri dari rangka utama, tempat penampungan, slot untuk meletakkan botol, dan semua sambungan pipa ataupun selang yang digunakan pada alat ini. Gambar perancangan dari alat ini ditunjukkan pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Perancangan mekanik 3.1.1.1Rangka Utama

(2)

sambungan, mur dan baut. Berikut adalah gambar realisasi perancangan dari rangka utama dan dimensinya.

Gambar 3.2 Rangka utama

3.1.1.2Slot Botol

Slot botol ini berfungsi untuk meletakkan botol yang akan diisi. Tempat botol ini dibuat dengan menyesuaikan bentuk botol yang akan digunakan. Bagian ini dibuat dengan menggunakan papan kayu yang disesuaikan dengan botol yang digunakan oleh UD. Mitra Tani. Terdapat dua tipe botol yang digunakan oleh UD. Mitra Tani yaitu botol untuk takaran 1,2 liter dan takaran 5 liter. Wujud dari botol yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 3.3, dan realisasi dari perancangan slot

(3)

Gambar 3.3 Botol untuk takaran (a) 5 liter (b) 1.2 liter

Gambar 3.4 Slot untuk botol

Seperti yang dijelaskan sebelumnya, slot dibuat dengan menyesuaikan bentuk botol. Slot ini sekaligus menjadi tempat untuk meletakkan sensor keberadaan botol yaitu fotodioda dan sinar laser yang dipantulkan dengan cermin dengan sudut kemiringan tertentu sehingga dapat mendeteksi keberadaan botol.

3.1.1.3Sambungan pipa.

Sambungan pipa ini dibuat dengan dua tipe pipa sambungan dengan ulir dalam ½ inch. Yang pertama adalah sambungan pipa lurus dan yang kedua adalah sambungan pipa U sehingga sambungan pipa ini menjadi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.5a. Pemilihan pipa dengan ulir dalam ini dikarenakan dapat memudahkan penulis untuk menyambungkan flow sensor dan solenoid valve

dikarenakan keduanya mempunyai ulir luar dengan ukuran ½ inch. Penulis membuat 2 (dua) tipe sambungan, yaitu sambungan pipa untuk menghubungkan

(4)

membantu pengisian untuk botol untuk takaran 1,2 liter dikarenakan botol ini lebih rendah bila dibandingkan dengan botol untuk takaran 5 liter. Kedua sambungan pipa ini ditunjukkan pada Gambar 3.5.

Gambar 3.5 Sambungan pipa 3.1.1.4 Penampungan

Bak penampunga ini berfungsi sebagai wadah cairan yang diberi 4 buah lubang yang disesuaikan dengan kebutuhan pada alat ini dikarenakan alat ini mempunyai 4 buat outlet. Bak penampung ini mempunyai dimensi panjang 51 cm, lebar 36,5 cm dan tinggi 22 cm. Dengan dimensi tersebut maka bak penampung mempunyai volume sebesar 40,953 cm3 . Dengan volume ini, juga bisa diartikan bak penampungan dapat menampung 40,953 dm3 atau 40,953 liter air pada keadaan penuh. Dalam skripsi ini tinggi air tertinggi adalah 17 cm, sehingga volume air yang tertampung adalah 31,645 cm3 atau sama dengan 31,645 liter Berikut adalah wujud fisik dari bak penampungan yang digunakan.

(5)

3.1.2 Komponen Elektronik

Bagian ini akan menjelaskan komponen elektronik yang digunakan demi mendukung pembuatan alat, antara lain modul mikrokontroler, catu daya, modul saklar. Selain itu bagian ini juga terdiri dari flow sensor, solenoid valve, sensor keberadaan botol, sensor ketinggian level cairan.

3.1.2.1Modul mikrokontroler

Pada skripsi ini, modul kontrol dikendalikan oleh mikrokontroler sebagai pengendali utama. Mikrokontroler yang digunakan adalah R8C Renesas R5F21246 buatan Renesas Electronic Coorporation. Board ini dibuat dengan menyesuaikan kebutuhan dari penulis. Pemilihan mikrokontroler ini dikarenakan mikrokontroler ini sudah cukup memenuhi kebutuhan dari penulis dalam merealisasikan alat ini. Mikrokontroler ini berguna untuk menerima data masukan dari pengguna, mengolah data yang dikeluarkan oleh semua sensor yang digunakan meliputi flow sensor, sensor keberadaan botol, dan mengaktifkan maupun menon-aktifkan solenoid valve.

(6)

Tabel 3.1 Konfigurasi penggunaan pin R8C R5F21246

No Nama Port Fungsi

1 P2_0 Output ke keypad

5 P2_4 Input dari keypad

9 P1_3 Valve pengisian tangki

10 P1_4 Valve 4

11 P1_5 Valve 3

12 P1_6 Valve 2

13 P1_7 Valve 1

14 P6_3 Flow sensor 1

18 P0_1 data 7 display LCD

22 P0_5 data E display LCD

23 P0_6 data Rs display LCD

24 P6_6 RX downloader

25 P6_7 TX downloader

(7)

Gambar 3.7 Skema board mikrokontroler Renesas R5F21246 3.1.2.2Keypad

Keypad 4x4 digunakan untuk memilih menu-menu dan memasukkan

takaran yang diinginkan oleh user yang ditampilkan pada layar LCD karakter sebagai antarmuka alat dengan pengguna yang bertindak sebagai masukan.

Keypad 4x4 yang digunakan adalah tipe keypad matriks, sehingga port input yang

(8)

dengan mikrokontroler pada P2.0 hingga P2.7 (8 pin). Baris 1 sampai baris 4 untuk P2.0-P2.3 dan kolom A sampai kolom D untuk P2.4-P2.7.

Gambar 3.8 Keypad 4x4

3.1.2.3Penampil LCD 20x4

Modul LCD merupakan modul keluaran yang digunakan sebagai tampilan berbagai karakter yang diinputkan melalui keypad. Modul ini menggunakan LCD dengan resolusi 20x4, yang berarti bahwa tampilan LCD mampu menampilkan 20 karakter dalam 4 baris tampilan, sehingga tampilan yang dihasilkan sejumlah 80 karakter. Untai dari modul ini diperlihatkan pada Gambar 3.9.

(9)

Pada Gambar 3.9 diperlihatkan untai modul LCD yang dihubungkan dengan mikrokontroler, di mana terdapat 16 terminal yang mempunyai fungsi masing-masing. Berikut adalah penjelasan dari tiap-tiap fungsi tersebut.

1. DB4-DB7, merupakan penyemat untuk empat jalur data atas yang dapat digunakan untuk membaca data dari modul ke mikrokontroler atau menulis data dari mikrokontroler ke modul.

2. DB0-DB3, merupakan penyemat untuk empat jalur data bawah yang dapat digunakan untuk membaca data dari modul ke mikrokontroler atau menulis data dari mikrokontroler ke modul, namun penyemat ini digunakan untuk data lebih dari 4 bit. Karena dalam sistem hanya dibutuhkan 4 bit saja mak jalur ini tidak digunakan. Penulis hanya menggunakan jalur data atas.

3. E (Enable), merupakan penyemat untuk sinyal operasi awal yang mampu

mengaktifkan data tulis atau baca.

4. R/W (Read/Write), merupakan penyemat untuk sinyal pemilih baca atau tulis, yang mana apabila penyemat ini diberi logika 1, modul akan melakukan operasi baca, sebaliknya bila diberi logika 0 akan melakukan operasi tulis. Pada sistem ini, penyemat ini diberi nilai 0 atau ground

dikarenakan LCD digunakan sebagai modul keluaran saja yang berarti hanya melakukan operasi baca saja.

5. RS (Register Selection), merupakan penyemat untuk sinyal pemilih fungsi

register yang apabila diberi logika 0, register berfungsi sebagai register instruksi untuk operasi tulis atau sebagai penanda sibuk, dan sebagai pencacah alamat untuk operasi baca. Apabila diberi logika 1, register berfungsi sebagai register data, baik untuk operasi tulis ataupun baca. 6. VEE (VLC), merupakan penyemat untuk terminal catu daya untuk

pengendalian tampilan LCD, yaitu mengatur contrast tampilan karakter pada layar.

7. VCC, merupakan penyemat untuk catu daya 5 volt.

(10)

3.1.2.4Modul Saklar

Modul saklar pada sub bab ini adalah driver solenoid valve. Perancangan

driver ini menggunakan transistor NPN dengan seri BD 139 sebagai pemicu relay.

Pada perancangan driver ini juga menggunakan optocoupler 4n35 yang berfungsi memisahkan catu daya mikrokontroler dengan catu daya solenoid valve. Driver

terdiri dari 5 driver yang digunakan untuk mengaktifkan ataupun menon-aktifkan

solenoid valve yaitu 4 solenoid valve untuk 4 outlet dan 1 digunakan sebagai inlet

untuk penampung pada alat ini dari penampung utama. Skematik driver solenoid

valve ditunjukkan pada Gambar 3.8

Gambar 3.10 Skema driversolenoid valve

Cara kerja dari driver tersebut adalah saat P1_7 dari mikrokontroler bernilai 1 atau HIGH maka led pada optocoupler 4n35 menyala dan sisi penerima

optocoupler juga akan aktif atau arus mengalir dari VCC ke ground, sehingga pada

kaki basis transistor akan terpicu tegangan sehingga transistor akan berada di kondisi jenuh atau saturasi dan relay akan aktif sehingga mengakibatkan solenoid

valve akan aktif. Keadaan sebaliknya apabila P1_7 dari mikrokontroler bernilai 0

atau LOW maka led pada optocoupler tidak menyala dan sensor penerima tidak bekerja, sehingga transistor tidak terpicu dengan tegangan sehingga transitor berada di keadaan cutoff dan relay tidak aktif.

(11)

Agar transistor tersebut dapat bekerja sebagai saklar ada beberapa hal penting yang harus diperhatikan, antara lain :

1. Menentukan Ic.

Ic adalah arus beban yang mengalir dari kaki kolektor menuju emitor transistor. Arus beban tidak boleh lebih besar dari Ic maksimum yang dilewatkan oleh transistor. Arus beban saat saturasi dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut :

Ic(beban) < Ic(Max) ⇦syarat

Ic(beban) = �

�( �)

2. Menentukan hfe transistor

Setelah arus beban yang akan dilewatkan pada transitor diketahui maka selanjutnya adalah menentukan transistor yang akan digunakan dengan syarat seperti di poin sebelumnya.

3. Menentukan Rb

Setelah menentukan transistor yang akan digunakan maka langkah selanjutnya adalah menentukan hambatan pada basis (Rb). Besar Rb dapat dicari dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

Ib = � ( )

ℎ

Rb = ��

�

(12)

Relay yang digunakan adalah relay 24 volt yang mempunyai hambatan dalam sebesar 400 ohm, relay akan diberi tegangan 12 volt sehingga dapat didapatkan arus pada kaki kolektor dengan perhitungan sebagai berikut.

Ic = � −� ( � )

� � =

12 0,5

400 = 28,8 mA………. (3.1)

Ic maksimum berdasarkan datasheet dari BD139 adalah 1A, maka berdasarkan perhitungan pada Persamaan 3.1, Ic masih berada dibawah Ic maksimum sehingga sudah memenuhi syarat pertama yaitu Ic beban harus lebih kecil dari Ic maksimum.

Transistor yang digunakan mempunyai hfe sebesar 40-250, sehingga arus yang mengalir pada kaki basis dapat dicari dengan menggunakan hfe terkecil.

Ib = �

ℎ =

28,8 �

40 = 0,72 mA……….(3.2)

Gambar 3.11 Skema Optocoupler

Dengan skema seperti Gambar 3.11, photo transistor dapat memberikan logika HIGH pada saat led optocoupler menyala sehingga dikarenakan photo transistor berada di keadaan saturasi. Nilai konduktifitas pada kolektor – emitor akan naik sehingga Vout mendapatkan sumber tegangan dari Vcc melalui kaki emitor, jadi Vout akan bernilai HIGH≈VCC dan sebaliknya pada saat led tidak aktif maka photo transistor tidak aktif atau OFF dan Vout dihubungkan ke ground melalui R2 sehingga nilainya adalah LOW.

(13)

Dari hasil pengukuran tegangan output dari optocoupler yang menggunakan 12 Volt dan resistor pada optocoupler sebesar 1k ohm adalah 5,6 Volt maka Rb dapat dicari dengan menggunakan rumus dibawah ini.

Rb= � −�

� =

5,6−1

0,72 � = 6,388 kΩ ……….(3.3)

Dengan perhitungan dengan Persamaan 3.3, ditunjukkan bahwa Rb

maksimal adalah 6,388kΩ. Dan resistor yang dipasang pada modul ini adalah 4.7

kΩ.

3.1.2.5Solenoid valve

Valve berfungsi sebagai keran untuk membuka dan menutup saluran

keluaran cairan yang akan diisikan ke dalam botol. Valve mempunyai sistem kerja ON untuk membuka dan OFF untuk menutup. Valve mempunyai tegangan kerja antara 6V sampai 12V. Pada skripsi ini, valve diberi tegangan kerja 12V, untuk 12V arus yang dikonsumsi oleh valve ini untuk berada di keadaan ON adalah 320 mA [3]. Namun pada saat dilakukan pengukuran, setiap valve mengonsumsi arus sebesar 43 mA. Gambar 3.11 menunjukkan wujud fisik dari solenoid valve yang digunakan.

Gambar 3.12 Solenoid valve yang digunakan

3.1.2.6Flow sensor

Flow sensor atau sensor aliran fluida digunakan untuk mengukur besarnya

(14)

dalamnya terdapat turbin dan sensor hall-effect. Cara kerja sensor ini yaitu saat air mengalir melewati sensor ini maka turbin di dalamnya akan berputar. Setiap turbin berputar maka sensor magnetik di dalamnya akan mengeluarkan pulsa sebesar VCC yang digunakan. Tegangan kerja sensor ini antara 5V sampai 24V

[4]. Pada alat ini sensor flow diletakkan di antara outlet dari penampung dan

solenoid valve yang dihubungkan dengan selang dari outlet dan sambungan pipa

PVC untuk solenoid valve. Wujud fisik dari flow sensor yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 3.13.

Gambar 3.13 (a) Wujud Fisik Flow sensor (b) Konfigurasi

3.1.2.7Sensor Keberadaan Botol

Sensor keberadaan botol ini menggunakan fotodioda. Fotodioda adalah komponen elektronik yang akan mengalirkan arus dari anoda ke katoda pada saat terkena cahaya pada intensitas tertentu. Dengan rangkaian seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.12. Apabila fotodioda yang diberi lampu laser tidak terhalang maka keluaran akan bernilai LOW dan sebaliknya apabila terhalang akan bernilai HIGH. Nilai dari sensor keberadaan botol di masing-masing outlet

(15)

Gambar 3.14 Rangkaian Fotodioda.

3.1.2.8Sensor Ketinggian Level Cairan

Sensor ketinggian level cairan ini digunakan untuk mengetahui jumlah cairan yang terdapat dalam tangki penampung yang nantinya dapat digunakan sebagai informasi yang diterima oleh mikrokontroler untuk mengontrol solenoid

valve pengisi tangki penampung. Apabila tangki penampung sudah dianggap

penuh sesuai dengan level yang ditentukan , maka solenoid valve pengisi tangki akan menutup. Solenoid valve pengisi tangki akan membuka kembali apabila ketinggian level cairan sudah sampai di ketinggian batas tengah. Pada saat keadaan cairan berada di level bawah maka asumsinya adalah tangki penampung belum mendapatkan cairan yang cukup untuk mengisi ke dalam botol, sehingga

valve untuk pengisian ke dalam botol akan ditutup. Pengisian botol akan

dilanjutkan apabila level cairan kembali pada level atas dan valve pengisi tangki akan menutup.

Sensor ketinggian level cairan ini dibuat dengan menggunakan saklar transistor seperti yang digambarkan pada Gambar 3.15

mikro

D2 +V V4 5V

(16)

Gambar 3.15 Skema Sensor Ketinggian Level Cairan dengan menggunakan Transistor sebagai Saklar.

Cara kerja rangkaian di atas adalah dengan memasukkan 4 kawat kuningan ke dalam tampungan, satu di antaranya dialiri tegangan 5V dan 3 (tiga) kawat kuningan yang lain akan terhubung ke basis masing-masing transistor. Cairan pupuk yang akan ditampung dapat menghantarkan listrik sehingga apabila kawat kuningan yang terhubung pada basis transistor masuk ke dalam cairan, maka kaki basis akan mendapatkan tegangan yang akan menyebabkan transistor berada di keadaan saturasi. Hal ini menyebabkan tegangan keluaran dari kaki kolektor transistor yang masuk ke dalam mikrokontroler akan bernilai LOW dan apabila tidak masuk dalam cairan maka nilai keluaran dari kaki kolektor transistor yang masuk ke dalam mikrokontroler akan bernilai HIGH. Dengan logika seperti yang dijelaskan sebelumnya maka rangkaian adalah rangkaian active low. Data masukan dari ketiga kaki kolektor dari ketiga transistor inilah yang digunakan penulis untuk mengetahui level air yang berada di dalam penampungan. Gambar

(17)

3.16 ini menunjukkan bagaimana pemasangan keempat kawat kuningan di dalam penampungan.

Gambar 3.16 Pemasangan kawat kuningan pada penampungan

Penjelasan dari gambar tersebut adalah sebagai berikut :

1. Tegangan 5 V.

2. Kawat kuningan yang terhubung pada basis transistor batas bawah.

3. Kawat kuningan yang terhubung pada basis transistor batas tengah.

(18)

3.1.2.9 Catu Daya 5V

Alat ini mempunyai 2 buah catu daya, yaitu catu daya 5V dan 12V. Catu daya 5V dibutuhkan untuk mencatu beberapa komponen meliputi mikrokontroler,

flow sensor, laser dan fotodioda pada sensor keberadaan botol, LCD keypad, dan

optocoupler pada driver solenoid valve. Sedangkan catu 12V dibutuhkan untuk

mencatu 5 buah solenoidvalve yang digunakan. Sumber catu daya 5V berasal dari travo 3A yang mempunyai tegangan 12V AC, dan disearahkan dengan diode half

bridge. Untuk mencatu tegangan 5V digunakan IC regulator 7805, skema dapat

dilihat pada Gambar 3.17.

Gambar 3.17 Skema Power Supply 5V.

220 VAC OUT 5V

Q1 mj2955

IN

COM OUT U1 7805

C1 470uF

C2 470uF T1

D1 DIODE

D2 DIODE

C3 4700uF

R1 1

(19)

3.2 Perancangan Perangkat Lunak

Dibawah ini adalah diagram alir yang terdapat pada sistem alat keseluruhan. Apakah ada botol? Apakah sudah pernah mengisi? TIDAK YA BELUM

Periksa level air bawah TIDAK

ADA

Periksa level air tengah

Periksa level air atas VALVE PENAMPUNGAN HIDUP VALVE PENAMPUNGAN MATI FLAG PERNAH

KOSONG = 0 ADA ADA TIDAK SUDAH VALVE BUKA PulseFlow = TAKARAN? VALVE TUTUP SET FLAG SUDAH

MENGISI SET FLAG BELUM

MENGISI Apakah botol sudah diambil? BELUM SUDAH YA TIDAK TIDAK VALVE PENAMPUNGAN HIDUP PROSES PENGISIAN STOP ? TIDAK return

Set FLAG PERNAH KOSONG = 1

FLAG PERNAH KOSONG =1 / 0 ?

0

A

FLAG PERNAH KOSONG =1 / 0 ?

1

1 0

(20)

(21)

3.2.1 Penjelasan Diagram Alir

1. Pada saat sistem diaktifkan, maka mikrokontroler akan melakukan inisialisasi terlebih dahulu dan dilanjutkan dengan menampilkan menu untuk memasukkan jumlah takaran pada LCD karakter 20x4 yang digunakan.

2. Setelah memasukan jumlah takaran yang diinginkan oleh pengguna, sistem akan meminta konfirmasi dari pengguna.

3. Apabila input yang dimasukan sudah benar atau sesuai dengan sistem, maka secara otomatis sistem akan mengaktifkan semua sensor yang digunakan sehingga alat siap untuk beroperasi.

4. Sensor keberadaan botol akan mendeteksi keberadaan botol, apabila ada botol maka akan dilakukan pemeriksaan selanjutnya, apabila belum terdapat botol maka sensor keberadaan botol akan menunggu masukan yaitu botol yang digunakan pada UD. Mitra Tani.

5. Sistem akan memeriksa apakah sistem sudah pernah mengisi di slot

tertentu, apabila sudah pernah maka botol harus diambil. Perubahan nilai pada sensor keberadaan botol dari ada botol menjadi tidak ada botol akan mengatur flag menjadi belum pernah mengisi. Sedangkan sebaliknya apabila hasil dari pemeriksaan tahap ini menunjukkan bahwa belum pernah mengisi, sistem akan melanjutkan ke pemeriksaan selanjutnya.

6. Pemeriksaan selanjutnya adalah pemeriksaan pada level air di dalam penampungan cairan. Pemeriksaan ini akan digunakan untuk memberikan instruksi pada keempat valve yang berfungsi sebagai outlet dan satu valve sebagai inlet untuk penampungan. Outlet bisa terbuka apabila level air lebih tinggi dari level bawah. Dan inlet akan terbuka apabila level air lebih rendah dari batas tengah

(22)