RANCANG BANGUN ELECTROSTATIC PRECIPITATOR (ESP) SEBAGAI PENANGKAP DEBU LAYANG INDOOR BERBASIS MIKROKONTROLLER
I Made Martadinata Program Studi S1 Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Sidoarjo Kampus 2 : Jl. Raya Gelam 250 Candi
Email : i.m.m.dinata@gmail.com
ABSTRAK
Udara bersih merupakan salah satu indikator kesehatan lingkungan. Akan tetapi di zaman modern ini, banyak polusi udara yang terjadi yang disebabkan asap industri, asap kendaraan bermotor, dan asap rokok. Partikel polusi akan berada dalam jangka waktu yang lama dan melayang-layang di udara yang kemudian masuk kepernafasan. Hal ini berbahaya untuk kesehatan manusia.
Dalam penelitian ini dibuat suatu alat pengendap debu dengan menggunakan electrostatic precipitator, yang merupakan salah satu system pencegahan untuk mengurangi kadar pencemaran udara dengan metode pemanfaatan energi listrik. Media yang digunakan adalah dengan menggunakan mikrokontroller sebagai pengontrol dari keseluruhan sistem yang dibuat. Dari hasil pengujian menunjukkan jumlah debu yang mengendap tergantung dari variasi tegangan yang diterapkan. Debu yang diperoleh dengan cara elektrostatis lebih banyak. Hal ini dikarenakan pada pengendap debu secara elektrostatis, supply dihubungkan dengan elektroda yang selanjutnya digunakan sebagai filter sehingga muatan pada elektroda besar dan filter tersebut mempunyai gaya tarik yang besar.
Kata Kunci : ESP, Electrostatic Precipitator, Debu layang indoor, Mikrokontroler
1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Debu merupakan salah satu bahan yang sering disebut sebagai partikel yang melayang di udara (Suspended Particulate Matter/SPM). Debu termasuk ke dalam golongan partikulat. Dalam kasus pencemaran udara baik di dalam maupun di luar ruang gedung (Indoor or Out Door Pollution) debu sering dijadikan salah satu indicator pencemaran yang digunakan untuk menunjukan tingkat bahaya baik terhadap lingkungan maupun terhadap kesehatan dan keselamatan kerja. Partikel debu akan berada di udara dalam waktu yang relatif lama dalam keadaan melayang-layang di udara kemudian masuk ke dalam tubuh manusia melalui pernafasan.
1.2.RumusanMasalah
Berdasarkan latar belakang masalah di atas, maka dapat disusun rumusan masalah sebagai berikut :
1. Bagaimana merancang dan membuatan desain control Electrostatic Precipitator (ESP) penangkap debu layang indoor untuk menciptakan udara dalam ruangan yang bersih? 2. Bagaimana system kerja dari Electrostatic Precipitator (ESP) sebagai penangkap debu
layang indoor?
3. Bagaimana mengaplikasikan mikrokontroller sebagai pusat control alat pendeteksi debu layang indoor?
1.3Tujuan
Tujuan yang hendak dicapai dari tugas akhir ini adalah merancang suatu alat penangkap debu laying indoor dengan menggunakan elektrostatik precipitator berbasis mikrokontroler dan menciptakan udara di dalam ruangan yang bersih.
1.4BatasanMasalah
Untuk menciptakan udara dalam ruangan yang bersih, maka dirancang alat control Elektrostatic Precipitator (ESP) yang akan mengendapkan debu layang yang ada pada suatu ruangan sebagai salah satu polutan dengan menggunakan medan listrik. Untuk membatasi permasalahan pada penelitian ini, maka ada beberapa hal yang harus diperhatikan, yaitu:
1. Penelitian hanya akan dilakukan pada ruangan tertutup.
2. Penanganan debu layang yang terdapat dalam suatu ruangan dengan menggunkan desain control Electrostatic Precipitator (ESP) untuk menangkap dan mengendapkan partikel.
1.5 Tujuan Pembuatan Alat
Dalam hal penanggulangan polusi udara yang ada di dalam ruangan maka digunakanlah eletrostatic precipitator. Adapun yang menjadi tujuan penulisan dalam skripsi ini adalah:
1. Membuat alat penangkap debu layang indoor.
2. Mengetahui dan memahami prinsip kerja Electrostatic Precipitator (ESP). 3. Menciptakan udara di dalam ruangan yang bersih.
1.6Manfaat Penelitian
2. METODOLOGI PENELITIAN 2.1. Perancangan dan Pembuatan Alat
START STUDI
Gambar 3.2. Tahap Perancangan Alat
Perancangan dan pembuatan alat dibagi menjadi dua tahap yaitu tahap pembuatan perangkat keras (hardware) dan tahap pembuatan perangkat lunak (software).
2.1.1.Perencangan dan Pembuatan Perangkat Keras (Hardware)
Perancangan mekanik dan elektrik (hardware) ini terdiri dari pembuatan pembangkit dengan tegangan tinggi DC menggunakan metoda penyerah penggali tegangan atau Walton-Cockroft, filter dengan alumunium, exhaustuntuk menyerap debu/asap, power supply sebagai sumber tegangan, LCD sebagai penampil jumlah debu yang menempel, dan mikrokontroler sebagai alat kontrolnya.
2.1.2.Perancangan dan Pembuatan Perangkat Lunak (Software)
Perancangan software untuk pengamatan pada mikrokontroler AVR ATMEGA 8535 digunakan program vision AVR yang dijalankan pada operating system windows. Software visual basic dan tee chart untuk komunikasi serial atau interfacing antara hardware dengan PC. Software tee chart yaitusoftware tambahan untuk visual basic dalam pembuatan grafik yang dibaca oleh hardware.
Gambar 3.4. Plat Discharge Electrode
1. Rangkaian Driver Relay
Rangkaian driver relay ini digunakan pada proses on-off pada exchaus, rangkaian ini akan dikendalikan oleh mikrokontroler. Relay yang digunakan adalah nilai DC 5 Volt, posisi Relay dari NO (normaly open) akan menjadi NC (normaly close) apabila mendapat sinyal dari mikrokontroler pada terminal NC (tadinya tidak menempel pada terminal NO) ketika coil relay mendapat tegangan
2. Perancangan Suplay Daya
Power supply merupakan sumber tenaga yang dibutuhkan oleh suatu rangkaian elektronika untuk bekerja. Pada perancangan control elektrostatik precipitator (ESP) dengan mikrokontroler AVR ATMEGA 8535 dan driver exchaust.
Pada rangkaian power supply pada umumnya sering menggunakan IC Regulator dalam mengontrol tegangan yang diinginkan. Regulator tegangan menjadi sangat penting gunanya apabila mengaplikasikan sistem power tersebut untuk rangkaian-rangkaian yang membutuhkan tegangan yang sangat stabil.
IC Regulator pada umumnya digunakan untuk mengontrol tegangan adalah IC keluaran 78XX.IC ini dapat mengontrol tegangan dengan baik.Keluaran tegangan yang diinginkan tinggal melihat tipe yang ada.Misalnya tipe 7805 dapat memberikan keluaran tegangan 5 Volt dengan toleransi +1, dengan arus keluaran maksimal 1500 mA.
3. Perancangan Rangkaian Mikrokontroler
Mikrokontroler ATMEGA 8535 memiliki saluran IO sebanyak 32 buah, yaitu ort A, Port B, Port C dan Port D. Keempat port tersebut bisa dipakai sebagai port parallel dengan 8 bit saleran data, atau digunakan sebagai bit adresseble (yakni satu pin aliran digunakan sebagai pin masukan tersendiri yang terpisah dengan pin-pin yang lain).
Sebagai pengendali yang utama dari sistem control ini digunakan rangkaian minimum sistem mikrokontroler ATMEGA 8535. Digunakan untuk mengolah data yang berasal dari sensor kemudian dikirimkan ke LCD melalui komunikasi serial.
Pada alat kontrol ini port pada mikrokontroler yang digunakan sebagai port input data ADC adalah PORTA, port untuk komunikasi serial adalah PORTC.0 dan PORTC.1, sedangkan port untuk read and write ADC adalah PORTC.7. disamping port masukan dan keluaran, perlu dipasang input reset untuk sistem mikrokontroler pada kaki nomor 9 dengan menambahkan rangkaian komponen resistor sebesar 1K ohm dan kapasitor elektrolit sebesar 10mF.
4. Pembangkit Tegangan Tinggi DC 8000 Volt
5. Perancangan Software
Perancangan software mikrokontroller AVR ATMEGA 8535 dibuat sesuai dengan hardware yang digunakan. Perancangan software pada dasarnya terdiri dari beberapa bagian pokok, yaitu:
a. Software yang dipakai untuk pembacaan mikrikontroller
b. Software yang dipakai untuk pembacaan output sinyal dari sumber pembangkit tegangan DC oleh mikroprosesor sebagai data pengolahan data
c. Software pengkonversi nilai desimal ke nilai tegangan
Perancangan software digunakan untuk mendukung kerja dari perangkat hardware. Pada proses pengisian dilakukan, Program Code Vision AVR yang dijalankan pada Operating System Windows. Dari editor Code Vision AVR maka akan dihasilkan file berektensi C, dimana file C inidibutuhkan oleh compiler C. jika file C decompile maka akan menghasilkan file dengan ekstensi .Asm, file avrasm32.exe akan meng-generate file yang berekstensi .Asm menjadi file .Hex. dan langkah berikutnya adalah proses pengisian program ke mikrokontrol dengan menggunakan software ISP dan menghubungkan peralatan ISP dengan PC melalui USB.
Selain itu software condevision, dibutuhkan software lain untuk komunikasi serial atau interfacing antara hardware dengan PC, yaitu menggunakan software visual basic dan tee chart. Software tee chart yaitu perangkat lunak tambahan untuk visual basic dalam membuat grafik yang dibaca oleh hardware.
2.2. Pengujian Alat Per-blok dan Pengujian Keseluruhan Sistem Kontrol
Pengujian alat per blok ini tujuannya untuk mengetahui sistem kerja setiap bagian dari sistem kontrol yang dirancang. Pengujian secara keseluruhan pada rangkaian untuk mengetahui apakah alat kontrol yang dibuat berjalan sesuai dengan yang diharapkan.Kedua pengujian dilakukan uji validasi dari data hasil perancangan alat tersebut.
2.3. Implementasi
Implementasi dari hasil perancangan alat yang telah dilakukan untuk mengetahui tingkat keberhasilan dari sistem kontrol yang telah dibuat.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Pengujian Hardware
Pada pengujian hardware ini ditunjang beberapa komponen lain. Diantaranya adalah Dust Sensor GP2Y1010A, Blower, Catu daya 5V dan 12V, LCD sebagai alat penampil data hasil uji. Alat-alat tersebut diuji antara lain :
3.1.1 Pengujian LCD
Untuk interfacing LCD dihubungkan dengan mikrokontroler. Pengujian rangkaian LCD dilakukan untuk dapat mengetahui kemampuan rangkaian tampilan yang sudah dibuat apakah dapat mendukung sistem yang direncanakan untuk menampilkan data pada layar LCD. Peralatan yang digunakan dalam pengujian rangkaian LCD adalah sebagai berikut:
Langkah-langkah dalam pengujian rangkaian LCD adalah sebagai berikut: 1. Menghubungkan rangkaian LCD pada minimum sistem
2. Memberikan tegangan pencatu pada rangkaian LCD dan rangakian minimum sistem masing-masing sebesar 5V.
3. Menghubungkan personal komputer dengan rangkaian yang telah dirangkai diatas, kemudian membuat program assembler yang digunakan dalam pengujian rangkaian LCD.
3.1.2 Pengujian Blower
Gambar 3.1 Pengujian Blower 12 V
Dari Pengujian seperti gambar diatas dapat di ketahui bahawa blower 12v, di beri tegangan 12V dan led sebagai indikatornya, blower bisa berjalan dengan baik.
3.1.3 Catu daya 5V dan 12V
Gambar 3.2 Pengujian Catu Daya 5V dan 12V
Dari Pengujian seperti gambar diatas dapat di ketahui bahwa power supply 5Vdan 12V, diberi tegangan Input 220 dari jala-jala Pln dan keluaranya 5V dan 12V, Power supply bisa berjalan dengan baik.
3.1.4 Pengujian Dust Sensor GP2Y1010A
Percobaan dust sensor GP2Y1010A perlu dilakukan untuk melihat perubahan nilai tegangan dari air yang digunakan sebagai acuan dalam sistem yang akan dibuat :
Pengujian dilakukan dengan melihat perubahan tegangan yang dideteksi oleh dust sensor. Perubahan tegangan pada debu akan dideteksi oleh jumlah pulse yang tegangannya berubah sesuai dengan banyaknya Debu di udara.
Prosedur Pengujian :
1. Menentukan debu didalam ruangan berbeda. 2. Menyusun rangkaian Dust Sensor
3. Memberi catu daya pada Sensor dan rangkaian. 4. Mengetahui out dari LCD dan memasukkan ke tabel. 5. Hasil Pengujian
Dari percobaan diatas didapat hasilnya adalah sebagai berikut: Tabel 3.1 Hasil Pengujian Dust Sensor
Data ADC yang terbaca Tegangan
(Volt) 4,88281 mV. Dengan perhitungan ketelitian sebagai berikut :
Ketelitian = Avcc / Jumlah Bit = 5 /1024
= 0,00488281 Volt = 4,88281 mV
Dengan mendapatkan nilai ketelitian, maka akan dapat diketahui berapa volt tegangan yang diukur.
Tegangan = Data ADC * Ketelitian
Misalkan setelah konversi data yang didapat adalah 100 maka tegangan yang diukur adalah :
Tabel 3.2 Kalibrasi Sensor Metal Keping Sejajar
Berikut Perhitungan konversi Debu satuan Volt menjadi (mg/m3) : Rumus Dust Y = Jumlah Volt X 0,166 - 0,129
Pengujian coil perlu dilakukan untuk melihat seberapa besar nilai tegangan yang berhasil dinaikkan dari 12 volt menjadi ribuan volt. Arus listrik yang besar ini disalurkan ke change electrode dan plat sehingga mampu meletikkan bunga api yang dapat menghasilkan medan magnet.
Coil standart mampu menhasilkan tegangan listrik antara 12.000 volt hingga 15.000 volt.
Gambar 3.4 Coil Standart
3.1.6 Pengujian ElectroStatic Precipitator (ESP)
Gambar 3.5 ESP
3.1.7 Pengujian Pulse Width Modulation (PWM) dengan IC555
Rangkaian PWM dihubungkan dengan ESP akan berfungsi sebagai pengatur lebar sisi positif dan negatif pulse control pada frekuensi kerja yang tetap. Di mana semakin lebar sisi pulse negatif semakin rendah tegangan yang dihasilkan dan semakin lebar sisi positif maka semakin besar pula tegangan yang dihasilkan.
Gambar 3.6 Rangkaian PWM
Rangkaian sederhana di atas dapat memberikan gambaran bahwa metode PWM pada ESP di set sebagai astabil multivibrator dengan frekuensi kerja tetap
3.1.8 Pengujian Pengujian Mikrokontroler ATMEGA 8535
Penggunaan mikrokontroler ATMEGA 8535 bertujuan untuk mengetahui berfungsinya kristal oscillator (XTAL) dan rangkaian reset yang merupakan syarat utama terbentuknya system minimum.
3.2 Pengujian Software
Dalam pembuatan Skripsi dengan judul alat yang dapat menangkap debu layang indoor berbasis mikrokontroller, dibutuhkan suatu program untuk menampilkan data hasil pengujian yang ditampilkan pada LCD 2x16. Untuk membuat program tersebut digunakan Software Bascom AVR.
3.2.1 Pemrograman BASCOM AVR
Gambar 3.8 Program BASCOM AVR
BASCOM-AVR adalah salah satu tool untuk pengembangan/pembuatan program untuk kemudian ditanamkan dan dijalankan pada microcontroller terutama microcontroller keluarga AVR . BASCOM-AVR juga bisa disebut sebagai IDE (Integrated Development Environment) yaitu lingkungan kerja yang terintegrasi, karena disamping tugas utamanya (meng-compile kode program menjadi file HEX/bahasa mesin), BASCOM-AVR juga memiliki kemampuan/fitur lain yang berguna sekali, contoh :
1. Terminal (monitoring komunikasi serial)
2. Programmer (untuk menanamkan program yang sudah di-compile ke microcontroller). Dan perlu diketahui, sesuai dengan namanya BASCOM (Basic Compiler) bahasa yang digunakan adalah bahasa BASIC. Jadi, jika anda sudah pernah menggunakan bahasa BASIC (Visual Basic, Turbo Basic, dll), akan menjadi modal penting untuk mempelajari tool ini karena secara struktur pemrograman dasar tidak ada perbedaan.
3.3 Prosedur Pengujian
Alat yang dapat menangkap debu layang indoor berbasis mikrokontroller
Gambar 3.10 Alat Pendeteksi Debu Layang
Gambar 3.11 Tampilan LCD Alat Pendeteksi Debu Layang Antara lain :
1. Sambungkan kabel power pada box rangkaian dengan sumber AC 220 volt
2. Pastikan lampu led power menyala. Apabila tidak menyala cek kabel power dari box rangkaian.
3. Tunggu sampai nilai Layar LCD muncul tampilan berupa tulisan 4. Siapkan terigu atau debu.
5. Masukkan bahan uji kedalam wadah plastik yang tutupnya terdapat sensor yang akan di uji debunya.
6. Usahakan dalam pendeteksian dilakukan pada wadah yang sama dan kondisi yang sama untuk setiap pengukuran.
7. Pendeteksian debu memerlukan 10 kali pengujian untuk hasil yang baik. 8. Ambil kembali bahan uji
9. Jika sensor sudah mengindikasikan adanya debu maka blower akan menyala dan menghisap debu yang ada agar masuk ke dalam ESP untuk diendapkan ke plat collector oleh loncatan bunga api yang dihasilkan coil.
3.4 Hasil Pengujian dan Analisa Sistem 3.4.1 Pengujian Pada Rungan Miniatur
Berdasarkan hasil pengujian pada ruangan kamar tertutup dengan volume 20cm x 20cm x 20cm, dapat dilihat pada table pengujian di bawah ini :
Tabel 4.3 Hasil Pengujian Alat pada ruangan Dengan Volume 20cm x 20 cm x 20 cm
Kesimpulan yang dapat diambil dari pengujian di atas adalah anatara dust density 0,01 mg/m3 sampai 0,07 mg/m3 bisa didapatkan nilai rata-rata yaitu 0,03 mg/m3 dengan rumus :
Rata-rata dust density =
3.5 Analisa Hasil Pengujian
Setelah dilakukan proses pengujian kadar debu pada beberapa ruangan maka secara keseluruhan dapat disimpulkan bahwa :
1. Dari hasil pengujian diatas dapat dilihat bahwa dust density mempengaruhi jumlah volt yang ada, karena semakin banyak dust density yang terdeteksi maka semakin banyak pula volt yang dibutuhkan.
2. Dapat dilihat dari tabel setiap pengujian bahwa kadar debu mengalami perubahan di setiap tempat yang berbeda yang benunjukkan bahwa setiap ruangan memiliki kandungan debu yang berbeda.
3. Hasil pengujian mikrokontroler sebagai pusat kontrol alat pendeteksi debu memiliki peranan yang sangat penting untuk mengontrol setiap sistem agar dapat berfungsi sebagaimana mestinya.
4. Kesimpulan
Dari hasil pengujian pada bab sebelumnya diperoleh bahwa terjadi perubahan tegangan dan kadar debu. Dengan melihat hasil pengujian tersebut dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Pada setiap pengujian di berbagai tempat hasil nilai Dust Density akan berubah sesuai dengan kadar debu. Semakin banyak Dust Density yang terdeteksi maka semakin besar tegangan yang dibutuhkan.
2. Alat ini dapat digunakan sebagai alat ukur kadar debu yang baik dan yang tidak baik bagi lingkungan.
3. Alat Pengukur Debu berbasis mikrokontroller ini dapat berjalan baik pada keadaan apapun untuk mengukur nilai ADC , Voltage dan Dust Density.
Daftar Pustaka
Kurniawan, N, dkk. 2010. Makalah: Desain Electrostatic Precipitator Pada Cerobong Gas Buang Boiler Sebagai Penangkap Limbah Debu Di Pabrik Gula Gempolkerep. Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.
Mukono, H. J. 2008. Pencemaran Udara dan Pengaruhnya Terhadap Gangguan Saluran Pernapasan. Surabaya, Airlangga University Press.
Pasaribu, Dedy Advento. 2008. Tugas Akhir: Penggunaan Electrostatic Precipitator Sebagai Penanggulangan Polusi Udara Pada Cerobong Gas Buang Boiler (Aplikasi Dept. Power Plant Pt. Canang Indah). Program Diploma–IV Teknologi Instrumentasi Pabrik, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Medan.
Syahrorini, Syamsudduha. 2012. Draf Pra-Proposal: Desain Kontrol Electrostatic Precipitator (ESP) Pembakaran Ampas Tebu Pabrik Gula. Program Doktor Kajian Lingkungan untuk Pembangunan, Universitas Brawijaya, Malang.
http://www.adityarizki.net/2011/03/prinsip-kerja-pengendap-elektrostatik-precipitatoresp/, diakses pada tanggal 9 Juni 2012.
http://goldbook.iupac.org/E02028.html, diakses pada tanggal 9 Juni 2012.
