4
BAB II
LANDASAN TEORI
Pada bab ini akan dijelaskan beberapa teori pendukung yang digunakan sebagai acuan dalam Perancangan Sistem Penguji Kualitas Susu Sapi Murni Berdasarkan Nilai pH dan Kadar Air. Teori yang digunakan dalam perancangan skripsi ini antara lain metode Gravimetri yaitu metode yang digunakan untuk mengetahui kadar air dari suatu bahan, Derajat Keasaman/ pH, Sensor pH, Arduino Mega 2560, sensor berat load cell, sensor suhu thermocouple, infrared ceramic heater, relay, real time clock, motor DC, driver motor EMS-5A dan liquid crystal display (LCD).
2.1. Metode Gravimetri (Pengeringan Dengan Proses Pemanasan)
Metode Gravimetri adalah salah satu metode yang digunakan untuk mengetahui kadar air dari suatu bahan ( kering, padat, cair ). Metode ini dilakukan dengan cara mengeluarkan air dari bahan dengan proses pengeringan dalam oven (oven udara atau oven vakum, hal ini berdasarkan tekanan yang digunakan saat pengeringan) [1].
Pada usulan skripsi ini menggunakan metode oven udara untuk mengetahui kadar air yang terdapat pada cairan susu sapi murni. Metode ini didasarkan pada berat yang hilang sehingga sampel seharusnya mempunyai kestabilan panas yang tinggi dan tidak mengandung komponen yang mudah menguap. Air dikeluarkan dari bahan pada tekanan udara (760 mmHg) sehingga air menguap pada suhu 100
0
C yaitu sesuai titik didihnya [1]. Oven yang digunakan umumnya dipanaskan dengan pemanas listrik atau dengan pemanas inframerah.
5
Dengan menggunakan perhitungan di bawah ini maka dapat diketahui kadar air dari suatu bahan :
Kadar air =
�−(�1−�2)�
�
100 %
(2.1) Di mana, � = berat contoh sebelum dikeringkan (gram)
�1 = berat cawan dan berat contoh sesudah dikeringkan (gram)
�2 = berat cawan kosong (gram)
2.2. Derajat Keasaman / pH
Derajat keasaman suatu cairan dinyatakan dengan pH dan mempunyai nilai pH mulai dari 1 – 14. Cairan yang mempunyai pH 7 adalah pH netral, air memiliki sifat netral karena memiliki nilai pH 7. Cairan yang memiliki pH lebih besar dari 7 memiliki sifat basa, cairan yang memiliki sifat basa misalnya air yang mengandung garam Ca atau Mg karbonat. Sedangkan cairan yang memiliki pH lebih kecil dari 7 memiliki sifat asam, dan cairan yang memiliki sifat asam biasanya memiliki kandungan besi (Fe) tinggi sehingga mudah melarutkan Fe. Pengukuran nilai pH air di lapangan dilakukan dengan menggunakan pH meter, atau kertas lakmus [2].
2.3. Sensor pH
Gambar 2.1. PH Probe.
6
khusus (elektroda kaca) untuk mengukur aktifitas ion-ion hidrogen yang mengelilingi bohlam kaca berdinding tipis pada ujungnya. Prinsip kerjanya adalah semakin banyak elektron pada sampel maka akan semakin bernilai asam begitu pun sebaliknya, karena batang pada pH meter berisi larutan elektrolit lemah. Dalam kondisi normal, keluaran pH probe berupa tegangan rendah sekitar +0,06 volt per unit pH di bawah 7 dan sekitar -0.06 volt per unit pH di atas 7. Namun, jika digunakan untuk mengukur larutan netral/ph = 7 tegangan keluarannya = 0 volt [3].
2.4. Arduino Mega 2560
Mikrokontroler adalah sebuah computer mini yang berfungsi sebagai pengontrol rangkaian elektronik dan umumnya terkandung sebuah inti prosesor, memori, dan perlengkapan input-output di dalamnya. Salah satu mikrokontroler yang sering digunakan di pasaran saat ini adalah Arduino. Arduino adalah perangkat elektronik open source yang di dalamnya terdapat komponen utama, yaitu sebuah IC mikrokontroler dengan jenis AVR dari perusahaan Atmel.
Pada Arduino Mega digunakan IC mikrokontroler Atmega 2560. Arduino Mega memiliki 54 pin digital input/output, di mana 15 pin dapat digunakan sebagai output PWM, 16 pin sebagai input analog , dan 4 pin sebagai UART (port serial hardware), 16MHz kristal osilator, koneksi USB, jack power, header
ICSP, dan tombol reset.
7
Gambar 2.2 adalah konfigurasi pin dari mikrokontroler Arduino Mega 2560 dengan penjelasan fungsi-fungsinya sebagai berikut [4] :
1. VCC adalah untuk masukan digital voltage supply. 2. GND adalah pin ground.
3. ADC Port (PF0 - PF7 , PK0 - PK7) digunakan untuk input ADC (Analog toDigital Converter). Terdapat total 16 pin ADC yang dapat digunakan.
4. Digital Port (PA0-PA7, PB0-PB7, PC0-PC7, PD0-PD3, PE0, PE1, PE3- PE5, PG0-PG2, PG5, PH0, PH1, PH3-PH6, PJ0-PJ1, PL0-PL7) Masing- masing dari 54 digital pin pada Arduino Mega dapat digunakan sebagai input atau output, menggunakan fungsi pinMode() , digitalWrite() , dan
digitalRead(). Arduino Mega beroperasi pada tegangan 5 volt.
5. Serial : 0 (RX) dan 1 (TX); Serial 1 : 19 (RX) dan 18 (TX); Serial 2 : 17 (RX) dan 16 (TX); Serial 3 : 15 (RX) dan 14 (TX). Digunakan untuk menerima (RX) dan mengirimkan (TX) data serial TTL. Pin 0 dan 1 juga terhubung ke pin chip ATmega16U2 Serial USB-to-TTL
6. Eksternal Interupsi : Pin 2 (interrupt 0), pin 3 (interrupt 1), pin 18 (interrupt 5), pin 19 (interrupt 4), pin 20 (interrupt 3), dan pin 21 (interrupt 2). Pin ini dapat dikonfigurasi untuk memicu sebuah interupsi pada nilai yang rendah, meningkat atau menurun, atau perubah nilai.
7. SPI : Pin 50 (MISO), pin 51 (MOSI), pin 52 (SCK), pin 53 (SS). Pin ini mendukung komunikasi SPI menggunakan perpustakaan SPI. Pin SPI juga terhubung dengan header ICSP, yang secara fisik kompatibel dengan Arduino Uno, Arduino Duemilanove dan Arduino Diecimila.
8. LED : Pin 13. Tersedia secara built-in pada papan Arduino ATmega2560. LED terhubung ke pin digital 13. Ketika pin di-set bernilai HIGH, maka LED menyala (ON), dan ketika pin di-set bernilai LOW, maka LED padam (OFF).
9. TWI : Pin 20 (SDA) dan pin 21 (SCL). Yang mendukung komunikasi TWI menggunakan perpustakaan Wire. Pin ini tidak di lokasi yang sama dengan pin TWI pada Arduino Duemilanove atau Arduino Diecimila.
8
11. XTAL1 dan XTAL2 berfungsi sebagai pin external clock. 12. AVCC adalah pin tegangan supply untuk ADC.
13. AREF. Referensi tegangan untuk input analog. Digunakan dengan fungsi analogReference().
2.5. Sensor Berat Load cell
Gambar 2.3. Sensor Berat Load cell.
Sensor berat load cell adalah sebuah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran berat menjadi besaran listrik. Seperti yang terlihat pada Gambar 2.3. Load cell adalah sensor berat yang sering digunakan untuk mengukur berat atau beban dari suatu benda. Sensor berat load cell memiliki keakuratan tinggi dan kemudahan dalam perancangannya jika dibandingkan dengan sensor berat yang lain. Load cell ini juga mempunyai beberapa kelebihan struktur yang sederhana, memiliki sensitivitas tinggi dan mampu mengukur perubahan dengan cepat [5].
Pada perancangan skripsi ini digunakan sensor berat load cell 1kg yang memiliki spesifikasi sebagai berikut :
Beban maksimum : 1000 gram (1 Kg) Rentang tegangan keluaran : 0,1 mV ~ 1,0 mV / V Impedansi masukan (input impedance) : 1055 Ω ±15%
9
2.6. Sensor Suhu Thermocouple
Gambar 2.4. Sensor Suhu Thermocouple.
Untuk mendeteksi besaran suhu digunakan sebuah sensor suhu thermocouple seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4. Thermocouple
merupakan sensor suhu yang banyak digunakan untuk mengubah perbedaan suhu menjadi perubahan tegangan listrik ( voltase ). Thermocouple dapat mengukur suhu dalam jangkauan suhu yang cukup besar dengan batas kesalahan pengukuran kuang dari 1 oC. . Thermocouple mempunyai respon yang cepat terhadap perubahan suhu dan juga rentang suhu operasional yang luas yaitu berkisar diantara -200° C hingga 1200° C. Thermocouple juga tahan terhadap goncangan atau getaran dan mudah digunakan [6].
Thermocouple terdiri dari dua kawat logam konduktor yang berbeda jenis
dan digabungkan ujungnya. Satu jenis logam konduktor yang terdapat pada thermocouple akan berfungsi sebagai referensi dengan suhu konstan (tetap)
sedangkan logam lainnya sebagai logam konduktor yang mendeteksi suhu panas. Pada Gambar 2.5. dijelaskan kontruksi dari thermocouple [6].
10
Dari Gambar 2.5., ketika kedua persimpangan memiliki suhu yang sama, maka tidak ada beda potensial atau tegangan listrik yang melalui dua persimpangan tersebut atau V1 = V2. Akan tetapi, ketika persimpangan yang
terhubung dalam rangkaian diberikan suhu panas atau dihubungkan ke obyek pengukuran, maka akan terjadi perbedaan suhu di antara dua persimpangan tersebut yang kemudian menghasilkan tegangan listrik yang nilainya sebanding dengan suhu panas yang diterimanya atau V1 – V2. Tegangan Listrik yang
ditimbulkan ini pada umumnya sekitar 1 µV ~ 70µV pada tiap derajat celcius [6].
2.7. Infrared Ceramic Heater
Gambar 2.6. Infrared Ceramic Heater.
Infrared ceramic heater adalah sebuah pemanas yang pembuatannya terbentuk dengan cara gulungan nikelin yang dicor bersama – sama dengan bahan keramik. Pada pemanas tipe ini digunakan sebagai sumber panas radiasi. Nikelin merupakan material yang memiliki resistansi yang tinggi terhadap listrik, jika dialiri arus listrik maka nikelin akan mengubah arus listrik menjadi panas.
Material beresistansi tinggi tersebut kemudian dilapisi oleh isolator listrik (keramik). Disebut infrared ceramic heater karena pancaran panas yang
11
Keramik memiliki sifat termal bahan yaitu kapasitas panas dan konduktivitas termal. Kapasitas panas adalah kemampuan bahan untuk mengabsorbsi panas dari lingkungan, selain itu keramik juga memiliki konduktivitas termal yang rendah, artinya kemampuan keramik untuk menghantarkan panas rendah. Sebagian besar keramik memiliki titik leleh yang tinggi, artinya walaupun pada suhu yang tinggi material ini dapat bertahan dari perubahan bentuk dan ukuran selain itu keramik juga dapat bertahan dibawah tekanan tinggi. Akan tetapi perubahan suhu yang besar dan tiba – tiba dapat melemahkan keramik, kontraksi dan ekspansi pada perubahan suhu tersebutlah yang membuat keramik pecah.
Selain itu keramik juga memiliki sifat elektrik, sifat listrik keramik sangat bervariasi dan keramik dikenal baik sebagai bahan isolator karena konduktivitas elektriknya rendah. Konduktivitas termal yang rendah setara dengan kemampuan insulasi termal yang tinggi, insulasi termal ( isolasi panas ) adalah metode atau proses yang digunakan untuk mengurangi laju perpindahan panas. Panas atau energi panas dapat dipindahkan dengan cara konduksi, konveksi, dan radiasi atau ketika terjadi perubahan wujud. Bahan yang digunakan untuk mengurangi laju perpindahan panas itu disebut isolator atau insulator. Panas dapat lolos meskipun ada upaya untuk menutupinya, tetapi isolator mengurangi panas yang lolos tersebut.
2.8. Real Time Clock
Gambar 2.7. Real Time Clock DS1307.
12
dengan akurat. RTC juga dapat menjaga / menyimpan data waktu tersebut secara real time. Real time clock yang digunakan adalah tipe DS1307 yang memiliki akurasi hingga tahun 2100 [8].
Chip RTC sering dijumpai pada motherboard PC (biasanya terletak dekat chip BIOS). Semua komputer menggunakan RTC karena berfungsi untuk menyimpan informasi jam terkini dari komputer yang bersangkutan. RTC dilengkapi dengan baterai sebagai pensuplai daya pada chip, sehingga jam akan tetap up-to-date walaupun komputer dimatikan. RTC dinilai cukup akurat sebagai penghitung waktu (timer) karena menggunakan osilator kristal [8].
2.9. Relay
Relay merupakan komponen elektronika yang memiliki fungsi dasar
menyerupai kinerja dari saklar. Namun terdapat perbedaan antara relay dengan saklar. Perbedaan di antara keduanya terletak pada pergerakan contactor (on atau off). Contactor pada saklar digerakan secara manual tanpa perlu arus listrik.
Sedangkan contactor pada relay digerakan secara otomatis oleh arus listrik ketika relay tersebut dialiri arus listrik. Contactor pada relay dapat bergerak (on atau off)
dengan cara memanfaatkan efek induksi magnet yang dihasilkan oleh kumparan dalam (induktor) relay tersebut. Jadi pengertian dari relay adalah suatu komponen elektronika yang bekerja berdasarkan elektromagnetik untuk menggerakan contactor atau saklar elektromekanis dengan memanfaatkan energi listrik sebagai
sumbernya.
Dalam dunia elektronika, relay mempunyai peranan yang sangat penting untuk mengendalikan rangkaian yang membutuhkan arus besar tanpa terhubung secara langsung dengan rangkaian pengendali yang mempunyai arus kecil. Sehingga relay dapat berfungsi sebagai pengaman bagi rangkaian arus kecil terhadap rangkaian arus besar ketika rangkaian arus besar mengalami konsleting.
13
Gambar 2.8. Bentuk Relay
Pada umumnya relay terdiri dari 2 bagian utama, diantaranya : 1. Coil : Gulungan kawat yang mendapat arus listrik.
2. Contact : Saklar yang pergerakannya bergantung pada ada atau tidaknya arus listrik yang mengalir di coil.
Terdapat 2 jenis pergerakan contact pada relay, yaitu Normally Open dan Normally Close. Normally Open adalah kondisi ketika saklar dalam keadaan off.
Normally Close adalah kondisi ketika saklar dalam keadaan on. Berikut adalah
bagian-bagian yang tersusun pada relay :
Gambar 2.9. Bagian-bagian Dan Simbol Pada Relay.
14
2.10. Motor DC
Motor DC merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik, motor DC memerlukan supply tegangan searah ( DC ) pada kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Bagian utama motor DC adalah stator dan rotor di mana kumparan medan pada motor DC disebut stator ( bagian tidak berputar ) dan kumparan disebut rotor ( bagian yang berputar ). Bentuk motor paling sederhana memiliki kumparan satu lilitan yang bisa berputar bebas di antara kutub –kutub magnet permanen.
Catu tegangan DC dari baterai menuju lilitan melalui sikat yang menyentuh komutator, dua segmen yang terhubung dengan dua ujung liitan, kumparan satu lilitan pada Gambar 2.10. disebut angker dinamo. Angker dinamo adalah sebutan untuk komponen yang berputar di antara medan magnet.
Gambar 2.10. Motor DC Sederhana.
15
Gambar 2.11. Motor DC Power Window 12V.
2.11. Driver Motor EMS 5A
Gambar 2.12. Driver Motor EMS 5A H-Bridge.
Driver motor EMS 5A adalah sebuah driver motor yang digunakan untuk
16
Gambar 2.13. Tata Letak Komponen EMS 5A H-Bridge.
Modul H-Bridge memiliki satu set terminal konektor power & motor header (J1) dan satu set interface header (J2). Terminal konektor power & motor header (J1) digunakan untuk catu daya dan beban. Sedangakan interface header (J2) berfungsi sebagai komunikasi data digital dari modul H-Bridge ke mikrokontroler. Berikut ini adalah deskripsi dari masing-masing pin padakonektor power & motor header (J1) daninterface header (J2) [11].
Tabel 2.1. Deskripsi Dan Fungsi Pin Konektor Power & Motor Header (J1) [11].
No. Pin Nama I/O Fungsi
1 MIN1 I Pin masukan untuk menentukan keluaran MOUT 1 2 MIN2 I Pin masukan untuk menentukan keluaran MOUT 2
3
MSAT1 O
Keluaran digital yang melaporkan adanya kondisi fault pada modul. Berlogika Low jika ada fault pada modul atau keluaran
4 MEN I Pin enable untuk keluaran H-Bridge (MOUT 1 dan MOUT 2)
17
Diberi logika High untuk Full Operation, diberi logika Low untuk Mode Sleep
7 , 9 VCC - Terhubung ke catu daya untuk masukan (5 Volt) 8, 10 PGND - Titik referensi untuk catu daya masukan
Tabel 2.2. Deskripsi Dan Fungsi Pin Interface Header (J2).
Nama Fungsi
PGND Titik referensi untuk catu daya masukan
VCC Terhubung ke catu daya untuk masukan (5 Volt) MGND Titik referensi untuk catu daya keluaran ke beban V MOTOR (V MOT) Terhubung ke catu daya untuk keluaran ke beban
MOUT 2 Keluaran ke beban dari half H-Bridge kedua MOUT 1 Keluaran ke beban dari half H-Bridge pertama
Berikut ini adalah contoh koneksi dan juga tabel kebenaran EMS 5A H-Bridge.
18
Tabel 2.3. Tabel Kebenaran EMS 5A H-Bridge [11].
Status Kerja
19
elektronik yang dibuat dengan teknologi CMOS logic yang bekerja dengan tidak menghasilkan cahaya tetapi memantulkan cahaya yang ada di sekelilingnya terhadap front-lit atau mentransmisikan cahaya dari back-lit [12].
![Gambar 2.2. Konfigurasin Pin Arduino Mega 2560 [4].](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/733092.456462/3.595.90.526.153.750/gambar-konfigurasin-pin-arduino-mega.webp)
