32
Bab ini akan membahas mengenai perancangan dan realisasi perangkat
keras serta perangkat lunak dari setiap modul yang mendukung keseluruhan alat
yang dibuat. Gambar 3.1 menunjukkan blok diagram alat secara keseluruhan.
Gambar 3.1 Blok Diagram
infrared reflowsoldering
.
Perancangan
infrared reflowsoldering
terbagi menjadi dua bagian, yaitu
perancangan perangkat keras dan perangkat lunak
infrared reflowsoldering
.
3.1
Cara Kerja Infrared Reflowsoldering
Infrared reflowsoldering
terdiri dari sebuah mikrokontroler yang
mengolah dua buah masukan, yaitu
keypad
dan sensor termokopel. Kedua
masukan tersebut digunakan oleh mikrokontroler untuk mengendalikan dua buah
Cara kerja dari
infrared reflowsoldering
ini akan dijelaskan pada
langkah-langkah kerja alat sebagai berikut :
1.
Infrared reflowsoldering
terdiri dua mode, yaitu mode
default
dan manual.
2.
Untuk memilih mode yang diinginkan, pengguna harus melakukan
penekanan tombol
keypad
, yaitu tombol ‘1’ untuk mode
default
, dan
tombol ‘2’ untuk mode manual.
3.
Pada mode
default
, setelah pengguna melakukan penekanan tombol
keypad,
mikrokontroler akan mengirimkan sinyal PWM ke SSR
berdasarkan nilai suhu yang diterima dari modul sensor termokopel untuk
disesuaikan dengan grafik perubahan suhu terhadap waktu mode
default
yang telah diinputkan pada mikrokontroler. Sinyal PWM yang diterima
SSR digunakan untuk mengatur posisi
on
/
off
dari oven. Mikrokontroler
akan menampilkan grafik perubahan suhu terhadap waktu selama proses
penyolderan berlangsung.
4.
Pada mode manual, pengguna terlebih dahulu memasukkan nilai-nilai
parameter suhu dan waktu dari masing-masing proses
reflowsoldering
menggunakan
keypad
yang tersedia pada modul pengendali utama.
Nilai-nilai tersebut merupakan masukan bagi mikrokontroler didalam melakukan
proses
reflowsoldering.
3.2
Perangkat Keras Infrared Reflowsoldering
Perangkat keras yang dirancang dan direalisasikan pada alat ini terdiri dari
mikrokontroler sebagai pengendali utama, modul sensor termokopel, modul LCD
3.2.1
Mikrokontroler
Alat yang dirancang menggunakan mikrokontroler keluarga AVR jenis
ATmega32 sebagai pengendali utama. Mikrokontroler ini berfungsi sebagai
pengendali penerimaan dan pengolahan data dari sensor termokopel, pengendali
modul pemanas, dan menampilkan grafik perubahan suhu terhadap waktu pada
modul penampil. Gambar 3.2 menunjukkan untai modul mikrokontroler,
sedangkan untuk Alokasi port-port mikrokontroler ditunjukkan pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Alokasi pin mikrokontroler
Port pengendali
mikrokontroler
Fungsi
Port A0 dan A1
Sebagai ADC untuk membaca
output sensor
Port A2-A5
Sebagai masukan untuk keypad
4x4
Port A6
Backlight
LCD grafik
Port A7
Reset
LCD grafik
Port B0-B2 dan B4
Sebagai masukan untuk keypad
4x4
Port B3
Terhubung dengan SSR
Port C0-C7
Terhubung pada LCD grafik
Gambar 3.2 Untai Modul Mikrokontroler.
3.2.2
Modul Sensor Termokopel
Untuk kepentingan pemantauan suhu oven
reflow
, dibutuhkan sensor suhu
presisi yang dapat bekerja pada suhu yang cukup tinggi. Termokopel digunakan
sebagai sensor suhu karena mampu bekerja pada suhu yang cukup ekstrim
(berkisar antara -400°C sampai 1300°C), harga yang terjangkau, dan tidak
membutuhkan sumber daya dalam pengoperasiannya.
Sinyal keluaran dari termokopel umumnya sangat kecil serta memiliki
Agar sinyal dapat memenuhi syarat untuk diolah pada proses selanjutnya,
misalnya sebagai masukan pada
Analog to Digital Converter
(ADC) diperlukan
rangkaian yang mampu mengatur
range
tegangan dan menghasilkan sinyal linier
serta bebas
noise
.
Gambar 3.3 Termokopel yang dipakai sebagai sensor suhu [8]
Pada perancangan digunakan penguat instrumentasi untuk menguatkan
tegangan keluaran termokopel, karena mampu menerima sinyal masukan dengan
impedansi yang rendah, memiliki penguatan yang stabil, merupakan penguat
loop
tertutup dengan masukan diferensial, serta penguatannya dapat diatur tanpa
mempengaruhi nisbah penolakan modus bersama (
Common Mode Rejection
Ratio
). Dengan keunggulan-keunggulan yang dimiliki, penguat instrumentasi
dapat digunakan sebagai rangkaian pengkondisi sinyal untuk sinyal rendah dan
mengandung
noise.
1.
Low offset voltage
:
maksimum 50µV
2.
Low drift
: maksimum 0,25µV/°C
3.
Low input bias current
: maksimum 2nA
4.
High Common-Mode Rejection
5.
Input over-voltage protection
: ±40V
6.
Memiliki
range
penguatan yang lebar yaitu 1-10.000. Besar
penguatan dari IC INA114AP ditentukan oleh nilai hambatan R
g.
Adapun rumus dari penguatan IC INA114AP adalah sebagai
berikut:
50
1
gk
G
R
Ω
= +
(3.1)
dimana:
G
= Nilai penguatan (1-1000)
g
R
=
Gain resistor
(ohm)
Dalam menentukan besar penguatan dari untai penguat instrumentasi, ada
dua hal yang perlu diperhatikan, yaitu:
1.
Nilai tegangan keluaran termokopel pada temperatur minimum dan
maksimum dari oven yang akan dirancang, sehingga dapat
disesuaikan dengan
range
tegangan referensi dari ADC yang
digunakan (pada perancangan dipakai ADC internal ATmega32
dengan tegangan referensi dari 0-5 Volt).
2.
Besar penguatan disesuaikan dengan nilai resistor yang tersedia di
Gambar 3.4 Untai penguat termokopel menggunakan penguat instrumentasi
INA114AP
Nilai resistor
R
gyang digunakan pada rangkaian penguat instrumentasi
adalah 120 dengan toleransi sebesar 1%. Sesuai dengan persamaan 3.1, maka
besar penguatan dari untai penguat instrumentasi adalah:
50
1
120
k
G
= +
Ω
Ω
1 416, 66
= +
=
417, 66
Posisi sensor termokopel pada oven yang dirancang, tepat dibawah
ceramic infrared heater
, tegak lurus terhadap arah radiasi, dengan jarak sekitar 2
cm. Hal ini dilakukan dengan harapan termokopel dapat menerima perpindahan
panas secara radiasi dari elemen pemanas dengan baik.
Gambar 3.5 Posisi dari termokopel pada oven yang dirancang
3.2.3
Modul Pemanas
Modul pemanas yang dibutuhkan untuk memenuhi spesifikasi dari alat
yang dirancang adalah sebagai berikut:
1.
Suhu maksimum dapat mencapai lebih besar sama dengan suhu
maksimum dari spesifikasi tugas akhir yang akan dirancang, yaitu
sebesar 260°C.
2.
Perubahan temperatur terhadap waktu yang tertulis pada spesifikasi
tugas akhir dapat dipenuhi.
3.
Umur pemakaian yang cukup lama.
4.
Efisiensi pemanasan yang tinggi.
Rencana awal dari perancangan modul pemanas adalah memanfaatkan
microwave oven
yang tersedia dipasaran. Namun penggunaan
microwave oven
dirasa tidak baik, karena dapat menimbulkan listrik statis yang mampu merusak
komponen yang disolder. Modul pemanas yang direalisasikan awalnya
menggunakan oven listrik yang terdapat di pasaran dengan spesifikasi sebagai
berikut:
1.
Menggunakan catudaya 220 VAC/50-60Hz.
2.
Kapasitas efisien 19 liter.
3.
Bobot 5 Kg.
4.
Suhu maksimum adalah 250°C.
5.
Memiliki empat elemen pemanas dengan konsumsi daya 395 W
untuk penggunaan dua elemen dan 790 W untuk penggunaan
empat elemen pemanas.
6.
Dimensi keseluruhan adalah 290 mm × 270 mm × 255 mm.
Setelah dilakukan percobaan pada oven yang dipakai, ternyata hasilnya
kurang memuaskan, karena proses penyolderan membutuhkan waktu yang cukup
lama yaitu sekitar 8 menit (jauh dari spesifikasi yang telah ditentukan). Untuk
mendapatkan waktu penyolderan yang cepat, sesuai dengan spesifikasi tugas
akhir, elemen pemanas pada oven diganti menjadi
ceramic infrared heater
Gambar 3.6 Elemen pemanas bawaan oven.
Gambar 3.7
Ceramic infrared heater
Spesifikasi dari
ceramic infrared heater
yang digunakan adalah sebagai
berikut:
2.
Menggunakan catudaya 220 VAC/50-60 Hz
3.
Daya keluaran maksimum 1000 Watt
4.
Temperatur maksimum 850°C
5.
Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai suhu maksimum dari suhu
kamar adalah ±60 detik
Agar mikrokontroler dapat mengatur kondisi
on
/
off
modul pemanas,
digunakan
Solid State Relay
(SSR) sebagai komponen pensaklaran. SSR yang
dipakai adalah KSD225AC3 buatan Cosmo electronic dengan spesifikasi sebagai
berikut:
1.
Input
5-12 VDC
2.
Load
25A, 250VAC
3.
Tegangan
drop
-
out
1 VDC
Gambar 3.8 Untai pensaklaran oven menggunakan SSR
Untuk mendapatkan perubahan temperatur ruang oven yang cepat,
sehingga dapat melakukan penyolderan sesuai dengan spesifikasi yang telah
1.
Dilakukan penyempitan ataupun pengurangan volume dari oven
dengan cara mengurangi tinggi dari ruang oven sekitar 9 cm.
2.
Melapisi dinding dalam sebelah atas dan bawah menggunakan
keramik.
3.
Melapisi dinding luar sebelah atas, kanan, dan kiri menggunaka
glasswool
dan alumunium foil.
Gambar 3.9 Pengurangan volume dari oven
3.2.4
Modul Penampil
Modul penampil yang digunakan pada tugas akhir ini adalah LCD grafik
128 kolom × 64 baris. Konfigurasi pin keluaran dari LCD grafik dapat dilihat
pada tabel 3.2.
Tabel 3.2 konfigurasi pin pada LCD 128 kolom × 64 baris [22, h.8]
Pin
No.
Symbo
l
Level
Description
1
CS1
L
Select Segment 1 ~ Segment 64
2
CS2
L
Select Segment 65 ~ Segment128
3
GND
0V
Ground
4
V
DD5.0V Supply voltage for logic
5
V
LC(Variabl
e)
Operating voltage for LCD
6
D/I
H/L
H: Data , L: Instruction
7
R/W
H/L
H: Read(MPU
←
Module) , L :Write(MPU
→
Module)
8
E
H
Enable signal
9
DB0
H/L
Data bit 0
10
DB1
H/L
Data bit 1
11
DB2
H/L
Data bit 2
12
DB3
H/L
Data bit 3
13
DB4
H/L
Data bit 4
14
DB5
H/L
Data bit 5
15
DB6
H/L
Data bit 6
16
DB7
H/L
Data bit 7
17
RST
L
Reset the LCM
18
VEE
V
Negative voltage;
19
A
-
Power supply for LED +
Gambar 3.11 LCD grafik 128 kolom × 64 baris [8]
3.2.5
Keypad
Keypad
yang digunakan adalah
keypad
jenis membrane dengan ukuran 4
kolom × 4 baris seperti pada Gambar 3.12.
Perancangan untuk modul ini menggunakan
scanning
keypad
.
Scanning
dilakukan dengan mengkonfigurasikan pin-pin dari
keypad
menjadi masukan dan
keluaran untuk mikrokontroler. Pin-pin yang dikonfigurasikan sebagai keluaran,
dihubungkan dengan pin yang terhubung dengan 4 baris pada
keypad
dan pin-pin
yang dikonfigurasikan sebagai masukan dihubungkan dengan pin yang terhubung
dengan 4 kolom pada
keypad
. Konfigurasi koneksi antar pin ditunjukkan pada
Tabel 3.3.
Tabel 3.3 Konfigurasi pin
keypad
Pin Keypad (tampak
depan)
Pin Mikrokontroler
Fungsi Pin
Mikrokontroler
Pin 1
Port B0
output
Pin 2
Port A2
output
Pin 3
Port B1
output
Pin 4
Port A3
output
Pin 5
Port B2
input
Pin 6
Port A4
input
Pin 7
Port B4
input
Pin 8
Port A5
input
3.3
Perangkat Lunak Infrared Reflowsoldering
Perangkat lunak pada
infrared reflowsoldering
ini digunakan untuk
melakukan pengolahan semua alur yang terdapat pada alat secara keseluruhan.
diagram alir
preheating
,
heating
,
soldering
dan
cooling
. Setiap proses dari
reflowsoldering
memiliki varibel-variabel suhu dan waktu, yaitu:
•
Preheating
: variabel suhu Ts, variabel waktu ts
•
Heating
: variabel suhu TL, variabel waktu tL
•
Soldering
: variabel suhu Tp, variabel waktu tp
•
Cooling
: saat
cooling
proses
reflowsoldering
telah selesai.
Gambar 3.13 merupakan diagram alir dari proses
preheating
. Pada proses
ini, waktu awal ditentukan mulai dari 0 detik, dengan suhu awal adalah 25°C.
Untuk mode
default,
target suhu yang ingin dicapai adalah 150°C dengan
kenaikan suhu maksimal 2°C/detik. Sedangkan untuk mode manual, target suhu
yang akan dicapai sesuai dengan masukan oleh
user
. Selama proses berlangsung
grafik perubahan suhu terhadap waktu ditampilkan pada LCD grafik. Setelah
proses
preheating
selesai, maka penyolderan akan dilanjutkan ke proses
heating
.
Gambar 3.14 merupakan diagram alir dari proses
heating
. Pada proses ini,
waktu awal ditentukan mulai dari 0 detik, dengan suhu awal adalah 150°C. Untuk
mode
default,
target suhu yang ingin dicapai adalah 183°C dengan kenaikan suhu
maksimal 1,3°C/detik. Sedangkan untuk mode manual, target suhu yang akan
dicapai sesuai dengan masukan oleh
user
. Selama proses berlangsung grafik
perubahan suhu terhadap waktu ditampilkan pada LCD grafik. Setelah proses
heating
selesai, maka penyolderan akan dilanjutkan ke proses
soldering
.
Gambar 3.15 merupakan diagram alir dari proses
soldering
. Pada proses
Untuk mode
default,
target suhu yang ingin dicapai adalah 225°C. Saat target
suhu dicapai, temperatur oven dijaga agar tetap stabil selama 20 detik. Sedangkan
untuk mode manual, target suhu yang akan dicapai sesuai dengan masukan oleh
user
. Selama proses berlangsung grafik perubahan suhu terhadap waktu
ditampilkan pada LCD grafik. Setelah proses
soldering
selesai, maka penyolderan
akan dilanjutkan keproses
cooling
.
Gambar 3.16 merupakan diagram alir dari proses
cooling
. Pada proses ini,