P I M P I N A N R E D A K S I Gurum Ahmad Pauzi

(1)

(2)

P E N A N G G U N G J A W A B

Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA)

Universitas Lampung

P I M P I N A N R E D A K S I

Gurum Ahmad Pauzi

D E W A N R E D A K S I

Agus Riyanto

Arif Surtono

Amir Supriyanto

Sri Wahyu Suciyati

Junaidi

Leni Rumiyanti

Ediman Ginting Suka

Syafriadi

Pulung Karo-karo

Suprihatin

Donni Kis Apriyanto

Iqbal Firdaus

Humairoh Ratu Ayu

M I T R A B E S T A R I

Warsito (UNILA)

Posman Manurung (UNILA)

Simon Sembiring (UNILA)

Dwi Asmi (UNILA)

Yanti Yulianti (UNILA)

A L A M A T R E D A K S I

Jurusan Fisika, Universitas Lampung

Jl. Sumantri Brojonegoro No.1 Bandar Lampung

Telp. 0721-701609 Ext. 719 Fax. 0721-704625

Email: [email protected]

http://jemit.fmipa.unila.ac.id/

Jurnal ini diterbitkan oleh Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan

Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung bekerja sama dengan

Himpunan Fisika Indonesia Cabang Lampung, sebagai sarana

untuk mempublikasikan hasil penelitian, artikel review dari

peneliti-peneliti di bidang fisika energi, material dan teknologi

instrumentasi. Jurnal ini terbit empat kali setahun (Februari, Mei,

Agustus, dan November). Volume pertama terbit pada tahun 2020

dengan nama Journal of Energy, Material, and Instrumentation

Technology (JEMIT) dengan ISSN 2747-2043.

Journal of Energy, Material, and Instrumentation Technology

ISSN 2747-2043, Volume 1, Nomor 3, November 2020

(3)

DAFTAR ISI

Journal of Energy, Material, and Instrumentation Technology

ISSN 2747-2043, Volume 1, Nomor 3, November 2020

Halaman

Rancang Bangun Purwarupa Pemilah Nanas Berdasarkan

Tingkat Kematangan Menggunakan Mikrokontroler Blue Pill

STM32F103C8T6

Friska Tiara Desy, Arif Surtono, Amir Supriyanto, Junaidi

81 – 90

Analisis Potensi Energi Listrik Pikohidro dari Sumber Air

Pegunungan Serta Upaya Peningkatan Daya Listrik dengan

Memanfaatkan Rangkaian Joule Thief

Ahmad Badrus Soleh, Amir Supriyanto, Gurum Ahmad Pauzi,

Arif Surtono

91 – 102

Rancang Bangun Sistem Monitoring Kualitas Air Tambak

Udang (Litopenaeus Vannamei) Menggunakan Wireless

Sensor Sistem (WSS) yang Terintegrasi dengan PLC CPM1A

Gurum Ahmad Pauzi, Okta Ferli Suryadi, Gregorius Nugroho

Susanto, Junaidi

103 – 112

Analisis Suhu Dan Konsentrasi Karbondioksida dalam

Ko-tak Pendingin Terhadap Susut Bobot dan Umur Simpan

Buah Nanas (Ananas Comosus L. Merr) Berbasis MIT App

In-ventor 2

Yulinda Nugraeni, Sri Wahyu Suciyati, Gurum Ahmad Pauzi,

Amir Supriyanto

(4)

--- * Corresponding author.

E-mail addres: (a)[email protected], (b)[email protected], (b)[email protected], (d)[email protected]

Rancang Bangun Purwarupa Pemilah Nanas Berdasarkan

Tingkat Kematangan Menggunakan Mikrokontroler

Blue Pill STM32F103C8T6

Friska Tiara Desy

a

_{, Arif Surtono}

b

_{, Amir Supriyanto}

c

_{, dan Junaidi}

d

Jurusan Fisika, Universitas Lampung, Bandar Lampung, Indonesia, 35141 Article Information Abstract

Article history:

Received March 25th_{, 2020} Received in revised form May 30th_{, 2020} Accepted June 7th_{, 2020} Keywords: Blue Pill STM32F103C8T6, Maturity level,and Pineapple

The research about a design of prototype automatic pineapple sorting has been done with a belt conveyor system using a Blue Pill STM32F103C8T6 microcontroller. This research was conducted to create a prototype that can sort pineapples based on maturity level by classified unripe, ripe, and fully ripe. Sorting pineapple against the pineapple ripeness classification was carried out by a simulation process using serial data of index maturity sent from the PC monitor serial to microcontroller via serial communication. The serial data sent in character format was an integer 1; 2; 3; 4; 5; 6; and 7. The conveyor using a chain with gear transmission system and a DC motor as a drive. The results showed that the instument is capable of carrying a maximum load of pineapple fruit of 1.0 kg with a transport speed of 27,98 cm/s and can perform pineapple ripeness sorting with an accuracy more than 90%.

Informasi Artikel Abstrak Proses artikel:

Diterima 25 Maret 2020 Diterima dan direvisi dari 30 Mei 2020

Accepted 7 Juni 2020

Kata kunci:

Blue Pill STM32F103C8T6, Indeks kematangan, dan Nanas

Telah dilakukan penelitian berupa rancang bangun purwarupa pemilah nanas secara otomatis dengan sistem konveyor sabuk menggunakan mikrokontroler Blue Pill STM32F103C8T6. Purwarupa hasil rancangan yang dapat memilah nanas berdasarkan tingkat kematangan dengan klasifikasi nanas mentah, matang, dan sangat matang. Pemilahan nanas terhadap klasifikasi kematangan nanas dilakukan dengan proses simulasi menggunakan data serial indeks kematangan yang dikirimkan dari PC ke mikrokontroler melalui komunikasi serial. Data dikirimkan dalam format karaker berupa bilangan bulat 1; 2; 3; 4; 5; 6; dan 7. Konveyor pada alat ini menggunakan sistem transmisi rantai dan roda gigi serta menggunakan penggerak berupa motor DC. Hasil pengujian menunjukkan bahwa alat ini mampu mengangkut beban buah nanas maksimum sebesar 1,0 kg dengan kecepatan pengangkutan sebesar 27,98 cm/s dan dapat melakukan pemilahan kematangan nanas dengan akurasi lebih dari 90%.

1. Pendahuluan

Sektor pertanian merupakan sektor yang mempunyai peranan strategis dalam struktur pembangunan perekonomian nasional, salah satunya adalah tanaman hortikultura (Kementerian Pertanian, 2015). Nanas merupakan salah satu komoditas unggulan tanaman hortikultura Indonesia yang telah dikenal di seluruh dunia dan masuk dalam lima besar produsen nanas dunia(Kementerian Pertanian, 2016). Menurut Badan Pusat Statistik (2017), produktivitas nanas di Indonesia menempati posisi keempat dunia dengan total produksi mencapai 1.795.986 ton. Pencapaian produksi nanas terbesar di Indonesia banyak dihasilkan di provinsi Lampung dengan total produksi mencapai 633.095 ton. Produksi nanas nasional ini sebagian besar digunakan untuk keperluan ekspor.

JOURNAL OF ENERGY, MATERIAL, AND

INSTRUMENTATION TECHNOLOGY

Journal Webpage https://jemit.fmipa.unila.ac.id/

(5)

82 Desy dkk, 2020 / J. Energy Mater. Instrum. Technol. Vol. 1 No. 3, 2020

Dalam perdagangan internasional, kualitas nanas yang akan diekspor sangatlah penting. Pemantauan dan peningkatan kualitas nanas yang diperdagangkan merupakan suatu syarat dalam penanganan produk nanas. Salah satu cara untuk meningkatkan kualitas nanas adalah dengan melakukan pemilahan untuk menentukan klasifikasi kematangan nanas. Pada umumnya proses pemilahan di industri nanas masih dilakukan secara manual menggunakan tenaga manusia. Proses ini memiliki kekurangan yaitu rendahnya efisiensi, objektifitas, dan tingkat konsistensi. Sejalan dengan perkembangan teknologi saat ini, proses pemilahan banyak dikembangkan dengan sistem otomatisasi menggunakan perangkat elektronik dan mekanik untuk keefektifan serta keakuratan hasil yang didapat.

Untuk skala industri, alat pemilah buah yang banyak digunakan adalah pemilahan dengan sistem konveyor. Pemilahan dengan sistem konveyor di industri sangat efisien dalam proses pemindahan ataupun pengangkutan barang, baik barang yang sudah jadi maupun barang yang akan diproses di bagian lain(Tamam dkk., 2018). Alat pemilah otomatis buah nanas belum dikembangkan di Indonesia. PT Great Giant Pineapple (GGP) yang merupakan pelopor perusahaan produsen nanas pertama Indonesia melakukan proses pemilahan buah secara semi-otomatis yaitu hanya dilakukan pemilahan berdasarkan ukuran buah, sedangkan pemilahan kematangan nanas masih dilakukan secara manual berdasarkan pengamatan oleh pekerja terhadap warna kulit nanas.

Pemilahan nanas berdasarkan tingkat kematangan dibagi menjadi tujuh tingkat yang berbeda yaitu dari indeks 1 sampai 7 diukur berdasarkan warna kulit nanas (Shamsudin dkk., 2009). Ke tujuh indeks tersebut dikelompokkan menjadi tiga kematangan warna kulit nanas yaitu mentah, matang, dan sangat matang. Warna kulit nanas mentah ditandai dengan tingkat kematangan pada indeks 1 dan 2, warna kulit nanas matang ditandai dengan tingkat kematangan pada indeks 3, 4, dan 5, serta warna kulit nanas sangat matang ditandai dengan tingkat kematangan pada indeks 6 dan 7 (Bakar dkk., 2013).

Untuk mempermudah proses pemilahan tingkat kematangan nanas diperlukan suatu sistem intrumentasi yang dapat memilah nanas secara otomatis. Realisasi dari sistem ini berupa purwarupa pemilah nanas otomatis menggunakan sistem konveyor dengan pengontrol otomatis menggunakan mikrokontroler Blue Pill STM32F103C8T6 dan aktuator motor stepper sebagai pemilah nanas. Pemilahan nanas berdasarkan hasil klasifikasi tingkat kematangan yang dikirimkan oleh PC melalui

port serial dalam format karakter berupa bilangan bulat 1, 2, 3, 4, 5, 6, dan 7 digunakan sebagai

instruksi untuk menggerakkan motor stepper.

2. Metode Penelitian

Penelitian ini dilakukan dengan membuat perancangan sistem pemilah buah nanas terdiri atas sistem mekanik dan rangkaian elektronik untuk menjalankan purwarupa secara otomatis. Kemudian melakukan pengujian dan pengambilan data untuk mengetahui tingkat keberhasilan dari alat yang telah dibuat.

2.1 Perancangan Sistem Mekanik

Sistem mekanik purwarupa pemilah nanas dirancang menggunakan sistem konveyor sabuk. Perancangan sistem mekanik harus memperhitungkan parameter penggerak konveyor sabuk tersebut. Besar rasio roda gigi yang digunakan dapat ditentukan berdasarkan Persamaan1 (Uicker

dkk., 2016),



n 2j -1 j=1 n 2j j=1 z R = z (1)

Besar roda gigi R merupakan perbandingan antara perkalian jumlah gigi z pada roda gigi penggerak dengan roda gigi yang digerakkan, dengan j merupakan bilanga asli (1, 2, 3,…, n) dari pada roda gigi yang digunakan. Karena rasio roda gigi adalah perbandingan antara kecepatan putar masukan N0

dengan kecepatan putar keluaran Nt dalam satuan rotasi per menit (rpm), sehingga kecepatan putar

keluaran motor dapat diperoleh dengan Persamaan 2:

t 0

(6)

83 Desy F T, Surtono A, Supriyanto A, dan Junaidi, 2020, Rancang Purwarupa Pemilah Nanas Berdasarkan Tingkat Kematangan Menggunakan Mikrokontroler Blue Pill STM32F103C8T6, Jurnal of Energy, Material, and Instrumentation Technology, Vol. 1 No. 3, 2020

Daya motor P yang dibutuhkan untuk menjalankan konveyor sabuk pada purwarupa pemilah nanas dapat ditentukan menggunakan Persamaan3 (Khurmi dan Gupta, 2005):

t

2πN τ

P =

60

(3)

di mana P adalah daya motor penggerak (watt), Nt adalah kecepatan putar keluaran motor (rpm), dan τ

adalah torsi motor penggerak (Nm). Kemudian, kecepatan konveyor sabuk dapat diperoleh menggunakan Persamaan 4: t r

πdN

v =

60

(4)

dengan vr adalah kecepatan konveyor sabuk (m/s) dan d adalah diameter rol penggerak sabuk (m). 2.2 Perangkat Keras Sistem Kontrol

Perangkat terdiri dari sistem elektromekanis yang memiliki dua komponen utama untuk proses pemilahan nanas yaitu unit pengontrol dengan mikrokontroler Blue Pill STM31F103C8T6 dan aktuator menggunakan motor stepper, serta unit penggerak mekanik konveyor sabuk menggunakan motor DC. Komponen penyusun pada purwarupa ini meliputi power supply (PS), PC, USB to TTL,

module sensor IR tipe FC-51, driver L298N, dan LCD 16x2. Diagram blok perangkat keras sistem

pemilah nanas otomatis seperti pada Gambar 1.

Mikrokontroler Blue Pill STM32F103C8T6 Motor stepper 1 Driver L298N PC Motor DC Motor stepper 2 Driver IC L298N Driver L298N Power Supply Komunikasi serial LCD Sensor IR

Gambar 1. Diagram blok sistem pemilah nanas

PS berfungsi untuk mensuplai tegangan motor DC dan motor stepper. PC berfungsi untuk mengirimkan data indeks kematangan nanas dalam bentuk kode karakter pada serial monitor Arduino IDE ke mikrokontroler melalui komunikasi serial menggunakan perangkat USB to TTL. Sensor IR berfungsi untuk mendeteksi nanas sebagai indikator motor stepper pemilah nanas. Driver motor IC L298N merupakan IC driver penggerak motor yang berfungsi mengatur kecepatan dan arah putaran pada motor DC, serta jumlah langkah pada motor stepper. LCD 16x2 digunakan untuk menampilkan hasil klasifikasi nanas berupa data indeks dan status kematangan nanas pada sistem pemilah nanas. Komponen tersebut dirangkai secara keseluruhan menjadi sistem unit kontrol otomatis seperti pada

(7)

Gambar 2. Rangkaian sistem secara keseluruhan

a. Rangkaian sensor IR. Rangkaian sensor IR dalam module FC-51 yang dibuat menggunakan IC

op-amp LM358. Pada rangkaian tersebut terdapat sebuah transmitter infrared dan receiver potodioda sebagai input yang masuk ke IC LM358. IC ini berfungsi sebagai sebagai komparator tegangan untuk membandingkan tegangan masukan dari sensor potodioda dengan tegangan masukan dari potensiometer. Jika tegangan masukan pada +V lebih besar dari tegangan –V, maka keluarannya berupa sinyal HIGH atau berlogika “1” dan menyalakan led sebagai indikator tidak adanya objek. Tetapi, jika tegangan masukan pada +V lebih rendah dari tegangan –V, maka keluarannya berupa sinyal LOW atau berlogika “0” dan led tidak menyala yang berarti mendeteksi adanya objek.

b. Rangkaian Driver Motor L298N. Pengendalian gerak motor DC dan motor stepper dibantu

menggunakan driver motor IC L298N. Pada driver motor terdiri dari rangkaian IC L298N yang ditambahkan rangkaian pendukung berupa dioda dan rangkaian regulator tegangan. Dioda 1N-4007 berfungsi sebagai proteksi terhadap induksi yang diakibatkan oleh perubahan putaran motor secara tiba-tiba. Sedangkan rangkaian regulator untuk mengatur tegangan yang berasal dari catu daya. Pada IC L298N terdapat 4 buah pin input, 2 buah pin enable dan 4 buah pin output. Pin input 1 dan 2 digunakan untuk mengontrol motor 1 yang dan pin input 3 dan 4 digunakan untuk mengontrol motor 2. Kombinasi ini berlaku untuk mengontrol motor DC yang memiliki 2 buah terminal. Sedangkan pada rangkaian motor stepper jenis bipolar yang terdiri dari 4 kabel dan 2 kumparan. Kumparan 1 untuk kabel 1 dan 2 dihubungkan ke input 1 dan 2 driver L298N, kumparan 2 untuk kabel 3 dan 4 dihubungkan ke input 3 dan 4 pada driver L298N. Sehingga untuk menggerakkan 1 motor stepper membutuhkan 1 buah driver.

c. Rangkaian LCD 16x2. Rangkaian LCD 16x2 dilengkapi dengan module komunikasi I2C (inter-intergrated circuit) yang hanya menggunakan 2 saluran komunikasi yaitu SCL (serial clock) dan SDA

(serial data). Penggunaan module ini untuk lebih mudah menampilkan data pada LCD. Pengiriman data ini dilakukan melalui komunikasi serial USART (universal synchronous Asynchronous Receiver

Transmitter) yang digunakan pada port serial atau terminal USB (universal serial bus) komputer9_.

2.3 Prinsip Kerja Sistem

Prinsip kerja pada purwarupa pemilah nanas meliputi sistem konveyor dan pengendalian motor stepper untuk pemilah nanas dijelaskan pada diagram alir seperti Gambar 3.

(8)

Mulai Konveyor ON

Kirim data di serial monitor Indeks 1 || 2 Indeks 3 || 4 || 5 Ya

Stepper 1 ON Stepper 2 ON Stepper 1 OFF, _{Stepper 2 OFF} Tidak Selesai Tidak Ya Pemilahan nanas selesai ? Ya Tidak Indeks 6 || 7 Ya Tidak Sensor IR 1 deteksi Sensor IR 2 deteksi

Gambar 3. Diagram alir sistem pemilah nanas

Proses pemilahan nanas dimulai dengan keadaan awal semua sistem mekanik menyala yaitu konveyor dalam kondisi ON. Pengiriman data serial indeks kematangan nanas oleh PC dikirimkan ke mikrokontroler. Data yang dikirimkan dalam format karakter berupa bilangan bulat 1, 2, 3, 4, 5, 6, dan 7, kemudin data akan disimpan pada memori mikrokontroler. Hasil klasifikasi yang dikirimkan berupa indeks 1 atau 2, maka sensor IR1 akan aktif mendeteksi nanas dan motor stepper 1 akan menggerakkan papan pemilah nanas mentah. Untuk hasil klasifikasi indeks 3 atau 4 atau 5, maka sensor IR2 akan aktif mendeteksi nanas dan motor stepper 2 akan menggerakkan papan pemilah nanas matang. Sedangkan hasil klasifikasi indeks 6 atau 7, maka kedua sensor IR dan motor stepper akan mati lalu nanas sangat matang akan diteruskan oleh sabuk konveyor menuju wadah penampungan.

2.4 Pengujian dan Pengambilan Data

Pengujian sistem dilakukan untuk mengetahui tingkat keberhasilan dari purwarupa yang dibuat. Pengujian ini dilakukan dengan cara mengukur arus dan tegangan motor DC menggunakan multimeter. Kemudian, pengujian keseluruhan sistem dilakukan pada purwarupa pemilah nanas untuk mengetahui kesesuaian program perangkat lunak terhadap sistem pemilah nanas. Pengambilan data dilakukan dengan cara menjalankan seluruh sistem untuk menentukan daya dan tegangan motor DC, respon waktu motor stepper terhadap kecepatan konveyor sabuk, serta ketepatan papan pemilah terhadap klasifikasi nanas. Besar daya motor DC dapat ditentukan menggunakan

Persamaan5:

P = VI

(5)

dengan P merupakan daya listrik motor (watt), V adalah tegangan motor DC (V), dan I adalah kuat arus motor DC (A). Kemudian, untuk mendapatkan nilai akurasi papan pemilah terhadap klasifikasi nanas dapat dihitung menggunakan Persamaan 6:

(9)



p 2,3 p n - n (%) = ×100% n

Akurasi pemilah 1 (6.a)



p 1,3 p n - n (%) = ×100% n Akurasi pemilah 2 (6.b) p



1, 2 p n - n (%) = ×100% n Akurasi pemilah 3 (6.c)

di mana n1,2,3 merupakan jumlah pemilah 1, 2, dan 3, dan np adalah jumlah pengulangan (5 kali). 3. Hasil dan Pembahasan

3.1 Realisasi Alat

Purwarupa pemilah nanas secara otomatis berdasarkan tingkat kematangan dengan sistem konveyor sabuk menggunakan mikrokontroler Blue Pill STM32F103C8T6 seperti pada Gambar 4.

Gambar 4. Purwarupa pemilah nanas

Alat pemilah nanas dirancang dengan sistem mekanik berupa konveyor sabuk dan sistem kontrol pemilah nanas otomatis. Dimensi purwarupa pemilah nanas yang telah terealisasi memliki panjang 150 cm, lebar 65 cm, dan tinggi 110 cm dirancang mengunakan plat aluminium, pipa PVC, besi siku dan besi hollow 6x4 cm. Sabuk konveyor pada sistem ini terpisah menjadi 3 bagian yang terhubung menggunakan transmisi rantai dan roda gigi. Jarak pengangkutan tiap bagian sabuk yaitu sabuk pertama sebesar 60 cm, sabuk kedua dan sabuk ketiga sebesar 20 cm. Jenis sabuk yang digunakan synthetic fabric berbahan denim dengan lebar 28 cm dan tebal 0,9 mm. Diameter rol penggerak sabuk konveyor yaitu 60 mm atau 0,06 m. Parameter penggerak konveyor sabuk ditunjukkan pada Tabel 1.

Tabel 1. Parameter perencanaan sistem mekanik konveyor sabuk

No Parameter Hasil

1 Kecepatan putar motor penggerak 80,2 rpm

2 Torsi motor penggerak 2 Nm

3 Kapasitas angkut 367,35 tumpahan/jam 4 Kapasitas angkut maksimum 367,35 kg/jam

5 Kecepatan konveyor 25,17 cm/s

6 Daya yang dibutuhkan konveyor sabuk 4,19 Watt

(10)

Purwarupa pemilah nanas secara otomatis dikendalikan menggunakan mikrokontroler Blue Pill STM32F103C8T6. Pengontrolan sistem oleh mikrokontroler yaitu melakukan proses pemilahan nanas dengan mengontrol kerja motor stepper menggerakkan papan pemilah dan kerja motor DC menggerakkan konveyor sabuk. Pengendalian motor stepper dilakukan berdasarkan data serial dalam format karakter berupa bilangan bulat 1, 2, 3, 4, 5, 6, dan 7 yang dikirimkan oleh PC, dan kondisi sensor IR pendeteksi adanya objek nanas yang akan dipilah dijelaskan pada Tabel 2.

Tabel 2. Pengendalian motor stepper pemilah nanas Data Indeks

Kematangan

Kondisi Sensor IR Kondisi Motor Stepper

IR 1 IR 2 Stepper 1 Stepper 2 1 0 1 ON OFF 2 0 1 ON OFF 3 1 0 OFF ON 4 1 0 OFF ON 5 1 0 OFF ON 6 1 1 OFF OFF 7 1 1 OFF OFF

3.3 Daya dan Tegangan Motor DC

Daya dan tegangan listrik motor DC diukur pada saat kondisi idle dan aktif. Kondisi idle merupakan kondisi dimana motor menggerakkan konveyor tanpa adanya beban, sedangkan kondisi aktif yaitu kondisi dimana motor bekerja saat konveyor mengangkut beban. Pengukuran tegangan masuk (Vin) dan tegangan keluar (Vout) serta besarnya arus (I) yang bekerja pada motor DC

menggunakan alat multimeter untuk mengetahui besar daya yang dibutuhkan motor DC. Hasil pengujian dapat disajikan pada Tabel 3.

Tabel 3. Daya dan tegangan motor DC penggerak konveyor sabuk

No Kondisi Tegangan I (A) P (watt)

Vin (V) Vout (V)

1 Idle 24,20 24,19 6,04 0,25

2 Aktif 24,18 23,84 8,82 0,37

Pada Tabel 3 diperoleh tegangan keluar (Vout) pada kondisi idle motor hanya mengalami

penurunan tegangan sebesar 0,01 V, sedangkan pada kondisi motor aktif mengalami penurunan tegangan mencapai 0,34 V. Penurunan tegangan ini terjadi karena adanya beban nanas sehingga konsumsi daya yang dibutuhkan oleh motor DC untuk menggerakkan konveyor bertambah besar, dengan daya yang dikeluarkan oleh motor DC saat menggerakkan konveyor dalam kondisi aktif sebesar 8,82 watt.

3.4 Laju Pengangkutan Konveyor Sabuk

Laju konveyor ini merupakan kecepetan rata-rata pengangkutan terhadap beban buah nanas. Untuk mengetahui laju konveyor dengan massa buah nanas maksimum yang mampu diangkut oleh konveyor yaitu dilakukan pengujian menggunakan sampel 0,5; 1,0; dan 1,5 kg. Konveyor mampu menggangkut beban dengan massa 0,5 dan 1,0 kg dengan kecepatan stabil, sedangkan pada sampel nanas massa 1,5 kg konveyor seketika langsung berhenti dan tidak berjalan. Dengan demikian, massa maksimum yang mampu diangkut oleh konveyor pada purwarupa pemilah nanas yaitu sebesar 1,0 kg. Dari hasil pengujian dapat ditentukan besar kecepatan rata-rata pengangkutan beban buah nanas yang diangkut. Jarak tempuh pengakutan nanas yaitu sepanjang konveyor sabuk 120 cm, dengan waktu tempuh tiap beban nanas dihitung menggunakan stopwatch. Hasil pengujian dan pengambilan data dapat dilihat pada Gambar 5.

(11)

Gambar 5. Grafik hubungan kecepatan pengangkutan terhadap beban

Gambar 5 merupakan grafik hubungan antara kecepatan pengangkutan dengan beban yang

menunjukkan bahwa kecepatan pengangkutan konveyor sabuk semakin kecil dengan bertambahnya beban pengangkutan. Hal ini menunjukkan bahwa kecepatan berbanding terbalik dengan massa yaitu semakin besar beban benda maka kecepatan benda akan semakin kecil (Sirait, 2018). Pada saat konveyor sabuk bergerak tanpa beban diperoleh kecepatan rata-rata sebesar 35,59 cm/s, sedangkan pada saat diberikan beban angkut buah nanas dengan massa 0,5 dan 1,0 kg diperoleh masing-masing kecepatan rata-rata pengangkutan buah nanas sebesar 30,18 dan 27,98 cm/s.

3.5 Respon Waktu Pemilah Nanas

Respon waktu pada setiap papan pemilah terhadap kecepatan konveyor sabuk pada tiap klasifikasi kematangan nanas. Jarak tempuh mencapai papan pemilah 1 nanas mentah yaitu 60 cm, jarak tempuh papan pemilah 2 nanas matang yaitu 80 cm, dan jarak tempuh pemilah 3 nanas sangat matang yaitu 120 cm. Hasil pengujian respon waktu papan pemilah dapat dilihat pada Gambar 6.

Gambar 6. Grafik hubungan respon waktu dengan jarak tempuh pemilah

Gambar 6 yang merupakan grafik hubungan antara respon waktu dengan jarak tempuh pemilah

nanas menunjukkan bahwa respon waktu pada setiap pemilahan semakin lama ketika jarak tempuh pengangkutan buah nanas semakin jauh. Hal ini menunjukka bahwa jarak dan waktu mempunyai nilai yang berbanding lurus. Jika jarak pengangkutan diperbesar, maka nilai respon waktu semakin besar (Prihatini dkk., 2017). Respon waktu papan pemilah ini berdasarkan pada waktu tempuh buah nanas mencapai papan pemilahan dengan kecepatan konveyor sabuk sebesar 25,17 cm/s.

3.6 Ketepatan Pemilahan Klasifikasi Kematangan Nanas

Untuk mengetahui respon papan pemilah dan ketepatan pemilahan terhadap klasifikasi kematangan nanas dilakukan pengujian menggunakan 5 sampel buah nanas dan mengirimkan data

(12)

serial indeks kematangan nanas melalui komunikasi serial antara PC dengan mikrokontroler. Data serial 1 dan 2 untuk menggerakkan motor stepper pada papan pemilah 1, data serial 3, 4, dan 5 untuk menggerakkan motor stepper pada papan pemilah 2, sedangkan data serial 6 dan 7 tidak menggerakkan motor stepper. Tingkat akurasi pemilahan klasifikasi kematangan buah nanas disajikan pada Tabel 4.

Tabel 4. Ketepatan pemilahan klasifikasi kematangan nanas Data Indeks Klasifikasi Kematangan Pengulangan Pemilah Akurasi 1 2 3 1 Mentah 5 kali 5 0 0 100% 2 Mentah 5 kali 4 0 1 80% Rata-rata pemilah 1 90% 3 Matang 5 kali 0 5 0 100% 4 Matang 5 kali 0 5 0 100% 5 Matang 5 kali 0 4 1 80% Rata-rata pemilah 2 93,33%

6 Sangat Matang 5 kali 0 0 5 100%

7 Sangat Matang 5 kali 0 0 5 100%

Rata-rata pemilah 3 100%

Pada Tabel 4 menunjukkan akurasi pemilahan lebih dari 90%, sehingga dapat dikatakan sangat baik pada proses pemilahan menggunakan sistem konveyor sabuk. Pemilah 1 klasifikasi nanas mentah diperoleh akurasi pemilahan rata-rata sebesar 93,33%, pemilah 2 klasifikasi nanas matang sebesar 90%, dan pemilah 3 klasifikasi nanas sangat matang sebesar 100%.

4. Kesimpulan

Berdasarkan hasil pengujian dan pembahasan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa purwarupa pemilah nanas berdasarkan tingkat kematangan secara otomatis dapat direalisasikan menggunakan mikrokontroler Blue Pill STM32F103C8T6. Alat ini dibuat menggunakan sistem konveyor sabuk dan mampu mengangkut beban maksimum buah nanas sebesar 1,0 kg dengan kecepatan pengangkutan sebesar 27,98 cm/s. Pemilahan nanas terhadap klasifikasi kematangan nanas yang dilakukan menggunakan motor stepper bekerja sangat baik dengan akurasi lebih dari 90%.

5. Ucapan Terimakasih

Penulis mengucapkan terima kasih kepada Kepala Laboratorium Elektronika Dasar dan Instrumentasi Jurusan Fisika FMIPA Universitas Lampung yang telah membantu dalam penyelesaian penelitian ini.

6. Daftar Pustaka

Kementerian Pertanian. 2015. Rencana Strategis Kementerian Pertanian Tahun 2015-2019. Kementerian Pertanian RI. Jakarta.

__________________. 2016. Outlook Nenas. Pusat Data dan Sistem Informasi Pertanian. Jakarta.

Badan Pusat Statistik. 2017. Statistik Tanaman Buah-Buahan dan Sayuran Tahunan Indonesia. Badan Pusat Statistik. Jakarta.

Tamam, M. T., Taufiq, A. J., dan Dwiono, W. 2018. Perencanaan dan Pembuatan Prototipe Sistem Sortir Buah Jeruk. TECHNO. Vol. 19, No. 1. Hal. 1-6.

(13)

Shamsudin, R., Daud, W. R. N., Takrif, M. S., dan Hassan, O. 2009. Chemical Compositions and Thermal Properties of the Josapine Variety of Pineapple Friut (Ananas Comosus L.) in Different Storage Systems. Journal of Food and Process Engineering. Vol. 34, No. 5. Hal. 1558-1572. Bakar, B. H. A., Ishak, A. J., Shamsuddin, R., dan Hassan, W. Z. W. 2013. Ripeness Level

Classification For Pineapple Using RGB and HIS Colour Maps. Journal of Theoretical and

Applied Information Technology. Vol. 57, No. 3. Hal. 587-593.

Uicker, J. J., Pennock, G. R., dan Shigley, J. E. 2016. Theory of Machines and Mechanisms, Fifth

Edition. Oxford University Press. United Stated of America.

Khurmi, R. S dan Gupta, J. K. 2005. A Text Book of Machine Design. Eurasia Publishing House (Pvt) Ltd. New Delhi.

Sirait, R. 2018. Pengaruh Massa Terhadap Kecepatan dan Percepatan Berdasarkan Hukum II Newton Menggunakan Linier Air Track. FISITEK: Jurnal Ilmu Fisika dan Teknologi. Vol. 2, No. 2. Hal. 11-17.

Triansah, A. 2017. Authentifikasi Login User pada Perangkat Lunak Menggunakan Arduino Uno dan Enkripsi AES 256. Expert-Jurnal Management Sistem Informasi dan Teknologi. Vol. 7, No. 2. Hal. 90-95.

Prihatini, S., Handayani, W., dan Agustina, R. D. 2017. Identifikasi Faktor Perpindahan Terhadap Waktu yang Berpengaruh pada Kinematika Gerak Lurus Beraturan (GLB) dan Gerak Lurus Berubah Beraturan (GLBB). JoTaLP: Journal of Teaching and Learning Physics. Vol. 2, No. 2. Hal. 13-20.

(14)

E-mail addres: [email protected]

Analisis Potensi Energi Listrik Pikohidro dari Sumber Air

Pegunungan Serta Upaya Peningkatan Daya Listrik dengan

Memanfaatkan Rangkaian Joule Thief

Ahmad Badrus Soleh, Amir Supriyanto

*

_{, Gurum Ahmad Pauzi, dan Arif Surtono}

Jurusan Fisika, Universitas Lampung, Bandar Lampung, Indonesia, 35141 Article Information Abstract

Article history:

Received October 24th_{, 2020} Received in revised form October 26th_{, 2020} Accepted November 17th_, 2020

Keywords:

picohydro, Joule Thief, Power

The research about picohydro power plant system has been developed in recent years. However, there is a problem in output power when using too small water debit on it. Output power can improved with a generator module and joule thief module. The generator module uses a turbine that the diameter is 4 cm to drive a permanent magnet generator while the joule thief module consists of a charger controller to control charging process of battery, 3200 mAh lithium-ion battery for storing electric power generated by the generator and a joule thief circuit to increase the electrical power that stored in the battery. This device has been tested by using 7 variations of water debit that is 0.06 liters/second, 0.066 liters/second, 0.071 liters/second, 0.077 liters/second, 0.093 liters/second, 0.138 liters/second, and 0.14 liters/second. The results showed that the increasement of power generated when water debit are increased. The maximum power generated in this power generation system is 7.75 W and its able to supply power for LED lights 220 V 3 W for 165 minutes.

Diterima 24 Oktober 2020 Diterima dan direvisi dari 26 Oktober 2020

Accepted 17 November 2020

Kata kunci:

Pikohidro, Joule Thief, Daya

Penelitian mengenai sistem pembangkit listrik pikohidro banyak dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir. Namun, dalam proses penelitian sistem pembangkit listrik pikohidro masih memiliki kendala pada daya yang dihasilkan ketika debit air yang digunakan sangat kecil. Daya listrik yang dihasilkan dapat ditingkatkan dengan modul generator dan modul joule thief. Modul generator menggunakan turbin dengan diameter 4 cm untuk menggerakkan generator magnet permanen sedangkan modul joule thief terdiri dari charger controller TP4056 sebagai pengendali pengisian baterai, baterai lithium-ion 3200 mAh sebagai penyimpan daya listrik yang dihasilkan generator dan rangkaian joule thief untuk meningkatkan daya listrik yang tersimpan pada baterai. Pengujian dilakukan dengan menggunakan 7 variasi debit air yaitu 0,06 liter/detik, 0,066 liter/detik, 0,071 liter/detik, 0,077 liter/detik, 0,093 liter/detik, 0,138 liter/detik, dan 0,14 liter/detik. Hasil penelitian menunjukkan adanya kenaikan daya yang dihasilkan setiap bertambahnya debit air. Daya maksimal yang dihasilkan pada sistem pembangkit listrik ini sebesar 7,75 W dan mampu untuk menyuplai daya untuk lampu LED 220 V 3 W selama 165 menit.

1. Pendahuluan

Pemanfaatan energi listrik telah dilakukan di berbagai bidang seperti pada bidang sosial, ekonomi,dan kesehatan. Seiring dengan perkembangan zaman kebutuhan energi listrik di Indonesia terus meningkat, hal ini disebabkan oleh pertambahan jumlah penduduk dan pertumbuhan ekonomi yang terus meningkat setiap tahunnya. Menurut proyeksi Badan Pusat Statistik (BPS), jumlah penduduk di Indonesia pada tahun 2018 adalah ±265 juta jiwa (Badan Pusat Statistik, 2017). Berdasarkan data ketenagalistrikan nasional tahun 2017 total penyediaan tenaga listrik pada akhir tahun 2017 sebesar 254.657 GWh yang terdiri dari produksi listrik PLN sebesar 181.422 GWh dan pembelian sebesar 73.234 GWh, sedangkan jumlah konsumsi tenaga listrik seluruh

JOURNAL OF ENERGY, MATERIAL, AND

INSTRUMENTATION TECHNOLOGY

(15)

92 Ahmad Badrus Soleh, Amir Supriyanto*, Gurum Ahmad Pauzi, dan Arif Surtono, 2020, Analisis Potensi Energi Listrik Pikohidro dari Sumber Air Pegunungan Serta Upaya Peningkatan Daya Listrik dengan Memanfaatkan Rangkaian Joule Thief, Jurnal of Energy, Material, and Instrumentation Technology, Vol. 1 No. 3, 2020

Indonesia adalah sebesar 267.453 GWh. Sampai saat ini, energi listrik di Indonesia masih disuplai oleh bahan bakar fosil berupa batubara dengan persentase 49,69% (Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral, 2017). Berdasarkan data tersebut, di Indonesia masih terdapat kekurangan dalam suplai tenaga listrik serta pengembangan energi alternatif. Sedangkan cadangan batubara, gas, dan panas bumi di alam semakin berkurang setiap tahunnya sehingga akan berpengaruh terhadap ketersediaan tenaga listrik.

Berbagai upaya dilakukan oleh pemerintah dalam mengatasi permasalahan kekurangan suplai tenaga listrik terutama di daerah terpencil yaitu dengan meningkatkan pengembangan energi listrik yang bersumber pada energi terbarukan, salah satu sumber energi terbarukan yang sangat potensial di Indonesia yaitu energi air. Menurut penelitian yang telah dilakukan oleh Erinofiardi dkk (2017), daerah pegunungan di Indonesia memiliki potensi sumber daya air yang melimpah sehingga dapat dimanfaatkan sebagai energi penggerak untuk menghasilkan energi listrik. Pemanfaatan energi air menjadi energi listrik dapat dilakukan dengan menggunakan teknologi pikohidro. Sistem pembangkit ini baik digunakan pada daerah pegunungan yang memiliki aliran air yang kecil sebagai sumber energinya sehingga dapat diterapkan untuk penyediaan tenaga listrik ke rumah-rumah warga yang tidak terjangkau jaringan listrik PLN. Secara teknis, tenaga listrik diperoleh dengan proses konversi energi dari energi mekanik air menjadi energi listrik (Zainuddin dkk, 2009; Risnandar dan Novrinaldi, 2011; Khomsah dan Zulairi, 2015).

Proses perubahan energi mekanik air menjadi energi listrik memanfaatkan prinsip GGL induksi Faraday. Air sebagai energi penggerak akan memutar turbin yang kemudian akan menggerakkan magnet ataupun kumparan sehingga gerakan tersebut akan menghasilkan gaya gerak listrik (Giancoli, 2001). Pemanfaatan aliran air berdebit kecil sebagai pembangkit listrik telah dilakukan oleh Warsito dkk (2010) menggunakan mini turbin tipe Francis dan generator magnet permanen 3 pasang kutub yang mempunyai kecepatan putar optimal 2400 rpm (rotation per minute). Keluaran dari generator tersebut berupa tegangan dan arus bolak balik dengan tegangan yang dihasilkan sebesar 12/15 V dan kapasitas daya 6 W. Akan tetapi daya listrik yang dihasilkan sangat bergantung dari debit air yang mengalir, sehingga dibutuhkan sebuah perangkat yang dapat memaksimalkan daya listrik yang dihasilkan. Joule thief dipandang sebagai pilihan yang tepat untuk memaksimalkan daya listrik dari sumber energi listrik yang kecil. Pada dasarnya rangkaian joule thief merupakan rangkaian yang digunakan untuk merubah tegangan DC (Direct Current) menjadi tegangan AC (Alternating Current) yang menggunakan prinsip transformator sebagai penaik tegangan dan transistor sebagai osilator sehingga dihasilkan tegangan yang berosilasi (tegangan AC) (Manfaluthy, 2018).

Berdasarkan latar belakang yang telah dijelaskan, maka dalam penelitian ini akan membahas dan merancang sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Pikohidro (PLTPH) menggunakan aliran air pegunungan yang dialirkan dari pipa PVC dengan debit air kecil dan memanfaatkan rangkaian joule thief untuk memaksimalkan daya yang dihasilkan dari generator dengan variasi serta debit air.

2. Metode Penelitian

Penelitian ini dilakukan dengan memisahkan rancangan penelitian ke dalam 4 tahap. Diantaranya ialah mencari bahan literatur yang berhubungan dengan teori tentang turbin air, teori tentang generator, teori fluida, aplikasi rangkaian joule thief dan mempelajari parameter-parameter utama yang akan diimplementasikan dalam pembuatan alat. Selanjutnya dilakukan perancangan sistem pada turbin dan generator. Kemudian dilanjutkan dengan perakitan komponen menjadi rangkaian penyearah, rangkaian joule thief dan modul charger controller sebagai pengendali pengisian pada baterai. Setelah itu, dilakukan perakitan alat secara keseluruhan kemudian melakukan pengambilan data. Tahapan tersebut lebih rinci dapat dilihat pada Gambar 1.

2.1 Perancangan Turbin dan Generator

Turbin air ini terdiri dari sudu, as, dan casing turbin. Sudu dan casing turbin menggunakan bahan plastik sehingga daya putar turbin menjadi ringan, sedangkan pada as menggunakan bahan besi dengan diameter 0,3 cm dan panjang 2,5 cm. Jumlah sudu yang digunakan sebanyak 24 buah dan derajat sudu nya 45˚ serta ketebalan sudu 0,125 cm. Sudu dengan panjang 1,2 cm dan lebar 0,5 cm disusun melingkar dengan jarak yang sama. Diameter dalam turbin yaitu 3 cm dan diameter keseluruhan turbin yaitu 4 cm. Rancangan turbin secara keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 2.

Generator terdiri dari magnet yang telah terpasang pada turbin, dan stator yang telah diberi kawat lilitan. Pada stator digunakan kawat lilitan dengan diameter 0,1 mm dengan jumlah 150 lilitan setiap kiliknya kemudian dipasang pada casing turbin seperti pada Gambar 3.

(16)

93 Soleh dkk, 2020 / J. Energy Mater. Instrum. Technol. Vol. 1 No. 3, 2020

Mulai

Mempelajari Konsep Literatur

Perancangan Turbin dan Generator

Perakitan Komponen

Perakitan Alat Secara Keseluruhan

Pengujian Alat

Hasil Pengukuran

Analisis Data dan Penyusunan Laporan

Selesai

Gambar 1. Diagram Blok

Gambar 2. Rancangan turbin Gambar 3. Kumparan dalam casing turbin 2.2 Perakitan Komponen

Rangkaian penyearah digunakan untuk mengubah tegangan keluaran dari generator yang berupa tegangan bolak-balik (AC) menjadi tegangan searah (DC). Rangkaian ini terdiri dari beberapa komponen yaitu 6 buah dioda, 2 buah kapasitor, dan 1 buah resistor. Seluruh komponen menggunakan tipe SMD (Surface-mount Device). Hal ini bertujuan agar rangkaian yang dihasilkan memiliki ukuran yang kecil sehingga dapat diletakkan dalam casing turbin. Skema rangkaian penyearah dapat dilihat pada Gambar 4 dan Gambar 5.

(17)

Gambar 4. Skema rangkaian penyearah

Gambar 5. Rangkaian penyearah

Sebagai pengendali dalam pengisian baterai pada penelitian ini menggunakan modul charger controller TP4056. Modul ini dipilih karena mudah dalam penggunaan serta harganya yang terjangkau. Tegangan masukan untuk modul ini yaitu berkisar antara 4-8 volt dengan arus masukan maksimal 1,2 A.Skema rangkaian dan bentuk modul charger controller TP4056 dapat dilihat pada Gambar 6 dan Gambar 7.

(18)

Gambar 7. Modul charger controller TP4056

Rangkaian joule thief pada alat ini digunakan untuk mengubah tegangan DC dari baterai menjadi tegangan AC kemudian dinaikkan tegangannya. Rangkaian ini terdiri dari 3 buah resistor yang masing-masing bernilai 10 Ohm, 220 Ohm, dan 330 Ohm, 1 buah transistor D822, 2 buah dioda IN4002, dan 1 buah kapasitor 1 nF, 2 buah kapasitor 47 μF, dan 1 buah transformator bekas charger handphone. Skema dan bentuk rangkaian joule thief dapat dilihat pada Gambar 8 dan Gambar 9.

Gambar 8. Skema rangkaian Joule thief

Gambar 9. Rangkaian joule thief

2.3 Perakitan Alat Secara Keseluruhan

Setelah seluruh alat selesai, kemudian dilakukan perakitan alat secara keseluruhan yang terdiri dari turbin dan generator, rangkaian penyearah, modul charger controller, dan rangkaian joule thief yang kemudian dihubungkan dengan beban berupa lampu LED 3 watt. Perakitan alat secara keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 10.

(19)

3. Hasil dan Pembahasan 3.1 Realisasi Alat

Penelitian analisis potensi energi listrik pikohidro dari sumber air pegunungan serta upaya peningkatan daya listrik dengan memanfaatkan rangkaian joule thief terdiri dari perancangan mekanik dan perancangan elektrik. Perancangan mekanik yaitu pembuatan modul generator pikohidro dan perancangan elektrik yaitu pembuatan modul joue thief. Modul generator yang telah dibuat terdiri dari beberapa bagian seperti ditunjukkan pada Gambar 11. Pipa PVC yang digunakan sebagai tempat mengalirnya air memiliki diameter ½ inch dengan kran air sebagai pengatur debitnya. Bagian belakang modul generator terdapat magnet yang menempel pada turbin bagian dalam serta as turbin. Magnet akan berputar seiring dengan berputarnya turbin. Kumparan dan rangkaian penyearah diletakkan pada bagian dalam casing modul generator. Pemasangan ini bertujuan untuk mencegah air masuk kedalam kumparan. Ketika aliran air masuk dan menerpa turbin, maka turbin akan berputar beserta magnet. Putaran magnet di sekeliling kumparan mengakibatkan perubahan intensitas medan magnet di sekitar kumparan dan akan menghasilkan listrik.

Listrik yang dihasilkan oleh generator ini berupa arus AC yang disalurkan untuk pengisian baterai, sehingga diberikan rangkaian penyearah untuk mengubah arus AC yang dihasilkan menjadi arus DC. Arus DC kemudian disalurkan ke modul joule thief yang telah dibuat seperti pada Gambar 12.

(a) (b)

Gambar 11. (a) Modul generator tampak depan; (b) modul generator tampak belakang

(a) (b)

Gambar 12. (a) Modul joule thief tampak depan; (b) Modul joule thief tampak belakang

Modul joule thief yang dibuat memiliki dimensi 9 cm x 9 cm x 7,5 cm dengan box yang terbuat dari bahan plastik. Bagian luar modul terdapat dua lubang terminal yang berfungsi sebagai output yang dapat dihubungkan dengan lampu. Dua buah terminal berwarna merah dan hitam di bagian samping berfungsi sebagai terminal penghubung antara modul generator dan charger controller pada modul joule thief dalam proses pengisian baterai. Saklar pada bagian samping berfungsi sebagai pemutus arus listrik dari baterai yang masuk ke rangkaian joule thief.

Terdapat beberapa komponen pada bagian modul yang terdiri dari modul charger controller TP4605, baterai lithium-ion 16850, dan rangkaian joule thief. Tegangan yang masuk ke modul charger controller TP4605 berasal dari listrik yang dihasilkan oleh generator setelah mengalami proses penyearahan. Keluaran dari modul charger controller kemudian dihubungkan ke baterai lithium-ion 16850 dengan kapasitas 3200 mAh. Baterai pada modul joule thief berfungsi sebagai penyimpanan listrik dari generator.

(20)

3.2 Analisis Data

1. Tegangan yang Dihasilkan Generator

Pengukuran tegangan yang dihasilkan oleh generator dengan 7 variasi debit air dimana setiap debit air dilakukan 5 kali pengulangan. Pemilihan besar debit air untuk mengetahui besar tegangan yang dihasilkan dari generator. Pengukuran dilakukan dengan menghubungkan multimeter pada output generator yang telah melalui proses penyearahan seperti pada Gambar 13. Dari pengukuran yang dilakukan diperoleh data tegangan seperti pada Tabel 1.

Tabel 1. Hasil pengukuran tegangan generator

Pengulangan ke- Debit Air (liter/detik)

0,06 0,066 0,071 0,077 0,093 0,138 0,14 1 8,43 V 9,06 V 9,58 V 10,18 V 11,12 V 11,85 V 11,99 V 2 8,45 V 9,05 V 9,59 V 10,17 V 11,11 V 11,84 V 12 V 3 8,44 V 9,07 V 9,57 V 10,18 V 11,14 V 11,86 V 12,01 V 4 8,46 V 9,1 V 9,62 V 10,16 V 11,13 V 11,85 V 12 V 5 8,42 V 9,07 V 9,59 V 10,17 V 11,12 V 11,87 V 12 V Rata-rata 8,44 V 9,07 V 9,59 V 10,17 V 11,12 V 11,85 V 12 V

Gambar 13. Pengukuran tegangan generator

Tegangan yang dihasilkan generator pada setiap debit air mengalami fluktuasi yang cukup kecil berkisar antara 0,01 V-0,04 V setiap pengulangan pengukuran dilakukan. Sedangkan pada keseluruhan variasi debit air, tegangan yang dihasilkan generator mengalami perubahan yang signifikan. Hal ini terjadi karena ketika debit air berubah maka kecepatan air juga turut berubah sehingga menyebabkan adanya perubahan kecepatan pada turbin. Perubahan kecepatan turbin mengakibatkan perubahan fluks magnetik pada generator yang berpengaruh pada tegangan yang dihasilkan sesuai dengan Persamaan 1.

N

t





= −



(1)

dengan



beda potensial (V), Njumlah lilitan,  perubahan fluks magnetik (V/detik), dan  tperubahan waktu

(detik).

2. Tegangan dan Arus Pengisian Baterai

Pengukuran tegangan pengisian dilakukan dengan menghubungkan multimeter ke kaki output modul generator secara paralel. Sedangkan pengukuran arus dilakukan dengan menghubungkan multimeter secara seri ke salah satu kaki output modul generator dan salah satu kaki input modul joule thief seperti pada Gambar 14. Pengukuran dilakukan pada setiap variasi debit air selama 5 jam dan dilakukan pengamatan setiap 10 menit. Hasil pengukuran tegangan dan arus pengisian baterai yang telah diolah dalam bentuk grafik seperti pada Gambar 15 dan Gambar 16.

(21)

Gambar 14. Pengukuran tegangan dan arus pengisian baterai

Gambar 15. Grafik hasil pengukuran tegangan pengisian baterai

(22)

Gambar 15 merupakan grafik hasil pengukuran tegangan pengisian baterai selama 5 jam. Hasil pengukuran menunjukkan adanya fluktuasi hamper pada keseluruhan tegangan pengisian baterai di setiap variasi debit air. Fluktuasi tertinggi terletak pada debit air 0,06 liter/detik dan 0,093 liter/detik. Pada debit air 0,06 liter/detik, tegangan pengisian mengalami penurunan yang signifikan pada menit ke-20 kemudian naik kembali pada menit ke-30. Pada debit air 0,093 liter/detik, tegangan mengalami penurunan sampai pada menit ke-40 dan cenderung stabil pada menit berikutnya. Gambar 16 menunjukkan hasil pengukuran arus pengisian baterai pada setiap debit air. Arus pengisian yang diperoleh pada debit air 0,06 liter/detik mengalami kenaikan dan penurunan (tidak stabil) sehingga kurang baik digunakan untuk pengisian baterai. Pada debit air 0,066 liter/detik sampai dengan 0,14 liter/detik arus pengisian yang terukur cenderung stabil dan semakin besar setiap debit air diperbesar. Hal ini terjadi karena adanya perubahan kecepatan air yang menerpa kincir. Semakin besar kecepatan air yang menerpa kincir maka akan membuat kincir semakin berputar cepat dan menghasilkan tegangan dan arus yang lebih besar (Krishnastana dkk, 2018). Tegangan dan arus yang lebih besar akan meningkatkan daya pengisian sehingga proses pengisian pada baterai akan lebih cepat.

3. Lama Waktu Pengisian Baterai

Pengukuran lama waktu pengisian pada baterai dilakukan dengan mengukur tegangan pada baterai setiap 15 menit sekali dengan debit air yang masuk pada modul generator sebesar 0,14 liter/detik. Debit air tersebut dipilih karena merupakan debit air terbesar sehingga daya pengisian yang diperoleh akan maksimal. Hasil pengukuran yang diperoleh diolah dalam grafik seperti pada Gambar 17.

Gambar 17. Grafik hasil pengukuran lama waktu pengisian baterai

Gambar 17 menunjukkan tegangan awal pada baterai sebesar 2,34 V, terdapatnya tegangan awal ini menunjukkan bahwa baterai masih berfungsi dengan baik.Kemudian saat dilakukan pengisian terjadi peningkatan tegangan pada baterai seiring dengan bertambahnya waktu pengisian. Perubahan ini menunjukkan bahwa proses pengisian baterai sedang berlangsung. Setelah pengukuran pada menit ke-825, baterai telah terisi penuh dengan tegangan terukur sebesar 4,21 V.

4. Daya yang Dihasilkan Modul Joule Thief

Pengukuran daya yang dihasilkan oleh modul joule thief dilakukan setelah dilakukan 5 jam pengisian menggunakan debit air yang digunakan. Tegangan dan arus yang dihasilkan diukur menggunakan multimeter pada kaki output modul seperti pada Gambar 18. Tegangan dan arus yang terukur disubtitusikan dalam Persamaan 3.1 untuk mendapatkan nilai daya yang dihasilkan.Pengukuran juga dilakukan ketika baterai terisi penuh agar diketahui daya maksimal yang dapat dihasilkan oleh alat. Hasil daya yang diperoleh dalam bentuk grafik seperti pada Gambar 19.

(23)

Gambar 18. Pengukuran daya yang dihasilkan modul joule thief

Gambar 19. Grafik daya yang dihasilkan modul joule thief

Gambar 19 merupakan hasil pengukuran daya yang dihasilkan oleh modul joule thief. Daya tersebut diperoleh setelah dilakukan pengisian selama 5 jam pada baterai modul joule thief dengan masing-masing debit air. Daya yang dihasilkan pada pengisian dengan debit air 0,06 liter/detik tidak mencapai batas minimal daya yang dibutuhkan oleh lampu LED sehingga lampu menyala redup. Hal ini terjadi karena arus pengisian yang masuk ke baterai sangat kecil sehingga dengan waktu pengisian yang sama, arus yang tersimpan dalam baterai sangat sedikit. Sedangkan untuk debit air yang lain mengalami kenaikan daya setiap pengisian dengan debit air meningkat. Peningkatan debit air mengakibatkan daya yang masuk dari modul generator semakin besar sehingga mempengaruhi jumlah arus listrik yang tersimpan dalam baterai.Daya yang dihasilka kemudian mengalami penurunan seiring dengan bertambahnya waktu penggunaan untuk menghidupkan lampu LED 3 W yang berperan sebagai beban.

Untuk mengetahui besar daya maksimal yang dapat dihasilkan oleh modul joule thief, pengukuran dilakukan setelah baterai terisi penuh terlebih dahulu dengan menggunakan debit air maksimal yaitu 0,14 liter/detik. Kemudian dilakukan pengukuran pada output modul joule thief menggunakan multimeter. Hasil pengukuran yang diperoleh ditunjukkan pada Gambar 20.

(24)

Gambar 20. Grafik daya maksimal yang dihasilkan modul Joule thief

Gambar 20 menunjukkan grafik daya maksimal yang dihasilkan modul joule thief terhadap waktu penggunaan. Daya maksimal yang dihasilkan setelah baterai terisi penuh yaitu sebesar 7,75 W. Ketika pertama kali modul joule thief dihubungkan dengan beban, lampu LED dapat menyala dengan terang. Modul joule thief mampu menyuplai daya yang dibutuhkan lampu LED sebesar 3 W sampai pada menit ke 165. Pada menit selanjutnya, cahaya lampu perlahan meredup dan cahaya padam pada menit ke 185 yang artinya arus listrik yang tersimpan pada baterai telah habis.

3.3 Analisis Data Lapangan

Pengambilan data di lapangan yaitu pengukuran debit air pengunungan yang mengalir ke rumah-rumah warga. Sistem pendistribusian air dari pegunungan menggunakan pipa PVC 1,5 inch sebagai pipa utama dan selang air dengan diameter 3 cm dipasang untuk tempat mengalirnya air kerumah-rumah warga seperti pada Gambar 21. Pengukuran dilakukan di dalam rumah warga dengan menggunakan botol air mineral 600 ml sebagai penampung air dan stopwatch untuk mengukur waktu pengisian botol air mineral. Pengukuran debit air dilakukan pada 5 titik di wilayah Desa Sumber Agung dengan 3 kali pengulangan setiap titiknya kemudian diambil rata-rata debit air yang mengalir. Hasil pengukuran diperoleh besar debit air rata-rata yang mengalir ke rumah warga yaitu sebesar 0,15 liter/detik.

Gambar 21. Sistem distribusi air pegunungan

Modul generator yang telah dibuat dapat menghasilkan listrik dengan tegangan maksimal pada pengujian debit air 0,14 liter/detik. Debit air pengujian lebih kecil jika dibandingkan dengan debit air di lapangan sehingga modul generator ini layak untuk digunakan sebagai sumber energi listrik di Desa Sumber Agung.

(25)

Berdasarkan hasil pengujian dan pembahasan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa pembangkit listrik pikohidro pada penelitian ini telah direalisasikan dalam bentuk modul generator dan modul Joule thief, aliran air pegunungan di Desa Sumber Agung Kecamatan Kemiling Bandarlampung yang mengalir ke rumah-rumah warga memiliki potensi untuk pengembangan energi listrik pikohidro dengan tegangan yang dihasilkan berupa tegangan AC dengan daya listrik maksimal yaitu sebesar 7,75 W, tegangan yang dihasilkan modul generator bergantung pada debit air yang digunakan. Semakin besar debit air, tegangan yang dihasilkan akan semakin besar. Tegangan maksimal yang dihasilkan modul generator diperoleh pada debit air 0,14 liter/detik yaitu sebesar 12 V. Tegangan pengisian terbesar yaitu 4,26 V dengan arus pengisian terbesar 23,19 mA.

5. Daftar Pustaka

Badan Pusat Statistik. 2017. Proyeksi Penduduk Indonesia (https://www.bps.go.id/publication /2013/10/07/053d25bed2e4d62aab3346ec/proyeksi-penduduk-indonesia-2010-35.html). Diakses pada tanggal 08 Mei 2019.

Erinofiardi, Pritesh Gokhale, Abhijit Date, Aliakbar Akbarzadeh, PutraBismantolo, Ahmad Fauzan Suryono, Afdhal Kurniawan Mainil, Agus Nuramal. 2017. A Review on Micro Hydropower in Indonesia. 1st International Conference on Energy and Power (ICEP). RMIT University. Melbourne. 316-321.

Giancoli, Douglas C. 2001. Fisika Jilid 1 dan 2 (Terjemahan). Erlangga. Jakarta.

Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral. 2017. Statistik Ketenagalistrikan Edisi N0.31 Tahun Anggaran 2018. Direktorat Jenderal Ketenagalistrikan. Jakarta.

Khomsah, A., & Zuliari, E. A. (2015). Analisa Teori : Performa Turbin Cross Flow Sudu Bambu 5" sebagai Penggerak Mula Generator Induksi 3 Fasa. Seminar Nasional Sains dan Teknologi Terapan III.

Krishnastana, Made Angga Kharisma, Lie Jasa, Antonius Ibi Weking. Studi Analisis Perubahan Debit dan Tekanan Air pada Pemodelan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro. Majalah Ilmiah Teknologi Elektro. Vol. 17. No. 2.

Manfaluthy, Mauludi. 2018. Pemanfaatan Radiasi Energi Tegangan 150 KV untuk Lampu LED Penerangan Jalan. Jurnal Kajian Ilmu dan Teknologi. Vol. 7. No. 1.

Risnandar, Pratama, F. A., & Novrinaldi. 2011. GIS untuk Menentukan Potensial Pembangunan Piko-Hidro. Jurnal Teknologi Informasi. 60-61 hlm.

Warsito, Sri Wahyuni, D., Wildan Khoiron. 2011. Realisasi dan Analisa Sumber Energi Baru Tebarukan Nanohidro Dari Aliran Air Berdebit Kecil. Jurnal Material dan Energi Indonesia. Vol. 1. No. 1. Pp 15-21.

Zainuddin, H., Yahaya, M. S., Lazi, J. M., Basar, M. M., & Ibrahim, Z. 2009. Design and Development of Pico-hydro Generation System for Energy Storage Using Consuming Water Distributed to Houses. International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic, and Communication Engineering. Vol. 3. No. 11.

(26)

E-mail addres: [email protected]

Rancang Bangun Sistem Monitoring Kualitas Air Tambak

Udang (Litopenaeus Vannamei) Menggunakan Wireless

Sensor Sistem (WSS) yang Terintegrasi dengan PLC CPM1A

Gurum Ahmad Pauzi

1*

_,

_{Okta Ferli Suryadi}

1

_{, Gregorius Nugroho Susanto}

2

_{, dan Junaidi}

1

1. Jurusan Fisika, Universitas Lampung, Bandar Lampung, Indonesia, 35141 2. Jurusan Biologi, Universitas Lampung, Bandar Lampung, Indonesia, 35141 Article Information Abstract

Article history:

Received June 11th_{, 2020} Received in revised form June 15th_{, 2020}

Accepted June 16th_{, 2020}

Keywords:

Arduino UNO, Monitoring System, Water Quality, Litopenaeus Vannamei

The research about pH, salinity, dissolved oxygen, and temperature monitoring system using Arduino Uno integrated with PLC CPM1A for water quality control of shrimp farm litopenaeus vannamei had done. The system used pH meter kit Dfrobot sensor, salinity sensor, DS18B20 waterproof sensor, and analog dissolved oxygen sensor which was controlled by Arduino UNO. In order to calibrate the sensor, pH meter kit Dfrobot sensor was calibrated by using a buffer solution, salinity sensor was calibrated by refractometer, DS18B20 waterproof sensor was calibrated by HTC-02 thermometer, and an analog dissolved oxygen sensor was calibrated by DO meter YSI 55. The results showed that the sensors can detect pH, salinity, dissolved oxygen and temperature with accuracy 94.06%, 78.15%, 90.53% and 99.42% respectively. It is transmitted wireless by using the nRF24l01+ module. The furthest distance in the line of sigh test was 405 meters and in non-line of sigh was 163 meters. The measurement had done 3 times per day (morning, afternoon, evening) in 3 days. The relay also can be integrated with PLC CPM1A to control the wheel and water pump.

Diterima 11 Juni 2020 Diterima dan direvisi dari 15 Juni 2020

Accepted 16 Juni 2020

Kata kunci:

Arduino UNO, Sistem Monitoring, Kualitas Air, Litopenaeus Vannamei

Telah direalisasikan sebuah sistem yang mampu memonitoring pH, salinitas, dissolved oxygen, dan temperatur berbasis arduino yang terintegrasi dengan PLC CPM1A untuk pengendalian kualitas air tambak udang. Sistem ini menggunakan sensor pH meter kit Dfrobot, sensor salinitas, sensor DS18B20 waterproof dan sensor analog dissolved oxygen yang dikendalikan oleh mikrokontroler Arduino UNO. Mekanisme pengujian sensor dilakukan dengan cara membandingkan pembacaan sensor dengan alat yang terkalibrasi. Pengujian sensor pH meter kit Dfrobot dilakukan dengan menggunakan larutan buffer, sensor salinitas dengan refractometer, sensor DS18B20 waterproof dengan thermometer HTC-02, dan sensor analog dissolved oxygen dengan DO meter YSI 55. Hasil penelitian menunjukkan sensor pada sistem ini mampu mendeteksi nilai pH, salinitas, dissolved oxygen dan temperature dengan akurasi masing-masing parameter 94,06 %, 78,15 %, 90,53 % dan 99,42 %. Data dikirimkan secara wireless menggunakan modul nRF24l01+. Jarak pengiriman terjauh pada pengujian tanpa penghalang (line of sigh) diperoleh sebesar 405 meter dan pada pengujian dengan adanya penghalang (non line of sigh) diperoleh sebesar 163 meter. Pengujian keseluruhan sistem dilakukan selama 3 hari sebanyak 3 kali pengukuran perhari (pagi, siang, sore). Sistem pengendalian relay dapat terintegrasi dengan PLC CPM1A untuk pengendalian kincir dan pompa air.

1. Pendahuluan

Indonesia sebagai Negara kepulauan memiliki potensi dibidang perikanan dengan budidaya udang sebagai komoditas ekspor unggulan. Udang jenis Vaname (Litopenaeus vannamei) merupakan salah satu komoditi perikanan yang dibudidayakan di Indonesia. Udang ini mulai masuk dan dikenalkan di Indonesia pada tahun 2001 melalui SK Menteri Kelautan dan Perikanan RI. No. 41/2001 sebagai upaya untuk meningkatkan produksi

JOURNAL OF ENERGY, MATERIAL, AND

INSTRUMENTATION TECHNOLOGY

(27)

104 Pauzi GA, Suryadi OF, Susanto GN, dan Junaidi, 2020, Rancang Bangun Sistem Monitoring Kualitas Air Tambak Udang (Litopenaeus Vannamei) Menggunakan Wireless Sensor Sistem (WSS) yang Terintegrasi dengan PLC CPM1A, Jurnal of Energy, Material, and Instrumentation Technology, Vol. 1 No. 3, 2020

udang Indonesia menggantikan udang windu (Penaeus monodon) yang telah mengalami penurunan. Beberapa keunggulan yang dimiliki udang putih antara lain responsive terhadap pakan yang diberikan, lebih tahan terhadap penyakit dan lingkungan yang kurang baik (Pratama, 2017).

Keberhasilan dalam budidaya udang vaname dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satunya adalah kualitas air. Kualitas air tambak merupakan faktor yang sangat penting untuk keberlangsungan hidup dan produktivitas budidaya udang (Fuady, 2013). Kualitas air tambak yang baik, dapat dilihat dari parameter fisika seperti temperatur, oksigen terlarut (DO), derajat keasaman (pH), kadar garam (salinitas) dan ketinggian air (Hudi dan Shahab, 2005). Kreteria kualitas air tambak udang dalam keadaan standar meliputi: pH sekitar 7-8, salintas 5-40 ppt, ketinggian air 80-120 cm, temperature air 26o_C-30o_{C, kecerahan air 25-45 cm, dan konsentrasi oksigen}

terlarut/ Dissolved Oxygen (DO) ideal untuk pertumbuhan udang adalah 4,5 mg/L hingga 7 mg/L (Komarawidjaja, 2006). Buruknya kualitas air dapat menyebabkan menurunnya nafsu makan udang, penggemukan udang menjadi lambat, dan mudah terserang penyakit (Arsad, 2017). Untuk menghindari masalah-masalah tersebut maka perlu dilakukan monitoring dan kontrol kualitas air tambak sehingga kualitas air dapat terkendali dengan baik.

Sistem monitoring adalah sebuah kegiatan yang mencakup pengumpulan, peninjauan ulang dan tindakan atas sesuatu proses yang berjalan pada sebuah sistem. Pada dasarnya pemantauan untuk memastikan sebuah sistem dapat berjalan sesuai dengan keadaan yang telah ditetapkan atau tidak. Dengan pemantauan diharapkan sebuah sistem dapat menghasilkan keluran monitoring berupa peningkatan kualitas yang terjadi terhadap suatu objek yang dipantau.

Beberapa alat monitoring kualitas air telah dikembangkan di Indonesia seperti sistem monitoring kualitas air pada kolam ikan berbasis wireless sensor network menggunakan komunikasi zigbee (lintang dkk., 2017), sistem monitoring kualitas air tambak udang Vaname yang dapat memberikan informasi melalui Short Massage System (SMS) (Multazam dan Hasanuddin, 2017), dan sistem monitoring kualitas air pada budidaya tambak udang dan bandeng (Machzar dkk., 2018). Berdasarkan sistem yang banyak dikembangkan di Indonesia hanya terdiri dari 2 sampai 3 parameter penting yang terpasang pada sistem monitoring. Sedangkan pada kualitas air pada tambak udang terdiri dari 4 parameter penting yaitu temperatur, pH, salinitas dan DO.

Dari uraian diatas, kami mencoba mengembangan sistem monitoring kualitas air tambak udang dengan menambahkan parameter pengukuran diantaranya pH, salinitas, DO dan temperatur sehingga dapat memberikan informasi kualitas air yang lebih baik untuk proses monitoring. Alat yang dirancang akan menggunakan sistem nirkabel yang mampu melakukan pengukuran dengan jarak yang cukup jauh menggunakan gelombang radio nRF24l01+ secara real time. Alat monitoring kualitas air tambak ini menggunakan Arduino UNO untuk mengolah data pengukuran sensor dan akan memanfaatkan LCD 20x4 untuk menampilkan data sensor. Pada sistem yang akan dipasang kendali otomatis kincir air dan pompa untuk menjaga kualitas air tambak.

2. Metode Penelitian 2.1 Perancangan Hardware

Perancangan perangkat keras (hardware) merupakan tahap penyusunan komponen-komponen elektronika menjadi satu kesatuan sistem agar dapat bekerja sesuai dengan yang diharapkan. Secara umum, rancangan sistem monitoring yang akan dibuat ditunjukkan dalam diagram blok pada Gambar 1.

Sensor temperatur Sensor pH Sensor Dissolved Oxygen Sensor salinitas Arduino Uno LCD 20x4 nRF24L01+ (Receiver) Relay Driver Stepper motor Modul Micro SD nRF24L01+ (transmitter) PLC Arduino Uno RTC DS3231

Power Supply Power Supply

Stepper

motor Kincir Pompa

Gambar 1. Diagram Blok

Pada Gambar 1 merupakan blok diagram perangkat keras (hardware) terbagi menjadi dua bagian yaitu blok diagram pengukuran dan blok diagram sistem proses data. Pada blok diagram pengukuran terdiri dari sensor pH Meter Kit, sensor temperature, sensor Analog Dissolved Oxygen, sensor salinitas, Real Time Clock (RTC) DS-3231, driver stepper motor, transceiver nRF24L01+ (transmitter), power supply. Pada blok tersebut, terdapat sensor digital temperature DS18B20 yang digunakan untuk mengukur dan mendeteksi temperature air, sensor pH V1.1 Meter Kit yang digunakan untuk mengukur dan mendeteksi kadar pH, sensor salinitas yang digunakan untuk mengukur dan mendeteksi kadar garam, sensor Analog Dissolved Oxygen (DO) yang digunakan untuk mengukur dan mendeteksi oksigen terlarut dalam air tambak udang, dan RTC DS-3231 yang berfungsi sebagai modul