METODE PENELITIAN
Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Teknik Pengolahan Pangan dan Hasil Pertanian (TPPHP), Bengkel Departemen Teknik Pertanian, dan Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi bagian Ergotronika Departemen Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian IPB Kampus Darmaga Bogor. Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Maret sampai Oktober 2006.
Tahapan Penelitian
Prinsip Kerja Mesin Sortasi Otomatis untuk Buah Manggis
Sistem kontrol mesin sortasi manggis yang dibuat dikendalikan dengan komputer memakai bahasa Microsoft Visual Basic 6.0. Komputer memerintahkan motor AC ON untuk menggerakkan konveyor rantai, dimana manggis diletakan dimangkuk secara manual. Pada saat tuas mangkuk menghalangi sensor infrared (pada unit ultrasonik), komputer membaca kondisi ini melalui interface PCL-812PG dan memerintahkan OFF motor AC. Motor stepper pada unit ultrasonik ON sampai ujung tranduser menyentuh manggis. Proses pengambilan data mutu bagian luar dan mutu bagian dalam buah manggis dilakukan secara bersamaan. Setelah proses pemutuan selesai motor stepper ON sampai tranduser kembali ketempat semula. Komputer memerintahkan motor AC ON kembali. Sebelum mangkuk buah manggis sampai ke kotak mutu, komputer memerintahkan solenoid ON sehingga ketika dilewati tuas pengungkit mangkuk, buah manggis ditumpahkan kedalam bak penampung sesuai dengan mutunya. Konveyor terus berputar mengulangi langkah diatas sampai proses sortasi selesai (Gambar 19).
Motor AC Konveyor rantai mangkuk
pembawa buah manggis
Bak mutu super Bak mutu satu Bak non mutu Strain gauge Interface PCL-812 PG Rangkaian elektronik Unit image processing Unit ultrasonik Solenoid mutu satu Solenoid mutu super Motor stepper Frame grabber Digital Osciloscope CPU Monitor Komputer LED infrared
Gambar 19 Skema sistem kerja mesin sortasi manggis otomatis
Pengembangan Sistem Kontrol Perputaran Konveyor Rantai
Sistem kontrol perputaran konveyor rantai yang dibuat terdiri dari sensor pengindera posisi objek dengan menggunakan sensor infrared, dipasang pada unit ultrasonik. Rangka unit pengindera posisi objek dibuat dari baja plat, tebal 5 mm dan lebar 20 mm, dibaut pada plat rangka utama di unit ultrasonik. Jarak antara LED infrared dengan infrared fotodioda dibuat 5 cm (Gambar 20a).
Gambar 20 (a) Unit sensor posisi objek
(b) Rangkaian elektronik sensor posisi objek
Gambar 20b adalah rangkaian elektronik untuk sensor posisi objek, bahan yang digunakan untuk membuat rangkaian pengindera posisi objek adalah PCB berlubang, LED infrared, infrared fotodioda (Lampiran 2), resistor 8,2 kΩ, resistor 330 Ω, kabel, potensio 50 kΩ, solder dan timah.
Untuk menghubungkan interface PCL-812PG yang terpasang pada komputer dengan motor listrik dibuat rangkaian elektronik berupa pengendali relay ON/OFF seperti pada Gambar 21a, bahan yang digunakan adalah PCB berlubang, relay 12 V AC, dioda IN 4148, dioda 1A, resistor 2 kΩ, resistor 10 kΩ, transistor D313, kabel, timah dan solder.
Rangkaian pada Gambar 21a diberi catu daya dari rangkaian pada Gambar 21b, yang tersusun dari bahan-bahan antara lain; PCB berlubang, travo 1A CT, dioda witstone, IC 7805, kapasitor 2200 µf, kapasitor 100 µf, kabel, solder dan timah. (a) LED infrared 65 mm dioda infrared baut rangka 140 mm LED infrared katoda dioda infrared anoda 8.2 kΩ 330 Ω +5 V (b)
Gambar 21 (a) Rangkaian elektronik untuk relay ON/OFF (b) Rangkaian elektronik untuk power supply
Pengembangan Sistem Kontrol Aktuator Pengendalian Motor Stepper
Pada unit ultrasonik juga berlangsung proses pengambilan data. Komputer memerintahkan motor stepper ON, sepasang poros berulir menggerakan sepasang dudukan tranduser secara berlawanan arah sampai menyentuh kulit buah manggis dan motor stepper OFF, proses pengambilan data gelombang ultrasonik berlangsung. Setelah proses pengambilan data selesai komputer memerintahkan motor stepper ON kembali sampai tranduser kembali ke posisi semula, motor stepper OFF.
Sistem penghentian motor stepper didasarkan pada sensor strain gauge yang ditempelkan pada plat yang dibentuk seperti cincin (ring) dan dipasang pada dudukan tranduser pemancar. Data besarnya tegangan yang dihasilkan sensor strain gauge berupa data analog, melalui PCL-812 PG (unit ADC) diterjemahkan kedalam bilangan digital yang dapat dibaca oleh komputer. Komputer kemudian memproses dan mengirimkan kembali perintah melalui PCL-812PG agar motor
dioda IN4148 10 kΩ +12 V 2 kΩ D313 dioda 1A relay 12 V AC Do AC (a) +12 V CT
~
+ 7805 +12 V 220 V 2200 µF 50 V O~
+12 V +5 V 100 µF 50 V +-
--
+ Trafo 1 A (b)stepper OFF. Untuk menghubungkan interface PCL-812PG dengan motor stepper, maka dibuat rangkaian saklar elektronik seperti pada Gambar 21a.
Strain gauge yang digunakan adalah tipe TIPO KFC-5-C1-11L5003 (Lampiran 2) dengan ekspansi termal 10.8 PPM/˚C, panjang 5 mm, faktor perubahan terhadap temperatur 0.015 % /˚C, resistansi Ω 120.4 + 0.4, gauge factor 2.08 + 1 %, output termal + 1.8 με/˚C. Ring yang digunakan dibuat dari bahan stainless steel, lebar ring 6 mm, tebal 0.4 mm dan diamaeter luar 23.5 mm. Diantara sisi atas dan bawah bagian dalam dari dudukan tranduser pemancar dengan sisi atas dari ring diberi jarak yang cukup. Jarak ini diperlukan agar saat ring ditekan oleh tranduser pemancar, ring tidak menyentuh dudukan tranduser. Besarnya jarak disesuaikan dengan penambahan tinggi maksimal ke atas dan ke bawah dari ring ketika ring ditekan oleh tranduser. Pada penelitian ini besarnya jarak tersebut adalah 3.7 mm (Gambar 22).
Gambar 22 Ring yang ditelah ditempel strain gauge sebagai sistem kontrol ON/OFF motor stepper
Tranduser ultrasonik yang digunakan dalam penelitian ini adalah tipe B50S-N dengan frekwensi 50 kHz. Dimensi kedua tranduser tersebut sama, pada bagian ujung berdiameter 2 mm dan pada bagian pangkal berdiameter 29 mm (Lampiran 4). Penggunaan tipe tranduser ini cocok untuk bahan yang mempunyai permukaan bundar dimana tranduser pemancar dan tranduser penerima gelombang ultrasonik kontak langsung dengan permukaan kulit buah manggis.
Pada waktu yang bersamaan di unit image processing proses pengambilan data dilakukan langsung menggunakan kamera CCD berwarna VED model OC-305D (Lampiran 2) pada saat buah manggis berada di unit image processing. Selanjutnya data image yang telah diambil dikirim ke komputer melalului interface untuk proses pemutuan.
dudukan tranduser
kabel strain gauge
ring (cincin) tranduser pemancar ultrasonik strain gauge
Pengujian Gaya Tekan Tranduser Ultrasonik
Transduser ultrasonik yang digunakan dalam penelitian ini adalah tranduser yang mempunyai ujung lancip. Jika tranduser ini ditekankan ke buah manggis dengan gaya tekan tertentu akan menyebabkan kerusakan pada kulit buah manggis. Untuk mendapatkan nilai gaya tekan maka dilakukan beberapa pengujian yang bertujuan untuk menghindari kerusakan pada kulit buah manggis.
Pengujian Kekerasan Buah Manggis
Buah manggis yang digunakan untuk menentukan gaya tekan tranduser terhadap kulit buah manggis berjumlah 10 buah (Lampiran1). Untuk mendapatkan informasi kondisi kekerasan buah manggis dilakukan pengujian kekerasan kulit buah manggis. Pengujian kekerasan dilakukan empat kali pengulangan untuk setiap buah manggis dan hasilnya dirata-ratakan. Titik pengujian kekerasan diambil secara acak pada setiap kulit buah sampel (Gambar 23).
Gambar 23 Skema pengujian kekerasan buah manggis
Pengujian kekerasan bertujuan agar kekerasan kulit buah sampel yang digunakan sesuai dengan kekerasan kulit buah sampel pada saat penelitian tahap pengambilan data image processing dan data gelombang ultrasonik. Pengujian kekerasan buah manggis dilakukan dengan menggunakan alat penetrometer merek Rheometer Model CR-500 DX. Sebelum pengukuran dilakukan percobaan pada satu titik dengan pengaturan mode 20, R/Hold 10 mm, P/T press 60 mm dan pengaturan kapasitas maksimum 10 kg.
Pengujian Penekanan Kulit Buah Manggis dalam Voltase
Pengujian untuk mengetahui besarnya gaya tekan tranduser terhadap kulit buah manggis digunakan sensor strain gauge yang dipasang pada ring (Gambar 24). Terminal Strain gauge dihubungkan dengan bredge box kemudian
Pembacaan rheometer dalam kgf
Penetrometer
dihubungkan ke strain amplifier. Strain amplifier dihubungkan dengan multimeter agar nilai tegangan keluaran strain gauge bisa dibaca secara digital dalam Voltase. Buah manggis dikatakan rusak apabila pada bagian kulit luarnya terdapat bekas tekanan tranduser.
Besarnya nilai gaya tekan keluaran strain gauge masih dalam besaran tegangan dengan satuan Voltase. Pengujian dilakukan sepuluh kali pengulangan untuk setiap sampel buah manggis, dengan besar nilai Voltase 0.1 sampai 1 Volt, selang Voltase antara pengujian satu dengan yang berikutnya adalah 0.1 Volt. Titik pengujian kekerasan dilakukan secara acak pada setiap kulit buah manggis yang akan disentuh oleh tranduser pemancar dan penerima.
Gambar 24 Skema pengujian penekanan kulit buah manggis dalam Voltase
Pengujian Penekanan Ring yang dipasang Strain Gauge
Satuan gaya tekan adalah kgf, pengujian gaya tekan yang dilakukan pada Gambar 24 masih dalam satuan Voltase. Untuk mendapatkan nilai gaya tekan dalam satuan kgf, maka harus ada konversi atau penyetaraan nilai dari Voltase menjadi kgf. Pada penelitian ini digunakan alat penetrometer untuk mendapatkan nilai gaya tekan dalam kgf (Lampiran 2).
Proses pengambilan data dilakukan dengan cara menekan ring yang sudah dipasang strain gauge dengan ujung penekan alat penetrometer, penekanan akan berhenti setelah mencapai nilai kgf yang telah ditentukan sebelumnya. Strain gauge dihubungkan pada multimeter melalui bridge box dan amplifier sehingga dapat dibaca berapa besar nilainya dalam Volt untuk setiap penekanan nilai kgf-nya (Gambar 25). Proses pengambilan data dilakukan untuk setiap nilai kgf yang ditentukan (0.02 – 0.30 kgf) dengan selang 0.02 kgf.
Jembatan wheatstone ( Bridge box )
Multimeter kabel strain gauge
Strain Amplifier Ttranduser (pemancar) Ttranduser (penerima)
Gambar 25 Skema pengujian penekanan ring yang dipasang strain gauge Dari data alat penetrometer diplot grafik hubungan gaya tekan (kgf) dengan tegangan (Voltase) sehingga akan diperoleh persamaan regresi. Setiap nilai Voltase hasil pegujian terhadap kulit buah manggis (Gambar 24) disubstitusikan kedalam persamaan regresi sehingga akan diperoleh nilai gaya tekan terhadap kulit buah manggis dalam satuan kgf.
Pengujian Bahan Dudukan Tranduser Ultrasonik
Pada saat proses pengambilan data gelombang ultrasonik sampel buah manggis terjadi getaran yang berasal dari tranduser pemancar. Getaran ini jika merambat ke bagian tranduser penerima akan sangat mempengaruhi data dan bentuk gelombang ultrasonik.
Untuk menghindari terjadinya penyimpangan data dan bentuk gelombang ultrasonik, maka akan dilakukan pengujian bentuk gelombang ultrasonik dengan menggunakan dudukan tranduser yang terbuat dari material berbeda yaitu; stainless steel, kayu dan karet (Gambar 26).
Gambar 26 Skema pengujian gelombang ultrasonik untuk menentukan bahan dudukan tranduser
Ultrasonik tester terdiri dari rangkaian penerima dan pembentuk gelombang ultrasonik. Rangkaian tersebut dilengkapi dengan amplifier berbasis transistor,
Bridge box Strain gauge Multimeter Strain Amplifier Pembacaan rheometer dalam kgf Penetrometer Dudukan tranduser Ttranduser (pemancar) Ttranduser (penerima)
Ultrasonic Tester Digital Oscilloscope
PC
Tampilan Gelombang
timer berbasis IC NE555. Skema rangkaian komponen ultrasonik tester dan peralatan pengukur gelombang ultrasonik dapat dilihat pada Lampiran 4.
Fungsi Digital Oscilloscope untuk menampilkan sinyal yang dibangkitkan oleh generator sinyal secara digital. Tipe yang digunakan adalah ETC M621, dimana dapat mengukur gelombang menggunakan dua kanal independen, resolusi 8 bit, sensitivitas 5 Volt per divisi (V/div) hingga 19 mV/div. Komputer yang digunakan Intel Pentium III dilengkapi dengan Window 98. Program OD ETC M621 dibutuhkan untuk memfungsikan Digital Oscilloscope ETC M621.
Pengembangan Sistem Aktuator Penumpahan Buah Manggis
Sistem aktuator mesin sortasi manggis otomatis dibuat menggunakan solenoid DC12V (Lampiran 2) yang merupakan gabungan antara spul yang dapat menginduksi sifat magnet batang lunak sehingga mampu menarik keluar baja pejal yang terdapat pada bagian tengah dari solenoid DC12V dengan panjang/tinngi 40 mm dan diameter 10 mm. Solenoid DC12V dipasang pada platform yang dirancang seperti pada Gambar 27.
Gambar 27 Rancangan aktuator penumpahan buah manggis
Sistem aktuator berfungsi sebagai pendorong tuas mangkuk, diletakkan di depan bak penampungan mutu super dan mutu satu. Untuk menghubungkan interface PCL-812PG dengan solenoid DC12V dibuat rangkaian saklar elektronik (Gambar 21a). Solenoid di ON/OFF dengan cara mengirim sinyal digital melalui jalur digital output PCL-812PG.
plat penahan Platform/dudukan
solenoid Solenoid DC12V
tuas pengungkit aktuator
tuas pengungkit mangkuk tuas solenoid
Pengujian Sudut Tumpah Buah Manggis
Sudut tumpah buah manggis sangat tergantung dari bentuk mangkuk yang dirancang. Pada penelitian ini dibuat tiga buah rancangan mangkuk untuk mendapatkan sudut tumpah (Gambar 28). Mangkuk pertama dari bahan polimer, ukuran mangkuk pertama diameter dalam 45 mm, diameter luar 47 mm, tinggi 29 mm, dan diameter bagian dasar 22 mm. Mangkuk kedua adalah mangkuk rancangan yang dibuat dari plat baja yang dilas, tebal plat 2 mm, tinggi 25 mm, ukuran bagian atas panjang 50 mm dan lebar 50 mm, ukuran bagian bawah panjang 20 mm dan lebar 20 mm. Mangkuk ketiga adalah mangkuk rancangan terbuat dari bahan polimer berwarna putih berdiameter dalam 36 mm, diameter luar 50 mm dan tinggi 14 mm.
Gambar 28 Mangkuk tempat dudukan buah manggis
Mangkuk dipasangkan pada dudukan mangkuk menggunakan mur 3 mm dan dipasangkan pada konveyor rantai. Dudukan mangkuk dibuat dua tingkat yang digabungkan menjadi satu menggunakan las titik dan engsel kupu-kupu (Gambar 28). Tingkat pertama dibuat dari plat baja model-U dengan tinggi 50 mm, lebar 20 mm dan tebal 1 mm. Untuk tingkat ke dua dibuat dari plat baja persegi dengan tinggi 40 mm, lebar 20 mm dan tebal 1 mm.
Tuas pengungkit mangkuk berdiameter 3 mm dan panjang 100 mm, dilas pada bagian bawah tingkat pertama dan pada tuas tersebut dipasangkan pegas untuk dapat kembali ke posisi semula setelah penumpahan (Gambar 28). Untuk memasang mangkuk pada rantai, bagian bawah mangkuk dilubangi sebagai tempat mur dan pada rantai dipasang nipel berbentuk L. Jarak antara mangkuk 200 mm (setiap sepuluh mata rantai).
Pengujian sudut tumpah dilakukan terhadap ketiga jenis mangkuk yang dibuat. Pengujian dilakukan dengan penyetelan ketinggian tuas aktuator yang
Dudukan mangkuk
tingkat 2 Tuas pengungkit
mangkuk Mangkuk 3 Pegas pembalik ke posisi semula Engsel kupu-kupu Dudukan mangkuk tingkat 1 Mangkuk 1 Mangkuk 2
menghasilkan sudut tuas mangkuk terhadap dudukan mangkuk tingkat pertama (Gambar 28). Pengujian langsung dilakukan pada mesin sortasi manggis dengan variasi sudut 15o, 25o, 35o, 45o, 55o, 65o dan 75o (Gambar 29).
Gambar 29 Skema pengujian sudut tumpah mangkuk buah manggis
Pengembangan Program Komputer untuk Pengendalian Sistem Sortasi Program Komputer
Program komputer yang digunakan untuk pengendalian mesin sortasi manggis dibuat dengan bahasa pemrograman Microsoft Visual Basic 6,0. Program ini digunakan untuk : a) ON/OFF motor AC untuk menggerakkan konveyor rantai pembawa buah manggis, b) ON/OFF motor stepper untuk menggerakkan tranduser ultrasonik, c) ON/OFF solenoid mutu super dan solenoid mutu satu, untuk menumpahkan manggis ke bak penampung mutu.
Pada penelitian ini interface berfungsi sebagai penterjemah antara komputer dengan mesin sortasi manggis otomatis. Interface yang digunakan adalah PCL-812PG (Lampiran 2), dipasang pada satu slot komputer. PCL-PCL-812PG dilengkapi dengan unit Analogue to Digital Converter (ADC), unit Digital to Analogue Converter (DAC), dan unit digital input-output.
Penentuan alamat dasar, time delay, register mode control, register multiplexer control, dan software A/D trigger sesuai dengan data ADC dan DAC yang ada pada mesin sortasi manggis. Unit ADC dipergunakan untuk membaca
Tidak
Ya Mulai
Motor AC ON
Apakah semua sudut sudah dilakukan
Selesai
Penyetelan ketinggian tuas aktuator untuk menghasilkan sudut tuas mangkuk
15o, 25o, 35o, 45o, 55o, 65o, dan 75o
Konveyor rantai mangkuk berputar Tuas mangkuk melewati tuas aktuator Buah manggis tumpah atau tidak tumpah
sensor strain gauge, jalur digital input untuk membaca sensor posisi objek dan jalur digital output untuk mengendalikan rangkaian saklar elektronik. Untuk menghubungkan interface PCL-812PG dengan komputer digunakan bahasa pemrograman. Pada penelitian ini program inisialisai, baca dan tulis interface PCL-812PG di buat dalam Microsoft Visual Basic 6.0
Pengujian Program Komputer
Pengujian dengan simulasi dilakukan terhadap program komputer Microsoft Visual Basic 6.0 yang dibuat. Tujuan pengujian untuk mengetahui keberhasilan program Microsoft Visual Basic 6.0 sebagai program pengendali sistem sortasi.
Gambar 30 adalah diagram alir tahapan pelaksanaan penelitian “Rancang Bangun Sistem Kontrol Mesin Sortasi Otomatis untuk Buanh Manggis”
Gambar 30 Tahapan pelaksanaan penelitian
Ya Tidak Pengembangan sistem kontrol perputaran konveyor Mulai
Persiapan bahan dan peralatan
Pengembangan sistem aktuator penumpahan
buah manggis Pengujian penentuan
sudut tumpah buah manggis ke bak mutu Pengembangan sistem aktuator
pengendali motor stepper di unit ultrasonik Pengujian gaya tekan
tranduser ultrasonik (pengujian kekerasan kulit buah manggis, pengujian penekanan kulit
buah manggis dalam voltase, Pengujian penekanan ring yang
dipasang strain gauge) Pengujian bahan dudukan tranduser ultrasonik
Pengujian program komputer untuk pengendalian sistem sortasi
dengan simulasi Pengembangan program komputer
untuk pengendalian sistem sortasi
Hasil bagus
Selesai Pembuatan laporan
