Rancang Bangun Sistem Kontrol Total Dissolved Solid Berbasis Mikrokontroler

Transkripsi

1 1 Rancang Bangun Sistem Kontrol Total Dissolved Solid Berbasis Mikrokontroler Akhmad Khusaeri, Muhammad Rivai, Tasripan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Abstrak Air memiliki peranan yang sangat penting bagi kehidupan. Banyak diantara kita hanya mengetahui bahwa air yang sehat adalah air yang bebas bakteri dan virus, padahal kualitas air yang sehat lebih dari itu. Salah satu faktor yang sangat penting dan menentukan bahwa air yang sehat adalah kandungan TDS (Total Dissolved Solids) atau kandungan unsur mineral dalam air. Contoh unsur mineral dalam air adalah: zat kapur, besi, timah, magnesium, tembaga, sodium, chloride, dan chlorine. Sebagian besar ekosistem perairan yang melibatkan fauna ikan dapat mentolerir tingkat TDS hingga 1000 mg/l. Peningkatan padatan terlarut dapat membunuh ikan secara langsung, meningkatkan penyakit dan menurunkan tingkat pertumbuhan ikan serta perubahan tingkah laku dan penurunan reproduksi ikan. Pada tugas akhir ini penulis akan membuat Sistem kontrol TDS Berdasarkan Pada Pengukuran Konduktansi. Hasil pengukuran nilai konduktansi akan dirubah menjadi tegangan melalui rangkaian pembagi tegangan yang kemudian dilakukan proses ADC dengan menggunakan mikrokontroler. Hasil pengolahan data pada mikrokontroler ditampilakan pada LCD sebagai pengukuran nilai TDS serta digunakan untuk mengontrol pompa. Pompa dilengkapi dengan membran RO untuk filterisasi yang kecepatannya terkontrol. Pompa akan aktif jika tingkat TDS melebihi set point yang di inginkan, filterisasi dilakukan secara terus-menerus hingga tingkat TDS kembali normal. Berdasarkan hasil pengujian yang telah dilakukan, sistem ini telah bekerja secara efektif. Dalam proses pengujian, sistem mampu menurunkan TDS ratarata sebesar 50 PPM dalam 20 menit untuk volume air sebanyak 1 liter. Kata Kunci : TDS, ATmega 16, Membran RO I. PENDAHULUAN engontrolan TDS air merupakan hal yang penting Pdilakukan. Banyaknya pencemaran lingkungan menyebabkan naiknya TDS air hingga melebihi batas normal. Hal ini bisa diatasi dengan menggunakan sistem otomatisasi TDS air. Pada metode konvensional, cara yang digunakan adalah dengan mengukur level TDS air secara berkala dengan menggunakan TDS meter. Metode ini tidak bisa diandalkan karena TDS air bisa berubahubah dengan cepat dan secara tidak beraturan sesuai dengan kondisi lingkungan sekitar, sehingga bisa berakibat negatif bagi ikan. Sebagian besar ekosistem perairan yang melibatkan fauna ikan dapat mentolerir tingkat TDS hingga 1000 mg/l [1]. Peningkatan padatan terlarut dapat membunuh ikan secara langsung, meningkatkan penyakit dan menurunkan tingkat pertumbuhan ikan serta perubahan tingkah laku dan penurunan reproduksi ikan. Selain itu, kuantitas makanan alami ikan akan semakin berkurang [2]. Metode yang ditawarkan dalam publikasi ini adalah dengan menggunakan sistem kontrol TDS berbasis mikrokontroler. Sensor yang digunakan adalah dengan menggunakan prinsip konduktansi. Sensor ini mampu mengukur level TDS air secara real time, yang hasil pembacaanya diproses oleh mikrokontroler. Hasil pengolahan data oleh mikrokontroler digunakan untuk mengontrol level TDS air. Jika level TDS air melebihi set point sistem, maka pompa Membran RO akan melakukan proses filterisasi oleh membrn RO, sehingga TDS air selalu dapat dijaga sesuai dengan keinginan kita secara real time. II. TEORI PENUNJANG 2.1. Konsep Konduktansi Konduktansi atau EC (Electrical Conductivity) adalah ukuran kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan arus listrik. Konduktansi (G) merupakan kebalikan (invers) dari resistansi (R). Sehingga persamaan matematisnya adalah : G = 1 (1) R Sehingga dengan menggunakan Hukum Ohm, maka didapatkan definisi lainnya : I V = IR = (2) G Secara definisi diatas, jika dua plat yang diletakkan dalam suatu larutan diberi beda potensial listrik (normalnya berbentuk sinusioda), maka pada plat tersebut akan mengalir arus listrik. Konduktansi suatu larutan akan sebanding dengan konsentrasi ion-ion dalam larutan tersebut yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini :

2 2 Kontrol ON-OFF memiliki karakteristik sinyal keluaran dari kontroler u(t) tetap pada salah satu nilai maksimum atau minimum tergantung pada sinyal pembangkit kesalahan positif atau negatif. Diagram blok kontroler ON- OFF yang memiliki masukan r(t) dan keluaran u(t), ditunjukkan pada Gambar berikut. Gambar. 1. Hubungan Konduktansi dan Konsetrasi Ion Satuan dasar untuk konduktansi adalah Siemens (S), dan formalnya menggunakan satuan Mho (kebalikan dari Ohm). Karena luas penampang plat dan jarak antar plat juga mempengaruhi konduktansi, maka secara matematis ditulis dengan [3]: CxA G = (3) L Gambar 3 Diagram Blok kontrol On-Off Aksi kontrol ON-OFF ditunjukkan pada persamaan berikut: Gambar. 2. Pengaruh luas penampang terhadap konduktansi Dimana : C : Konduktansi spesifik (S) G : Konduktansi yang terukur (S) L : Jarak antar plat (cm) A : Luas penampang plat (cm 2 ) 2.2. Total Dissolved Solid (TDS) Total Dissolved Solid (TDS) yaitu jumlah zat terlarut (baik itu zat organik maupun anorganik) yang terdapat pada sebuah larutan. TDS menggambarkan jumlah zat terlarut dalam part per million (ppm) atau sama dengan milligram per liter (mg/l). Sumber utama untuk TDS dalam perairan adalah limpahan dari pertanian, limbah rumah tangga, dan industri. Unsur kimia yang paling umum adalah kalsium, fosfat, nitrat, natrium, kalium, Raksa, Timbal dan klorida. Bahan kimia dapat berupa kation, anion dan molekul. Kandungan TDS yang berbahaya adalah pestisida yang timbul dari aliran permukaan. Beberapa padatan total terlarut alami berasal dari pelapukan dan pelarutan batu dan tanah [4]. Sebagai sampel ikan digunakan udang vaname di lokasi Gresik, tingkat TDS perairan udang ini optimal antara PPM, kurang dari 300 PPM, tidak dikatakan optimal, karena semakin kecil TDS akan menyebabkan berkurangnya kandungan mineral yang dibutuhkan plankton, yaitu Fosfat dan nitrat, dua mineral ini sangat bagus untuk pertumbuhan plankton, dimana plankton merupakan makanan alami bagi ikan. Persamaan diatas memiliki nilai U1 dan U2 yang konstan. Nilai minimum U2 dapat sebesar nol atau U1. Pada sistem kontrol close loop, sinyal e(t) merupakan sinyal kesalahan aktuasi (error) sebesar selisih antara sinyal input dengan sinyal umpan balik [5] Regresi Polinomial Regresi Polynomial digunakan untuk menentukan fungsi polinomial yang paling sesuai dengan kumpulan titik data (x n,y n ) yang diketahui. Fungsi Pendekatan : Gambar 4 Grafik regresi polinomial Untuk persamaan polinomial orde 2, didapatkan hubungan [6]: 2.3. On-Off Kontroller Pada sistem kontrol ON-OFF, elemen pembangkit hanya memiliki dua posisi tertentu yaitu ON atau OFF.

3 Gambaran Umum Sistem III. PERANCANGAN SISTEM Gambar 6 Rangkaian Sensor TDS V out :tegangan output sensor R 2 :resistansi beban V IN :tegangan supply R 1 :resistansi sensor Gambar 5. Diagram Blok Sistem Pada sistem kontrol TDS ini, sensor utama yang digunakan adalah sensor plat sejajar (prinsip konduktansi). Perubahan nilai konduktansi air akan menyebabkan perubahan nilai tegangan ADC, nilai ADC ini dikonversikan menjadi nilai TDS air (dalam satuan PPM) dengan menggunakan pendekatan regresi polynomial, semua proses pengolahan data dilakukan oleh mikrokontroler yang hasil pengukurannya di tampilkan oleh LCD. Pada system ini, digunakan pompa sebagai pemberi tekanan tinngi kepada membrane RO yang semuanya dikontrol oleh mikrokontroler, jika TDS air melebihi set point yang diinginkan, maka pompa akan melakukan filterisasi air dengan tekanan tinggi, sehingga proses revers osmosis dapat terjadi. Air hasil filterisasi terbagi menjadi 2, yaitu air buangan dengan nilai TDS yang tetap dan yang kedua air hasil RO dengan nilai TDS yang lebih rendah disbanding dengan air sebelumnya. Proses ini dilakukan secara terus menerus hingga mencapai target Perancangan Hardware Perancangan hardware terbagi menjadi beberapa bagian, diantaranya adalah rangkaian instrumentasi dan akusisi data sensor TDS, minimum sistem, rangkaian pengatur kecepatan motor DC. Untuk mendeteksi kadar zat terlarut dalam air digunakan sensor TDS dengan menggunakan prinsip konduktansi yang dikalibrasi dengan menggunakan alat TDS meter merk HM- Digital, TDS meter ini bisa mengukur kadar zat terlarut pada air hingga 9990 ppm. Besarnya output dari sensor TDS dapat diketahui dari persamaan berikut: V R = (4) 2 xv Out In R1 + R2 Gambar di atas (gambar 6) merupakan desain skematik dari board sensor TDS. Output dari sensor tersebut akan dihubungkan pada ADC mikrokontroler Atmega16 pada PORTC.0. Minimum sistem digunakan untuk membaca ADC, pengontrol putaran dari pompa melalui PWM mikrokontroler. Selain itu pada minimum sistem ini juga berperan dalam pengaturan tampilan (display) nilai kadar zat terlarut pada air. Pada gambar rangkaian minimum system Atmega16 di bawah (gambar 7) menunjukkan konfigurasi penggunaan masing masing pin dari mikrokontroler dalam menjalankan fungsinya. Gambar 7. Perancangan minimum sistem Atmega16 Komponen utama dari rangkaian driver motor DC ini adalah Optocoupler Tipe TLP521 dan Transistor Power NPN TIP3055. Rangkaian ini akan memicu motor DC jika pin 1 IC TLP521 diberi logika 1 (High). Bit bit logika yang diberikan pada IC tersebut berupa sinyal PWM yang diatur oleh register OCR1A ditunjukkan oleh Gambar 8 di bawah ini.

4 Gambar 8. Perancangan rangkaian pengatur kecepatan motor DC 3.3. Perancangan Software Perancangan software dilakukan secara bertahap, dengan melakukan bernbagai pengujian setiap blok hardware setelah hardware siap dijalankan. Langkah-langkah dalam perancangan software adalah sebagai berikut : 1. Uji dan kalibrasi data sensor TDS untuk kadar zat terlarut pada air yang berbeda dengan pembacaan ADC. 2. Uji rangkaian driver motor AC dengan kontrol modulasi PWM. 3. Pembuatan algoritma Kontroler P berdasarkan data uji yang didapat. Proses pembacaan ADC ditangani oleh mikrokontroler slave ATMega16. Proses pembacaan adc dilakukan dengan sampling rate khz/s. Pemilihan frekuensi sample ini didasarkan pada respon sensor TDS yang lambat, sekitar 1000ms. Jadi pemilihan frekuensi sample sebesar khz/s masih jauh dari aliasing. Selain itu data pembacaan adc adalah sebesar 10bit, untuk itu diperlukan proses yang agak lambat untuk mendapatkan data pembacaan yang akurat. Dari beberapa pengujian sampel air, didapatkan hubungan antara pembacaan ADC terhadap nilai TDS yang sebenarnya. Tabel 1. Data PPM Vs ADC No ADC PPM No ADC PPM No ADC PPM ADC Gambar 9. Grafik nilai PPM Dari hubungan tersebut, maka dibuat sebuah persamaan konversi dari nilai ADC ke nilai PPM menggunakan curve Fitting dengan bantuan Matlab. Sehingga didapatkan persamaan berikut : 2 y = x x (5) IV. HASIL PENGUJIAN 4.1. Analog to Digital Converter Pengujian yang pertama kali adalah dengan melakukan pengujian pembacaan data ADC. Hal ini sangat diperlukan dikarenakan keakuratan pengukuran data sensor berdasarkan keakuratan pembacaan data ADC. Dalam pengujian ini ADC diberikan inputan tegangan dengan nilai tertentu antara volt. Dan hasil pembacaannya akan dicocokkan dengan pembacaan dari multimeter. Dari pengujian tersebut didapat data pembacaan ADC sebagai berikut : Tabel 2. Data pembacaan ADC Series1 No V INP ADC No V INP ADC No V INP ADC

5 ADC Gambar 10. Grafik nilai ADC Dari persamaan ADC maka dapat diketahui error dari pembacaan. DataADC = ( Vin / Vref ) x1024 (6) Diketahui referensi ADC = 4.9 volt, dan resolusi yang dipakai adalah 10 bit. Pada No 20 DataADC = (3.22 / 4.9) x1024 DataADC = Pengujian sensor TDS Pengujian sensor ini dimaksudkan untuk mengetahui presisi alat. Dengan membandingkan pengukuran dengan alat buatan sendiri terhadap alat TDS meter yang berada di pasaran. TDS meter yang digunakan adalah merk HM-Digital. perhatikan gambar-gambar dibawah ini : Gambar 11. pengukuran TDS V INP (Volt) 4.3. Pengujian Awal TDS air Sebelum semua hal diatas dilakukan, hal yang terpenting yang harus dilakukan adalah mencari nilai saturasi sensor terhadap kandungan TDS, dengan tujuan untuk melakukan kalibrasi. Sensor TDS memerlukan waktu yang relatif lambat untuk mencapai nilai yang stabil, waktu yang diperlukan oleh 1 liter air dengan nilai TDS awal sebesar 100 untuk mencapai keadaan saturasi (25 PPM) adalah kurang lebih 20 menit. Tabel ini menampilkan respon sensor waktu pertama kali dinyalakan hingga dalam keadaan saturasi. Tabel 3. Daftar respon sensor terhadap waktu untuk siap digunakan Waktu ke (detik) TDS (PPM) Waktu ke (detik) TDS (PPM) (±20 menit ) Stabil stabil Dari pegujian diatas jika sensor TDS memerlukan rentang waktu sekitar 20 menit untuk mencapai keadaan yang stabil. Dan pada saat sensor mencapai keadaan yang stabil maka nilai yang ditunjukkan dari hasil pembacaan sensor relative berada pada kondisi satrurasi, yaitu pada nilai 25 ppm dari 100 ppm. Pengujian respon resistansi sensor TDS terhadap kandungan zat terlarut pada air 4.4. Pengujian pembangkit sinyal PWM Pengujian PWM dilakukan untuk mengetahui respon dari rangkaian PWM baik Duty cycle maupun frekuensi yang dihasilkan. Gambar 12 menunjukkan hasil pengujian PWM dengan menggunakan osiloschope. Frekuensi PWM dibangkitkan melalui mikrokontroler Atmega16, dengan memanfaatkan fasilitas timer counter. Dalam hal ini digunakan timer counter 1 sehingga untuk mengatur duty cyle dilakukan dengan mengganti nilai OCR1A untuk kondisi high dan kondisi low. Dalam membangkitkan sinyal PWM digunakan Mode Fast Correct PWM dengan pengaturan sebagai berikut:

6 6 TCCR1A (Timer/Counter Control Register 1A) = 0x82 TCCR1B (Timer/Counter Control Register 1B) = 0x12 Gambar 12. Sinyal PWM dengan duty cycle 36% dan 60% 4.5. Pengujian tegangan sensor TDS terhadap kandungan zat terlarut pada air Pengujian disini akan dilakukan dengan mengamati perubahan tegangan output dari sensor TDS sebagai bentuk respon terhadap perubahan kadar zat terlarut dalam air. Selnjutnya setiap perubahan nilai tegangan dari sensor akan dicatat untuk setiap perubahan kadar TDS. Untuk mendapatkan nilai TDS dengan sensor buatan sendiri, dapat digunakan persamaan (4.2) berikut: y = x x (7) dimana y : nilai TDS yang terukur ( ppm atau mg/l) x : tegangan sensor (V) Berikut tabel 4.3 dan grafik hasil pengujian sensor untuk beberapa macam sampel air. Tabel 4.3 Tegangan sensor terhadap TDS alat ukur standard PPM Tegangan sensor (Volt) Tabel 4.4 Tegangan sensor terhadap TDS buatan PPM Tegangan sensor (Volt) Pada saat tegangan sensor (V RL = 2.99 Volt) Dengan alat ukur standard : TDS = 472 PPM Dengan alat ukur buatan : TDS = PPM Pada saat tegangan sensor (V RL = 0.58 Volt) Dengan alat ukur standard : TDS = 20 PPM Dengan alat ukur buatan : TDS = PPM V. KESIMPULAN Setelah melakukan pengujian dari keseluruhan sistem pada tugas akhir ini, dan berdasarkan data yang telah didapat dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Dengan menggunakan sistem Pengontrolan tingkat TDS air secara otomatis, maka air untuk budidaya ikan dapat terkontrol. Sehingga system ini dapat membantu para peternak ikan (terutama peternak pada aquarium) dalam mengontrol tingkat TDS air. 2. Sistem Penurunan TDS dengan menggunakan Membran RO memiliki kemampuan yang cukup optimal untuk menurunkan tingkat TDS. 3. Dengan digunakannya Sistem otomatisasi TDS air di dalam betrnak, maka tingkat kesehatan ikan lebih terjaga dibandingkan tanpa menggunakan system pengontrolan TDS. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis Ery mengucapkan terima kasih kepada Bapak Muhammad Rivai, selaku dosen pembimbing pertama, dan Bapak Tasripan, selaku dosen pembimbing kedua, yang telah memberikan dukungan dan motivasi berupa ide dan pemberian referensi, serta kepada rekan-rekan asisten yang turut membantu dalam proses pengerjaan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Effendi, H Telaah Kualitas Air Bagi Pengelolaan Sumber Daya dan Lingkungan Perairan. Kanisius. Yogyakarta [2] Alabaster, JS dan R Lloyd Water Quality Criteria for Freshwater Fish. Second Edition. Food and Agriculture Organization of United Nations. Butterworths. London. [3] [4] Dissolved Solid [5] [6] Algifari Analisis Regresi, Teori, Kasus dan Solusi, Edisi pertama. BPFE. Universitas Gajah Mada, Yogyakarta.