SENSOR CAHAYA DAN SENSOR SUHU PADA MODEL SISTEM PENGERING OTOMATIS PRODUK PERTANIAN BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA8535 RIDWAN SISKANDAR

Transkripsi

1 SINTESA DAN PENERAPAN FILM Ba 0,55 Sr 0,45 TiO 3 SEBAGAI SENSOR CAHAYA DAN SENSOR SUHU PADA MODEL SISTEM PENGERING OTOMATIS PRODUK PERTANIAN BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA8535 RIDWAN SISKANDAR SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014

2

3 PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Sintesa dan Penerapan Film Ba 0,55 Sr 0,45 TiO 3 Sebagai Sensor Cahaya dan Sensor Suhu Pada Model Sistem Pengering Otomatis Produk Pertanian Berbasis Mikrokontroler ATMega8535 adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, 17 Februari 2014 Ridwan Siskandar NIM G

4 RINGKASAN RIDWAN SISKANDAR. Sintesa dan Penerapan Film Ba 0,55 Sr 0,45 TiO 3 Sebagai Sensor Cahaya dan Sensor Suhu Pada Model Sistem Pengering Otomatis Produk Pertanian Berbasis Mikrokontroler ATMega8535. Dibimbing oleh IRZAMAN dan IRMANSYAH. Telah dirancang dan direalisasikan suatu model sistem pengering otomatis berukuran 50 cm x 50 cm dengan model atap louvre untuk proses pengeringan produk pertanian berbasis mikrokontroler ATMega8535. Sistem ini bekerja melalui perintah mikrokontroler yang berasal dari sensor. Sensor yang digunakan adalah film BST yang dibuat dengan metode Chemical Solution Deposition (CSD) dan spin coating pada kecepatan putar 3000 rpm selama 30 detik dengan memvariasikan perlakuan substrat (enhancement (tanpa dipanaskan) dan depletion (dipanaskan pada suhu 800 o C)) dan suhu pemanasan sebesar 800 o C, 850 o C dan 900 o C selama 15 jam. Selanjutnya film yang diperoleh dikarakterisasi sebagai sensor cahaya dan sensor suhu. Film enhancemant-850 o C (film terbaik hasil karakterisasi) digunakan sebagai sensor cahaya dan sensor suhu. Model sistem pengering otomatis ini tersusun dari suatu perangkat keras dan perangkat lunak. Sensor cahaya, sensor suhu, mikrokontroler ATMega8535, motor servo, relay dan dryer adalah bagian dari perangkat keras yang digunakan. Perangkat lunak yang digunakan dibuat menggunakan software Code Vision AVR C dengan bahasa C sebagai bahasa pemrograman. Prinsipnya, saat catu daya dihidupkan, catu daya memberikan tegangan masukan yang dibutuhkan setiap rangkaian elektronika yang digunakan. Sistem ini menggunakan 2 buah film BST yang digunakan sebagai sensor cahaya dan sensor suhu. Sensor cahaya BST akan mendeteksi ada atau tidaknya cahaya yang diterima, sedangkan sensor suhu BST digunakan untuk membaca perubahan suhu di dalam ruangan sistem pengering otomatis. Data yang diterima dari sensor cahaya BST dan sensor suhu BST kemudian dikirim ke mikrokontroler. Mikrokontroler akan mengolah data yang terbaca dari kedua sensor BST. Apabila data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah terang, maka mikrokontroler akan memberikan perintah pada masing-masing motor servo untuk membuka atap bagian kanan dan kiri. Mikrokontroler juga akan memberikan perintah untuk nonaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan mati. Jika data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah gelap, maka mikrokontroler akan memberikan perintah pada masing-masing motor servo untuk menutup atap bagian kanan dan kiri. Mikrokontroler juga akan memberikan perintah untuk mengaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan hidup. Ketika data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah gelap, jika data yang terbaca dari sensor suhu BST adalah 60 o C, mikrokontroler akan memberikan perintah untuk mengaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan hidup. Jika data yang terbaca dari sensor suhu BST > 60 o C, mikrokontroler akan memberikan perintah untuk mengnonaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan mati sampai data yang terbaca oleh sensor suhu BST mencapai 30 o C. Saat data yang terbaca sensor suhu BST < 30 o C maka mikrokontroler akan memberikan perintah untuk mengaktifkan kembali driver relay sehingga dryer dalam keadaan hidup.

5 Kata kunci: Ba 0,55 Sr 0,45 TiO 3, sensor, operational amplifiers, ATMega8535, liquid crystal display

6 SUMMARY RIDWAN SISKANDAR. Synthesis and Application of Ba 0.55 Sr 0.45 TiO 3 Film as Light Sensor and Temperature Sensor In Auto Dryer System Model of Agricultural Products Based on Microcontroller ATMega8535. Supervised by IRZAMAN and IRMANSYAH. An automatic dryer system model has been designed and realized with the dimension 50 cm x 50 cm with louvre roof models for the drying process of agricultural products based on microcontroller ATMega8535. The system worked through a microcontroller commands originating from the sensor. The sensor used is BST films prepared by Chemical Solution Deposition method (CSD) and spin coating at 3000 rpm rotational speed for 30 seconds with varying substrate treatment (enhancement (non-heated) and depletion (heated at 800 C)) and the temperature of the heating at 800 C, 850 C and 900 C for 15 hours. Furthermore, films that were obtainedthen were characterized as a light sensor and a temperature sensor. Film enhancemant-850 C (best film characterization) was used as a light sensor and a temperature sensor. This automatic dryer system model was composed of a hardware and software. Light sensor, temperature sensor, microcontroller ATMega8535, servo motors, relays, and dryer are part of the hardware that was used. The software that was used was made using software Code Vision AVR C language C as the programming language. In principle, when the power supply was turned on, the power supply provided the required input voltage of each electronic circuit that was used. The system used two pieces of BST films that were used as a light sensor and a temperature sensor. BST light sensor will detect the presence or absence of light received, while the BST temperature sensor was used to read the changes in the room temperature conditioning system automatically. Data received from a light sensor BST and a temperature sensor BST then sent to the microcontroller. The microcontroller will process the data that was read from both BST sensor. When data read from the BST light sensor is bright, the microcontroller will give the command to each servo motor to open right and left side of the roof. The microcontroller also will give the command to disable the relay driver so that the dryer is off. If the data read from the BST light sensor is dark, then the microcontroller will give the command to each servo motor to close right and left side of the roof. The microcontroller also will give the command to activate the relay driver so the dryer is on. When the data read from the BST light sensor is dark, if the data read from the BST temperature sensor is 60 C, the microcontroller will give the command to activate the relay driver so the dryer is on. If the data read from the BST temperature sensor > 60 C, the microcontroller will give the command to turned off the relay driver so that the dryer is turned off until the data is read by the BST temperature sensor reaches 30 C. When the data read by BST temperature sensor <30 C then the microcontroller will give the command to reactivate the relay driver so the dryer is on.

7 Keyword: Ba 0.55 Sr 0.45 TiO 3, sensor, operational amplifiers, ATMega8535, liquid crystal display

8 Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2014 Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan IPB Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB

9 SINTESA DAN PENERAPAN FILM Ba 0,55 Sr 0,45 TiO 3 SEBAGAI SENSOR CAHAYA DAN SENSOR SUHU PADA MODEL SISTEM PENGERING OTOMATIS PRODUK PERTANIAN BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA8535 RIDWAN SISKANDAR Tesis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Biofisika SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR Penguji pada ujian sidang tesis: 2014 Dr. Agus Kartono, M. Si

10 Penguji pada Ujian Tesis : Dr. Tony Sumaryada

11 Judul Tesis Nama NIM : Sintesa dan Penerapan Film Ba 0,55 Sr 0,45 TiO 3 Sebagai Sensor Cahaya dan Sensor Suhu Pada Model Sistem Pengering Otomatis Produk Pertanian Berbasis Mikrokontroler ATMega8535 : Ridwan Siskandar : G Disetujui oleh Komisi Pembimbing Dr. Ir. Irzaman, M. Si Ketua Dr. Ir. Irmansyah, M. Si Anggota Diketahui oleh Ketua Program Studi Biofisika Dekan Sekolah Pascasarjana Dr. Agus Kartono, M. Si Dr. Ir. Dahrul Syah, MScAgr Tanggal Ujian: 30 Januari 2014 Tanggal Lulus:

12

13 PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta ala atas segala karunia-nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2012 ini ialah sensor ferroelektrik dan aplikasinya, dengan judul Sintesa dan Penerapan Film Ba 0,55 Sr 0,45 TiO 3 Sebagai Sensor Cahaya dan Sensor Suhu Pada Model Sistem Pengering Otomatis Produk Pertanian Berbasis Mikrokontroler ATMega8535. Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr. Ir. Irzaman, M. Si dan Bapak Dr. Ir. Irmansyah, M. Si selaku pembimbing. Di samping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada Bapak Dr. Tony Sumaryada selaku penguji luar komisi dan Bapak/Ibu Dosen yang telah banyak memberi saran. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu, serta seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat. Bogor, 17 Februari 2014 Ridwan Siskandar

14 DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR LAMPIRAN DAFTAR ISI 1 PENDAHULUAN 1 Latar Belakang 1 Tujuan Penelitian 3 Rumusan Masalah 3 Manfaat Penelitian 4 Ruang Lingkup Penelitian 4 2 SINTESA MATERIAL SEMIKONDUKTOR BERBASIS BAHAN FERROELEKTRIK FILM Ba 0,55 Sr 0,45 TiO 3 (BST) 5 Pendahuluan 5 Bahan dan Metode 5 Hasil dan Pembahasan 7 Simpulan 8 3 STUDI KARAKTERISASI BAHAN FERROELEKTRIK FILM Ba 0,55 Sr 0,45 TiO 3 (BST) SEBAGAI SENSOR CAHAYA 9 Pendahuluan 9 Bahan dan Metode 9 Hasil dan Pembahasan 11 Simpulan 13 4 SENSOR SUHU BERBASIS BAHAN FERROLELEKTRIK FILM Ba 0,55 Sr 0,45 TiO 3 (BST) BERBANTUKAN MIKROKONTROLER ATMEGA Pendahuluan 14 Bahan dan Metode 14 Hasil dan Pembahasan 16 Simpulan 20 5 PENERAPAN FILM Ba 0,55 Sr 0,45 TiO 3 (BST) SEBAGAI SENSOR CAHAYA DAN SENSOR SUHU PADA MODEL SISTEM PENGERING OTOMATIS PRODUK PERTANIAN BERBASIS ATMEGA8535 Pendahuluan 21 Bahan dan Metode 21 Hasil dan Pembahasan 26 Simpulan 32 6 PEMBAHASAN UMUM 33 7 SIMPULAN DAN SARAN 34 DAFTAR PUSTAKA 35 LAMPIRAN 38 x x xi

15 DAFTAR TABEL 1 Data pengukuran sensitivitas film BST sebagai sensor cahaya 13 2 Data rentang nilai, sensitivitas, resolusi dan tingkat akurasi film BST sebagai sensor suhu 18 3 Hasil pengukuran sensor suhu film BST 22 4 Hasil pengujian rangkaian relay 31 5 Data frekuensi sinyal PWM untuk membuka/menutup atap sistem pengering otomatis 32 6 Data prinsip kerja input dan output pada sistem pengering otomatis 35 DAFTAR GAMBAR 1 Proses annealing 6 2 Model film BST 7 3 Diagram alir pembuatan film BST 7 4 Susunan dioda sambungan p-n 8 5 Kurva arus tegangan film BST (Putra, 2012) 8 6 Skema pengujian sensitivitas film BST: (a) bias maju, (b) bias mundur 10 7 Rangkaian jembatan wheatstone 11 8 Diagram alir karakterisasi film BST sebagai sensor cahaya 11 9 Sensitivitas film BST pada rangkaian bias maju dan bias mundur Rangkaian penguat (op-amp) Diagram alir pengujian sensor suhu BST Histerisis BST enhancement-800 o C Histerisis BST depletion-800 o C Histerisis BST enhancement-850 o C Histerisis BST depletion-850 o C Histerisis BST enhancement-900 o C Histerisis BST depletion-900 o C Fungsi tegangan terhadap suhu film BST enhancement-850 o C Fungsi tegangan terhadap suhu film BST enhancement-850 o C yang sudah dikuatkan dengan op-amp Tampilan suhu yang terukur oleh film BST Model tampak depan Model tampak belakang Model tampak samping Model tampak atas Model tampak bawah Model atap terbuka Desain pemasangan motor servo Skema power supply Rangkaian mikrokontroler ATMega Rangkaian driver relay Rangkaian LCD Rangkaian mikrokontroler sistem pengering otomatis Tampilan suhu yang terukur sensor suhu BST pada LCD 16 x 2 31

16 34 Frekuensi sinyal PWM Rangkaian keseluruhan elektronika sistem pengering otomatis Diagram blok sistem 35 DAFTAR LAMPIRAN 1 Histerisis BST enhancement-800 o C ulangan Histerisis BST enhancement-800 o C ulangan Histerisis BST enhancement-800 o C ulangan Histerisis BST depletion-800 o C ulangan Histerisis BST depletion-800 o C ulangan Histerisis BST enhancement-850 o C ulangan Histerisis BST enhancement-850 o C ulangan Histerisis BST enhancement-850 o C ulangan Histerisis BST depletion-850 o C ulangan Histerisis BST depletion-850 o C ulangan Histerisis BST depletion-850 o C ulangan Histerisis BST enhancement-900 o C ulangan Histerisis BST enhancement-900 o C ulangan Histerisis BST enhancement-900 o C ulangan Histerisis BST depletion-900 o C ulangan Histerisis BST depletion-900 o C ulangan Histerisis BST depletion-900 o C ulangan Flowchart program mikrokontroler Model sistem pengering otomatis (a) Tampak depan, (b) Tampak atap tertutup, (c) Tampak atap terbuka Model film BST Proses sintesa film BST Proses karakterisasi film BST Rancang rangkaian elektronik Program sistem pengering otomatis produk pertanian 58

17 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Atap merupakan salah satu konstruksi utama dalam sebuah bangunan. Atap memiliki fungsi penting dalam perencanaan sebuah bangunan. Fungsi utama atap selain sebagai pelindung dari cahaya matahari dan hujan, pada perkembangannya atap juga memiliki nilai estetika yang tinggi. Banyak dijumpai berbagai jenis atap, mulai dari bentuknya hingga bahannya. Semua memiliki berbagai kelebihan dan kekurangan. Bahkan akhir-akhir ini kerangka atap dengan bahan baja sangat menjamur di pasaran. Hal ini membuktikan bahwa semakin pentingnya fungsi suatu atap. Atap louvre merupakan salah satu atap yang sering ditemukan. Atap jenis ini paling cocok diaplikasikan sebagai atap otomatis karena kemampuannya membuka dan menutup secara cepat dan efesien. Hal ini disebabkan perputaran poros stripnya yang dapat membuka dan menutup hanya dengan 45 o putaran motor. Atap louvre dapat memanfaatkan beberapa sensor sebagai pengendali sistem geraknya. Konstruksi dari sistem atap ini tidak memerlukan ruang lingkup yang luas karena atap ini terdiri dari beberapa strip atap yang dapat menjalankan fungsinya sebagai pelindung dari sinar matahari atau membuka agar sinar matahari dapat masuk (Santoso, 2008). Mengingat matahari adalah sumber panas terbesar, matahari banyak dimanfaatkan manusia untuk melakukan kegiatan pengeringan proses produksi, salah satunya proses produksi hasil pertanian. Kenyataannya, penjemuran proses produksi dilakukan di ruangan terbuka yang langsung terkena sinar matahari secara langsung. Proses ini membutuhkan tenaga untuk memindahkan bahan dari tempat penyimpanan ke tempat penjemuran dan sebaliknya. Hal ini dirasakan kurang efisien jika jumlah bahan proses produksi yang akan dijemur sangat banyak. Belum lagi kendala cuaca yang buruk yang memungkinkan tidak mendukung untuk penjemuran proses produksi. Selama ini, sebagian besar petani di Indonesia mengeringkan gabah dengan cara menjemurnya di lahan tertentu dengan mengandalkan panas matahari. Cara ini umum dilakukan karena proses pengeringannya sederhana dan biayanya yang dikeluarkan sedikit. Tetapi cara konvensional ini memiliki kelemahankelemahan, antara lain: ketergantungan terhadap panas matahari, lamanya proses pengeringan, luas lahan, jumlah pekerja, dan lain-lain (Taib et al, 1988). Akibat pemanasan global ini, tidak dapat lagi dipastikan kapan musim kemarau tiba. Petani tidak bisa mengeringkan padi dengan tenang karena hujan bisa datang kapan saja. Sedangkan jika gabah tidak segera dikeringkan, gabah tersebut akan tumbuh atau membusuk karena aktivitas metabolisme oleh mikroorganisme. Hal ini tentu saja menurunkan kualitas gabah dan merugikan petani. menyebabkan gabah rusak yang pada akhirnya beras yang dihasilkan memiliki kualitas jelek (Daulay, 2005). Affian Widjanark et al. (2012) menjelaskan kondisi suhu pengeringan dengan penggunaan zeolite sintesis dalam pengeringan gabah dengan proses fluidisasi indirect contact, efesien pada kisaran rentang suhu 30 o C sampai 60 o C.

18 2 Hal di atas melatarbelakangi betapa pentingnya fungsi suatu atap untuk rumah tangga dan penjemuran proses produksi. Abdul Barr melakukan penelitian tentang Replika Rumah Pintar Dengan Otomatisasi Atap Terhadap Kondisi Cuaca Berbasis Mikrokontroller AT89S51. Neronzie Julardi melakukan penelitian tentang Sistem Pengatur Buka Tutup Atap dan Pemanas Ruangan Menggunakan Sensor Cahaya LDR dan Sensor Suhu LM35. Ridwan Anas melakukan penelitian tentang Rancang Bangun Prototipe Buka Tutup Atap Otomatis Untuk Pengeringan Proses Produksi Berbasiskan Mikrokontroler AT89S51. Ketiga penelitian ini menitik beratkan pada otomatisasi buka tutup atap untuk rumah tangga dan kegiatan penjemuran proses produksi dengan LDR sebagai sensor cahaya dan LM35 sebagai sensor suhu. Material BaSrTiO 3 merupakan salah satu material yang beberapa tahun terakhir ini gencar dikaji dan dikembangkan. Salah satunya adalah dalam bentuk teknologi ferroelektrik film BST yang digunakan untuk aplikasi sensor cahaya yang kemudian dapat dikembangkan menjadi sel surya (Irzaman 2008). Seo dan Park (2004) memaparkan, bahwa material ferroelektrik merupakan kelompok material yang dapat terpolarisasi listrik secara internal pada rentang suhu tertentu, yang mana polarisasi terjadi sebagai akibat adanya medan listrik dari luar dan simetri pada struktur kristalografi di dalam sel satuan. Lebih lanjut menurut Irzaman et al. (2009) menjelaskan bahwa jika pada material ferroelektrik dikenakan medan listrik, maka atom-atom tertentu mengalami pergeseran dan menimbulkan momen dipol listrik, sehingga dengan adanya momen dipol ini dapat mengakibatkan terjadinya polarisasi. Momen dipol per-satuan volume disebut sebagai polarisasi dielektrik. Souza et al. (2006) dan Bruzzese et al. (2009) menjelaskan bahwa BST merupakan oskida kompleks yang terdiri dari solid solution barium titanat BaTiO 3 (BT) yang merupakan bahan ferroelektrik dengan temperatur Curie-nya 130 o C, strontium titanat SrTiO 3 (ST) yang pada temperatur kamar merupakan bahan paraelektrik. Lebih lanjut dijelaskan bahwa barium titanat (BT) sendiri memiliki struktur ABO 3 dengan A menyatakan ion Ba 2+ dan B menyatakan ion Ti 4+. Masing-masing ion barium dikelilingi oleh 12 ion oksigen, yang mana ion-ion barium dan oksigen ini membentuk kisi kubus pusat muka (face centered cubic). Sedangkan atom-atom titanium terletak di posisi interisti oktahedral dikelilingi oleh 6 ion oksigen Pembuatan film BST dapat dilakukan dengan beberapa teknik seperti Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) yang dijelaskan oleh E. S. Choi et al. (1999), S. Momose et al. (2000), Gao et al. (2000); Chemical Vapor Deposition oleh Auciello et al. (1999); Sol-Gel oleh Verma et al. (2012); N. V. Giridharan et al. (2001), Chen et al. (2011), F. Wang et al. (1998); metode Atomic Layer Deposition (ALD) oleh Tyunina (2008); Metal Organic Decomposition (MOD) oleh Suherman (2009); Pulsed Laser Ablation Deposition (PLAD) oleh S. Kim et al. (1999) dan Zhu et al. (2005); rf sputtering oleh M. Izuha et al.(1997) dan J.S. Lee et al. (1999); dan Chemical Solution Deposition (CSD) oleh Irzaman et al. (2003, 2010, 2011, 2013), B.A. Baumert et al. (1998), M.A. Itskovsky et al. (1999), H. Darmasetiawan et al. (2002), dan M. Dahrul et al. (2010). Hikam et al. (2004), Irzaman et al. (2010), dan Umiati et al. (2001) memaparkan keunggulan dari metode CSD adalah dapat mengontrol stokiometri film dengan kualitas yang baik, prosedur yang mudah dan membutuhkan biaya yang relatif murah. Metode

19 CSD merupakan cara pembuatan film tipis dengan pendeposisian larutan bahan kimia di atas substrat, kemudian dipreparasi dengan spin coating pada kecepatan putar tertentu (Hamdani et al, 2009). Mikrokontroler merupakan otak dari sebuah sistem elektronika digital, dimana sistem kerjanya diatur berdasarkan program dalam bahasa pemrograman yang digunakan (A. Ardian et al, 2010). ATMega8535 merupakan salah satu mikrokontroler 8 bit buatan Atmel untuk keluarga AVR (H. Syafutra, 2010). ATMega8535 memiliki beberapa kemampuan, yaitu sistem mikrokontroler 8 bit berbasis RISC dengan kecepatan maksimal 16 MHz, memiliki memori flash 8 KB, SRAM sebesar 512 byte dan EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) sebesar 512 byte, memiliki ADC (Pengubah Analog ke Digital) internal dengan ketelitian 10 bit sebanyak 8 saluran, memiliki PWM (Pulse Wide Modulation) internal sebanyak 4 saluran, portal komunikasi serial (USART) dengan kecepatan maksimal 2,5 Mbps, dan enam pilihan mode sleep untuk menghemat penggunaan daya listrik (A. Ardian et al. (2010), H. Syafutra et al. (2010), Atmel (2003), Wardhani (2006)). Penelitian ini bertujuan melakukan pembuatan film Ba 0,55 Sr 0,45 TiO 3 (BST) dengan metode Chemical Solution Deposition (CSD) yang dipanaskaskan pada suhu 800 o C, 850 o C dan 900 o C selama 15 jam, di atas substrat silikon tipe-p dengan dua perlakuan pada substrat yaitu enhancement (dengan kata lain substrat tanpa dipanaskan terlebih dahulu) dan depletion (dengan kata lain substrat dipanaskan terlebih dahulu pada suhu 800 o C selama 15 jam sebelum ditetesi larutan BST); pengkarakterisasian film BST sebagai sensor cahaya dan sensor suhu; dan penerapan fim BST terbaik sebagai sensor cahaya dan sensor suhu pada model sistem pengering otomatis produk pertanian berbasis mikrokontroler ATMega Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah membuat, mengkarakterisasi, dan menerapkan film BST sebagai sensor cahaya dan sensor suhu pada model sistem pengering otomatis produk pertanian berbasis mikrokontroler ATMega8535. Rumusan Masalah 1. Apakah persambungan Si tipe-p (anoda) dengan BST (katoda) bersifat dioda? 2. Apakah film BST dapat dimanfaatkan sebagai sensor cahaya? 3. Apakah film BST dapat dimanfaatkan sebagai sensor suhu? 4. Apakah film BST dapat diterapkan pada model sistem pengering otomatis produk pertanian berbasis mikrokontroler ATMega8535?

20 4 Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan menjadi landasan awal untuk pemanfaatan film BST sebagai cikal bakal sensor dalam bidang elektronika terlebih khusus dalam penerapannya di lingkungan masyarakat. Ruang Lingkup Penelitian 1. Pada penelitian, film BST dibuat menggunakan metode CSD dengan variasi suhu annealing (800 o C, 850 o C, dan 900 o C). 2. Dua variasi perlakuan pada substrat silikon tipe-p (enhancement dengan kata lain tanpa dipanaskan terlebih dahulu, depletion dengan kata lain dipanaskan terlebih dahulu pada suhu C) yang dilakukan sebelum penetesan larutan BST di atas substrat. 3. Karakterisasi film BST sebagai sensor cahaya (sensitivitas) dan sensor suhu (sensitivitas, rentang nilai, resolusi, tingkat akurasi, dan histerisis). 4. Penerapan film BST sebagai sensor cahaya dan sensor suhu pada model sistem pengering otomatis produk pertanian berbasis mikrokontroler ATMega8535.

21 2 SINTESA MATERIAL SEMIKONDUKTOR BERBASIS BAHAN FERROELEKTRIK FILM Ba 0,55 Sr 0,45 TiO 3 (BST) 5 Pendahuluan Semikonduktor adalah bahan dasar untuk komponen aktif dalam alat elektronika, digunakan misalnya untuk membuat dioda, transistor, dan IC (integrated circuit). Dewasa ini bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan adalah kristal silikon.dahulu orang juga menggunakan unsur Germanium. Kedua unsur ini merupakan kelompok IV dalam susunan berkala. Kristal galium-arsenida yang terbentuk dari unsur galium dan arsen mempunyai sifat seperti unsur kelompok IV, sehingga dapat pula digunakan untuk membentuk bahan semikonduktor (Sutrisno, 1986). Pada umumnya semikonduktor bersifat isolator pada suhu dekat 0 o C dan pada suhu kamar bersifat sebagai konduktor. Bahan semikonduktor murni, yaitu yang terdiri dari unsur silikon saja atau unsur germanium saja yang disebut semikonduktor intrinsik. Semikonduktor yang digunakan untuk membuat dioda dan transistor terdiri dari campuran bahan semikonduktor intrinsik dengan unsur kelompok V atau kelompok III. Semikonduktor yang dihasilkan desebut simikonduktor ekstrinsik (Sutrisno, 1986). BST telah dikembangkan secara luas sebagai bahan ferroelektrik yang dapat digunakan dalam perangkat microwave tunable, seperti pada phase shifter, tunable filter, resonator, antenna, dan delay line (Iskandar, 2011). Suhu curie pada barium titanat adalah 130 o C, dengan adanya doping stronsium suhu curie menurun menjadi suhu kamar dan dapat digunakan pada piranti yang memerlukan suhu kamar (Iskandar, 2011). Bahan dan Metode Persiapan substrat Substrat yang digunakan adalah silikon tipe-p. Substrat dipotong membentuk persegi dengan ukuran 1 cm x 1 cm sebanyak 18 buah (masingmasing enhancement dan depletion sebanyak 9 buah substrat). Setelah proses pemotongan, kemudian dilanjutkan dengan pencucian menggunakan Asam Flurida (HF) 5% yang dicampur aquabides dengan perbandingan 1 : 5 (volume). Pembuatan larutan Larutan BST yang ditumbuhkan di atas substrat dengan metode CSD dibuat dari 0,3512 g Barium Asetat [Ba(CH 3 COOH) 2, 99%], 0,2314 g Strontium Asetat [Sr(CH 3 COOH) 2, 99%)], 0,7105 g Titanium Isopropoksida [Ti(C 12 O 4 H 28 ), 99%], dan 2,5 ml 2-metoksietanol [H 3 COOCH 2 CH 2 OH, 99%] sebagai pelarut untuk mendapatkan 1 M. Kemudian seluruh bahan tersebut kemudian disonikasi dalam ultrasonik model Branson 2210 selama 1 jam (campuran disebut prekursor). Persamaan reaksi film BST dengan fraksi mol 0,55 dan 0,45 untuk Barium dan Stronsium adalah:

22 6 0,55Ba(CH 3 COO) 2 + 0,45Sr(CH 3 COO) 2 + Ti (OCH(CH 3 ) 2 ) O 2 Ba 0,55 Sr 0,45 TiO H 2 O + 16CO 2 Penumbuhan film Proses penumbuhan film dilakukan dengan menggunakan reaktor spin coating, dimana substrat silikon tipe-p yang telah dicuci sebelumnya diletakkan di atas piringan reaktor spin coating yang telah ditempeli dengan double tape pada bagian tengahnya. Kemudian 1/3 permukaan substrat silikon tipe-p yang telah ditempelkan pada permukaan piringan spin coating ditutupi dengan merekatkan seal tape. Perekatan seal tape bertujuan untuk menghindari agar tidak semua permukaan substrat silikon tipe-p terlapisi atau tertutupi oleh larutan BST, dan penempelan double tape bertujuan agar substrat tidak terlepas saat piringan reaktor spin coating berputar. Substrat yang telah ditempatkan di atas piringan spin coating ditetesi larutan BST sebanyak 3 tetes, kemudian reaktor spin coating diputar dengan kecepatan 3000 rpm selama 30 detik. Proses penetesan dilakukan sebanyak 3 kali dengan jeda setiap ulangan adalah 60 detik (Hamdani et al. (2009), Seo et al. (2004), dan Uchino et al (2000)). Setelah penetesan, substrat diambil dengan menggunakan pinset. Proses annealing Proses annealing bertujuan untuk mendifusikan larutan BST dengan substrat. Proses annealing dilakukan dengan menggunakan furnace model Vulcan TM dan dilakukan secara bertahap. Pemanasan dimulai dari suhu ruang kemudian dinaikkan hingga suhu annealing yang diinginkan yaitu sebesar 800 o C, 850 C, dan 900 o C dengan kenaikan suhu pemanasan yang disesuaikan (1,7 C/menit), kemudian suhu annealing ditahan konstan hingga 15 jam. Selanjutnya dilakukan furnace cooling sampai didapatkan kembali suhu ruang. Proses annealing ditunjukkan pada Gambar 1. T ( o C) T ann Furnace cooling T Gambar 1. Proses annealing. Hour Pembuatan kontak pada film Lubang kontak pada film dibuat berbetuk persegi dengan ukuran 2 mm x 2 mm pada lapisan BST dan menutup bagian lain dari film BST yang tersisa dengan menggunakan aluminium foil. Poses selanjutnya adalah metalisasi aluminium (Al) sebagai media kontak film yang dilakukan secara evaporasi pada ruang vakum

23 udara. Kemudian pemasangan hidder dan kawat tembaga yang berukuran halus dengan menggunakan pasta perak. Model film BST ditunjukkan pada Gambar 2. 7 Si (100) p-type fine wires Glass Preparations Ba 0.55Sr 0.45TiO 3 (Al) contacts Silver Paste Gambar 2. Model film BST Mulai Barium asetat Ba(CH 3COO) 2, 99% Stronsium asetat Sr(CH 3COO) 2, 99% Titanium isopropoksida Ti(C 12O 4H 28), 99% 2-metoksietanol H 3COOCH 2CH 2OH, 99% Dicampur dan disonikasi selama satu jam dengan Branson 2210 Campuran BST (prekursor) Spin coating pada 3000 rpm selama 30 detik di atas substrat Si (100) tipe-p sebanyak 3 tetes Si (100) tipe-p enhacement Si (100) tipe-p deplesi Annealing pada suhu C Film Ba 0,55Sr 0,45TiO 3 Gambar 3. Diagram alir pembuatan film BST. Hasil dan Pembahasan Film BST yang dibuat merupakan persambungan antara dua buah semikonduktor. Substrat silikon yang digunakan merupakan semikonduktor tipe-p,

24 8 sedangkan larutan BST yang ditumbuhkan di atas substrat merupakan semikonduktor tipe-n. Persambungan tipe-p dan tipe-n dikenal dengan istilah p-n junction. Sebuah piranti elektronik memiliki karakteristik yang berbeda-beda. Ada yang memiliki sifat seperti resistor, transistor, atau dioda. Karakterisasi arus tegangan merupakan suatu cara untuk menentukan apakah sebuah piranti elektronik memiliki sifat seperti resistor, transistor, atau dioda. Dioda adalah suatu komponen elektronik yang dapat melewatkan arus pada satu arah saja. Bentuk dioda yang diperoleh berasal dari semikonduktor jenis p (silikon tipe-p) yang dibuat bersambungan dengan semikonduktor jenis n (BST). Penyambungan ini dilakukan saat penumbuhan kristal. Secara skematis dioda sambungan p-n ditunjukkan pada Gambar 4. Si tipe-p (anoda) BST (katoda) Gambar 4. Susunan dioda sambungan p-n Gambar 5 memperlihatkan pola kurva karakterisasi arus tegangan yang dilakukan oleh Putra (2012) setelah dibandingkan dengan literatur, menunjukan bahwa sampel bersifat dioda. Hal ini menunjukan bahwa prinsip dasar persambungan p-n pada sampel bekerja Arus Listrik (A) x fraksi mol 0,5 fraksi mol 0,6 fraksi mol 0,7 fraksi mol 0,8 Tegangan (V) Gambar 5. Kurva arus tegangan film BST (Putra, 2012) Kurva karakterisasi arus tegangan yang ditunjukkan pada Gambar 5 adalah kurva untuk film BST dengan fraksi mol 0,5; 0,6; 0,7; dan 0,8. Pada penelitian ini,

25 tidak dilakukan karakterisasi arus tegangan pada film BST dengan fraksi mol 0,55. Namun, berdasarkan penjelasan Gambar 5, dapat diasumsikan film BST dengan fraksi mol 0,55 memiliki karakterisasi arus tegangan bersifat dioda. Perlakuan variasi substrat silikon tipe-p menghasilkan sampel yang diberi label enhancement dan depletion. Sehingga dengan variasi suhu annealing 800 o C diperoleh sampel enhancement-800 o C, depletion-800 o C. Begitu pula dengan sampel suhu annealing 850 o C dan 900 o C. Pengulangan film BST setiap label dilakukan sebanyak 3 kali, sehingga jumlah film BST yang dibuat sebanyak 18 sampel. 9 Simpulan Telah berhasil dibuat bahan semikonduktor film BST dengan menumbuhkan larutan BST diatas substrat silikon tipe-p. Film yang dibuat merupakan persambungan antara dua buah semikonduktor (p-n junction) yang memiliki sifat dioda.

26 10 3 STUDI KARAKTERISASI BAHAN FERROELEKTRIK FILM Ba 0,55 Sr 0,45 TiO 3 (BST) SEBAGAI SENSOR CAHAYA Pendahuluan Sensor adalah alat yang dapat digunakan untuk mendeteksi dan sering berfungsi untuk mengukur magnitude sesuatu. Sensor adalah jenis transduser yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Sensor biasanya dikatagorikan melalui pengukuran dan memegang peranan penting dalam pengendalian proses pabrikasi modern (Carr, 1993). Fotodioda adalah jenis dioda yang berfungsi mendeteksi cahaya. Fotodioda merupakan sensor cahaya semikonduktor yang dapat mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik (Iskandar, 2011). Irzaman (2008) menjelaskan bahan ferroelektrik film BST dapat digunakan untuk aplikasi sensor cahaya yang kemudian dapat dikembangkan menjadi sel surya. Nilai konduktivitas listrik suatu bahan material menunjukkan material tersebut bersifat isolator, semikonduktor, atau konduktor. Iskandar (2011) memaparkan nilai konduktivitas listrik film BST semakin meningkat berdasarkan lama waktu annealing. Meningkatnya nilai konduktivitas listrik disebabkan oleh ketebalan film yang semakin besar seiring lamanya waktu annealing (Iskandar, 2011). Bahan dan Metode Karakterisasi meliputi pengujian film BST sebagai sensor cahaya (sensitivitas) dengan rangkaian bias maju dan bias mundur yang ditunjukkan pada Gambar 6. Si tipe-p (anoda) BST (katoda) Si tipe-p (anoda) BST (katoda) (a) Gambar 6. Skema pengujian sensitivitas film BST: (a) bias maju, (b) bias mundur. (b) Pengujian dilakukan dengan bantuan jembatan wheatstone, dengan tujuan dapat menambah sensitivitas sensor. Rangkaian jembatan wheatstone ditunjukkan pada Gambar 7.

27 11 1 M 4,7 K Jembatan Wheatstone V Film Ba 0.55 Sr 0.45 TiO Ω Gambar 7. Rangkaian jembatan wheatstone Film BST memiliki hambatan berkisar ±10 6 Ω [40]. Dengan menentukan nilai R 1 dan R 3, maka besarnya nilai R 2 bisa diperoleh dengan menggunakan persamaan R 1.R 3 =R 2.R 4. Langkah mendapatkan nilai R 2 pada penelitian ini adalah, pertama menentukan nilai R 1 dan R 3 sebesar 1 M dan 100 Ω. Kedua, pada rangkaian jembatan wheatstone awalnya R 2 menggunakan potensiometer 100 K, tujuannya menjadikan V di potensiometer menjadi bernilai 0 volt. Kemudian potensiometer dicabut, ukur hambatan pada potensiometer dengan multimeter. Nilai yang terbaca pada multimeter adalah nilai hambatan yang digunakan sebagai R 2. Nilai hambatan yang terbaca adalah 4, 68 K, sehingga digunakan R 2 = 4,7 K. Pengukuran dilakukan pada kaki 1 dan 3 potensiometer. Mulai Karakterisasi sebagai sensor cahaya Sensitivitas Bias maju Bias mundur Selesai Gambar 8. Diagram alur karakterisasi film BST sebagai sensor cahaya

28 12 Hasil dan Pembahasan Pengukuran sensitivitas sensor cahaya BST, dilakukan dengan cara sensor diberikan rangsangan berupa cahaya. Dengan adanya rangsangan, sensor akan merespon dan mengeluarkan output berupa tegangan tertentu. Untuk menambah sensitivitas, saat pengukuran film dirangkai dengan rangkaian jembatan wheatstone. Pengukuran dilakukan pada dua kondisi, yaitu gelap (±2 lux) dan terang (±452 lux). Hasil pengukuran ditunjukkan pada Tabel 1. Meningkatnya intensitas cahaya maka semakin banyak elektron yang tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi. Hal ini sesuai, bahwa elektron yang tereksitasi ke pita konduksi ini akan meningkatkan pembawa muatan yang pada akhirnya akan meningkatkan konduktivitas listrik (Kurniawan, 2011). Sensitivitas film BST sebagai sensor cahaya ditunjukkan oleh perbandingan antara perubahan tegangan dengan perubahan intensitas ( V/ I). Semakin besar perubahan tegangan maka film semakin sensitif. Tabel 1 menunjukkan pengukuran dengan bias maju memiliki nilai sensitivitas yang lebih besar dibandingkan dengan pengukuran bias mundur. Hal ini dikarenakan ketika kondisi bias maju (Si tipe-p dihubungkan ke V(+), BST tipe-n dihubungkan ke V(-)) arus akan mengalir dari katoda ke anoda, sehingga film BST bersifat konduktor. Pada Gambar 9 menunjukkan pula film dengan sampel enhancement-850 o C memiliki sensitivitas terbaik sebagai sensor cahaya. Film inilah yang bagus dijadikan sensor cahaya dan selanjutnya dapat diintegrasikan ke mikrokontroler. 0,2 Sensitivitas ( V/ lux) 0,15 0,1 0,05 Bias maju Bias mundur 0 Film BST Gambar 9. Sensitivitas film BST pada rangkaian bias maju dan bias mundur

29 13

30 14 Simpulan Film BST menunjukkan perubahan nilai konduktivitas ketika intensitas cahaya yang jatuh pada film berubah. Hal ini dikarenakan, meningkatnya intensitas cahaya maka semakin banyak elektron yang tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi. Sehingga elektron yang tereksitasi ke pita konduksi akan meningkatkan pembawa muatan yang pada akhirnya akan meningkatkan konduktivitas listrik.

31 3 SENSOR SUHU BERBASIS BAHAN FERROELEKTRIK FILM Ba 0,55 Sr 0,45 TiO 3 (BST) BERBANTUKAN MIKROKONTROLER ATMEGA Pendahuluan Material ferroelektrik memiliki kemampuan untuk mengubah arah listrik internalnya, dapat terpolarisasi secara spontan dan menunjukkan efek histerisis yang berkaitan dengan pergeseran dielektrik dalam menanggapi medan listrik internal 1-3. Sifat histeresis dan konstanta dielektrik yang tinggi dapat diterapkan pada sel memori Dynamic Random Acsess Memory (DRAM) dengan kapasitas penyimpanan melampaui 1 Gbit, sifat piezoelektrik dapat digunakan sebagai mikroaktuator dan sensor, sifat piroelektrik dapat diterapkan pada sensor infra merah dan sifat elektro optik untuk diterapkan pada switch termal infra merah, sifat polaryzability dapat diterapkan sebagai Non Volatile Ferroelectric Random Acsess Memory (NVFRAM) (Azizahwati, 2002), H. Syafutra et al. (2010), Irzaman et al. (2003). Mikrokontroler merupakan otak dari sebuah sistem elektronika digital, yang dimana sistem kerjanya diatur berdasarkan program dalam bahasa pemrograman yang digunakan. Bahasa pemrograman yang biasa digunakan dalam memrogram mikrokontroler produksi Atmel adalah bahasa Assembler, bahasa C, C++, basic, ataupun turbo pascal (Atmel (2003) dan A. Ardian et al. (2010)). ATMega8535 merupakan salah satu mikrokontroler 8 bit buatan Atmel untuk keluarga AVR yang diproduksi secara masal pada tahun ATMega8535 memiliki beberapa kemampuan, yaitu sistem mikrokontroler 8 bit berbasis RISC dengan kecepatan maksimal 16 MHz, memiliki memori flash 8 KB, SRAM sebesar 512 byte dan EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) sebesar 512 byte, memiliki ADC (Pengubah analog-kedigital) internal dengan ketelitian 10 bit sebanyak 8 saluran, memiliki PWM (Pulse Wide Modulation) internal sebanyak 4 saluran, portal komunikasi serial (USART) dengan kecepatan maksimal 2,5 Mbps, dan enam pilihan mode sleep, untuk menghemat penggunaan daya listrik (Atmel (2003) dan A. Ardian et al. (2010)). Bahan dan Metode Karakterisasi film BST sebagai sensor suhu Rentang nilai Rentang nilai dari suatu sensor adalah nilai maksimum dan minimum yang dapat diberikan suatu sensor dari parameter yang dapat diukur[1]. Sensor dapat dikatakan memiliki rentang nilai minimum ataupun maksimum jika sensor tersebut tidak terjadi perubahan nilai keluaran (dalam hal ini berupa tegangan) jika diberikan rangsangan suhu (A. Ardian et al, 2010). Proses pengujian dimulai dengan memberikan suhu dengan cara memasukan film BST ke dalam furnace, kemudian furnace diatur dengan suhu kenaikan sebesar 1 o C/menit dengan suhu awal 30 o C hingga film tidak lagi

32 16 menunjukan data keluaran yang cukup berarti (dalam kata lain perubahan nilai keluaran mendekati nol). Sensitivitas Secara umum, sensitifitas merupakan masukan minimum dari parameter fisik yang dapat membuat perubahan pada nilai keluaran. Sensitivitas dari sebuah sensor dapat didefinisikan sebagai kemiringan kurva karakteristik keluaran ( y/ x). Sensitifitas diperoleh dengan cara memberikan input berupa suhu. Dengan adanya input suhu, sensor akan merespon dan mengeluarkan output berupa tegangan tertentu (A. Ardian et al, 2010). Resolusi Perubahan nilai terkecil sebagai nilai masukan yang dapat dibaca oleh sensor disebut sebagai nilai resolusi (A. Ardian et al, 2010). Nilai resolusi dari film BST dapat diamati dari perubahan output ketika film BST diberikan input terkecil. Tingkat akurasi Perbedaan output maksimum yang dihasilkan terhadap nilai yang sebenarnya disebut sebagai tingkat akurasi (A. Ardian et al, 2010). Pengukuran tingkat akurasi film BST dilakukan dengan cara membandingkan nilai parameter keluaran film BST dengan dengan alat ukur lain. Histerisis Histerisis merupakan pola jalur yang berbeda dari output sensor ketika diberikan input monoton naik dan dikembalikan monoton turun ke posisi semula (A. Ardian et al, 2010). Pengintegrasian film BST sebagai sensor berbantukan mikrokontroler ATMega8535 pembaca suhu ruangan Sensor yang digunakan adalah film BST yang dirangkai dengan rangkaian jembatan wheatstone. Sinyal tegangan keluaran dari jembatan wheatstone diperkuat oleh rangkainan op-amp. Untuk op-amp digunakan IC LM324 (Kurniawan, 2011). Rangkaian op-amp ditunjukkan pada Gambar 10. Gambar 10. Rangkaian penguat (op-amp)

33 17 Mulai Data output film BST Di kuatkan dengan rangkaian penguat (op-amp) Mikrokontroler ATMega8535 Tidak Tampilan di LCD Ya Selesai Gambar 11. Diagram alir pengujian sensor suhu BST Hasil dan Pembahasan Karakterisasi Film BST sebagai Sensor Suhu Pengukuran karakterisasi film BST sebagai sensor suhu dilakukan dengan cara pemberian rangsangan berupa suhu. Input suhu pada film diberikan di dalam furnace. Furnace diatur dengan kenaikan suhu 1 o C/menit. Pengukuran dilakukan dengan pemberian suhu awal 30 o C sampai suhu kondisi dimana film tidak lagi menunjukan output berupa tegangan yang cukup berarti. Proses pengukuran menggunakan rangkaian jembatan wheatstone. Output dari jembatan wheatstone menunjukan bahwa besarnya nilai output yang dihasilkan berbanding lurus dengan nilai input yang diberikan. Ouput yang berasal dari rangkaian jembatan wheatstone kemudian diplotkan dengan input (suhu) yang diberikan, sehingga diperoleh hasil rentang nilai, sensitivitas, resolusi, tingkat akurasi dari masingmasing film yang diolah dengan persamaan regresi linear. Hasil pengukuran menunjukkan perlakuan substrat enhancement menghasilkan nilai sensitivitas yang lebih baik dibandingkan dengan perlakuan substrat depletion. Secara jelas, rentang nilai, sensitivitas, resolusi dan tingkat akurasi dari masing-masing film BST ditunjukkan pada Tabel 2. Hasil karakterisasi histerisis yang ditunjukan pada Gambar 12 sampai Gambar 17 menunjukkan bahwa histerisis pada film enhancement-850 o C (Gambar 14) mempunyai selisih suhu monoton naik dan monoton turun yang kecil dibandingkan film yang lainnya.

34 18 Tabel 2. Data rentang nilai, sensitivitas, resolusi dan tingkat akurasi film BST sebagai sensor suhu Film BST Enhancement-800 o C Depletion-800 o C Enhancement-850 o C Depletion-850 o C Enhancement-900 o C Ulangan Rentang* ( o C) Sensitivitas* (mv/ o C) Resolusi Sensor* ( o C) Tingkat akurasi* (%) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Depletion-900 o C , , , ,8 Sumber: *(A. Ardian et al, 2010) Tegangan Keluaran (mv) monoton suhu naik ulangan 1 monoton suhu turun ulangan 1 monoton suhu naik ulangan 2 monoton suhu turun ulangan 2 monoton suhu naik ulangan 3 monoton suhu turun ulangan Suhu ( o C) Gambar 12. Histerisis BST enhancement-800 o C

35 19 Tegangan Keluaran (mv) monoton suhu naik ulangan 2 monoton suhu turun ulangan 2 monoton suhu naik ulangan 3 monoton suhu turun ulangan Suhu ( o C) Gambar 13. Histerisis BST depletion-800 o C Tegangan keluaran (mv) monoton suhu naik ulangan 1 monoton suhu turun ulangan 1 monoton suhu naik ulangan 2 monoton suhu turun ulangan 2 monoton suhu naik ulangan 3 monoton suhu turun ulangan Suhu ( o C) Gambar 14. Histerisis BST enhancement-850 o C Tegangan keluaran (mv) monoton suhu naik ulangan 1 monoton suhu turun ulangan 1 monoton suhu naik ulangan 2 monoton suhu turun ulangan 2 monoton suhu naik ulangan 3 monoton suhu turun ulangan Suhu ( o C) Gambar 15. Histerisis BST depletion-850 o C

36 Tegangan keluaran (mv) monoton suhu naik ulangan 1 monoton suhu turun ulangan 1 monoton suhu naik ulangan 2 monoton suhu turun ulangan 2 monoton suhu naik ulangan 3 monoton suhu turun ulangan Suhu ( o C) Gambar 16. Histerisis BST enhancement-900 o C Tegangan keluaran (mv) monoton suhu naik ulangan 1 monoton suhu turun ulangan 1 monoton suhu naik ulangan 2 monoton suhu turun ulangan 2 monoton suhu naik ulangan 3 monoton suhu turun ulangan Suhu ( o C) Gambar 17. Histerisis BST depletion-900 o C Hasil karakterisasi secara keseluruhan menunjukkan film terbaik yang bisa digunakan sebagai sensor suhu adalah film BST Enhancement-850 o C. Hal tersebut ditunjukan dengan rentang nilai 30 o C o C, sensitivitas 0,862 mv/ o C, resolusi film sebesar 1 o C, tingkat akurasi 92,2% dan histerisis yang kecil. Film inilah yang kemudian diintegrasikan ke mikrokontroler. Pengintegrasian Sensor Suhu BST Berbantukan Mikrokontroler ATMega8535 Hasil karakterisasi film BST digunakan sebagai data awal dalam pengintegrasian mikrokontroler. Ketika pengintegrasian mikrokontroler, data yang menjadi variabel tetap adalah tegangan, seperti ditunjukan pada Gambar 18.

37 Suhu ( o C) y = 1.159x R² = Tegangan Keluaran (mv) Gambar 18. Fungsi tegangan terhadap suhu film BST enhancement-850 o C Mikrokontroler yang digunakan adalah ATMega8535 yang menggunakan Analog to Digital Converte (ADC) dengan resolusi 10 bit dengan tegangan referensi 4,8 volt, sehingga mikrokontroler dapat membedakan tegangan yang masuk sebesar 0, volt. Untuk menyesuaikan resolusi film BST dengan resolusi ADC maka digunakan rangkaian penguat (op-amp). Rangkaian penguat yang digunakan adalah rangkaian penguat diferensial dan rangkaian penguat noninverting, yang ditunjukan pada Gambar 10. Rangkaian penguat diferensial adalah rangkaian yang membandingkan dua masukan. Rangkaian penguat diferensial yang digunakan adalah gabungan dari rangkaian noninverting dan inverting. Total penguatan rangkaian untuk film BST adalah 2 kali penguatan dari rangkaian penguat diferensial dan 11 kali penguatan dari rangkaian penguat noninverting, sehingga total penguatannya adalah 22 kali. Dari hasil penguatan diperoleh hubungan fungsi tegangan keluaran terhadap suhu yang ditunjukan pada Gambar Suhu ( o C) y = 0.052x R² = Tegangan Keluaran (mv) Gambar 19. Fungsi tegangan terhadap suhu film BST enhancement-850 o C yang sudah dikuatkan dengan op-amp.

38 22 Melalui persamaan linear yang dihasilkan Gambar 19, mikrokontroler dapat membaca masukan dari tegangan yang diberikan. Persamaan linear ini selanjutnya dimasukan ke dalam listing program ADC pada Code Vision AVR. Tampilan suhu dalam bentuk digital ditampilkan pada LCD berukuran 16 x 2 yang ditunjukkan pada Gambar 20. Port yang digunakan untuk LCD pada ATMega8535 adalah PORTD. Hasil pengukuran film BST sebagai sensor suhu dilakukan di dalam furnace dengan kondisi suhu 30 o C, 35 o C, 40 o C, 45 o C yang ditunjukkan pada Tabel 3. Perbedaan suhu yang terukur antara furnace dan sensor suhu film BST dikarenakan pengaruh dari persamaan linear yang dimasukan ke dalam listing program ADC pada Code Vision AVR. Dari pengukuran film BST sebagai sensor suhu didapat nilai ketepatan (presisi) sebesar 99,58%. Gambar 20. Tampilan suhu yang terukur oleh film BST. Tabel 3. Hasil pengukuran sensor suhu film BST. Sensor Suhu ( o suhu film C) BST ( o C) Perbedaan Suhu ( o C) 30 30,78 0, ,92 0, ,87 0, ,23 0,23 Simpulan Telah berhasil membuat sensor suhu berbasis bahan ferroelektrik film BST yang berbantukan mikrokontroller ATMega8535 dengan tingkat sensitivitas, akurasi, dan presisi yang tinggi. Dengan demikian film BST dapat digunakan sebagai sensor suhu untuk membaca perubahan lingkungan (dalam hal ini perubahan suhu).

39 3 PENERAPAN FILM Ba 0,55 Sr 0,45 TiO 3 (BST) SEBAGAI SENSOR CAHAYA DAN SENSOR SUHU PADA MODEL SISTEM PENGERING OTOMATIS PRODUK PERTANIAN BERBASIS ATMEGA Pendahuluan Indonesia sebagai negara agraris yang memiliki lahan pertanian yang subur, ironisnya justru mengimpor beras dari negara lain. Salah satu penghambat produksi beras di Indonesia yaitu permasalahan pada proses pengeringan gabah. Selama ini para petani Indonesia hanya mengandalkan panas matahari untuk mengeringkan gabah hasil panennya sehingga pada saat musim hujan mereka mengalami kesulitan dalam proses pengeringannya. Pengeringan menggunakan panas matahari membutuhkan waktu minimal 3 hari untuk mencapai kadar air minimal dalam gabah agar dapat digiling dengan sempurna sehingga jika hari hujan petani tidak dapat mengeringkan gabah mereka dan hal ini dapat menyebabkan gabah rusak yang pada akhirnya beras yang dihasilkan memiliki kualitas jelek (Daulay, 2005). Kelemahan menjemur dengan memanfaatkan panas matahari adalah ketika malam hari atau cuaca tidak mendukung (mendung, hujan) maka proses pengeringan produk pertanian tidak dapat berlangsung. Dryer (pengering) digunakan sebagai alat kontrol ketika cuaca tidak mendukung untuk proses pengeringan. Tentunya, dengan adanya dryer proses pengeringan produk pertanian akan terus berjalan sehingga akan mempercepat proses pengeringan produk pertanian. Bahan dan Metode Pembuatan mekanik sistem pengering Model dibuat dengan ukuran alas 50 cm x 50 cm dari bahan plastik mika membentuk sebuah rumah. Membuka/menutupnya atap bagian kanan dan kiri digerakan oleh 2 motor servo. Model sistem pengering ditunjukkan pada Gambar 21 sampai Gambar 27. Gambar 21. Model tampak depan

40 24 Gambar 22. Model tampak belakang Gambar 23. Model tampak samping Gambar 24. Model tampak atas

41 25 Gambar 25. Model tampak bawah Gambar 26. Model atap terbuka Gambar 27. Desain pemasangan motor servo Rangkaian sensor cahaya dan sensor suhu Sensor yang digunakan terdiri atas 2 buah film BST yang yang masingmasing dirangkai dengan rangkaian jembatan wheatstone. Jembatan wheatstone digunakan untuk menambah sensitivitas sensor. Sinyal tegangan keluaran dari

42 26 jembatan wheatstone diperkuat oleh rangkainan op-amp. Untuk op-amp digunakan IC LM324. Rangkaian op-amp ditunjukkan pada Gambar 10. Rangkaian catu daya Supaya sistem pengering otomatis dapat bekerja maka sistem harus diberi tegangan sumber. Input sumber tegangan sebesar 220 volt diturunkan dengan menggunakan transformator step down. Output AC dari sisi sekunder transformator kemudian disearahkan dengan menggunakan dioda bridge sebagai penyearah gelombang penuh dan mengubah tegangan AC menjadi DC. Dari hasil penyearahan menggunakan dioda bridge masih terdapat tegangan bolak-baliknya (dengan kata lain tegangan riak). Untuk mengurangi tegangan riak hasil dari penyearahan maka digunakan kapasitor yang berfungsi sebagai penapis. Untuk mendapatkan output 5 volt DC digunakan IC regulator tegangan LM 7805 sebagai penyetabil tegangan 5 volt DC. Sedangkan untuk mendapatkan output 12 volt DC digunakan IC regulator tegangan LM 7812 sebagai penyetabil tegangan 12 volt DC. Pada keluaran IC 7805 dipasang transistor 2N3055 yang digunakan untuk memperkuat arus output. Dipasang juga kapasitor sebesar 100µF/25v sebagai filter tegangan. Gambar rangkaian catu daya ditunjukkan pada Gambar 28. Vin 7812 GND Vout +12V/1A 10uF/25V 12V CT 5A 5A 7805 Vin Vout GND 2N V 5A 5A 4700uF/25V 1N V/2A 4700uF/25V 100nF 10 K 100uF/25V 330 Gambar 28. Skema power supply Rangkaian mikrokontroler ATMega8535 Pada rangkaian sistem pengering otomatis, mikrokontroler ATMega8535 mendapat catu daya 5 volt. PORTA pada mikrokontroler digunakan sebagai input yang dipakai untuk mengontrol tegangan analog dari sensor cahaya BST dan sensor suhu BST yang masuk ke mikrokontroler. Rangkaian mikrokontroler ATMega8535 ditunjukkan pada Gambar 29.

43 27 Gambar 29. Rangkaian mikrokontroler ATMega8535 Rangkaian driver relay Driver relay digunakan untuk pensaklaran arus AC (mengaktifkan dryer 220 AC). Rangkaian driver relay disusun secara darlington yang terdiri 2 buah transistor bipolar (Anas, 2010). Rangkaian driver relay ditunjukkan pada Gambar 30. Gambar 30. Rangkaian driver relay Rangkaian liquid crystal display (LCD) Rangkaian LCD 16 x 2 yang ditunjukkan pada Gambar 31 dihubungkan ke PORTB pada mikrokontroler. LCD digunakan untuk menampilkan output perubahan tegangan baik dari sensor cahaya BST maupun dari sensor suhu BST akibat pemberian rangsangan tertentu pada masing-masing sensor BST. Output perubahan tegangan dari sensor cahaya BST dikonversi dan ditampilkan dalam satuan lux, sedangkan output perubahan tegangan dari sensor suhu BST dikonversi dan ditampilkan dalam satuan o C.

44 K 2 1 Vcc PB.0 PB.1 PB.2 PB.4 PB.5 PB.6 PB.7 LCD Connector Gambar 31. Rangkaian LCD Perancangan Perangkat Lunak Perancangan perangkat lunak mempergunakan bahasa C melalui mikrokontroler sebagai sistem programmable. CPU, memori, dan I/O yang dirangkai dalam satu chip merupakan parameter pendukung dalam perancangan perangkat lunak untuk menjalankan sistem. Software yang digunakan adalah Code Vision AVR untuk pembuatan program. Pembuatan program ini meliputi pembuatan program pada mukrokontroler dengan Code Vision AVR, dan pembuatan coding program dengan menggunakan bahasa C. Hasil dan Pembahasan Rancangan Film Sebagai Sensor Cahaya BST dan Sensor Suhu BST Film BST yang memiliki sensitivitas terbaik digunakan pada model sistem pengering otomatis. Ada dua film yang digunakan sebagai sensor, satu untuk sensor cahaya dan satu untuk sensor suhu (film BST terbaik). Kedua sensor ini digunakan untuk membaca tegangan output dari masing-masing rangsangan yang diberikan. Perubahan tegangan output yang kecil perlu diperkuat oleh rangkaian penguat dengan tujuan dapat dibaca oleh mikrokontroler. Mikrokontroler ATMega8535 menggunakan ADC dengan resolusi 8 bit=255 desimal, dengan tegangan referensi 4,8 V, sehingga mikrokontroler dapat membedakan tegangan yang masuk sebesar 0,0188 V. Digunakan dua rangkaian penguat, yaitu rangkaian penguat diferensial yang merupakan gabungan antara rangkaian penguat noninverting (penguat 1) dan penguat inverting (penguat 2) yang berfungsi untuk membandingkan dua input yang masuk. Rangkaian penguat diferensial digunakan karena pada tahap awal film dirangkai dengan jembatan wheatstone yang mempunyai dua keluaran. Rangkaian penguat kedua adalah rangkaian penguat noninverting (penguat 3). Pada rangkaian penguat inverting (penguat 2), tegangan referensi diberi tegangan referensi positif, sehingga nilai penguatannya akan bernilai positif. Besar penguatan untuk rangkaian penguat diferensial adalah 2 kali. Sedangkan besar penguatan untuk rangkaian penguat noninverting (penguat 3)

45 adalah 11 kali. Sehingga total penguatan rangkaian sensor adalah 22 kali. Total penguatan sensor sebesar 22 kali memberikan perubahan tegangan output yang kecil menjadi 22 kali lebih besar, sehingga perubahan tegangan output tersebut dapat dibaca oleh mikrokontroler. Perhitungan besar penguatan pada rangkaian sensor cahaya dan sensor suhu BST adalah sebagai berikut: Besar penguatan untuk rangkaian penguat diferensial adalah: 29 V out V in = 1 + R f R in R f R in V out V in = 1 + R 6 R 5 R 4 R 3 V out V in = K 100K 100K 100K V out V in = 2 kali Besar penguatan untuk rangkaian penguat noninverting (penguat 3) adalah: V out V in = 1 + R f R in V out V in = 1 + R 2 R 1 V out V in = 1 + 1M 100K V out V in = 11 kali Total penguatan rangkaian sensor adalah 22 kali. Pengujian rangkaian catu daya Tujuan pengujian rangkaian catu daya adalah untuk mengukur tegangan keluaran dan arus keluaran pada catu daya. Dengan menggunakan sebuah multimeter, maka tegangan dari output regulator dapat diukur. Tegangan yang diperoleh dari pengujian sebesar 4,96 volt dan 12,04 volt. Tegangan yang diperoleh dari hasil pengujian digunakan sebagai sumber tegangan untuk mensuplay tegangan pada rangkaian elektronika. Sumber tegangan 4,96 volt digunakan untuk mensuplay tegangan pada rangkaian mikrokontroler, sensor cahaya BST, sensor suhu BST, motor servo dan LCD. Sedangkan sumber tegangan 12,04 volt digunakan untuk mensuplay tegangan pada rangkaian driver relay.

46 30 Pengujian rangkaian mikrokontroler ATMega8535 Rangkaian pengendali pada prototipe sistem pengering otomatis adalah sebuah mikrokontroler 8 bit ATMega8535. Tegangan output dari rangkaian sensor cahaya dan sensor suhu adalah sinyal input untuk mikrokontroler. Mikrokontroler ATMega8535 mempunyai 42 pin. Pengujian mikrokontroler dilakukan langsung pada rangkaian mikrokontroler sistem pengering otomatis yang ditunjukan pada Gambar 32. Input untuk mikrokontroler dari sensor cahaya BSTadalah PORTA.0, sedangkan input dari sensor suhu BST adalah PORTA.1. PORTD.0 digunakan sebagai output untuk meng-on/off-kan driver relay. PORTB digunakan sebagai output untuk LCD. PORTC.6 dan PORTC.4 digunakan sebagai output ke motor servo 1 dan motor servo 2. PORTD.6, PORTC.1, PORTC.0, dan PORTD.7 digunakan sebagai input dari switch 1, switch 2, switch 3, dan switch 4. LCD RW E Data 4 Data 5 Data 6 Data 7 Relay Switch 1 PORTB.0 PORTB.1 PORTB.2 PORTB.3 PORTB.4 PORTB.5 PORTB.6 PORTB.7 RESET VCC GND XTAL2 XTAL1 PORTD.0 PORTD.1 PORTD.2 PORTD.3 PORTD.4 PORTD.5 PORTD.6 PORTA.0 PORTA.1 PORTA.2 PORTA.3 PORTA.4 PORTA.5 PORTA.6 PORTA.7 AREF GND AVCC PORTC.7 PORTC.6 PORTC.5 PORTC.4 PORTC.3 PORTC.2 PORTC.1 PORTC.0 PORTD.7 BST Light Sensor BST Temprature Sensor Servo 1 Servo 2 Switch 2 Switch 3 Switch 4 Gambar 32. Rangkaian mikrokontroler sistem pengering otomatis Pengujian rangkaian driver relay Relay berfungsi sebagai saklar elektronik. Pada sistem pengering otomatis, relay digunakan untuk mengaktifkan dan mematikan dryer 220 AC. Dryer 220 AC digunakan saat kondisi atap tertutup, sehingga proses pengeringan tetap berlangsung. Rangkaian driver relay terdiri dari dua transistor bipolar yang disusun secara darlington (Gambar 30). Fungsi transistor ini adalah mengalirkan arus jika terdapat arus bias pada kaki basisnya. Pada sistem pengering otomatis, relay dikontrol oleh mikrokontroler ATMega8535. Prinsipnya, jika PORTA.0 mendapat input gelap (kondisi atap tertutup), maka PORTD.0 memerintahkan driver relay dalam keadaan NC yang akan menghubungkan arus AC ke dryer 220 AC, sehingga dryer 220 AC hidup. Jika PORTA.0 mendapat input terang (kondisi atap terbuka), maka PORTD.0 memerintahkan relay dalam keadaan NO yang akan memutuskan arus AC ke dryer 220 AC, sehingga dryer 220 AC mati. Dalam kondisi input gelap, sensor suhu berfungsi untuk membaca perubahan suhu di dalam sistem pengering. Input dari PORTA.1 bekerja memerintahkan PORTD.0. Jika PORTA.1 mendapat input suhu 60 o C, maka PORTD.0 memerintahkan relay dalam keadaan NC yang akan menghubungkan

47 arus AC ke dryer 220 AC, sehingga dryer 220 AC hidup. Ketika PORTA.1 mendapat input suhu > 60 o C, maka PORTD.0 memerintahkan relay dalam keadaan NO sampai suhu mencapai 30 o C, saat suhu < 30 o C maka PORTD.0 aktif kembali memerintahkan driver relay dalam keadaan NC. Proses tersebut berlangsung secara terus menerus saat kondisi atap tertutup. Pengujian berfungsi atau tidaknya rangkaian driver relay dilakukan dengan memberikan input tegangan. Tabel 4 menunjukkan hasil pengujian rangkaian driver relay. Saat driver relay belum diberi input tegangan maka relay belum tersinergis. Saat relay diberi input tegangan maka relay akan tersinergis. Tabel 4. Hasil pengujian rangkaian relay Input Tegangan (V) Kondisi Output 0 Tidak Tersinergis/off Tegangan AC Tidak Terhubung 4, 96 5,00 Tersinergis/on Tegangan AC Terhubung 31 Pengujian rangkaian liquid crystal display (LCD) Untuk menjalankan sebuah LCD supaya bisa bekerja dengan baik, maka pin LCD dihubungkan dengan PORTB pada mikrokontroller. Pada pengujian LCD dibuat sebuah tampilan suhu yang terukur di dalam ruangan sistem pengering. Pin sensor suhu BST dihubungkan dengan PORTA.1. Suhu yang terukur berasal dari data yang terbaca sensor suhu BST. Output berupa tegangan diolah menjadi data digital pada Analog Digital Converter (ADC) internal ATMega8535. Data digital diolah oleh mikrokontroler. LCD berukuran 16 x 2 akan menampilkan perubahan tegangan dalam satuan derajat Celcius ( o C) ketika sensor suhu BST diberikan rangsangan suhu, tentunya dengan tahapan memasukan persamaan linear (hasil karakterisasi monoton naik sensor suhu BST ) ke dalam listing program ADC pada Code Vision AVR. Tampilan suhu terukur ditunjukkan pada Gambar 33. Gambar 33. Tampilan suhu yang terukur sensor suhu BST pada LCD 16 x 2

48 32 Pengujian motor servo Motor servo yang digunakan adalah motor servo standar 180 produk HITEC HS-646MG. Motor servo ini hanya mampu bergerak dua arah dengan defleksi masing-masing sudut mencapai 90, sehingga total defleksi sudut dari kanan - tengah - kiri adalah 180. Pulsa kontrol motor servo dikendalikan oleh sebuah pulsa selebar ±20 ms, dimana lebar pulsa antara 0,5 ms dan 2 ms menyatakan akhir dari range sudut maksimum. Jika motor servo diberikan pulsa dengan besar 1,5 ms mencapai gerakan 90, maka bila berikan pulsa kurang dari 1,5 ms maka posisi mendekati 0 dan bila berikan pulsa lebih dari 1,5 ms maka posisi mendekati 180. Pada pengujian motor servo, bagian pin kontrolnya diberikan sinyal PWM dengan frekuensi 50,31 Hz yang ditunjukkan pada Gambar 34, dimana pada saat sinyal dengan frekuensi 50,31 tersebut dicapai kondisi ton duty cycle 1,5 ms, maka rotor dari motor akan berhenti tepat di tengah-tengah. Gambar 34. Frekuensi sinyal PWM Pengujian motor servo dilakukan langsung pada mekanik atap sistem pengering bagian kanan dan kiri dengan mengubah frekuensi sinyal PWM. Tabel 5 menunjukkan data frekunsi sinyal PWM yang digunakan motor servo untuk membuka/menutup atap. Tabel 5. Data frekuensi sinyal PWM untuk membuka/menutup atap sistem pengering otomatis. Frekuensi Sinyal Frekuensi Sinyal MotorServo PWM untuk PWM untuk Menutup Membuka Atap Atap (Hz) (Hz) Servo Servo

49 Dalam pengujian ini, motor servo langsung dikontrol dari mikrokontroler yang terhubung dengan PORTC.6 untuk motor servo 1 dan PORTC.4 untuk motor servo 2. Motor servo 1 digunakan untuk menggerakan atap bagian kanan, sedangkan motor servo 2 digunakan untuk menggerakan atap bagian kiri. Pengujian rangkaian keseluruhan sistem Pengujian secara keseluruhan dilakukan dengan menggabungkan masingmasing rangkaian menjadi satu sistem yang terpadu. Rangkaian sensor cahaya BST, sensor suhu BST, driver relay, motor servo, LCD, switch, mikrokontroler ATMega8535 digabungkan menjadi satu dalam suatu prototipe sistem pengering sehingga terbentuk suatu sistem pengering otomatis yang berbasiskan mikrokontroler ATMega8535 dengan bahasa C sebagai bahasa pemrograman yang digunakan. Skema rangkaian keseluruhan elektronika sistem pengering otomatis ditunjukkan pada Gambar 35. R8 1 M BST film R17 1 M BST film R9 4,7 K R7 100 Ω R18 4,7 K R Ω R5 100 K R K + - LM324 + R6 100 K - R K + - LM R3 100 K R K R4 100 K + - LM R K + - LM R1 100 K R K - + LM R2 1 M - + LM R11 1 M 16 x 2 LCD 1 Vcc 2 Gnd 3 VEE 4 RS 5 RW 6 E 7 Data 0 8 Data 1 9 Data 2 10 Data 3 11 Data 4 12 Data 5 13 Data 6 14 Data 7 15 Vcc 16 Gnd PORTB.0 PORTB.1 PORTB.2 PORTB.3 PORTB.4 PORTB.5 PORTB.6 PORTB.7 RESET VCC GND XTAL2 XTAL1 PORTD.0 PORTD.1 PORTD.2 PORTD.3 PORTD.4 PORTD.5 PORTD.6 Switch 1 PORTA.0 PORTA.1 PORTA.2 PORTA.3 PORTA.4 PORTA.5 PORTA.6 PORTA.7 AREF GND AVCC PORTC.7 PORTC.6 PORTC.5 PORTC.4 PORTC.3 PORTC.2 PORTC.1 PORTC.0 PORTD.7 Switch 3 Switch 4 Switch 2 1N 4001 SERVO 1 SERVO 2 RELAY 33 COMMON NC NO 100 K Q1 C828 Q2 TIP31C Gambar 35. Rangkaian keseluruhan elektronika sistem pengering otomatis Prinsipnya, saat catu daya dihidupkan, catu daya memberikan tegangan input yang dibutuhkan setiap rangkaian elektronika yang digunakan. Sistem ini menggunakan 2 buah film BST yang digunakan sebagai sensor cahaya dan sensor suhu. Sensor cahaya BST akan mendeteksi ada atau tidaknya cahaya yang diterima, sedangkan sensor suhu BST digunakan untuk membaca perubahan suhu di dalam ruangan sistem pengering otomatis. Data yang diterima dari sensor cahaya BST dan sensor suhu BST kemudian dikirim ke mikrokontroler. Mikrokontroler akan mengolah data yang terbaca dari kedua sensor BST. Apabila data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah terang, maka mikrokontroler akan memberikan perintah pada masing-masing motor servo untuk membuka atap bagian kanan dan kiri. Mikrokontroler juga akan memberikan perintah untuk mengnonaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan mati.

50 34 Jika data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah gelap, maka mikrokontroler akan memberikan perintah pada masing-masing motor servo untuk menutup atap bagian kanan dan kiri. Mikrokontroler juga akan memberikan perintah untuk mengaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan hidup. Ketika data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah gelap, jika data yang terbaca dari sensor suhu BST adalah 60 o C, mikrokontroler akan memberikan perintah untuk mengaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan hidup. Jika data yang terbaca dari sensor suhu BST > 60 o C, mikrokontroler akan memberikan perintah untuk mengnonaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan mati sampai data yang terbaca oleh sensor suhu BST mencapai 30 o C. Saat data yang terbaca sensor suhu BST < 30 o C maka mikrokontroler akan memberikan perintah untuk mengaktifkan kembali driver relay sehingga dryer dalam keadaan hidup. Penentuan data dari sensor cahaya BST terbaca terang atau gelap, ditentukan dari nilai komparator yang ditentukan pada program. Jika data intensitas cahaya sensor cahaya BST > intensitas cahaya komparator maka dikatakan terang, dan sebaliknya. Data yang terbaca dari sensor cahaya BST dan sensor suhu BST ditampilkan dalam LCD berukuran 16 x 2. Switch pada rangkaian sistem pengering otomatis digunakan untuk memasukan intensitas cahaya komparator, memasukan batasan pembacaan suhu untuk sensor suhu BST, pengecekan dryer, pengecekan buka tutup atap yang digerakan oleh motor servo. Dengan kata lain switch berfungsi untuk mengendalikan sistem pengering secara manual. Simpulan Telah berhasil dilakukan penerapan film BST sebagai sensor cahaya dan suhu pada model sistem pengering otomatis produk pertanian berbasis mikrokontroler ATMega8535 dengan prinsip kerja memanfaatkan film BST sebagai saklar otomatis.

51 35 7 PEMBAHASAN UMUM Rancangan suatu model sistem pengering otomatis dengan prinsip kerja buka tutup atap berfungsi untuk membantu proses pengeringan produk pertanian dengan memanfaatkan energi panas matahari. Sistem ini menggunakan dua buah sensor (sensor cahaya dan sensor suhu) yang disintesa dari bahan ferroelektrik film BST. Film BST yang dibuat merupakan persambungan antara dua buah semikonduktor, dimana Si sebagai tipe-p dan BST sebagai tipe-n. Sensor cahaya berfungsi sebagai saklar yang mendeteksi ada atau tidaknya cahaya yang diterima (fotodioda). Sensor suhu berfungsi untuk membaca perubahan suhu lingkungan di dalam ruangan model sistem pengering. Data hasil pembacaan kedua sensor diolah oleh pengkondisian sinyal komparator. Komparator mengubah sinyal berupa analog menjadi sinyal dalam bentuk digital. Data hasil konversi komparator kemudian dikirim ke mikrokontroler untuk diproses. Mikrokontroler memberikan perintah kepada motor servo dan driver relay sesuai input yang diterima untuk menjalankan fungsinya masing-masing. Gambaran umum sistem kerja model sistem pengering ditunjukkan pada Gambar 36. Prinsip kerja (input-output) pada sistem pengering otomatis ditunjukkan pada Tabel 6. Motor servo 1 Motor servo 2 Sensor cahaya BST Komparator Mikrokontroller ATMega8535 Sensor suhu BST Komparator Driver relay Dryer Gambar 36. Diagram blok sistem Tabel 6. Data prinsip kerja Input dan output pada sistem pengering otomatis Input Output Sensor cahaya Sensor suhu Atap louvre Dryer BST BST Terang Suhu < 30 o C Terbuka Mati Terang Suhu > 60 o C Terbuka Mati Terang 30 o C < Suhu < 60 o C Terbuka Mati Gelap Suhu < 30 o C Tertutup Hidup Gelap Suhu > 60 o C Tertutup Mati Gelap 30 o C < Suhu < 60 o C Tertutup Hidup

52 36 8 SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Film BST dapat digunakan sebagai sensor cahaya dan suhu karena menunjukkan adanya respon berupa perubahan tegangan ketika diberikan perubahan intensitas cahaya (sebagai sensor cahaya) dan perubahan suhu (sebagai sensor suhu). Telah berhasil dilakukan penerapan film BST sebagai sensor cahaya dan suhu pada prototipe sistem pengering otomatis produk pertanian berbasis mikrokontroler ATMega8535. Saran 1. Hindari pemasangan pasta perak secara berulang-ulang, karena penurunan sensitivitas film BST salah satunya diakibatkan oleh pasta perak yang terlalu sedikit atau pun sebaliknya. 2. Fokuskan pada pembuatan data sheet film BST enhancement-850 o C. 3. Tambahkan sensor hujan dan sensor kelembaban. 4. Untuk pembuatan prototipe dengan skala sebenarnya, diperlukan analisis penyebaran panas di dalam ruangan (bentuk rumah mempengaruhi distribusi aliran panas di dalam ruangan).

53 37 DAFTAR PUSTAKA Affian Widjanarko, Ridwan, M. Djaeni, Ratnawati Penggunaan Zeolite Sintesis Dalam Pengeringan Gabah Dengan Proses Fluidisasi Indirect Contact. J u r n a l T e k n o l o g i K i m i a d a n I n d u s t r i 1 ( 1 ) : x x - xx. Online di: Anas R Rancang Bangun Prototipe Buka Tutup Atap Otomatis untuk Pengeringan Proses Produksi Berbasis Mikrokontroler AT89S51. [Tugas Akhir]. Semarang: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Diponogoro. Atmel Data sheet ATMega E AVR 12/03. Auciello, O., Scott, J.F. and Ramesh, R, The Physics of Ferroelectric Memories, Physics Today, American Institute of Physics, vol. 51, pp , Azizahwati. Studi Morfologi Permukaan Film Tipis PbZR 0,525 Ti 0,475 O 3 yang Ditumbuhkan Dengan Metode DC Unbalanced Magnetron Sputtering. Jurnal Nasional Indonesia. 2002; 5(1):hal A. Ardian, L. Nady, R. Erviansyah, H. Syafutra, Irzaman, Siswandi Penerapan Film Tipis Ba 0,25 Sr 0,75 TiO 3 (BST) yang didadah Ferium Oksida sebagai Sensor Suhu Berbantukan Mikrokontroler. Berkala Fisika 13 (2): Bruzzese D et al The optical dielectric function in monolithic Ba x Sr 1-x TiO 3 films. Integrated Ferroelectrics 111: B.A. Baumert, L.H. Chang, A.T. Matsuda and C.J. Tracy. A Study of BST Thin Films for Use in bypass Capacitors. J. Mater. Res. 13 (1998), (1): 197. Carr J J Sensors and Circuit. A Simon and Schuster Company: United States of America. Clayton, G., Winder, S. (2005). Operational Amplifiers. Kastawan W, penerjemah; Santika W, editor. England: Elsevier Ltd. Terjemahan dari: Operational Amlifiers. Chen, X., Cai, W., Fu, C., Chen, H. and Zhang, Q, Synthesis and Morphology of Ba(Zr 0,20 Ti 0,80 )O 3 Powder Obtained by Sol-Gel Methode, Jurnal Sol-Gel Sci Technol. vol. 57, pp , Coughlin, Robert F Penguat Operasional dan Rangkaian Terpadu liniear. Jakarta: Erlangga. Daulay, S.B. (2005). Pengeringan Padi (Metode dan Peralatan). Jurusan Teknologi Pertanian, Fakultas Pertanian, Universitas Sumatera Utara, Sumatera Utara ( akses 30 Desember 2013). E.S. Choi, J.C. Lee, J.S. Hwang, S.G. Yoon. Electrical Characteristics of The Contour Vibration Mode Piezoelectric Transformer with Ring/Dot Electrode Area Ratio. Jpn. J. Appl. Phys. 38 (1999), (9B): F. Wang, A. Uusimaki, S. Leppavuori, S.F. Karmanenko, A.I. Dedyk, V.I. Sakharov, I.T. Serenkov. BST Ferroelectric Film Prepared with Sol-Gel Process and Its Dielectric Performance in Planar Capacitor Structure. J. Mater. Res. 13 (1998), (5): 1243.

54 38 Gao, Y. & He, S., Alluri, P., Engelhard, M. & Lea, A. S., Finder, J., Melnick, B. & Hance, R. L, Effect of Precusors and Substrate Materials on Microstructure, Dielectric Properties and Step Coveage of (Ba, Sr)TiO 3 Films Grown by Metalorgic Chemical Vapor Deposition, Journal of Applied Physics vol.87, pp , Hamdani A, Komaro M, Irzaman Pembuatan sel surya berbasis ferroelektrik LiTaO 3 dengan metode spin coating sebagai pembangkit listrik ramah lingkungan. Indonesian Science dan Technology Digital Library. PDII-LIPI. Hikam M, Sarwono E and Irzaman, Perhitungan polarisasi spontan dan momen quadrupol potensial listrik bahan PIZT (PbIn x Zr y Ti 1-x-y O 3-x/2 ), Makara, Sains, vol. 8, pp , (in Indonesia) H. Darmasetiawan, Irzaman, M.N. Indro, S. G. Sukaryo, M. Hikam and Na Peng Bo, Optical Properties of Crystalline Ta 2 O 5 Thin Films, Physica Status Solidi (a), Germany, vol. 193, pp , H. Syafutra, Irzaman, I.D.M. Subrata. Integrated Visible Light Sensor Based on Thin Film Ferroelectric Material BST to Microcontroller ATMega8535. The International Conference on Materials Science and Technology ; BATAN, vol. 1: pp Irzaman, H. Darmasetiawan, M Hikam, P. Arifin, M. Budiman, and M. Barmawi, Pyroelectric Properties of Lead Zirconium Titanate (PbZr Ti O 3 ) Metal-Ferroelectric-Metal Capacitor and Its Application for IR Sensor, presented in International Conference on Materials for Advances Technology (ICMAT), Materials Research Society, Singapore,. Dec.7-12, Irzaman, Y. Darvina, A. Fuad, P. Arifin, M. Budiman, and M. Barmawi, Physical and Pyroelectric Properties of Tantalum Oxide Doped Lead Zirconium Titanate [Pb (Zr Ti Ta )O 3 ] Thin Films and Its Application for IR Sensor, Physica Status Solidi (a), Germany, vol 199, pp , Irzaman Studi fotodiode film tipis semikonduktor Ba 0,6 Sr 0,4 TiO 3 didadah tantalum. J. Sains Material Indonesia 10(1): Irzaman, Arif A, Syafutra H, Romzie M Studi konduktivitas listrik, kurva I-V, dan celah energi fotodioda berbasis film tipis semikonduktor Ba 0,75 Sr 0,25 TiO 3 (BST) yang didadah galium (BGST) menggunakan metode chemical solution deposition (CSD). J.App. Fisika 5(1): Irzaman, H. Darmasetiawan, H. Hardhienata, M. Hikam, P. Arifin, S. N. Jusoh, S. Taking, Z. Jamal, M. A. Idris Surface Roughness And Grain Size Characterization Of Annealing Temperature Effect For Growth Gallium and Tantalum Doped Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 Thin Film. Atom Indonesia, 35 (1), page Irzaman, Darmasetiawan H, Hardhienata H, Erviansyah R, Akhiruddin, Hikam M, Arifin P. Electrical Properties of Photodiode BST Thin Film Doped with Ferrium Oxide using Chemical Deposition Solution Method. Journal Atom Indonesia, Batan. 6 (2010), (2):

55 Irzaman, Maddu A, Syafutra H, Ismangil A Uji konduktivitas listrik dan dielektrik film tipis lithium tantalate (LiTO 3 ) yang didadah nobium pentaoksida (Nb 2 O 5 ) menggunakan metode chemical solution deposition). Prosiding Seinar Nasional Fisika Irzaman, H. Syafutra, H. Darmasetiawan, H. Hardhienata, R. Erviansyah, F. Huriawati, Akhiruddin, M. Hikam and P. Arifin Electrical Properties of Photodiode Ba 0.25 Sr 0.75 TiO 3 (BST) Thin Film Doped with Ferric Oxide on p-type Si (100) Substrate using Chemical Solution Deposition Method. Atom Indonesia, 37 (3), page Irzaman, L. Nady, A. Ardian, R. Erviansyah, H. Syafutra, I. Surur Temperature Sensor Based Pyroelectric Thin Film Ba 0,25 Sr 0,75 TiO 3. Jurnal Sains Materi edisi Januari 2011, BATAN, Puspiptek Serpong. Irzaman, Heriyanto Syafutra, Endang Rancasa, Abdul Wahidin Nuayi, Tb Gamma Nur Rahman, Nur Aisyah Nuzulia, Idawati Supu, Sugianto, Farly Tumimomor, Surianty, Otto Muzikarno, Masrur The Effect of Ba/ Sr ratioon Electrical and Optical Properties of Ba x Sr (1-x) TiO 3 (x= 0.25; 0.35; 0.45; 0.55) Thin Film Semiconductor. Ferroelectrics, 445 (1), page Irzaman, Irmansyah, Heriyanto Syafutra, Ardian Arif, Yuli Astuti, Nurullaeli, Ridwan Siskandar, Aminullah, Gusti Putu Agus Sumiarna, Zul Azhar Zahid Jamal Effect of Annealing Times for LiTaSiO 5 Thin Films Semiconductor on Structure, Nano Scale Grain Size and Band Gap Characterizations. Submitted to Journal X-ray Sciences Technology. Irzaman, Nurullaeli, Kania Nur Sawitri, Gusti Putu Agus Sumiarna, Ridwan Siskandar, Aminullah, Heriyanto Syafutra, Ardian Arif, Mamat Rahmat, Husin Alatas OPTICAL, ELECTRICAL, AND CRYSTALLOGRAPHIC PROPERTIES of MOS (Al/Ba 0.55 Sr 0.45 TiO 3 / Si (100)) FIELD-EFFECT TRANSISTOR (FET). Manuscipts with Decisions to IEEE Transactions on Electron Devices. Iskandar J Uji Sifat Listrik dan Sifat Struktur Fotodioda Ferroelektrik Film Barium Stronsium Titanate Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 Berdasarkan Perbedaan Waktu Annealing. [Skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. J.S. Lee, J.S. Park, J.S. Kim, J.H. Lee, Y.H. Lee, S.R. Hahn. Preparation of BST Thin Films with High Pyroelectric Coefficients an Ambient Temperatures. Jpn. J. Appl. Phys. 38 (1999 ), (5B): L574. Kurniawan A Penerapan Fotodioda Ba 0,5 Sr 0,5 TiO 3 (BST) Sebagai Detektor Garis Pada Robot Line Follower Berbasis Mikrokontroler ATMEGA8535. [Skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Mancini R Op Amps for Everyone. United States of America: Elsevier. M.A. Itskovsky. Kinetics of Ferroelectric Phase Transition : Nonlinear Pyroelectric Effect and Ferroelectric Solar Cell. Jpn. J. Appl. Phys. 38 (1999), (8): M. Dahrul, H. Syafutra, A. Arif, Irzaman, M. N. Indro, and Siswadi, Synthesis and Characterizations Photodiode Thin Film Barium Strontium Titanate (BST) Doped Niobium and Iron as Light Sensor, in The 4 th Asian Physics Symposium, American Institute of Physics (AIP) Conference, vol 1325, pp ,

56 40 M. Izuha, K. Ade, M. Koike, S. Takeno, N. Fukushima. Electrical Properties and Microstructure of Pt/BST/SrRuO 3 Capacitors. Appl. Phys. Lett. 70 (1997 ), (11): N. V. Giridharan, R. Jayavel, P. Ramasamy. Structural, Morphological and Electrical Studies on Barium Strontium Titanate Thin Films Prepared by Sol-Gel Technique. Crystal Growth Centre, Anna University, Chennai, India, 36, (2001). Putra, Irvan Raditya Sel Surya Berbasis Film Semikonduktor Ba x Sr (1-x) TiO 3 dengan x= 0,5; 0,6; 0,7; 0,8. [Skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Santoso A Rancang Bangun Sistem Buka-Tutup Atap Louvre Otomatis Pada Aplikasi Rumah Tangga. [Skripsi]. Semarang: Fakultas Teknik Mesin, Universitas Muhammadiyah Semarang. Seo YJ, Park SW Chemical mechanical planarization characteristics of ferroelectric film for FRAM applications. J. of the Korean Phy. Society 45(3): Souza IA et al Ferroelectric and dielectric properties of Ba 0,5 Sr 0,5 (Ti 0,80 Sn 0,20 )O 3 thin films grown by the soft chemical method. J. of Solid State Chemistry 179: Steven T. Karris. Electronic Devices and Amplifier Circuits with MATLAB Applications. United States of America: Orchard Publications. Suherman PM et al Comparison of structural microstructural and electrical analyses of barium strontium titanate thin films. J Appl. Phys. 105: Sutrisno Elektronika: Teori dan Penerapannya. ITB, Bandung. S. Kim, T.S. Kang, J.H. Je. Structural Characterization of Laser Alblation Epitaxial BST Thin Films on MgO (001) by Synchrotron x-ray Scattering. J. Mater. Res. 14 (1999), (7): S. Momose, T. Nakamura, K. Tachibana. Effects of Gas Phase Thermal Decompositions of Chemical Vapor Deposition Source Moleculeson The Deposition of BST Films. Jpn. J. Appl. Phys. 39 (2000 ), (9B): Taib, G., Said, G., Wiraatmaja, S. (1988). Operasi Pengeringan Pada Pengolahan Hasil Pertanian. Mediatama Sarana Perkasa, Jakarta. Tyunina M et al Dielectric properties of atomic layer deposited thin film Barium Strontium Titanate. Integrated Ferroelectrics 102: Uchino, K Ferroelectric Devices. New York : Marcel Dekker. Umiati N A K, Irzaman, Budiman M and Barmawi M, Efek annealing pada penumbuhan film tipis ferroelektrik PbZr Ti O 3 (PZT), In: Kontribusi Fisika Indonesia, vol. 12, pp , (in Indonesia). Verma K, Sharma S, Sharma DK., Kumar R, Rai R Sol gel processing and characterization of nanometersized (Ba,Sr)TiO 3 ceramics. Adv. Mat. Lett 3(1): Wardhani, L. (2006). Belajar sendiri Mikrokontroler AVR Seri ATMega8535 simulasi, Hardware, dan Aplikasi. Yogyakarta: Penerbit Andi Yogyakarta. Zhu, X. H., Zheng, D. N., Peng, J. L. and Chen, Y. F, Enhanced Dielectic Properties of Mn Doped Ba 0,6 Sr 0,4 TiO 3 Thin Films Fabricated by Pulsed Laser Deposition, Materials Letters, vol. 60, pp , 2005.

57 41 LAMPIRAN Lampiran 1. Histerisis enhancement-800 o C ulangan 1 Monoton Monoton Suhu naik turun Lampiran 2. Histerisis enhancement-800 o C ulangan 2 Monoton Monoton Suhu naik turun

58 Lampiran 3. Histerisis enhancement-800 o C ulangan 3 Monoton Monoton Suhu naik turun

59 Lampiran 4. Histerisis depletion-800 o C ulangan 2 monoton monoton Suhu naik turun Lampiran 5. Histerisis depletion-800 o C ulangan 3 Monoton Monoton Suhu naik turun

60 Lampiran 6. Histerisis enhancement-850 o C ulangan 1 Monoton Monoton Suhu naik turun

61 Lampiran 7. Histerisis enhancement-850 o C ulangan 2 Monoton Monoton Suhu naik turun

62 Lampiran 8. Histerisis enhancement-850 o C ulangan 3 Monoton Monoton Suhu naik turun

63 Lampiran 9. Histerisis depletion-850 o C ulangan 1 Monoton Monoton Suhu naik turun

64 Lampiran 10. Histerisis depletion-850 o C ulangan 2 Monoton Monoton Suhu naik turun

65 Lampiran 11. Histerisis depletion-850 o C ulangan 3 Monoton Monoton Suhu naik turun Lampiran 12. Histerisis enhancement-900 o C ulangan 1 Monoton Monoton Suhu naik turun

66 Lampiran 13. Histerisis enhancement-900 o C ulangan 2 Monoton Monoton Suhu naik turun Lampiran 14. Histerisis enhancement-900 o C ulangan 3 Monoton Monoton Suhu naik turun

67 Lampiran 15. Histerisis depletion-900 o C ulangan 1 Monoton Monoton Suhu naik turun

68 Lampiran 16. Histerisis depletion-900 o C ulangan 2 Monoton Monoton Suhu naik turun Lampiran 17. Histerisis depletion-900 o C ulangan 3 Monoton Monoton Suhu naik turun

69

70 542 Lampiran 18. Flowchart program mikrokontroler Mulai Menerima data dari sensor cahaya Terang? Redup? Ya Tidak Ya Tidak Buka atap dan matikan relay Tutup atap dan hidupkan relay Tidak Ya Suhu >60 0 C Suhu <30 0 C Ya Tidak Tutup atap dan matikan relay Tutup atap dan hidupkan relay Ya Ulangi? Tidak Selesai

71 553 Lampiran 19. Model sistem pengering otomatis (a) Tampak depan s (b) Tampak atap tertutup

72 56 4 (c) Tampak atap terbuka Lampiran 20. Model Film BST

73 575 Lampiran 21. Proses sintesa film BST Lampiran 22. Proses karakterisasi film BST

74 58 6 Lampiran 23. Rancang rangkaian elektronik Lampiran 24. Program sistem pengering otomatis produk pertanian #include <mega16.h> // Alphanumeric LCD Module functions #asm.equ lcd_port=0x18 ;PORTB #endasm #include <lcd.h> #include <stdio.h> #include <delay.h> eeprom int servo_1=40; eeprom int servo_2=40; int count,pos_1, pos_2; interrupt [TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void) { if(count>620) { count=0; PORTC.4=1; PORTC.6=1;} count++; } if(count==pos_1) PORTC.4=0; if(count==pos_2) PORTC.6=0;