IMPLEMENTAS I KONVERTER FREKUENS I KE TEGANGAN DALAM SISTEM IDENTIFIKAS I AROMA MENGGUNAKAN QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCE. Muhammad Farih

Transkripsi

1 IMPLEMENTAS I KONVERTER FREKUENS I KE TEGANGAN DALAM SISTEM IDENTIFIKAS I AROMA MENGGUNAKAN QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCE Muhammad Farih Jurusan Teknik Elektro FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Surabaya Hidung merupakan suatu indra manusia yang sangat penting untuk mengenal dan mendeteksi berbagai jenis aroma. Beberapa sampel aroma yang diuji seperti bensin, alkohol, minyak kayu putih dan minyak tanah mempunyai karakteristik yang khas. Dalam pendeteksian aroma terdapat banyak jenis sensor, salah satunya menggunakan sensor deret Quartz Crystal Microbalance (QCM). Sensor terbuat dari kristal dengan frekuensi resonansi dasar 20 MHz. Tiap sensor QCM diberi zat polimer yang berbeda-beda seperti OV-101, OV-1701, OV25, OV225, PEG-20M, PEG-6000, PEG-4000, dan PEG Frekuensi resonansi akan berubah jika ada uap yang diserap pada permukaan sensor. Pada saat ini pengukuran data sensor dilakukan dengan frekuensi counter, dengan delay 1 detik/kanal. Pada tugas akhir ini, pengambilan data sensor menggunakan 32-bit A/D converter ads1281 setelah melewati frequency to voltage converter, sehingga diharapkan sampling time-nya menjadi lebih cepat. Data sensor yang didapat dari 32-bit A/D converter diakuisisi oleh mikrokontroler ATMega32. Data tersebut dikirim ke PC melalui komunikasi serial RS232 untuk diidentifikasi. Kata Kunci : Quartz Crystal Microbalance (QCM), identifikasi aroma, 32-bit A/D converter ads Pendahuluan Hidung merupakan alat indera manusia yang menanggapi rangsang berupa bau atau zat kimia yang berupa gas. Di dalam rongga hidung terdapat serabut saraf pembau yang dilengkapi dengan sel-sel pembau. Dalam sistem penciuman pada hidung dapat dibuat tiruannya dengan menggunakan beberapa sensor gas sebagaimana serabut syaraf pembau pada hidung. Alat pendeteksi aroma ini banyak sekali kegunaannya. Salah satu fungsi utama teknologi ini berada dalam industri makanan dan minuman, yaitu untuk memonitor atau mengontrol kualitas suatu produk atau melakukan klasifikasi. Seperti pada proses pembuatan kopi, tembakau ataupun produk yang akan diekspor ke negara asing. Selain itu dapat digunakan di daerah lain seperti minyak bumi untuk analisis kualitatif dan kuantitatif, deteksi bahan peledak, klasifikasi dan degradasi minyak zaitun penelitian, pengembangan bidang lingkungan detektor bau aplikasi, aplikasi kontrol kualitas dalam industri otomotif, membedakan antara sapi perah bersih dan tercemar, analisis bahan baku kosmetik, serta banyak bidang penting lainnya seperti dalambidang medis dan ruang. Dalam rekayasa pembuatan pembau tiruan ini menggunakan banyak sensor yang tersusun berderet(array) yang diilhami dari struktur hidung yang terdiri dari sel-sel pembau. Pemasangan sensor dengan berderet karena dalam proses identifikasi aroma tidak dapat menghasilkan data yang akurat apabila hanya menggunakan sebuah sensor. 2. Teori Penunjang 2.1. Quartz Crystal Microbalance (QCM) Pada 1959, Sauerbrey menunjukkan penemuan yang sangat penting tentang karakteristik kristal kuarsa. Dia menemukan potensi manfaat dari kristal kuarsa dan menunjukkan suatu teknologi yang sangat sensitif dengan menunjukkan bahwa pergeseran frekuensi dari kristal yang diamati oleh banyak peneliti sebelumnya adalah proporsional untuk penambahan massa pada kuarsa kristal. Itu adalah langkah pertama menuju sebuah alat baru untuk mengukur perubahan yang sangat kecil dari massa kristal kuarsa. Dalam beberapa tahun terakhir, telah tumbuh banyak penggunaan kristal kuarsa sebagai sensor gas untuk identifikasi dari odor, parfum dan aroma. Pemilihan kristal kuarsa (QCM) sebagai odor sensing karena ukuran kecil, sederhana dan perangkat massa sensitivitas tinggi[1]. Gambar 2.1 Sensor QCM Material seperti kristal kuarsa ini mempunyai sifat unik yaitu mampu menghasilkan 1

2 tegangan listrik ketika diberi tekanan mekanikal dan juga sebaliknya, berubah bentuk mekanikalnya ketika diberi tegangan listrik. Sifat ini dikenal dengan nama efek piezoelectrik. Sifat inilah yang dimanfaatkan untuk menghasilkan resonansi listrik-mekanik, sehingga kristal akan bergetar pada frekuensi alami tertentu jika diberi tegangan listrik bolak-balik. Frekuensi alami ini ditentukan oleh potongan dan dimensi keping kristal, yang ditetapkan pada saat pembuatan. Jadi struktur dari sensor QCM adalah kristal yang terdapat lapisan SiO2 dan diapit oleh dua elektrode sehingga dapat menghasilkan potensial listrik sebagai respon terhadap tekanan mekanik yang diberikan[2]. Namun, Cu, Cr, Ni, Pt logam dan lainnya juga dapat digunakan. Pada tugas akhir ini digunakan sensor kristal dengan elektrode yang terbuat dari bahan Krom. Teori latar belakang untuk menggunakan kuarsa kristal sebagai sensor perubahan massa didasari persamaan Sauerbrey. Pada persamaan Sauerbrey dikatakan bahwa yaitu adanya hubungan antara perubahan massa kristal dengan perubahan frekuensi resonansi kristal[3]. Persamaan Saurbrey dinyatakan sebagai berikut : f=-c f. m [2.1] Dimana: f = perubahan frekuensi(hz) m= perubahan massa per unit area (g/cm 2 ) C f = konstanta kristal yang digunakan (56,6 Hz μg -1 cm 2 ) Gambar 2.2 Prinsip Piezoelectric Potongan keping kristal mengacu kepada orientasi sudut pemotongan keping kristal terhadap garis struktur kristalin, dan juga bentuk keping kristal tersebut. Ada banyak standar potongan keping kristal, yang masing-masing mempunyai karakteristik yang berbeda-beda. Sebagai contoh, potongan AT yang populer mempunyai frekuensi fundamental maksimum yang tidak terlalu tinggi dan koefisien suhu yang cukup baik (berbentuk kurva fungsi kubik). Contoh lain adalah potongan BT, yang mempunyai frekuensi fundamental maksimum yang lebih tinggi tetapi koefisien suhunya lebih buruk (berbentuk kurva parabolik). Gambar 2.4 Prinsip QCM Sensitivitas frekuensi osilasi kristal pada suhu, kelembaban, tekanan, kecepatan dan getaran tertentu, akan membuat osilator piezoelektrik ini digunakan sebagai sensor yang mempunyai tingkat akurasi yang tinggi. Frekuensi osilasi pada kristal tergantung ukuran fisik dan ketebalan dari kristalnya, bila dilapisi dengan sebuah polimer yang dapat menyerap massa molekul gas, maka didapat respon yang dinamis dari sensor sehingga membentuk suatu pola tertentu untuk mengklasifikasi gas[4]. Dalam memilih jenis resonator kuarsa yang digunakan sebaiknya diperhatikan bentuk elektrode pada kristal, yaitu persegi panjang, lingkaran kecil dan lingkaran besar, seperti terlihat pada gambar 2.5. Bila sensor digunakan dalam media cairan, sebaiknya menggunakan yang persegi panjang dan bila digunakan dalam media udara sebaiknya menggunakan yang lingkaran kecil[5]. Gambar 2.3 Gambar sebelah kiri, yaitu kristal kuarsa alami dan gambar sebelah kanan adalah ilustrasi kristal kuarsa dengan perbedaan sudut potong Bahan Elektrode kristal yang terbuat dari emas biasanya sering digunakan dalam penerapan aplikasi QCM, karena kemudahan dari penguapan Au. Gambar 2. 5 Bentuk-bentuk elektrode sensor QCM 2

3 2.2. A/D Converter ADS1281 ADS1281 ini adalah, chip tunggal konverter analog-ke-digital (ADC) yang mempunyai perfoma tinggi yang dirancang untuk kebutuhan dengan ketelitian yang tinggi, misalnya untuk eksplorasi energi atau pengamatan seismik. ADC ini dikemas dalam bentuk TSSOP(Thin-shrink small-outline package) 24 pin. Konfigurasi pin-pin dari ADC ADS1281 ini adalah sebagai berikut: Gambar 2.6 Konfigurasi pin ADS1281 Penggunaan ads1281 pada tugas akhir ini dimaksudkan untuk mendeteksi perubahan frekuensi yang sangat kecil. 3. Perancangan Hardware Blok Diagram Alat Alat yang dibuat terdiri dari beberapa bagian, dimana blok diagramnya ditunjukkan pada Gambar 3.1. Perangkat keras dalam Tugas Akhir ini ada beberapa bagian. Bagian-bagian tersebut adalah : 1. Sensor QCM 2. Rangkaian Osilator 3. Rangkaian mixer 4. Rangkaian frequency to voltage converter 5. Rangkaian multiplekser 6. Rangkaian ADC Perancangan Sensor QCM Sensor QCM dibuat dari bahan kristal yang terdapat lapisan SiO2 dengan dua elektrode yang mengapitnya. Kristal yang digunakan dengan frekuensi resonansi dasar 20 MHz. Pada tugas akhir ini digunakan 8 buah sensor QCM yang diberi lapisan polimer berbeda meliputi yaitu OV-101, OV-1701, OV25, OV225, PEG-20M, PEG-6000, PEG-4000, dan PEG Polimer merupakan suatu molekul panjang yang terdiri atas banyak blok penyusun yang identik atau serupa yang dihubungkan dengan ikatanikatan kovalen. Bahan polimer yang digunakan mempunyai polaritas yang berbeda berdasar pada ketetapan McReynoldnya[4]. Perancangan mekanik sensor perlu diperhatikan untuk mendapatkan respon yang baik. Perlu diperhatikan, apakah pemberian gas dilakukan dengan disuntik atau dipompa dengan pompa udara. Pada tugas akhir ini cara pemberian gas dengan dipompa sehingga chamber dari sensor diusahakan dengan volume yang kecil. Seperti terlihat pada gambar 3.2. Gambar 3.2 Sensor QCM Perancangan Rangkaian Osilator Rangkaian osilator yang digunakan adalah model osilator pierce seperti pada gambar 3.5. Gambar 3.1 Blok diagram alat Gambar 3.3 Rangkaian Osilator 3

4 Osilator Pierce menggunakan kristal sebagai rangkaian tangkinya. Pada osilator ini kristal merespon sebagai rangkaian resonansi paralel. Keluaran Pengoperasian osilator didasarkan pada balikan yang dipasang dari kolektor ke basis melalui C1 dan C2. Kedua transistor memberikan kombinasi pergeseran fase sebesar 180. Keluaran dari inverter akan mengalami pembalikan agar sefase atau sebagai balikan regeneratif. Nilai C1 dan C2 menentukan besarnya tegangan balikan. Sekitar % dari keluaran dikirim kembali sebagai balikan untuk memberikan energi kembali ke kristal. Jika kristal mendapatkan energi yang tepat, frekuensi resonansi yang dihasilkan akan sangat tajam. Kristal akan bergetar pada selang frekuensi yang sangat sempit. Keluaran pada frekuensi ini akan sangat stabil. Namun keluaran osilator Pierce adalah sangat kecil dan kristal dapat mengalami kerusakan dengan strain mekanik yang terus-menerus[9] Perancangan Rangkaian Mixer Pada tugas akhir ini, kristal yang digunakan untuk sensor QCM mempunyai frekuensi 20MHz. Dengan demikian, frekuensi yang dikeluarkan oleh sensor QCM sebesar 20MHz. Dengan frekuensi sebesar ini maka perlu diturunkan agar mudah untuk diolah dalam proses berikutnya. Salah satu cara untuk menurunkan frekuensi keluaran dari sensor QCM adalah dimasukkan ke dalam rangkaian mixer. Rangkaian ini menggunakan IC D-Flip Flop sebagai dasarnya. Dalam rangkaian ini akan dicari selisih antara frekuensi sensor QCM dengan frekuensi referensi. Rangkaian mixer ditunjukkan dalam ganbar 3.4. Gambar 3.4 Rangkaian Summing Gambar 3.5 Rangkaian frequency to voltage converter Perancangan Rangkaian Multiplekser Rangkaian multiplekser atau disingkat MUX adalah alat atau komponen elektronika yang bisa memilih input (masukan) yang akan diteruskan ke ADC. Pemilihan input mana yang dipilih akan ditentukan oleh signal yang ada di bagian kontrol (kendali) selektor. Dalam tugas akhir ini menggunakan IC(integrated circuit) multiplekser MAX4051. Cara kerja multiplekser dapat dilihat dari table kebenaran pada tabel 3.1. Table 3.1 Tabel kebenaran mul tiplekser Input Channel E(aktif S2 S1 S0 ON low) Y0 ke Z Y1 ke Z Y2 ke Z Y3 ke Z Y4 ke Z Y5 ke Z Y6 ke Z Y7 ke Z X X X X Switch off Perancangan Rangkaian f to v converter Dalam pengambilan data dari sensor yang berupa frekuensi dikonversi ke dalam data tegangan. Dalam hal ini menggunakan IC LM331. Dari fungsi asalnya, LM331 merupakan IC(integrated circuit) voltage to frequency converter, akan tetapi dapat digunakan sebagai frequency to voltage converter, dan rangkaiannya ditunjukkan pada gambar

5 Dari tabel kebenaran di atas, maka rangkaian multiplekser adalah sebagai berikut: Gambar 3.6 Rangkaian multiplekser Perancangan Rangkaian ADC Pada tugas akhir ini, proses akuisisi data menggunakan IC ADC 32 bit ads1281 dari Texas Instrument. Alasan menggunakan ADC dengan resolusi tinggi dikarenakan perubahan data sensor QCM ini sangat kecil. Gambar 3.8 Diagram Alir(flowchart) perangkat lunak 4. Pengujian Alat Pengujian Respon Sensor Pada pengujian ini menunjukkan respon sensor terhadap sampel etanol yang diakuisisi dengan ADC 32 bit ads1281. Kanal 0(OV-101) Gambar 3.7 Skematik Rangkaian ads Perancangan Software Perangkat lunak yang dirancang dalam sistem ini terdiri dari dua bagian, yakni perangkat lunak pada mikrokontroler dan perangkat lunak pada PC. Pada mikrokontroler, perangkat lunak dirancang untuk melakukan pengambilan data digital dari rangkaian ADC ads1281 dan mengirimkan ke PC menggunakan komunikasi serial. Sedangkan perangkat lunak PC dirancang untuk dapat mengolah dan menampilkan data secara grafik output dati ADC yang dikirim oleh mikrokontroler ke PC dengan menggunakan komunikasi serial RS232. Tampilan grafik pada PC ini akan mempermudah pengguna untuk melakukan analisa dari data yang didapat. Mengenai rancangan perangkat lunak pada mikrokontroler dapat melihat diagram alir pada gambar 3.6. Gambar 4.1 Respon sensor 1 Kanal 1(OV-1701) Gambar 4.2 Respon sensor 2 5

6 Kanal 2(OV-25) Kanal 6(PEG-4000) Gambar 4.3 Respon sensor 3 Kanal 3(OV-225) Gambar 4.7 Respon sensor 7 Kanal 7(PEG-2000) Gambar 4.4 Respon sensor 4 Kanal 4(PEG-20M) Gambar 4.8 Respon sensor 8 Pengujian 8 kanal Gambar 4.5 Respon sensor 5 Kanal 5(PEG-6000) Gambar 4.9 Respon 8 sensor Pengujian Software Mikrokontroler Program pada mikrokontroler berfungsi sebagai pengontrol proses akuisisi data yang dilakukan oleh ADC ads1281. Disamping itu juga berfungsi untuk mengirimkan data dari mikrokontroler ke PC menggunakan komunikasi serial RS232. Gambar 4.6 Respon sensor 6 6

7 Gambar 3.7 Data ADC Sensor Pengujian Program pada PC berfungsi sebagai memonitor proses akuisisi data yang dilakukan oleh ADC ads1281. Disamping itu juga berfungsi untuk menampilkan data dari mikrokontroler ke PC menggunakan komunikasi serial RS Penutup 5.1. Kesimpulan Dari hasil pengujian dan pengukuran seluruh sistem dalam Tugas Akhir ini dapat diambil beberapa kesimpulan dan saran untuk keperluan pengembangan selanjutnya adalah sebagai berikut: 1. Pengujian dengan satu per satu kanal multiplekser dapat mendeteksi perubahan dengan data pada sensor. 2. Pada kanal 1 tidak menunjukkan perubahan data dikarenakan rusak sensor yang berlapis polimer OV-101 tersebut rusak. 3. Hasil dari pengujian dengan mengaktifkan 8 kanal multiplekser tidak teratur, dikarenakan efek dari perpindahan kanal pada multiplekser Saran Untuk dapat mendeteksi perubahan data dari 8 sensor sekaligus sebaiknya juga menggunakan 8 ADC supaya menghasilkan perubahan data dapat terdeteksi. Gambar 3.7 Pengujian software pada PC 7

8 DAFTAR PUS TAKA [1] Nakamoto,T., dan Moriizimi, T Odor sensor using quartz-resonator array and neuralnetwork pattern recognition, Proceeding Ultrason. Symp. [2] Saldiro Doni, (2009), Mengenal Komponen Dasar Kristal, Majalah Elektronika Online. [3] Jie Han, Technical background, applications and implementation of quartz crystal microbalance systems, University of Jyvaskyla Department of Physics. [4] Nakamura M. and Sugimoto Iwao, (1999), A Neural Network Model for an Electronic Nose Based on Quartz- Crystal Microbalance Sensors, IEEE Proceeding on Artificial Neural Network. No [5] Anderson Hendrik, et al, (2006), Quartz crystal microbalance sensor design I. Experimental study of sensor response andperformance, Sensors and Actuators Elsevier B. Vol issue 1. p [6] Rivai, M., Juwono, H., dan Mujiono T., Prototipe Sistim Penciuman Elektronik Menggunakan Deret Kristal SiO2 Terlapis Polimer dan Neural Network. ITS-Research. [7] QCM100-Quartz Crystal Microbalance Theory and Calibration, <URL: [8] Bejo Agus, 2007, C&AVR Rahasia Kemudahan Bahasa C dalam Mikrokontroler ATMega8535,2007, Graha Ilmu, Yogyakarta. [9]... Rangkaian Osilator,< dasar> [10] Laros Edu, Komunikasi Serial Mikrokontroler denganpc (PC), Artikel Pembelajaran Mikrokontroler. [11] Setiawan Rachmad,2008. Teknik Akuisisi Data,Graha Ilmu, Yogyakarta. RIWAYAT HIDUP PENULIS Muhammad Farih dilahirkan di Tuban, 28 Mei Merupakan anak pertama dari tiga bersaudara pasangan Bapak Muchtar dan Ibu Mahmudah. Penulis memulai pendidikan di MI Salafiyah Merak Urak, Tuban, akan tetapi hanya sampai kelas 4. Setelah itu penulis melanjutkan di SD Islam Tuban. Lalu melanjutkan di MTs Manbail Futuh Beji, Jenu, Tuban. Penulis menempuh jenjang pendidikan selanjutnya di MAN Darul Ulum Rejoso,Peterongan, Jombang. Pada tahun 2007 penulis diterima di jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya melalui jalur SPMB. Selanjutnya penulis mengambil konsentrasi Bidang Studi Elektronika pada Jurusan Teknik Elektro ITS Surabaya sebagai pilihan terbaik. Selain akitf sebagai asisten praktikum dan koordinator laboratorium, penulis juga aktif sebagai tim robot ITS sejak tahun 2008 sampai dengan tahun