BAB III PROSES PERANCANGAN 3.1 Tinjauan Umum Perancangan prototipe sistem pengontrolan level air ini mengacu pada sistem pengambilan dan penampungan air pada umumnya yang terdapat di perumahan. Tujuan dari perancangan prototipe ini agar nantinya dapat meyerupai sistem pengambilan dan penampungan air yang sesungguhnya. Semua bahan dan komponen untuk pembuatan prototipe ini sudah tersedia dipasaran, hanya saja awalnya ada beberapa bahan yang sedikit sulit didapatkan dikarenakan jenis dan spesifikasi yang jarang dipakai oleh masyarakat umum karena hanya digunakan untuk keperluan industri (pabrik). Secara garis besar sistem ini terdiri dari tiga bagian utama, yaitu : 1. Bagian masukan 2. Bagian pengendali 3. Bagian keluaran Ketiga bagian tersebut dapat dilihat pada gambar di bawah ini : Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem Pada bagian masukan nantinya akan berfungsi sebagai sumber informasi dari bagian pengendali (mikrokontroler), informasi tersebut berupa kondisi aktual dari level air yang didapat dari sensor dan juga dapat berupa perintah yang berasal dari PC (komputer). Semua informasi kemudian diolah pada bagian pengendali kemudian akan menentukan lengkah-langkah apa saja yang harus dilakukan. Langkah-langkah yang harus dilakukan ini kemudian dikirim ke bagian 42
43 keluaran, maka bagian keluaran yang berupa pompa dan alarm akan bekerja sesuai dengan tugasnya masing-masing yaitu mengisi air pada toren dan memberi tanda berupa bunyi ketika level air melewati batas maksimal. 3.2. Perangkat Keras Perancangan perangkat keras pada prototipe ini terdiri dari dua bagian yaitu bagian rangkaian elektronik dan bagian miniatur sistem. Rangkaian elektronika terdiri dari : 1. Rangkaian power supply dan relay. 2. Rangkaian sensor (op-amp dan probe). 3. Rangkaian pengendali (Mikrokontroler AT89S51). 4. Rangkaian Alarm (Buzzer). Sedangkan bagian dari miniatur sistem meliputi : 1. Aquarium (pengganti sumber air). 2. Pompa Aquarium (pengganti pompa air). 3. Miniatur Rumah (bentuk tiruan dari rumah). 4. Miniatur Toren (pengganti tangki air). 3.2.1 Rangkaian Power Supply dan Relay Perancangan power supply untuk prototipe ini menerapkan sistem penyearah setengah gelombang, dimana hanya menggunakan dua buah dioda saja dan satu buah kapasitor kemudian satu IC 7805 sebagai rectifier untuk rangkaian mikrokontroler. Skema rangkaian dapat dilihat pada gambar 3.2 : Gambar 3.2 Rangkaian Power Supply
44 Ada dua output dari power supply yang akan dibuat, yaitu output yang menuju ke relay sebesar 12 volt dan satu lagi output untuk keperluan rangkaian mikrokontroler dan rangkaian sensor (op-amp) sebesar 5 volt. Pada rangkaian relay menggunakan bantuan optocoupler sebagai switching untuk menghidupkan dan mematikan relay, optocoupler juga berfungsi untuk melindungi output dari mikrokontroler agar tidak terjadi hubung singkat dengan relay dan tegangan AC 220 volt untuk pompa air. Gambar 3.3 Rangkaian Relay 3.2.2 Rangkaian Sensor Dalam perancangan sistem ini rangkaian sensor dibuat dengan komponenkomponen yang sederhana, dengan harga yang murah juga mudah didapatkan dipasaran. Perancangan rangkaian sensor terdiri dari dua bagian, bagian pertama adalah rangkaian Op-amp yang berfungsi sebagai pembanding tegangan, bagian yang kedua yaitu probe sensor yang berfungsi memberikan informasi mengenai kondisi level air di dalam toren. Peran probe sensor disini untuk menggantikan sensor yang hanya terbuat dari bahan penghantar (konduktor) yang biasa digunakan untuk probe alat ukur multitester. Pemilihan probe dari bahan probe multitester dikarenakan bahan ini cukup baik sebagai penghantar dan juga bentuk dan ukurannya yang kecil sehingga mudah untuk ditempatkan di dalam miniatur toren. Gambar 3.4 Probe Multitester
45 Gambar 3.4 adalah probe dan kabel multitester, pada perancangan rangkaian sensor ini tidak semua dari bagian probe multitester digunakan, tetapi hanya bagian ujung dari probe saja. Karena ada sebanyak 8 level air maka probe sensor yang diperlukan juga sebanyak 8 probe dan ditambah satu probe lagi dimana satu probe ini dihubungkan ke ground sebagai acuan (Com) pembacaan probe, sedangkan sisanya delapan probe terhubung ke input rangkaian Op-amp. Kedelapan probe tersebut setiap probenya menunjukkan kondisi level air di dalam toren, yang artinya ada delapan kondisi level air yang akan dibaca oleh probe, kemudian hasil dari pembacaan tiap-tiap probe tersebut dikirim ke rangkaian Opamp dengan menggunakan kabel. Gambar 3.5 Probe Sensor dan Toren Air Gambar 3.5 memperlihatkan kondisi probe sensor di dalam toren, setiap probe ditempel pada sebuah tiang penyangga yang terbuat dari plastik dengan susunan berurut mulai dari level air terendah pada level satu sampai dengan level air tertinggi yang berada pada level tujuh, probe nomor delapan diletakkan berada paling atas melebihi batas maksimal level air, probe ini nantinya difungsikan sebagai acuan jika level air melebihi batas maksimal maka alarm akan aktif sebagai pemberitahuan bahwa ada masalah pada sistem yang sedang berjalan. Probe satu selain berfungsi sebagai pemberi informasi kondisi level air pada level satu, probe ini juga sebagai acuan hidupnya pompa untuk mengisi kembali pasokan air di dalam toren karena kondisi air sudah berada di level terendah.
46 Rangkaian sensor menggunakan IC LM 324 yang termasuk ke dalam keluarga Op-amp (operational amplifier) berjumlah dua IC, dimana tiap IC memiliki empat masukan dan empat keluaran. Untuk menyesuaikan dengan jumlah probe sensor atau banyaknya level air maka digunakan dua IC. Tiap masukan dari Op-amp menerima informasi dari probe sensor mulai dari probe satu sampai dengan probe delapan. Gambar 3.6 Skema Rangkaian Sensor Jika dilihat dari skema sensor pada gambar 3.6 input Op-amp dengan lambang positif (non inverting) tersambung ke probe sensor melalui kabel, jika bagian ini terhubung dengan ground maka keluaran (output) dari Op-amp akan menjadi low (0) akan tetapi sebaliknya jika input ini tidak terhubung dengan ground maka keluaran Op-amp akan menjadi high (1). Terhubung atau tidaknya bagian input dengan ground ditentukan dengan kondisi air di dalam toren (lihat gambar 3.5). Jika air menyentuh salah satu probe sensor maka akan secara otomatis probe tersebut akan terhubung dengan ground yang berada paling bawah dari susunan probe. Dengan kata lain air yang berada di dalam toren berfungsi sebagai penghantar atau penghubung setiap probe dengan ground. Setiap keluaran dari Op-amp akan diteruskan ke bagian pengendali dan akan diolah berdasarkan program yang telah dibuat yang nantinya untuk menentukan kondisi pompa dan alarm. Gambar 3.7 Prototipe Rangkaian Sensor
47 Pembuatan rangkaian sensor dengan menggunakan Pcb bolong dan teknik penyambungan antar komponen hanya dengan menggunakan solder tidak dengan teknik eatching (pelarutan) dikarenakan layout rangkaian ini cukup sederhana. Untuk keluaran dan masukan rangkaian menggunakan soket agar mudah dalam proses pemasangan dan pelepasan kabel penghubungnya. Untuk IC LM 324 pemasangannya juga menggunakan soket yang tujuannya agar mudah melakukan penggantian jika terjadi masalah. Setiap keluaran Op-amp juga ditambahkan LED sebagai indikator yang berfungsi untuk mengetahui apakah rangkaian sensor dan probe sensor bekerja dengan baik. 3.2.3 Rangkaian Pengendali Rangkaian pengendali merupakan suatu rangkaian yang dibentuk dengan sebuah singel chip mikrokontroler dan beberapa komponen pendukung untuk menjalankannya (gambar 3.8). Mikrokontroler yang digunakan adalah AT89S51 yang telah mempunyai internal flash memory tidak perlu lagi tambahan memory di luar chip mikrokontroler. Untuk menjalankan semua fungsi AT89S51 mendapat catu daya sebesar 5V melalui pin 40 (+) dan pin 20 (Gnd). Sedangkan pin 31 (EA) harus disambung ke tegangan 5 V (VCC) karena program digunakan adalah program-program yang berada pada memory internal. Pin 9 (RST) disambung ke sebuah resistor yang terhubung ke ground. Rangkaian auto reset ini paling sederhana namun cukup optimal. Pada saat sistem dinyalakan, maka C1 seolah-olah menjadi hubung singkat dan menghubungkan pin reset ke VCC. Dengan demikian pin reset akan berlogika satu sehingga mikrokontroler akan reset. Sesaat kemudian tegangan kapasitas akan naik sampai sama dengan VCC, maka tegangan pada kaki reset akan sampai dengan 0 volt dan mikrokontroler mulai menjalankan program. Rangkaian reset seperti ini dimaksudkan supaya mikrokontroler selalu reset saat sistem pertama kali dinyalakan dan baru akan menjalankan program setelah kondisi power supply stabil. Untuk lebih jelasnya, rangkaian pengendali dapat dilihat pada gambar 3.8 berikut.
48 Gambar 3.8 Rangkaian Pengendali Detak atau clock untuk mengaktifkan mikrokontroler didapat dari sebuah rangkaian oscilator kristal. Rangkaian ini terdiri dari sebuah kristal dengan frekuensi 11,0592 MHZ yang disambung pada pin 19 (XTAL1) dan 18 (XTAL2) dan dua buah kapasitor 33 pf yang disambung ke ground. Frekuensi oscilator seperti ini dipilih karena dengan frekuensi 11,0592 MHZ mikrokontroler akan mudah dikonfigurasikan untuk menyesuaikan baudrate untuk meyesuiakan dengan komunikasi melalui port serial. 3.2.4 Rangkaian Alarm Rangkaian alarm hanya sebagai tambahan saja pada sistem ini, dimana rangkaian ini berfungsi sebagai pemberi peringatan ketika kondisi level air pada toren berada melebihi level tertinggi dan level terendah. Rangkaian alarm ini menggunakan Buzzer dengan konsumsi tegangan rendah (3 ~ 6 volt) dan banyak dijual dipasaran, buzzer akan berbunyi ketika kondisi level air melebihi level tujuh atau level air berada kurang dari level satu.
49 Gambar 3.9 Skema Rangkaian Alarm Rangkaian ini hampir mirip dengan rangkaian relay, dimana dalam perancangannya menggunakan komponen optocoupler dan transistor sebagai switching nya. Buzzer akan aktif apabila pin 3.7 pada mikrokontroler berlogika low dan akan mati jika pin tersebut dalam posisi high. Alarm akan aktif atau berbunyi ketika level air melebihi batas tertinggi level air dan akan berbunyi juga ketika level air kurang dari level terendah. Ketika level air berada di atas level tertinggi itu artinya kondisi sudah penuh dan dapat meluap ke luar toren karena melebihi kapasitas toren. Ketika level air berada di bawah level terendah itu artinya kondisi air di dalam toren sudah sangat minim yang artinya air harus segera diisi dengan menghidupkan pompa kembali. Dalam kondisi normal maka alarm tidak akan berbunyi, diantara penyebab aktifnya alarm karena kerusakan hardware seperti bagian pompa dan relay. Kondisi pompa jika rusak bisa berupa tidak hidup, ini berarti pasokan air tidak dapat terisi ketika air sudah berada kurang dari level paling rendah dan dalam kondisi ini alarm akan aktif. Ketika level air berada melebihi batas tertinggi level air ini bisa terjadi karena kerusakan relay yang tidak dapat memutuskan aliran listrik ke pompa. Pada intinya pengadaan rangkaian alarm ini adalah untuk memberikan informasi bahwa sistem tidak berjalan dengan semestinya, dan juga dapat menghindari terjadinya kekurangan dan kelebihan pasokan air yang berada di dalam toren.
50 Untuk skema keseluruhan dari rangkaian dapat dilihat pada gambar 3.10 : Gambar 3.10 Skema Rangkaian Keseluruhan
51 3.2.5 Aquarium Aquarium dalam prototipe ini berperan sebagai tempat penampungan air, air yang disedot oleh pompa ke dalam toren dan air yang berasal dari toren yang mengalir melalui keran, jadi fungsi aquarium ada dua yaitu sebagai sumber air untuk mengisi toren dan juga sebagai penampung air buangan dari toren. Gambar 3.11 Aquarium Plastik Bahan aquarium sendiri terbuat dari plastik ringan dan berwarna transparan, tidak seperti pada umumnya aquarium yang menggunakan bahan dasar dari kaca. Selain ringan bahan plastik juga tidak mudah pecah sehingga aman untuk digunakan dan mudah jika ingin dipindahkan. Aquarium yang digunakan berkapasitas 10 liter air, dengan ukuran dimensi panjang : 30 cm, lebar :18 cm, tinggi : 25 cm,dan tebal plastik : 3 mm. 3.2.6 Pompa Aquarium Peran pompa aquarium adalah penyuplai air ke dalam toren dengan cara memompa air dari aquarium ke dalam toren. Waktu hidup dan matinya pompa ditentukan oleh sistem pengendali yang menyesuaikan dengan kondisi level air. Gambar 3.12 Pompa Filter Aquarium
52 Pompa aquarium yang dipakai adalah jenis pompa Submersible Pump atau pompa yang dapat bekerja di dalam air (terendam). Pompa ini biasa digunakan pada aquarium sebagai filter air, akan tetapi pada prototipe ini pompa difungsikan sebagai pengganti pompa air yang sesungguhnya. Gambar 3.13 Prototipe Keseluruhan Sistem Prototipe dari sistem pengontrolan level air ini seperti tampak terlihat pada gambar 3.13 memang dibuat sedemikian rupa sehingga hampir menyerupai bentuk dari sistem yang sesungguhnya, mulai dari toren sebagai penampungan air sampai dengan pompa, keran air, dan yang lainnya. Untuk aquarium sengaja digunakan pada prototipe sistem ini, disamping fungsinya sebagai sumber air untuk mengisi toren, aquarium juga digunakan untuk tempat penampungan air buangan dari toren melalui keran. Miniatur rumah juga sengaja dibuat dan sekaligus difungsikan untuk tempat rangkaian elektronik seperti rangkaian sensor, power supply, dan rangkaian mikrokontroler. Diharapkan dengan prototipe seperti ini sudah dapat mewakili dari sistem yang sesungguhnya, walaupun penulis menyadari masih banyak yang perlu diperbaiki semisal ukuran dari tiap miniatur yang kurang proporsional begitu juga dengan desain dan bentuk dari tiap-tiap miniatur nya.
53 3.3 Perangkat Lunak Perangkat lunak (software) yang digunakan pada perancangan tugas akhir ini terdiri dari dua perangkat lunak yaitu software yang berada pada mikrokontroler dan software yang berada pada komputer. Software yang ditanam pada mikrokontroler berupa program dengan bahasa Assembler yang program tersebut berperan sebagai mengatur semua fungsi-fungsi disemua bagian sistem mulai dari mengolah masukan dari sensor, berkomunikasi dengan komputer secara serial dan menentukan output sebagai acuan kerja dari bagian pompa air dan alarm. Software yang dibuat pada komputer berupa development program dengan bahasa pemrograman dengan bahasa pascal yang bernama Delphi. Software delphi berperan sebagai penampil (display) dari suatu kondisi level air dan kondisi pompa air. Selain itu software delphi juga berperan sebagai pengatur dari kondisi pompa yaitu pompa dapat dikondisikan hidup dan matinya sesuai dengan batas tertinggi level air. Untuk batas terendah sudah diseting sesuai dengan program di mikrokontroler yaitu pada level 20. 3.3.1 Program Assembler Seperti telah dijelaskan sebelumnya program assembler ini ditanamkan atau disimpan pada mikrokontroler yang merupakan bagian pengendali dari sistem pengontrolan level air ini. Program assembler terdiri dari beberapa subrutin listing yang setiap subrutin nya mempunyai fungsi masing-masing sesuai dengan kondisi sistem yang ingin diterapkan. Disini hanya akan ditampilkan flow chart dua bagian subrutin yaitu otomatis pompa dan pembacaan sensor (gambar 3.14 & 3.15). Selain mengendalikan tiap masukan dan keluaran dari mikrokontroler sendiri program ini juga dibuat agar mikrokontroler dapat berkomunikasi dengan komputer dengan baik melalui sistem antar muka (interfacing) menggunakan serial port. Pada subrutin ini mikrokontroler bertugas mengirimkan informasi kepada komputer mengenai kondisi level air dan menerima instruksi dari komputer untuk menkondisikan pompa mati pada level air tertentu.
54 Gambar 3.14 Flow Chart Baca Sensor Pada flow chart terlihat mulai dari port 0.0 sampai dengan 0.7 membaca kondisi level air. Setiap port terhubung dengan output dari rangkaian sensor (opamp) dan input op-amp terhubung dengan probe sensor. Jika sensor tergenang air maka output sensor berlogika low (0) dan mikrokontroler akan mengirim informasi ke komputer mengenai kondisi level air, sedangkan jika salah satu probe tidak tergenang air maka output sensor akan berlogika high (1) yang mana kondisi ini mikrokontroler akan memeriksa lebih lanjut kondisi masukan dari op-amp berikutnya. Urutan pembacaan sensor dimulai dari level tertinggi sampai level terendah, hal ini bertujuan agar mudah dalam inisialisasi program.
55 Gambar 3.15 Flow Chart Otomatis Pompa 3.3.2 Program Delphi Program delphi yang digunakan pada perancangan sistem ini menggunakan delphi versi 5 (delphi5) yang banyak digunakan saat ini. Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa program delphi disini berperan sebagai pengontrol level air dengan tampilan display berbentuk toren dan tampilan air tiap level nya. Selain itu delphi juga berfungsi mengatur kondisi kapan mati nya pompa, baik secara manual yang ditentukan pada batas tertentu dari level air maupun secara otomatis dengan acuan batas terendah dan batas tertinggi level air. Gambar 3.16 Tampilan Program Delphi
56 Pada gambar 3.16 adalah tampilan utama dari program delphi untuk pengontrolan level air pada toren. Tampilan tersebut merupakan tampilan pada saat program sedang tidak aktif atau tidak dalam kondisi terhubung dengan rangkaian mikrokontroler dan dalam hal ini akan dijelaskan keterangan dari tiaptiap bagian dari tampilan pada gambar tersebut. Nomor 1 (Tampilan pompa air) Tampilan ini hanya akan aktif ketika tombol ON/OFF pada posisi OFF. Berputarnya baling-baling bukan sebagai indikator hiidupnya pompa, melainkan hanya untuk indikator jalannya program delphi. Nomor 2 (Tombol ON/OFF) Seperti halnya tombol pada umumnya, simulasi tampilan ini akan aktif ketika ditekan dan disini tombol akan berfungsi ketika bagian ini diklik kiri pada mouse satu kali. Tombol ini berfungsi untuk menghidupkan dan mematikan program delphi. Nomor 3 (Kolom Level Air) Tampilan ini menunjukkan kondisi level aktual air pada toren, tampilan berupa angka dari level paling rendah yaitu level 10 dan level paling tinggi yaitu level 80. Nomor 4 (Setting Level Atas) Pada bagian ini diisi berupa angka dan disetting untuk menentukan kondisi matinya pompa pada level tertinggi sesuai angka yang diisikan pada kolom tersebut. Angka-angka yang dapat diisikan di dalam kolom ini sudah di setting hanya dari angka 30 sampai batas 60. Nomor 5 (Setting Level Bawah) Bagian ini sama dengan nomor 4 hanya saja pada kolom ini angka yang diisikan di dalam nya merupakan batasan terendah dari level air dimana level tersebut nantinya sebagai acuan untuk menghidupkan pompa air. Adapun angka yang dapat diisikan hanya angka 20 saja karena level ini sudah tetap dan tidak bisa dirubah lagi..
57 Nomor 6 (Timer animasi pompa) Bagian ini hanya sebagai tampilan saja bahwa untuk sebuah simbol timer (pewaktu) untuk sebuah form pada program delphi. Timer disini digunakan untuk tampilan putaran baling-baling pompa (nomor 1) dimana fungsi timer untuk menentukan kecepatan putaran balingbaling. Nomor 7 (Comport) Sama dengan nomor 6 bagian ini adalah tampilan atau simbol dari komponen delphi yang bernama Comport (Comunication Port) yang fungsinya untuk menghubungkan program delphi dengan port komputer untuk beromunikasi dengan perangkat lain dan dalam hal ini untuk berkomunikasi dengan rangkaian mikrokontroler. Komponen ini wajib ada ketika suatu program delphi menerapkan sistem antar muka (interfacing) dengan perangkat di luar komputer. Nomor 8 (Keterangan Level) Hampir sama dengan 4 dan nomor 5 hanya saja pada bagian ini nantinya akan ditampilkan apa yang dikirim oleh mikrokontroler mengenai kondisi level aktual, jika sudah sesuai dengan angka pada kolom 4 dan kolom nomor 5 maka program akan berjalan sesuai dengan yang diinginkan. Nomor 9 (Level air dalam toren) Seperti terlihat pada gambar bahwa bagian ini adalah bentuk tiruan atau simulasi dari kondisi air yang ada di dalam toren. Setiap level diwakili gambar berbentuk kotak persegi panjang dengan warna dasar biru. Setiap kotak akan aktif (tampil) jika level air yang diwakili oleh kotak aktif dan aktifnya kotak berurutan dari bawah sampai ke atas ketika air bergerak atau posisi toren sedang diisi air. Begitu juga sebaliknya ketika air dibuang atau keluar dari toren maka tiap kotak akan menghilang atau tidak aktf sesuai dengan keadaan level aktual di dalam toren.