BAB III PERANCANGAN SISTEM Pada bab ini akan dijelaskan perancangan sistem alat pembuat biogas dari eceng gondok. Perancangan terdiri dari perancangan perangkat keras dan perancangan perangkat lunak. 3.1. Gambaran Sistem Alat yang akan direalisasikan dalam skripsi ini adalah membuat mesin pencacah eceng gondok kemudian membuat tabung digester fermentasi untuk dibuat biogas. Blok diagram keseluruhan sistem dari alat dapat dilihat pada gambar berikut. Catu daya 220 V AC 220 ke DC 5V Sensor gas TGS 2610 Sensor suhu termokopel Indikator level air Mikrokontroler Motor AC Display LCD Display LED Menggerakan pisau cacah Sensor tekanan Photodioda Buzzer Gambar 3.1. Blok diagram sistem kontroler utama 16
17 3.2 Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras Pada bagian ini dijelaskan mengenai perancangan dan perealisasian dari perangkat keras yang dirancang. Perancangan perangkat keras yang akan dijelaskan meliputi bagian kontroler utama dan mekanik. 3. 2.1 Kontroler Utama Kontroler utama berisi catu daya, board mikrokontroler, dan board sensor - sensor yang saling terhubung. Perangkat yang terdapat dalam bagian perancangan kontroler utama dilindungi oleh boks dapat dilihat pada Gambar 3.2. Gambar 3.2. Realisasi boks kontroler utama 3.2.1.1 Catu Daya Perancangan catu daya dirancang menggunakan transformator CT 3A dengan tegangan keluaran 6VAC dan 12VAC yang disearahkan dengan rangkaian dioda (Gambar 3.3). Tegangan keluaran yang dihasilkan transformator setelah disearahkan dengan dioda adalah 6,24Vdc dan 13,86 VDC maka untuk menurunkan tegangan menjadi 5V digunakan IC regulator 7805 sedangkan untuk menurunkan tegangan menjadi 12V digunakan IC regulator 7812. Tegangan 5V digunakan untuk mencatu board mikrokontroler dan tegangan 12V digunakan untuk mencatu rellay yang akan mengatur on off mesin pencacah.
18 Gambar 3.3 Perancangan catu daya 3.2.1.2 Board Mikrokontroler Board Mikrokontroler yang dirancang dalam skripsi ini dilengkapi dengan ADC dan LCD karakter 20 4. Mikrokontroler yang digunakan dalam perancangan skripsi ini adalah ATmega 8535 yang berfungsi sebagai pengontrol utama dalam keseluruhan alat. Mikrokontroler ATmega 8535 ini digunakan untuk mengolah data sensor dan layar LCD. Tabel 3.1 Konfigurasi penggunaan pin/port mikrokontroler Atmega 8535 Nama PORT PORTA.0 PORTA.1 PORTA.2 PORTA.3 PORTA.4 PORTA.5 Fungsi Sensor suhu Sensor gas Sensor tekanan Buzer Kontrol mesin pencacah Sensor photodioda PORTA.6 PORTA.7 Sensor level air PORTB.4 PORTB.0 PORTC.7 PORTC.4 PORTC.2 PORTC.0 Tampilan LED LCD karakter 20 4 PORTD.4 PORTD.0 Tampilan LED 3.2.1.3 ADC (Analog Digital Converter) ADC internal adalah fitur dari mikrokontroler AVR yang berfungsi untuk mengkonversi data dari input analog ke data digital atau sebaliknya. Konversi data analog ke data digital ini dilakukan agar data dapat diolah oleh mikrokontroler. Pada
19 umumnya ADC digunakan sebagai perantara antara sensor sensor yang sebagian besar mempunyai data analog dengan sistem komputer. Seperti sensor suhu, sensor tekanan, sensor gas,dll. ADC memiliki resolusi 10 bit output data digital yaitu sinyal input dapat dinyatakan dalam 1024 nilai desimal, dan resolusi 8 bit output data digital yaitu sinyal input dapat dinyatakan dalam 256 nilai desimal. Sebagai contoh untuk memperoleh hasil perhitungan tegangan yang dimasukan ke pin ADC digunakan persamaan berikut: Nilai digital untuk input ADC resolusi 10 bit (1024) adalah: Data digital ADC = Vinput Vref x1024.(3.1) Nilai digital untuk input ADC resolusi 8 bit (256) adalah: Data digital ADC = Vinput Vref x 256.........(3.2) Dimana, ADC Vref Vinput : Nilai digital yang terbaca oleh ADC mikrokontroler : Tegangan referensi : Tegangan masukan yang akan dikonversi Dalam perancangan tugas akhir ini menggunakan ADC 10 bit (1024) yang digunakan untuk pengolahan data sensor sensor. 3.2.1.4 LCD Karakter 20x4 LCD karakter 20x4 digunakan untuk menampilkan data hasil pengolahan sensor. Data sensor yang ditampilkan adalah suhu (Celcius), kadar gas ppm (part per million), dan tekanan gas kpa (kilopascal). Gambar 3.4 LCD karakter 20x4
20 3.2.1.5 Perancangan Modul Sensor Gas Berdasar hasil pengukuran, didapat nilai arus untuk keluaran sensor gas sebagai berikut: Tabel 3.2 Pengukuran arus keluaran TGS 2610 Kadar Gas Arus keluaran sensor Normal (ruangan) 97 ua Gas > 640ppm 460 ua Konsentrasi > 640 ppm adalah nilai konsentrasi maksimal yang dapat diukur oleh alat pendeteksi gas yang digunakan (gas detector seri 7291). Jika ditentukan nilai untuk tegangan maksimum adalah 4.5 V, maka nilai resistor RS yang dibutuhkan adalah: V = I x R...(3.3) 4.5v = 460 ua x R R = 9782 Ω Nilai resistor tersebut tidak ada sehingga dibulatkan menjadi 10 KΩ, maka nilai tegangan untuk konsentrasi gas > 640 ppm adalah : V = I x R.(3.4) = 460 ua x 10 KΩ = 4.6 V Sedangkan nilai tegangan untuk konsentrasi pada ruangan normal adalah V= I x R.....(3.5) = 97 ua x 10 KΩ = 0.97 V Gambar 3.5. Skema sensor gas
21 3.2.1.6 Perancangan Modul Sensor Suhu Termokopel tipe K adalah yang umum digunakan, mudah ditemukan, dan harganya yang murah. Pada perancangan ini menggunakan termokopel tipe K baut (Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy)) dengan rentang suhu 0 hingga +400. [7] Gambar 3.6. Termokopel tipe K Tegangan keluaran dari sensor termokopel umumnya sangat kecil dan memiliki noise yang besar. Perbandingan tegangan keluaran terhadap perubahan suhu untuk termokopel tipe K adalah sebesar 40.44 uv setiap 1 0 C. Agar sinyal keluaran termokopel dapat diolah oleh mikrokontroler, yaitu sebagai masukan pada Analog to Digital Converter (ADC) maka diperlukan rangkaian yang mampu menghasilkan tegangan yang lebih besar dan menghilangkan noise. Dalam perancangan ini digunakan penguat instrumentasi yang mempunyai cold junction compensation, amplification, dan output buffer dalam 1 paket IC tunggal, tegangan catu daya IC diantara 5V 30V. untuk pengukuran suhu diatas 0 0 C, dengan menggunakan IC penguat instrumentasi ini hanya menggunakan single supplay 5V. Gambar 3.7. Blok diagram AD595 [10]
22 AD595 (thermocouple amplifiers with cold juction compensation) digunakan untuk menguatkan nilai tegangan keluaran termokopel tipe K karena memiliki fitur sebagai berikut: Terkalibrasi untuk termokopel tipe J dan tipe K Impedansi tegangan keluaran kecil : 10mV/ 0 C Terdapat kompensasi titik beku (Ice Point Compensation) Rentang tegangan input besar : +5 V sampai ±15 V Daya kecil: <1 mw Alarm termokopel Mode operasi setpoint High Impedance Differential Input [10] AD595 Mempunyai gain (nilai penguatan) sebesar 247.3 kali dengan kenaikan tegangan keluaran sebesar 10mV/ 0 C. Untuk menentukan tegangan keluaran termokopel dari penguat AD595 digunakan persamaan sebagai berikut: Type K voltage = (AD595 output / 247.3) 11 uv...(3.6) Pengukuran tegangan keluaran AD595 pada suhu 25 0 C adalah 250 mv. Untuk mencari nilai tegangan termokopel sebelum dikuatkan dengan menggunakan persamaan tersebut diatas, yaitu : Tegangan termokopel = (250 mv / 247,3) 11uV = 999.9 uv (3.7) Berdasarkan tabel konversi nilai tegangan termokopel, nilai tegangan sebelum dikuatkan adalah 999.9 uv dan nilai tegangan keluaran AD595 adalah 250 mv. Tabel 3.3 Nilai perubahan tegangan termokopel dan AD595 terhadap suhu [10] Thermocouple Temperature 0 C Type K Voltage mv AD595 Output mv -20-0.777-189 -10-0.392-94 0 0 2.7 10 0.397 101 20 0.798 200
23 25 1.000 250 30 1.203 300 40 1.611 401 50 2.022 503 60 2.436 605 80 3.266 810 3.2.1.7 Perancangan Modul Sensor Tekanan Perancangan modul ini dengan membuat rangkaian seperti pada Gambar 3.8 Gambar 3.8 Blok diagram sensor tekanan Tegangan keluaran dari sensor dihubungkan dengan ADC untuk selanjutnya diolah menjadi tekanan dan ditampilkam pada layar LCD. Menggunakan trasfer function pesamaan 2.2 untuk mengkonversi nilai tegangan menjadi tekanan. Tekanan (kpa) = Vo Vs 0.04 0.0018 ± Error..... (3.8) Dimana, ADC : Nilai yang terbaca oleh ADC Vo : Tegangan keluaran sensor (V) Vs : Tegangan sumber (V) Error : 2.5% 3.2.2 Mekanik Alat mekanik yang dirancang terdiri dari mesin pencacah dan tabung digester fermentasi. Mekanik keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 3.9
24 Box Kontroler Mesin pencacah Penyimpanan gas digester Filter air Gambar 3.9A Realisasi alat yang dirancang Gambar 3.9B Penampang letak sensor pada alat yang dirancang 3.2.2.1 Mesin Pencacah Mesin pencacah adalah tempat dimana masukan berupa eceng gondok yang sudah bersih dari kotoran dan lumpur dicacah menjadi potongan kecil kecil agar proses fermentasi menjadi lebih cepat dari pada eceng gondok utuh yang tidak dicacah.
25 Gambar 3.10 Mesin pencacah. Didalam mesin pencacah terdapat pisau sebanyak 6 buah dengan panjang 21 cm, lebar 5 cm, tebal 5mm. Pemasangan pisau pencacah menggunakan baut pada ujung pangkalnya disusun 3 buah seperti pada Gambar 3.11. Pemasangan ini bertujuan untuk menyesuaikan beban kerja motor listrik AC. Bila pisau terlalu banyak maka kerja motor listrik AC akan menjadi berat, namun bila terlalu sedikit pisau maka hasil cacahan terlalu besar. Pisau pencacah digerakan oleh mesin listrik AC yang dihubungkan dengan v-belt. Gambar 3.11 Pisau pencacah Perhitungan putaran poros penggerak pisau n1.d1 = n2.d2 (3.9 ) 1430 rpm. 3.5 inch = n2. 6 inch n2 = 834 rpm Dimana, n1 = putaran motor (rpm), n2 = putaran poros (rpm) d1 = diameter puli motor (mm), d2 = diameter puli poros (mm)
26 Motor listrik AC adalah motor yang digerakan oleh catu daya AC atau jala jala listrik PLN. Dalam perancangan tugas akhir ini menggunakan motor listrik AC type single phase yang mempunyai daya ½ HP dan kecepatan putar 1430 rpm. Gambar 3.12 Motor listrik AC ½ HP 1430 rpm Perhitugan torsi (5250 x HP ) T =... (3.10) n Dimana, T = Torsi(Nm) HP = Daya kuda (watt) n = Kecepatan motor (rpm) Torsi pada poros motor Torsi pada poros penggerak T = (5250 x HP ) n1 T = (5250 x HP ) n2 = (5250 x (1 2 )746watt ) 1430 rpm = 1369,4 Nm = 2348.02 Nm = (5250 x (1 2 )746watt ) 834 rpm 3.2.2.2 Tabung Digester Fermentasi Tabung digester fermentasi adalah tempat berlangsungnya proses fermentasi eceng gondok yang sudah dicacah dan dicampur dengan air untuk selanjutnya menjadi biogas. Tabung fermentasi ditutup dengan passive solar heat yang terbuat dari akrilik dengan tebal 3 mm dengan tujuan untuk mempertahankan suhu karena semakin tinggi suhu didalam tabung fermentasi akan mempercepat proses pembetukan biogas. Alas penyangga tabung fermentasi terbuat dari papan triplek dengan tebal 5mm dan dilapisi
27 alumunium foil agar panas yang tertampung tidak keluar melalui papan triplek dan tetap tertahan di dalam tabung. Digester / tangki fermentasi dibuat berbentuk silinder dengan volume tabung sebagai berikut : V= ¼ πd 2 t..(3.11) = ¼ x π x (0.55m) 2 x 1.2m = 0.28944 m 3 = 289.44 Liter Gambar 3.13. Digester dengan passive solar heat Tabung penyimpanan adalah tempat penyimpanan gas dari tabung fermentasi kemudian dilewatkan melalui tabung filter yang berisi air. Gas yang dihasilkan oleh hasil fermentasi pada tabung digester mengandung campuran gas H2S yang sangat perlu diperhatikan karena bersifat korosif sehingga dapat merusak sistem pipa - pipa serta mesin mesin yang menggunakan biogas ini sebagai bahan bakar. Oleh sebab itu proses pemurnian gas perlu dilakukan. Cara yang paling sederhana untuk menghilangkan H2S adalah dengan melewatkanya melalui air karena H2S akan terserap oleh air melalui reaksi kimia yang kompleks sehingga biogas yang dihasilkan menjadi lebih bersih. 3.3 Perangkat Lunak Pada bagian ini dijelaskan perancangan perangkat lunak. Berikut adalah diagram alir sub rutin program mikrokontroler yang dijalankan dalam sistem alat.
28 Mulai Tidak Ada data sensor? Ya Tampilkan data sensor Tidak Ada masukan eceng gondok? Ya Menyalakan mesin cacah Tidak Isi tangki fermentasi melebihi batas maksimal? Ya Matikan mesin pencacah Selesai Gambar 3.14 Sub rutin program mikrokontroler. Penjelasan subrutin mikrokontroler adalah sebagai berikut : 1. Pada saat tombol ON dinyalakan maka mikrokontroler memulai inisialisasi. 2. Mikrokontroler akan menginisialisasi sensor sensor dan melakukan pembacaan data sensor seperti : sensor gas TGS 2610, sensor suhu Termokopel, dan sensor tekanan MPX 5500D. 3. Mikrokontroler menampilkan data sensor pada LCD karakter 20x4. 4. Didalam corong masukan eceng gondok terdapat sensor photodioda yang berfungsi untuk pendeteksi inputan eceng gondok. Data tersebut diolah oleh mikrokontroler. 5. Jika sensor mendeteksi adanya masukan pada corong masukan, maka mikrokontroler akan menyalakan motor mesin pencacah.
29 6. Mikrokontroler akan mendeteksi ketinggian level air pada tangki digester. Motor mesin pencacah akan bekerja bila ada inputan pada corong masukan. 7. Jika level air pada tangki digester mencapai maksimal dari batas yang ditentukan, maka mikrokontroler akan mematikan mesin pencacah meskipun ada masukan pada corong masukan.