Dosen Pembimbing : 1.Dr. Muhammad Rivai, ST, MT 2.Ir. Totok Mujiono M.I. Kom
Latar Belakang Industri yang ada saat ini menghhasilkan gas yang berbahaya bagi manusia. Sensor QCM 20 Mhz mempunyai sensitivitas yang tinggi dan stabil pada suhu tinggi. Penggunaan teknologi FPGA membuat perancangan sistem menjadi lebih fleksibel dan ekonomis.
Permasalahan Bagaimana merancang sistem pendeteksi odor dengan menggunakan sensor deret QCM? Bagaimana meminimalisasi cross-talk pada jalur-jalur pengukuran frekuensi resonansi? Bagaimana mengatasi respon sensor yang berubah-ubah oleh karena perubahan kelembaban udara?
Tujuan Membuat sistem deteksi odor yang mampu untuk mengenali berbagai jenis gas. Agar dapat dijadikan referensi untuk diaplikasikan pada berbagai jenis industri yang menghasilkan gas.
Batasan Masalah Pendeteksian dan pengujian alat dikehendaki pada kondisi fisik seperti suhu dan kelembapan yang sama pada wadah yang tertutup. Sensor QCM yang digunakan bekerja pada frekuensi 20 Mhz. Metode pemberian gas dengan cara dipompa dengan pompa udara selama selang waktu tertentu. Sensor QCM yang digunakan 4 buah dengan bahan polimernya antara lain OV-101, OV-17, PEG-6000 dan PEG-1540. Gas yang dideteksi : spiritus, minyak tanah dan bensin Neural Network menggunakan metode back propagation.
Diagram blok sistem secara keseluruhan :
Quartz Crystal Microbalance Sensor yang digunakan adalah Quartz Crystal Microbalance (QCM) dengan frekuensi dasar 20 MHz. Sensor QCM mempunyai sifat piezoelectric. Bahan polimer yang digunakan : OV-101, OV-17, PEG-6000 & PEG-1540. Setiap polimer mempunyai respon yang berbeda-beda terhadap tiap jenis gas.
Quartz Crystal Microbalance
Osilator dan Mixer Rangkaian osilator yang digunakan adalah model osilator Pierce :
Osilator dan Mixer Osilator dihubungkan dengan sensor QCM untuk menghasilkan gelombang dengan frekuensi 20 Mhz. Penggunaan sensor dengan frekuensi dasar 20 Mhz menyebabkan interferensi antar kanal. Untuk mengatasi hal ini digunakan rangkaian mixer. Digunakan komponen kristal sebagai frekuensi referensi.
Osilator dan Mixer Rangkaian mixer menggunakan rangkaian D Flip-flop yaitu dengan IC 74HC74 dengan output dari sensor diinputkan dari pin clock dan output dari kristal masuk pada pin data. Pada output ditambahkan komponen R dan C sebagai low pass filter.
Osilator dan Mixer Realisasi Osilator Realisasi Osilator+ Mixer
Osilator dan Mixer Output dari osilator kristal Vmax = 7,04 V Vmin = -1,20 V Vpp = 8,32 V Frek. = 20,0022 MHz Output dari osilator sensor QCM Vmax = 6,40 V Vmin = -1,28 V Vpp = 7,68 V Frek. = 19,9925 MHz
Osilator dan Mixer Vmax = 5,12 V Vmin = -160 mv Vpp = 5,28 V Frek. = 9,83 Khz Output dari rangkaian mixer
FPGA sebagai frequency counter Modul yang digunakan ialah modul spartan 3E starter kit dengan FPGA dari xilinx yaitu XC3S500E. Software yang digunakan untuk memprogram FPGA ialah Xilinx ISE Webpack 9.2i dan bahasa pemrogramannya VHDL(VHSIC Hardware description Languange).
FPGA sebagai frequency counter Frequensi counter umumnya dibangun dari beberapa rangkaian flip-flop. Desain frequency counter menggunakan kode VHDL lebih sederhana. Ada 2 komponen utama yaitu blok basis waktu 1 detik dan blok penghitung.
FPGA sebagai frequency counter Frekuensi clock internal sebesar 50 MHz. Ada 2 macam siklus dalam waktu 2 detik yaitu siklus high untuk meng-enable proses penghitungan pada counter dan siklus low untuk me-latch data serta mengirim data penghitungan.
FPGA sebagai frequency counter Algoritma dan blok skematik dari basis waktu 1 detik
FPGA sebagai frequency counter Blok penghitung(counter) mampu menghitung dengan batas 24 bit(16.777.216). Pin enable dihubungkan dengan output dari blok basis waktu 1 detik.
FPGA sebagai frequency counter Algoritma dan blok skematik dari penghitung
Diagram Skematik Pencacah Frekuensi Keseluruhan
FPGA sebagai frequency counter Pengujian pencacah frekuensi dengan menggunakan input dari function generator ditampilkan pada LCD. Frekuensi Clock Function Generator 10 Hz 101 Hz 1005 Hz 10k Hz 100.360 Hz 1 MHz 9.999 MHz Frekuensi yang dibaca alat 10 Hz 101 Hz 1005 Hz 9.999 Hz 100.361 Hz 1 MHz 9.999.531 Hz Getaran frekuensi dalam digit 1 0 1 0 1 1 3
FPGA sebagai frequency counter
Pengujian Sampel Ada 3 jenis sampel yang diuji yaitu spiritus, minyak tanah dan bensin. Pembersihan udara dilakukan selama 60 detik dan pemberian sampel dilakukan selama 100 detik. Hasil penghitungan frekuensi ditampilkan pada software di PC. Perubahan frekuensi terhadap waktu ditampilkan pada grafik.
Pengujian Sampel Tampilan software
Pengujian Sampel Spiritus Minyak Tanah Data Selisih Frekuensi Data Selisih Frekuensi 1200 1000 800 800 700 600 500 600 400 200 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 400 300 200 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 OV-101 OV-17 PEG-6000 PEG-1540 OV-101 OV-17 PEG-6000 PEG-1540 Bensin Data Selisih Frekuensi 700 600 500 400 300 200 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 OV-101 OV-17 PEG-6000 PEG-1540
Implementasi JST pada PC
Implementasi JST pada PC Proses training dari JST dilakukan menggunakan toolbox matlab. Nilai bobot yang diperoleh dimasukkan pada algoritma JST pada PC untuk proses running.
Implementasi JST pada PC Pengujian secara offline
Implementasi JST pada PC 100 -> Benzena 010 -> Metanol 001 -> Spiritus
Kesimpulan Hasil pengujian menunjukkan bahwa pola 4 buah sensor dapat dikenali dengan menggunakan algoritma backpropagation dengan error sebesar 6,66%, Algoritma backpropagation dapat digunakan untuk pengenalan pola mengidentifikasi 3 jenis odor yaitu spiritus, minyak tanah dan bensin. Sensor QCM dengan polimer OV-101, OV-17, PEG-6000 dan PEG-1540 mampu menghasilkan perubahan nilai pergeseran frekuensi berbanding terbalik terhadap waktu sesuai dengan odor yang diberikan, Rangkaian Mixer dapat digunakan untuk mengurangi interferensi antar kanal akibat output dari resonator kuarsa yang memiliki frekuensi yang cukup tinggi.
Sekian Terima Kasih