BAB III PERANCANGAN ALAT

BAB III PERANCANGAN ALAT Pada bab tiga ini akan dijelaskan perancangan alat, yaitu perancangan perangkat keras dan perangkat lunak. Perancangan perangkat keras terdiri dari perangkat elektronik dan instalasi perangkat keras. 3.1. Gambaran sistem Pada gambar 3.1. menunjukkan blok diagram dari keseluruhan alat yang dibuat. Pada gambar 3.2. menunjukkan gambaran dari keseluruhan sistem yang dirancang. Gambar 3.1. Blok Diagram Keseluruhan Sistem yang Dirancang. 16

Gambar 3.2. Gambaran Keseluruhan Sistem yang Dirancang. Keterangan: 1. Pompa air baku digunakan untuk mengambil air baku untuk dibawa ke tempat pengujian. Pompa tersebut menggunakan submersible pump dengan spesifikasi 220 V 50 Hz. daya 33 Watt dan kapasitas aliran maksimal 2000 liter/jam. 2. Pompa air murni digunakan untuk mengambil air murni untuk dibawa ke tempat pengujian sebagai pembilas ruang pengujian setelah pengujian dengan air baku 17

selesai dilakukan. Pompa tersebut menggunakan submersible pump dengan spesifikasi 220 V 50 Hz. daya 33 Watt dan kapasitas aliran maksimal 2000 liter/jam. 3.2. Perancangan Dan Realisasi Perangkat Keras Pada bagian ini dijelaskan mengenai perancangan dari perangkat keras yang dirancang. Perancangan perangkat keras yang akan dijelaskan yaitu perancangan perangkat elektronik dan perangkat pengkondisi sinyal sensor. 3.2.1. Perangkat Elektronik Pada perangkat elektronik ini terdiri dari box pengendali utama, Catu daya DC, pengkondisi sinyal konduktivitas dan ph, driver pompa dan solenoid valve, serta relay 12VDC. Pada gambar 3.3. merupakan realisasi dari perangkat elektronik. Gambar 3.3. Realisasi Perangkat Elektronik. 3.2.2. Pengendali utama Pada Pengendali utama ini Terdiri dari board mikrokontroler, LCD karakter 20x4 dan keypad matriks 4x4. Pada gambar 3.4. merupakan realisasi dari box pengendali utama. 18

Gambar 3.4. Realisasi Pengendali Utama. 3.2.3. Board Mikrokontroler Board mikrokontroler yang dirancang dalam skripsi ini dilengkapi dengan LCD karakter 20x4, keypad matriks 4x4, dan driver relay menggunakan IC optocoupler PC817 dan ULN2803. Mikrokontroler yang digunakan dalam perancangan skripsi ini adalah Arduino Mega2560 yang berfungsi sebagai pengontrol utama dari keseluruhan alat. Konfigurasi penggunaan pin/port mikrokontroler Arduino Mega2560 dapat dilihat dalam tabel 3.1 dan skema board mikrokontroler dapat dilihat dalam gambar 3.5. Tabel 3.1. Konfigurasi penggunaan pin/port Arduino Mega2560. Pin Port Keterangan A8 Input Sensor suhu A9 Input Sensor ph A10 Input sensor konduktivitas (V H) A11 Input sensor konduktivitas (V L) A12 Input sensor konduktivitas (V 1) A13 Input sensor konduktivitas (V 2) D34 Output Driver Relay Catu Daya D39 Output Driver Water Valve (inlet-1) D41 Output Driver Water Valve (inlet-2) D43 Output Driver Water Valve (outlet) D45 Output Driver Water Valve (RO-outlet) D47 Output Driver Water Valve (UV-Outlet) 19

D49 D51 D53 D32 D30 D28 D26 D24 D22 D23 D25 D27 D29 D31 D33 D35 D37 Output Driver Water Valve (Aquades-inlet) Output Driver Pompa AC (air baku) Output Driver Pompa AC (air akuades) Output LCD Karakter 20x4 (RS) Output LCD Karakter 20x4 (Enable pin) Output LCD Karakter 20x4 (D4) Output LCD Karakter 20x4 (D5) Output LCD Karakter 20x4 (D6) Output LCD Karakter 20x4 (D7) Keypad matriks 4x4 (baris-1) Keypad matriks 4x4 (baris-2) Keypad matriks 4x4 (baris-3) Keypad matriks 4x4 (baris-4) Keypad matriks 4x4 (kolom-1) Keypad matriks 4x4 (kolom-2) Keypad matriks 4x4 (kolom-3) Keypad matriks 4x4 (kolom-4) Gambar 3.5. Skema board mikrokontroler Arduino Mega2560[18]. 20

Gambar 3.6. Board mikrokontroler Arduino Mega2560. Driver relay Driver relay dalam skripsi ini menggunakan IC PC817 dan IC ULN2803. IC PC817 atau Optocoupler merupakan merupakan komponen penggandeng (coupling) antara rangkaian input dengan rangkaian output yang menggunakan media cahaya (opto) sebagai penghubung. Optocoupler sendiri terdiri dari 2 bagian, yaitu pengirim (transmitter) dan penerima (receiver). IC PC817 Digunakan untuk memisahkan sistem antara sistem mikrokontroler dengan sistem solenoid valve, untuk tetap menjaga kestabilan sekaligus menghindari kerusakan pada sistem mikrokontroler, karena pada sistem, menggunakan pompa AC sebesar 220 volt. IC ULN2803 adalah IC yang didalamnya merupakan susunan transistor NPN yang terpasang secara darlington. IC ULN2803 digunakan sebagai saklar untuk mengaktifkan relay. Output relay dihubungkan dengan beban berupa komponen yang aktif pada tegangan DC 12V untuk mengoperasikan solenoid valve dan AC 220V untuk mengoperasikan pompa air baku dan pompa air akuades. Jika relay aktif, maka beban yang dihubungkan ke bagian output relay akan aktif pula. Berikut ini rangkaian realisasi dari driver relay yang menggunakan IC PC817 dan IC ULN2803. 21

Gambar 3.7. Rangkaian Driver Relay. Gambar 3.8. Realisasi Rangkaian Driver Relay. LCD Karakter 20x4 LCD karakter digunakan untuk menampilkan nilai TDS, ph, suhu, menu dan segala bentuk kerja yang sedang dilakukan mikrokontroler. Menu yang ditampilkan di LCD dapat dipilih dengan menekan tombol di keypad 4 4. 22

Gambar 3.9. Realisasi LCD. Keypad 4x4 Keypad yang digunakan dalam skripsi ini adalah 4x4 (4 baris dan 4 kolom). Keypad disini berfungsi untuk memilih menu pengujian apakah akan dilakukan pengujian manual atau otomatis. Gambar 3.10. Realisasi Keypad. 3.2.4. Catu Daya Tegangan yang dihasilkan pada gambar adalah +5V dan -5V. Tegangan tinggi AC 220 V diturunkan oleh transformator CT, keluaran tegangan dari transformator masih tegangan bolak-bailk (AC) sehingga disearahkan dengan dioda agar menjadi searah (DC). Setelah melewati proses penyearahan gelombang AC mejadi DC, diberikan kapasitor C1 untuk menekan ripple yang terjadi dari proses penyearahan gelombang AC, sehingga keluaran nya sudah murni menjadi tegangan DC yang sempurna. Kemudian untuk memangkas tegangan menjadi +5V dan -5V maka digunakanlah IC regulator 7805 dan 7905. Keluaran dari IC regulator ada kapasitor akhir C2 sebagai penstabil keluaran DC, 23

disini kualitas gelombang searah atau DC sudah baik dan siap digunakan untuk mensupplai beban yang ada. Gambar 3.11. Rangkaian Catu daya +5V dan -5V[19]. Pada gambar diperlihatkan realisasi dari rangkaian Catu daya +5V dan -5V: Gambar 3.12. Realisasi rangkaian Catu daya +5V dan -5V. 3.2.5. Pengkondisi Sinyal Sensor Konduktivitas Sensor konduktivitas menggunakan sepasang elektroda dari stainless steel yang kemudian di gabungkan dengan rangkaian pengkondisi sinyal. Dengan tiga buah hambatan yang mendapat catu tegangan dua arah dengan jenis rangkaian seri, maka total tegangan sumber akan terbagi kepada masing-masing hambatan sesuai dengan beban hambatan tersebut, dimana nilai tegangan yang terbagi dipengaruhi besarnya perbandingan nilai pada masing-masing hambatan. 24

Gambar 3.13. Skematik Pembagi Tegangan Besaran arus yang melewati sensor dapat diketahui dengan menambahkan dua buah resistor secara seri pada masing-masing ujung probe sensor (Rs1 dan Rs2) atau dengan mengukur arus nya secara langsung. Besar VH, VL, V1, dan V2 diukur dengan ADC untuk mendapatkan VHL (tegangan input) dan V12 (tegangan pada beban). Dengan rumus pembagi tegangan yang diperlihatkan pada persamaan (1) [3]. V12 = R/ (R+Rs1+Rs2) x VHL (3.1) V12 x (R+Rs1+Rs2) = R x VHL (3.2) V12 x (Rs1+Rs2) = R x VHL - V12 x R (3.3) V12 x (Rs1+Rs2) = R x (VHL - V12) (3.4) R = V12 x (Rs1+Rs2) / (VHL - V12) (3.5) Dari nilai R yang telah dihitung, dapat dicari nilai konduktivitas elektrik nya dari persamaan 2.1. Karena pengukuran konduktivitas bergantung dengan suhu, maka besar konduktivitas bergantung dengan suhu dapat digunakan rumus pada persamaan 2.6. Kemudian terdapat pula Cell Constant, yang merupakan rasio jarak antar elektroda dengan luas penampang elektroda yang masuk ke dalam larutan. Besarnya Cell Constant mempengaruhi jarak pengukuran konduktivitas optimal. Pada sistem ini digunakan sepasang elektroda yang memiliki spesifikasi berdiameter (D) sebesar 0,25cm, bagian yang kontak dengan media air memiliki tinggi (t) 0,9cm, dan jarak antar elektroda (d) sebesar 0,7 25

cm. Sehingga jika dihitung mendapatkan besar Cell Constant (K) = 0,97 (cm -1 ). Berikut realisasi sensor dan perhitungan nya: Gambar 3.14. Realisasi Sensor Konduktivitas sebesar: Dari persamaan 2.2, kemudian dapat dihitung besar cell constant nya adalah K = (3.6) K = (3.7) K = = = 0,97 (cm -1 ) (3.8) Didapatkan besar Cell Constant (K) sebesar 0,97. Pemilihan nilai tersebut karena jarak ukur pembacaan TDS akan masih di dalam jarak ukur pembacaan TDS dalam spesifikasi sistem ini. Kemudian TDS sampel air berdasarkan nilai konduktivitas yang terukur dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.5. Teknik pengukuran pada metode ini tidak bisa dilakukan jika sumber masukan (VHL) diberikan arus satu arah (DC), hal ini karena air dan NaCl (dalam sistem ini pengujian dilakukan dengan memberikan polutan NaCl sebagai polutan mineral) tersusun 26

dari molekul-molekul dwi kutub yang jika mendapatkan arus searah, maka molekulmolekul ini akan diarahkan dan ion Na + akan tertarik ke kutub negatif, sedangkan ion Cl - ke kutub positif. Akibatnya hasil pengukuran tidak mencerminkan besar resistansi larutan karena hasil nya akan selalu berubah2 [3]. Tegangan input (VHL) yang diberikan adalah berupa tegangan dua arah. Dengan teknik ini maka molekul-molekul air dan ion-ion Na + dan Cl -, akan relative pada tempatnya jika frekuensi yang diberikan berorde kilo hertz. Frekuensi yang rendah dapat menyebabkan molekul air dan ion-ion Na + dan Cl - sempat mengadakan perubahan susunan, sehingga resistansi yang diukur kurang sesuai dengan kenyataan. Gambar 3.15. Skematik penghasil tegangan dua arah (AC) dengan frekuensi 150Khz Pada rangkaian di atas, adalah penghasil sinyal kotak dengan frekuensi 150Khz (duty cycle 50%) menggunakan IC timer 555 dengan pemberian besar R4 = 4KΩ dan C1 = 1.2 nf. Fungsi dari R4 disini sebagai pengisi kapasitor (saat keluaran timer berlogika High) dan pengosong (saat keluaran timer berlogika Low). Diketahui frekuensi sebesar 150Khz, maka besar R4 dan C1 didapatkan dari perhitungan [4]: (3.10) (3.11) 27

(3.12) Keluaran dari timer, di arahkan ke IC LM324 sebagai komparator. Di gunakan dua komparator, keluaran komparator pertama HIGH ketika sinyal pulsa keluaran timer 555 HIGH, ketika keluaran timer 555 LOW, komparator akan juga bernilai LOW. Kondisi terbalik pada komparator kedua, keluaran LOW ketika sinyal pulsa keluaran timer 555 HIGH, ketika keluaran timer 555 LOW, komparator akan bernilai HIGH. Keluaran dari kedua komparator ini kemudian akan di berikan kepada masing-masing probe sensor. Dengan pemberian 2 komparator tersebut, arus yang masuk ke dalam air akan berjalan dua arah, dan akan di dapat besar resistansi yang relatif stabil. Gambar 3.16. Rangkaian komparator Penentuan besar R1 = R2 dengan menggunakan prinsip pembagi tegangan, agar masukan ke komparator pertama (Vinv) dan ke komparator kedua (Vnon-inv) bernilai 1 volt. Perhitungan besar R1 dan R2 adalah sebagai berikut: Ditentukan; Vin = 5V, Vout = 1/2Vcc = 2,5V, Iout = 10mA, maka: VR1 = Vin Vout = 5 2,5 v = 2,5V 28

R1 = = = 250 Ω VR2 = Vout Vground = 2,5v 0v = 2,5V R2 = = = 250 Ω akan didapatkan: Maka didapat R1 = R2 = 250 Ω. Jika dihitung dengan rumus pembagi tegangan, Pada gambar diperlihatkan realisasi dari Rangkaian pengkondisi sinyal sensor konduktivitas : Gambar 3.17. Rangkaian Realisasi Pengkondisi Sinyal Sensor Konduktivitas 3.2.6. Pengkondisi sinyal Sensor ph Pada sensor ph digunakan ph electrode buatan Lutron type PE-03. Sensor PE-03 ini mampu mendeteksi tingkat keasaman dari 0-14 ph. Sensor ph ini hanya memerlukan 1 buah pin pada mikrokontroler dan pada tugas akhir ini diberikan pada Port ADC9. Dalam proses pengukuran kadar ph diperlukan sebuah pengkondisian sinyal, agar sinyal yang dihasilkan oleh sensor ini dapat terbaca oleh mikrokontroler. Dalam rangkainya, 29

pengkondisi sinyal ini menggunakan IC TL072. Rangkaian pengkondisi sinyal diperlihatkan pada gambar 3.17. Gambar 3.18. Rangkaian Pengkondisi Sinyal untuk ph Gambar 3.19. Realisasi Rangkaian Pengkondisi Sinyal untuk ph Rangkaian pengkondisi sinyal untuk sensor ph Lutron PE-03 yang dirancang pada sistem ini merupakan rangkaian penguat tak membalik, dengan menggunakan 2 penguat. Penguat pertama dari sensor untuk membaca tegangan atau nilai yang didapat dari air yang diukur, sedangkan rangkaian kedua digunakan sebagai pembanding untuk nilai yang didapat dari sensor. 30

3.2.7. Perancangan Tempat Pengujian Air Tempat pengujian air baku menggunakan pipa-pipa PVC yang dibatasi oleh solenoid valve pada tiap ujung nya untuk membatasi air yang masuk ke dalam pipa pengujian. Rangka luar tempat pengujian tersebut dibuat dari akrilik dan mempunyai ukuran panjang 65 cm, lebar 45 cm, dan tinggi 55 cm. Pemberian rangka luar ini bertujuan sebagai dudukan dalam peletakan pipa-pipa PVC tempat pengujian air, sekaligus sebagai tempat peletakan rangkaian pengontrol utama keseluruhan alat. Pada gambar 3.20 ditunjukkan maket yang sudah dibuat. Gambar 3.20. Maket Yang Sudah Dibuat. (a) Tampak depan. (b) Tampak samping kiri. (c) Tampak samping kanan 3.2.8. Solenoid valve Solenoid valve diberikan pada setiap ujung masukan dan keluaran pipa sebagai pembatas sekaligus penahan air pada saat proses pengujian. Total solenoid valve dalam sistem ini ada 6 buah. Pada gambar 3.21 ditunjukkan Solenoid Valve Dalam Sistem. 31

Gambar 3.21. Solenoid Valve Dalam Sistem 3.2.9. Pompa Air Baku Pada pompa air baku ini menggunakan submersible pump akuarium. Pompa tersebut diletakkan tandon air baku. Pompa ini nanti yang akan mengambil air dari tandon untuk dibawa ke ruang pengujian dalam pipa. 3.2.10. Pompa Air Akuades Pada pompa air akuades ini menggunakan submersible pump akuarium. Pompa tersebut diletakkan tandon air akuades. Pompa ini nanti yang akan mengambil air dari tandon untuk dibawa ke ruang pengujian dalam pipa dan melakukan pembilasan ruang uji kemudian langsung dibuang keluar kembali dari dalam ruang uji. 3.3. Perancangan Perangkat Lunak Pada bagian ini dijelaskan mengenai perancangan perangkat lunak. Perancangan perangkat lunak akan dijelaskan dalam diagram alir keseluruhan alat. 32

3.3.1. Diagram Alir Keseluruhan Alat keseluruhan. Pada Gambar 3.22 akan ditunjukkan diagram alir program mikrokontroler secara Gambar 3.22. Diagram Alir Keseluruhan Alat. Alat 33

Penjelasan diagram alir program mikrokontroler adalah sebagai berikut : Pada saat alat dinyalakan maka program akan melakukan inisialisasi. Setelah inisialisasi selesai maka sistem akan menampilkan tampilan pembuka berupa judul skripsi dan nama penulis pada LCD karakter 20x4. Kemudian sistem masuk pada state menu, dimana akan tertampil pada LCD karakter, 2 pilihan menu yaitu Pengujian Manual dan Pengujian Otomatis. Ketika diberikan pilihan 1, maka akan masuk ke bagian pengujian manual. Pengujian manual dimulai dengan state pembilasan ruang uji dengan air murni terlebih dahulu, kemudian selanjutnya ke state pengisian air baku sampel yang akan diuji. Air sudah masuk ke dalam ruang uji, proses pengukuran dimulai dan dilanjutkan pengolahan data, diakhiri dengan hasil yang ditampilkan pada LCD karakter 20x4. Hasil yang terbaca ini kemudian disaring, apakah ph yang terbaca sensor memenuhi kriteria diantara 6,5-8,5. Jika tidak memenuhi akan tertampil pesan bahwa air tidak memenuhi kriteria ph yang diinginkan dan selanjutnya menuju state pembilasan dan selesai, kembali ke state menu awal. Jika memenuhi, maka akan disaring data sensor TDS, apakah TDS berada dalam jarak 0-200ppm dan suhu berada pada +/- 3 o C dari suhu udara yang terbaca. Jika memenuhi kriteria maka, langkah selanjutnya adalah pengisian air baku untuk dibawa ke saluran UV. Akan tetapi jika tidak memenuhi kriteria maka, langkah selanjutnya adalah pengisian air baku akan dibawa ke saluran RO. Ketika diberikan pilihan 2, maka akan masuk ke bagian pengujian Otomatis. Langkah kerja pengujian dan pengolahan data sama. Yang membedakan adalah pada proses terakhir, saat pengisian air baku ke saluran RO atau UV, delay waktu pengujian akan menyala selama satu jam, kemudian ketika sudah mencapai satu jam, sistem akan melakukan pengujian kembali secara otomatis. Saat proses pengujian otomatis ini berlangsung, jika ketika pengolahan data ditemukan hasil keluaran ph yang tidak memenuhi kriteria, maka akan tertampil pesan bahwa air tidak memenuhi kriteria ph yang diinginkan dan selanjutnya menuju state pembilasan, sekaligus secara otomatis keluar dari mode pengujian otomatis, dan kembali ke state menu awal. 34