BAB II PERANCANGAN ALAT · 2017. 6. 12. · PERANCANGAN ALAT . Pada bab ini akan dijelaskan perancangan alat yang terdiri dari gambaran sistem kerja alat, perancangan perangkat keras

20

BAB III

PERANCANGAN ALAT

Pada bab ini akan dijelaskan perancangan alat yang terdiri dari gambaran

sistem kerja alat, perancangan perangkat keras dan perancangan perangkat lunak.

Perancangan dimulai dari uraian mengenai gambaran sistem kerja alat yaitu penjelasan

tentang bagaimana alat ini bekerja. Kemudian dilanjutkan uraian mengenai perancangan

perangkat keras dan yang terakhir uraian mengenai perancangan perangkat lunak.

3.1. Gambaran Sistem

Sistem yang dirancang oleh penulis merupakan sebuah alat yang digunakan

untuk melakukan pengujian kualitas susu sapi murni. Pengujian yang dilakukan

terdiri dari pengujian nilai pH dan pengujian nilai kadar air yang terkandung di

dalamnya. Pada kedua pengujian ini penulis melakukan perancangan sistem

secara otomatis dengan tujuan agar mempermudah user untuk

mengoperasikannya.

Pada perancangan sistem pengujian nilai pH terdapat sensor pH yang

digunakan untuk mengetahui kandungan nilai pH yang terdapat di dalam susu sapi

murni. Sedangkan pada perancangan sistem pengujian nilai kadar air terdapat

sensor berat untuk mengetahui berat yang dikandung oleh susu sapi murni, sensor

suhu untuk mengetahui besarnya suhu yang diinginkan, dan terdapat pemanas

keramik yang digunakan untuk melakukan proses pemadatan susu yang sesuai

dengan metode gravimetri.

21

Gambar 3.1. Blok Diagram Alat

3.2. Gambaran Cara Kerja Alat

Ketika terhubung dengan daya AC 220 V dan saklar utama dalam kondisi

ON, maka alat ini akan bekerja. Jika kondisi ini sudah terpenuhi maka user bisa

memilih untuk melakukan proses pengukuran kadar air atau kadar pH terlebih

dahulu. Ketika user memilih proses pengukuran kadar pH terlebih dahulu, maka

user harus menaruh beaker glass yang berisi susu sapi murni ke tempat mekanik

pengukuran kadar pH dan kemudian beaker glass tersebut akan naik secara

otomatis menuju ke sensor pH electrode SEN0161. Kemudian sensor akan

membaca data keluaran berupa resistansi dan akan dikonversikan oleh pH meter

v1.0 yang menghasilkan data berupa tegangan analog. Data tersebut akan

dikonversikan lagi menjadi tegangan digital oleh mikrokontroler untuk proses

pengolahan data selanjutnya dan data yang sudah di olah oleh mikrokontroler

akan tertampil pada layar LCD berupa nilai pH. Setelah data nilai pH sudah

didapatkan, maka mikrokontroler akan mengecek apakah kadar pH yang terdapat

pada susu sapi murni memenuhi syarat dari Koperasi Andini Luhur, yaitu susu

yang mengandung derajat keasaman/ kadar pH antara 6,5 – 7,1. Jika susu

memenuhi syarat tersebut, maka akan tertampil “BAIK” pada layar LCD dan jika

susu tidak memenuhi syarat, akan tertampil “RUSAK” pada layar LCD.

22

Setelah proses pengukuran pH selesai maka user akan memilih untuk proses

pengukuran kadar air. Pertama – tama user akan meletakkan cairan susu di cawan

yang terletak di tempat penimbangan yang akan menimbang cairan tersebut

sebanyak 5 gram. Setelah berat susu sudah mencapai 5 gram yang terlihat pada

layar LCD maka user akan menekan tombol saklar untuk menjalankan cawan

tersebut ke tempat pemadatan secara otomatis. Ketika berada di tempat

pemadatan, cairan susu akan dipadatkan dengan cara memanaskan cairan tersebut

selama 35 menit dalam suhu 60 0C. Setelah selesai dalam waktu 35 menit maka

cawan tersebut akan kembali berjalan ke tempat penimbangan dan akan

menimbang berat susu tersebut setelah di padatkan. Hasil data berat susu sebelum

pemadatan dan setelah pemadatan akan diolah oleh mikrokontroler yang akan

menghasilkan keluaran data berupa kadar air pada layar LCD. Setelah data nilai

kadar air sudah didapatkan, maka mikrokontroler akan mengecek apakah kadar air

yang terdapat pada susu sapi murni memenuhi syarat dari Koperasi Andini Luhur

atau tidak, yaitu susu yang mengandung kadar air sebanyak 80% - 90%. Jika susu

memenuhi syarat tersebut, maka akan tertampil “BAIK” pada layar LCD dan jika

susu tidak memenuhi syarat, akan tertampil “RUSAK” pada layar LCD.

3.3. Perancangan Perangkat Keras

Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan perangkat keras

yang dirancang oleh penulis. Perancangan perangkat keras yang akan dijelaskan

meliputi perancangan mekanik dan perancangan elektronika dari keseluruhan

sistem yang dirancang.

3.3.1. Perancangan Perangkat Keras Mekanik

Perangkat keras mekanik adalah bentuk fisik dari alat yang berfungsi

untuk menopang komponen-komponen yang digunakan dalam perancangan ini,

sehingga dapat memenuhi kinerja dari alat yang dirancang. Terdapat 2 mekanik

utama dalam perancangan sistem ini. Yang pertama adalah mekanik pengujian

kadar pH dengan otomatisasi naik turunnya beaker glass dan yang kedua

adalah mekanik pengujian kadar air dengan menggunakan conveyor untuk

menggerakkan cawan dari timbangan menuju ke pemanas dan kembali lagi ke

timbangan.

23

3.3.1.1. Perancangan Mekanik Pengujian Kadar PH

Kerangka mekanik yang direalisasikan pada keseluruhan sistem

kadar pH terbuat dari bahan besi kotak 2x2 cm yang sudah dilas

sedemikan rupa sehingga dapat berfungsi untuk menopang keseluruhan

komponen yang digunakan dalam perealisasian alat yang dirancang pada

mekanik pengujian kadar pH. Berikut adalah dimensi dan bentuk

kerangka yang direalisasikan :

Tabel 3.1. Dimensi Kerangka Alat Pengujian Kadar PH.

Ukuran Dimensi Nilai

Panjang 60 cm

Lebar 30 cm

Tinggi 45 cm

Gambar 3.2. Mekanik Keseluruhan Pengujian Kadar PH.

Pemilihan bahan sebagai kerangka alat menggunakan bahan besi

2x2 cm bertujuan agar alat yang direalisasikan dapat menopang berat

beban dari komponen-komponen alat yang terdapat pada mekanik kadar

pH ini. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.1., bahwa kerangka alat

terdiri dari beberapa bagian penting untuk menunjang kinerja dari alat.

24

Berikut adalah penjelasan dari bagian-bagian kerangka alat untuk

otomatisasi naik dan turun:

1. Motor DC

Motor DC adalah bagian yang berfungsi untuk menggerakkan

dudukan beaker glass untuk bergerak naik atau turun dengan

bantuan tuas/ lengan. Motor yang digunakan adalah Motor DC

12V dengan tegangan input sebesar 12 Volt.

Gambar 3.3. Motor DC.

2. Tuas / Lengan

Tuas / lengan adalah bagian mekanik berbentuk persegi panjang

yang terbuat dari lempengan alumunium dengan tebal 1,8 mm.

Tuas / Lengan berfungsi untuk merubah gerak dari gerak

melingkar menjadi gerak vertikal. Sehingga gerak melingkar

yang dihasilkan oleh piringan motor DC akan diubah menjadi

gerak vertikal untuk otomatisasi naik dan turunnya dudukan

beaker glass.

Motor DC

25

Gambar 3.4. Tuas / Lengan.

3. Dudukan Beaker glass

Dudukan beaker glass adalah bagian mekanik yang berfungsi

untuk menopang beban dari beaker glass. Dudukan beaker

glass ini memiliki dimensi panjang 10 cm dan lebar 8 cm.

Gambar 3.5. Dudukan Beaker glass.

26

4. Beaker glass

Beaker glass adalah gelas ukur yang berfungsi untuk tempat

dari susu sapi murni. Pemilihan beaker glass bertujuan supaya

susu yang akan dituang memiliki ketepatan yaitu sebesar

200ml. Beaker glass yang digunakan terbuat dari kaca bening.

Gambar 3.6. Beaker glass.

5. Rail

Rail adalah bagian dari mekanik yang menempel di ujung

kanan kiri pada dudukan beaker glass yang berfungsi untuk

lebih melancarkan dudukan beaker glass naik dan turun,

sehingga dudukan beaker glass akan lebih mulus ketika naik

atau turun dan rail ini juga membuat dudukan beaker glass

menjadi lebih kokoh.

Gambar 3.7. Rail.

Rail

27

3.3.1.2. Perancangan Mekanik Pengujian Kadar Air

Pada keseluruhan kerangka mekanik pengujian kadar air terbuat

dari bahan besi kotak 2x2 cm yang telah dilas. Kerangka ini berfungsi

untuk menompang keseluruhan komponen yang digunakan dalam

perealisasian alat yang dirancang pada mekanik pengujian kadar air.

Berikut adalah dimensi dan bentuk kerangka yang direalisasikan :

Tabel 3.2. Dimensi Kerangka Alat Pengujian Kadar air.

Ukuran Dimensi Nilai

Panjang 60 cm

Lebar 30 cm

Tinggi 35 cm

Gambar 3.8. Mekanik Keseluruhan Pengujian Kadar Air.

Seperti yang di tunjukkan pada Gambar bahwa kerangka alat

pengujian kadar air terdiri dari beberapa bagian penting untuk menunjang

kinerja dari alat.

Berikut adalah penjelasan dari bagian-bagian kerangka alat untuk

otomatisasi gerakan dari timbangan menuju ke pemanas dan kembali lagi

ke timbangan:

28

1. Motor Conveyor

Motor conveyor adalah bagian yang berfungsi untuk

menggerakkan conveyor dari timbangan menuju ke pemanas

dan akan kembali lagi ke timbangan. Motor yang digunakan

adalah Motor DC 12V dengan tegangan input sebesar 12 Volt.

Gambar 3.9. Motor Conveyor.

2. Cawan

Cawan adalah bagian dari mekanik yang berbentuk lingkaran

berdiameter 10 cm. Cawan berfungsi sebagai tempat dari susu

sapi yang akan di timbang dan dipanaskan.

Gambar 3.10. Cawan.

29

3. Infrared Ceramic Heater

Infrared ceramic heater adalah bagian dari mekanik yang

berfungsi untuk memanaskan susu sehingga menjadi padatan

susu.

Gambar 3.11. Infrared Ceramic Heater.

4. Timbangan

Timbangan adalah bagian dari mekanik yang digunakan untuk

mengukur berat dari susu yang akan digunakan.

Gambar 3.12. Timbangan Load Cell.

5. Rantai

Rantai adalah bagian dari komponen conveyor yang berfungsi

sebagai media pengangkut barang dari satu tempat ke tempat

yang lain. Rantai yang digunakan dalam perancangan ini adalah

rantai motor.

30

Gambar 3.13. Rantai.

6. Gir

Gir adalah bagian dari komponen conveyor yang digerakkan

oleh rantai dengan memanfaatkan gerak rotasi lingkaran. Pada

perancangan ini gir yang digunakan adalah gir Yamaha yang

memiliki ukuran 15.

Gambar 3.14. Gir.

7. As

As adalah bagian dari mekanik yang berbentuk batang tabung

yang terbuat dari bahan besi yang mempunyai fungsi untuk

menopang gir ketika berputar. Diameter pada as harus presisi

31

dengan diameter dalam pada gir sehingga ketika gir berputar

tidak terjadi selip antara as dengan gir. Diameter pada as ini

berukuran 12 mm.

Gambar 3.15. As.

8. Bearing

Bearing adalah bagian mekanik yang menempel presisi pada

ujung as. Bearing berfungsi untuk mengurangi koefisien

gesekan antara as dengan rumahnya.

Gambar 3.16. Bearing.

9. Mur Baut

Mur baut adalah bagian dari mekanik yang berfungsi untuk

menyatukan dua bagian menjadi satu.

Pada perancangan perangkat keras pengujian kadar pH dan pengujian

kadar air ini bagian atas kerangka dan samping-samping kerangka akan ditutup

dengan menggunakan kayu triplek dengan ketebalan 4 mm.

As

32

3.3.2. Perancangan Perangkat Keras Elektronik

Perangkat Keras Elektronik merupakan beberapa rangkaian elektronika

yang digunakan dalam sistem yang dirancang. Pada bagian ini akan membahas

tentang mikrokontroler arduino mega sebagai pengendali utama, sensor pH,

sensor berat, sensor suhu dan skematik driver conveyor.

3.3.2.1. Pengendali Utama

Pengendali utama pada suatu sistem kendali memiliki peran yang

sangat penting. Hal ini dikarenakan pengendali utama dapat

mengendalikan semua masukan dan keluaran dari suatu plant maupun

sensor yang ada pada suatu sistem. Oleh karena itu akan digunakan

sebuah pengendali utama pada skripsi ini untuk mengolah data yang

diperlukan dan mengambil keputusan untuk melakukan sesuatu pada

tahap selanjutnya dalam alat ini.

Pada skripsi ini pengendali utama yang digunakan adalah sebuah

mikrokontroler. Mikrokontroler ini dapat menerima data dari sensor

kemudian akan memprosesnya dan mengkonversi data tersebut menjadi

satuan yang diinginkan. Mikrokontroler yang digunakan dalam adalah

mikrokontroler yang termasuk dalam keluarga ATMega buatan Atmel

Corporation, yaitu ATMega 2560 yang diprogram dengan pemrograman

arduino. Pemilihan ATMega 2560 berbasis arduino sebagai pengendali

utama karena ATMega 2560 memiliki pin input dan output banyak, serta

memiliki banyak fasilitas yang relatif lebih mudah dipelajari

dibandingkan dengan AVR.

Pada mikrokontroler ini digunakan untuk mendapatkan data yang

terukur pada sensor pH dengan modul pH meter V.1.0, serta digunakan

untuk mendapatkan data yang terukur pada sensor berat load cell dengan

modul HX711 dan digunakan untuk mendapatkan data suhu yang

terukur oleh sensor suhu thermocouple type K. Mikrokontroler ini juga

bertugas untuk menghidupkan driver motor EMS untuk mengatur

kecepatan motor DC pada pengukuran kadar pH, bertugas untuk

menghidupkan relay untuk mengaktifkan infrared ceramic heater dan

motor DC pada pengukuran kadar air.

33

Tabel 3.3. Konfigurasi Pin ATMega 2560 Pada Bagian Pengendali Utama.

Nama Port Fungsi

PORTA 0 Data Driver Relay 1

PORTA 1 Data Driver Relay 2

PORTA 2 Data Driver Relay 3

PORTA 3 Data Driver Relay 4

PORTD 2 Pin D7 LCD

PORTD 3 Pin D6 LCD

PORTD 4 Pin D5 LCD

PORTD 5 Pin D4 LCD

PORTD 6 Pin SCK HX711

PORTD 7 Pin DT HX711

PORTD 11 Pin Enable LCD

PORTD 12 Pin RS LCD

PORTD 8 Pin SO MAX6675

PORTD 9 Pin CS MAX6675

PORTD 10 Pin SCK MAX6675

PORT TX1 18 Pin TX pH Meter V.1.0

PORT RX1 19 Pin RX pH meter V.1.0

PORTD 46 Tombol Push Button kadar pH

PORTD 48 Tombol Push Button kadar Air

Skripsi yang dirancang dan direalisasikan ini dilengkapi dengan

program user interface. Program user interface yang digunakan berfungsi

untuk menampilkan status apakah alat dapat bekerja atau tidak, serta

untuk menampilkan berapa nilai kadar pH yang terukur oleh sensor pH,

nilai berat yang terukur oleh sensor berat load cell, nilai suhu yang

terukur oleh sensor suhu thermocouple dan nilai kadar air yang terukur.

Hal ini dirancang dengan tujuan untuk mempermudah user dalam

penggunaan supaya user mengetehaui apakah alat sudah selesai atau

belum pada saat melakukan pengukuran. Untuk menampilkan user

34

interface digunakan sebuah LCD character 16 x 2 yange terhubung

langsung ke mikrokontroler, selain itu digunakan tombol push button

untuk memulai proses pengukuran.

3.3.2.2. Sensor PH dengan Modul PH Meter V.1.0.

Pada sistem yang dirancang untuk pengukuran pH digunakan

sensor pH electrode SEN0161. Sensor pH electrode SEN0161 ini mampu

mendeteksi tingkat keasaman dari 0 – 14 pH. Dalam proses pengukuran

kadar pH ini diperlukan sebuah pengkondisi sinyal, agar sinyal yang

dihasilkan oleh sensor pH electrode SEN0161 ini dapat terbaca oleh

mikrokontroler. Dalam perancangan skripsi ini digunakan pengkondisi

sinyal pH meter V.1.0. Pengkondisi sinyal ini memerlukan 2 buah pin

pada mikrokontroler dan pada skripsi ini diberikan port TX1 dan RX1.

Gambar 3.17. Skema Sensor pH.

3.3.2.3. Sensor Berat Load cell dengan modul HX711

Pada pengukuran berat digunakan sensor berat load cell. Sensor

berat load cell ini dapat mengukur berat dari 0 gram sampai 1000 gram.

Dalam proses pengukuran berat ini dibutuhkan sebuah pengkondisi

sinyal, supaya keluaran yang dihasilkan oleh sensor berat load cell dapat

terbaca oleh mikrokontroler. Pada skripsi ini digunakan pengkondisi

35

sinyal modul HX711. Modul HX711 adalah sebuah modul timbangan

yang berfungsi untuk mengkonversi perubahan yang terukur dalam

perubahan resistansi oleh sensor berat load cell dan mengkonversinya ke

dalam besaran tegangan. Ketika sensor berat load cell mendapatkan

tekanan beban pada sisi yang lebih elastis, maka pada sisi lain akan

mengalami perubahan regangan yang sesuai dengan yang dihasilkan oleh

load cell, hal ini terjadi karena ada gaya yang seakan melawan pada sisi

lainnya. Perubahan nilai resistansi yang di akibatkan oleh perubahan

gaya yang terjadi kemudian diubah menjadi nilai tegangan oleh modul

HX711. Dan berat dari objek yang di ukur dapat diketahui dengan

mengukur besarnya nilai tegangan yang timbul.

Gambar 3.18. Skema Sensor Berat Load cell

Pada perancangan skripsi ini sensor berat load cell digunakan

untuk mengukur berat susu yang akan digunakan untuk pengukuran nilai

kadar air. Pengukuran akan dilakukan dua kali yaitu pengukuran berat

susu sebelum susu dipadatkan dan pengukuran berat susu sesudah susu

dipadatkan. Kemudian data berat yang sudah didapatkan akan diolah

mikrokontroler dengan menggunakan metode gravimetri untuk

mendapatkan nilai kadar air.

36

3.3.2.4. Sensor Suhu Thermocouple Type-K

Pada sistem yang dirancang untuk pengukuran suhu digunakan

thermocouple type-k. Sensor suhu thermocouple ini memiliki jangkauan

pengukuran 0°C sampai dengan 1200 °C. Pada prinsipnya sensor suhu

thermocouple digunakan untuk mengubah perbedaan suhu dalam benda

menjadi perubahan tegangan listrik (voltase). Dalam perancangan skripsi

ini dibutuhkan sebuah pengkondisi sinyal agar sensor suhu thermocouple

dapat diolah oleh mikrokontroler. Pengkondisi sinyal yang digunakan

adalah modul MAX6675. Modul MAX6675 dibentuk dari kompensasi

cold-junction yang outputnya didigitalisasi dari sinyal yang dihasilkan

oleh thermocouple type-k. Data output memiliki resolui 12 bit dan

mendukung komunikasi SPI mikrokontroler secara umum. Data dapat

dibaca dengan mengkonversi dengan hasil pembacaan 12-bit data.

Pada perancangan skripsi ini sensor suhu thermocouple digunakan

untuk membaca besaran suhu yang dihasilkan oleh pemanas infrared

ceramic heater di dalam ruang pemanas. Thermocouple berfungsi

membaca besaran suhu di dalam ruang pemanas mencapai suhu 60 °C.

Gambar 3.19. Skema Sensor Suhu Thermocouple

37

3.4. Perancangan Perangkat Lunak

Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan perangkat lunak

yang digunakan dalam skripsi ini. Perancangan perangkat lunak yang akan

dijelaskan mengenai mikrokontroler ATMega 2560 dan pengolahan data dari

sensor pH, sensor berat load cell dan sensor suhu thermocouple type-K.

Penjelasan perancangan perangkat lunak pada skripsi ini akan di jelaskan melalui

diagram alir pengukuran kadar pH dan diagram alir pengukuran kadar air.

3.4.1. Diagram Alir Pengukuran Kadar PH

Gambar 3.20. Diagram Alir Pengukuran Kadar PH.

38

Penjelasan dari Gambar. 3.20. adalah sebagai berikut :

Sistem akan memulai proses pengukuran kadar pH ketika tombol push button A

ditekan oleh user.

Mikrokontroler akan mengaktifkan driver EMS untuk menggerakkan motor DC

ke atas secara otomatis sehingga beaker glass yang berisi susu akan tercelup

oleh sensor pH electrode SEN0161.

Setelah susu tercelup oleh sensor pH electrode SEN0161 maka sensor akan

mendapatkan data berupa resistansi dan akan dikonversikan oleh modul pH

meter V.1.0 menjadi data tegangan dan kemudian akan di olah oleh

mikrokontroler.

Setelah diolah oleh mikrokontroler maka data berupa nilai pH akan didapatkan

dan data yang telah didapatkan akan ditampilkan pada LCD 16 x 2.

Kemudian dudukan beaker glass akan otomatis turun ke bawah setelah nilai pH

sudah tertampil pada LCD.

Mikrokontroler akan melakukan pengecekan, apakah nilai pH sesuai dengan

syarat susu baik menurut Koperasi Andini Luhur atau tidak, yaitu bernilai pH

6,5 – 7,1 ?

Jika YA, maka akan tertampil “BAIK” pada LCD 16 x 2 dan proses pengukuran

kadar pH telah selesai.

Jika TIDAK, maka akan tertampil “RUSAK” pada LCD 16 x 2 dan prosess

pengukuran kadar pH telah selesai.

39

3.4.2. Diagram Alir Pengukuran Kadar Air

Gambar 3.21. Diagram Alir Pengukuran Kadar Air.

Penjelasan dari Gambar. 3.21. adalah sebagai berikut :

Sistem akan memulai proses pengukuran kadar air ketika tombol push button B

ditekan oleh user.

Sensor berat load cell akan melakukan pengukuran berat pada susu yang akan di

uji.

Setelah selesai ditimbang maka mikrokontroler akan mengaktifkan driver relay

dan pemanas akan otomatis menyala.

40

Setelah pemanas menyala, maka conveyor akan berjalan secara otomatis menuju

ke tempat pemanas dan sensor suhu thermocouple akan otomatis membaca suhu

yang terukur pada ruang pemanas.

Kemudian akan melakukan pengecekan oleh mikrokontroler, apakah suhu yang

terukur oleh sensor suhu telah sesuai 60 °C ?

Jika YA, maka pemanas akan otomatis melakukan proses pemadatan susu

selama 35 menit.

Jika TIDAK, maka pemanas akan menyala sampai suhu yang terukur telah

sesuai 60 °C.

Setelah selesai melakukan proses pemadatan, maka conveyor akan otomatis

berjalan menuju ke timbangan untuk melakukan penimbangan susu setelah

dipadatkan.

Kemudian mikrokontroler akan mengolah data berat susu sebelum dan sesudah

dipadatkan yang sesuai dengan metode gravimetri sehingga akan didapatkan

nilai kadar air.

Nilai kadar air yang di dapatkan akan ditampilkan pada LCD 16 x 2.

Kemudian akan melakukan pengecekan oleh mikrokontroler, apakah nilai kadar

air sesuai dengan syarat Koperasi Andini Luhur yaitu bernilai 80% - 90% ?

Jika YA, maka akan tertampil “BAIK” pada LCD 16 x 2 dan proses pengukuran

kadar pH telah selesai.

Jika TIDAK, maka akan tertampil “RUSAK” pada LCD 16 x 2 dan proses

pengukuran kadar pH telah selesai.