Desain Penetrometer Digital Berbasis Mikrokontroler ATmega 8535

DESIGN OF DIGITAL PENETROMETER BASED ON

MICROCONTROLLER ATMEGA 8535

Ahmad Muzani and Radite Praeko Agus Setiawan

Department of Mechanical and Biosystem Engineering, Faculty of Agricultural Engineering and Technology, Bogor Agricultural University (IPB), Darmaga Campus, PO BOX 220, Bogor, West

Java, Indonesia.

Phone 62 8569 5328 803, e-mail:

mr_mooz88@yahoo.com

ABTRACT

Until recently, most of soil strength measuring instrument still use spring scales penetrometer such as mechanical penetrometer. Mechanical penetrometer was difficult to use and has recording in accuracy because manual reading of spring scales and distance simultaneously. Moreover, mechanical penetrometer need three operator for operation. Therefore, digital penetrometer was developed to solve this problem.

Penetrometer digital consists two main components : a electronics components and a mechanical components penetrometer. A mechanical component consists of a handle ring tranducer, penetrometer rod, and cone. Electronic components consists of sensor temperature LM35, strain gage, depth sensor , amplifier, microcontroller ATmega 8535, LCD screen, and battery 9 volts. Methodology use in this research was engineering design based on functional and structural design. Ergonomic of the developed digital penetrometer were condidered based on the Indonesians average anthropometries.

Measurement principles the digital penetromter consist of: Compressive force was measured using strain gage sensors mounted on the ring transducer. Shinkage ring transducer strain gage sensor response by the form of the resistance value, because it is too small it takes amplifier, then processed by the microcontroller to be converted into units of kgf. Depth data obtained using ultrasonic sensors ranger. Ultrasonic signal transmission on soil will be reflected and received again by ultrasonic. From measuring the reflection will be further processed by a microcontroller and converted into units of cm. The data read by the LM35 temperature in the form of resistance. After that, change the resistance of the voltage to the microcontroller unit Celsius degree. The third sensor measurement results will be displayed through the LCD and stored in the EMS flash memory.

Dimension of the digital penetrometer was 94 cm length, 12 millimeters rod diamater. Penetration of the developed penetrometer was done manually, while measurement of force was done by ring transduser, while depth of penetration was measured by ultrasonic sensor. Result of measurment was displayed on the LCD screen and recorded on EMS data flash memory.

Ahmad Muzani. F14070109. Desain Penetrometer Digital Berbasis Mikrokontroler ATmega 8535. Dibimbingan oleh Radite Praeko Agus Setiawan. 2012.

RINGKASAN

Penetrometer adalah alat untuk mengukur sifat fisik tanah yang disebabkan karena adanya tahanan penetrasi tanah. Tahanan penetrasi tanah dapat mengetahui kepadatan tanah dan nilai tahanan tanah. Pegukuran tanah dengan menggunakan penetrometer sangat mudah untuk memperoleh data tahanan tanah.

Cone index merupakan besaran yang menunjukkan harga ketahanan tanah terhadap gaya penetrasi dari cone (vertikal) dibagi luas dasar cone. Satuan besaran ini dinyatakan dalam satuan gaya persatuan luas (kg/cm2). Cone index atau indeks kerucut suatu tanah adalah untuk menahan gaya penetrasi kerucut, dengan menggunakan penetrometer adalah suatu teknik untuk mendapatkan indeks kerucut tanah. Pasang cone pada ujung penetrometer, Tegakkan secara vertikal pada tanah yang akan diuji, tekankan kedalam tanah dengan gaya tekan yang tetap sampai ujung cone berada di bawah permukaan tanah. Pada kedalaman tertentu dibaca besarnya tekanan vertikal yang diberikan untuk menekan alat tersebut.

Pengukuran cone index dapat dilakukan dengan beberapa metode yaitu uji duga, uji duga adalah gaya yang diperlukan untuk menekan atau memancang sebuah alat duga ke dalam tanah, merupakan ukuran kekuatan tanah. Pengukuran cone index juga dapat dilakukan dengan menggunakan uji penetrasi standar. Dalam pengujian ini biasanya sebuah sampel tanah terganggu tetapi representatif didapatkan dari tabung alat sampel guna identifikasi visual.

Data penetrometer banyak manfaatnya baik untuk pertanian maupun lainya, salah satunya adalah untuk mengetahui daya dukung tanah. Daya dukung tanah adalah kemampuan tanah untuk mendukung alat yang berada diatasnya. Apabila suatu alat berada di atas tanah, maka alat tersebut akan memberikan “ground pressure”, sedangkan perlawanan yang diberikan tanah adalah “daya dukung”. Jika ground pressure alat lebih besar dari daya dukung tanah, maka alat tersebut akan terbenam. Nilai daya dukung tanah dapat diketahui dengan cara pengukuran atau uji langsung di lapangan. Alat yang umum digunakan untuk uji daya dukung tanah adalah penetrometer.

Penetrometer yang ada sekarang ini masih berupa analog dan mekanis yang membutuhkan tiga orang untuk mengoperasikannya. Satu operator untuk membaca jarum penunjuk pengukuran, satu untuk mencatat dan satu operator lagi untuk mengoprasikan penetrometer (menekan penetrometer).

Tujuan penelitian ini adalah merancang penetrometer digital berbasis mikrokontroler ATmega 8535 yang menggunakan sensor gaya tipe cincin tranduser, sensor kedalaman penetrasi tipe ultrasonik ranger, dan sensor suhu dengan IC LM35. Data yang akan dihasilkan adalah nilai kekuatan tanah, nilai kedalaman penetrasi tanah dan suhu udara lingkungan. Data tersebut dapat disimpan melalui EMS data flash memory sehingga mudah untuk diolah lebih lanjut oleh pengguna, dan untuk mengirim data dari penetrometer digital kekomputer dibutuhkan kabel USB Serial Port dan program pembacaan port.

Metode awal dari perancangan penetrometer tanah tipe digital yaitu mengidentifikasi masalah yang ada dilapangan yang berkaitan dengan penetrometer tanah tipe mekanis, kemudian menganalisa masalah yang sering terjadi dalam penggunaan penetrometer tanah tipe mekanis. Tahapan berikutnya adalah pembuatan rancangan penetrometer tanah tipe digital yang berbasis mikrokontroler ATmega 8535. Metode perancangan yang dilakukan adalah proses perancangan yang terdiri dari rancangan

fungsional dan rancangan struktural. Dari segi komponen pembuatan rancangan struktural dan fungsional terbagi menjadi dua yaitu: 1) Rancangan komponen elektronik. Komponen elektronik yang digunakan dalam perancangan adalah mikrokontroler ATmega 8535, sensor kedalaman ultasonik ranger, sensor gaya strain gage, sensor suhu IC LM35, penguat diferensial, LCD karakter 2x16, dan penyimpanan data dengan EMS data flash memoy. 2) Rancangan komponen mekanik yang digunakan adalah handle, cincin tranduser, batang penetrometer, kotak penyimpan komponen elektronik, dan cone. Selain itu, faktor perancangan tersebut nilai ergonomika dari alat juga perlu dipehintungkan yang mengacu pada data antropometri manusia sebagai acuan dimensi alat.

Cone dari penetrometer yaitu menekan penetrometer hingga batang penekan masuk ke dalam tanah. Dengan adanya penekanan maka akan didapat nilai penetrasi tanah tersebut sesuai dengan kemampuan tanah menahan tekanan dari tenaga manusia. Penetrometer digital memberikan data berupa nilai tekanan tanah, nilai suhu, dan nilai kedalaman batang penekan tanah. Gaya tekan diukur dengan menggunakan sensor strain gage yang dipasang di cincin tranduser. Pengerutan cincin tranduser direspon oleh sensor strain gage berupa nilai hambatan, karena terlalu kecil dibutuhkan penguat, data tersebut kemudian diolah oleh mikrokontroler untuk diubah menjadi satuan kgf. Data kedalaman diperoleh dengan menggunakan bantuan sensor ultrasonik ranger dengan satuan cm. Data suhu diperoleh dengan menggunakan sensor suhu LM35 dengan menampilkan satuan oC, suhu yang diukur adalah suhu lingkungan sekitar pengambilan data. Suhu lingkungan digunakan untuk menghubungkan antara suhu lingkungan dengan sensor ultrasonik ranger.

Tenaga yang diperoleh dari penetrometer yaitu tenaga manusia untuk pengorasian alat dan baterai 9 volt untuk komponen elektronika penetrometer. Dimensi dari alat ini dengan tinggi 95 cm yang terdiri dari panjang batang penekan sebesar 70 cm, cincin sensor sebesar dan sisanya batang pengubung antara pegangan dengan cincin tranduser.

1

I.

PENDAHULUAN

A.

LATAR BELAKANG

Menurut Davidson (1965), tahanan penetrasi merupakan kekuatan tanah bersifat komposit, artinya kekuatan tanah dipengaruhi oleh beberapa sifat fisik tanah lainya seperti: kadar air, struktrur tanah, indeks plastis. Dengan demikian akan berdampak kepada aktivitas akar tanaman untuk menembus tanah. Salah satu cara untu menentukan karakteristik kekuatan untuk menembus tanah dengan mempergunakan penetrometer.

Cone index merupakan besaran yang menunjukkan harga tahanan penetrasi tanah terhadap gaya penetrasi dari cone (vertikal) dibagi luas dasar cone. Satuan besaran ini dinyatakan dalam satuan gaya persatuan luas (kg/cm2). Cone index atau index kerucut suatu tanah adalah untuk menahan gaya penetrasi kerucut, dengan menggunakan penetrometer adalah suatu teknik peluang untuk mendapatkan index kerucut tanah

Penetrometer adalah alat untuk mengukur kekuatan tanah yang disebabkan karena adanya tahanan penetrasi tanah (Hillel, 1980). Tahanan penetrasi tanah dapat mengetahui kepadatan tanah dan nilai tahanan tanah. Pengukuran kekuatan tanah dengan menggunakan penetrometer sangat mudah untuk memperoleh data tahanan tanah.

Penetrometer adalah salah satu alat untuk mengukur penetrasi tanah. Data yang diambil dari penetrometer adalah perbandingan antara gaya tekanan tanah dan data luas penampang yang menjadi acuan penetrasi tanah. Penetrometer akan menghasilkan pembanding antara beban penetrasi dengan suatu lapisan tanah atau perkerasan terhadap bahan standar dengan kedalaman dan kecepatan penetrasi.

Penetrometer awalnya digunakan sebagai pengukur tingkat kesolidan tanah dan biasanya digunakan pada industri perminyakan ataupun bidang-bidang lain yang berhubungan dengan pertanahan. Pada perkembangannya prisnsip kerja penetrometer dapat pula digunakan dalam industri pangan yaitu rheometer untuk mengukur konsistensi berbagai macam produk pangan seperti daging hewan ternak, lemak, mentega, jelly, puding hingga yogurt. Penetrometer juga digunakan untuk menentukan konsistensi pada industri pelumas dan kosmetik.

Perkembangan alat penetrometer sekarang ini terdiri dari atas penetrometer mekanis, penetrometer analog, dan penetromter digital. Setiap jenis penetrometer tersebut mempunyai kelebihan dan kelemahan masing-masing.

Penetrometer tanah yang sering digunakan pada umumnya masih berupa penetrometer analog dan mekanis yang pengoperasiannya membutuhkan tiga operator. Satu operator untuk membaca jarum penunjuk pengukuran, satu untuk mencatat dan satu operator lagi untuk mengoprasikan penetrometer (menekan penetrometer). Hal ini sangat tidak efektif dan dimungkinkan timbulnya kesalahan dalam pengukuran kekuatan tanah. Selain itu, kendala menggunakan penetrometer analog dan mekanis yaitu pada saat akan mengoperasikan di malam hari bisa membutuhkan lebih dari tiga orang untuk mengoperasikannya karena membutuhkan pencahayaan. Untuk itu perlu adanya sebuah penetrometer digital yang dapat menggantikan kerja tiga orang sekaligus, dalam arti lebih efisien dalam proses pengerjaan dan dapat mengukur penetrasi tanah yang lebih teliti. Selain itu, penetrometer yang akan dirancang diharapkan dapat menambah perkembangan penetrometer yang sudah ada.

2 Penelitian ini akan meracang penetrometer digital yang dapat membaca nilai peneterasi tanah dan nilai kedalaman pengukuran yang dapat menggunakan satu operator. Selain itu, penetrometer yang digunakan adalah penetrometer dengan menggunakan tenaga manusia sehingga penetrometer digital diharapkan dapat membaca tahanan penetrasi tanah. penetrometer digital dapat disimpan ke dalam penyimpanan data dan dapat dikirim ke komputer.

B.

RUANG LINGKUP

Penelitian ini dibatasi pada perancangan alat pengukur penetrasi tanah yaitu penetrometer digital dengan menghasilkan data berupa gaya penetrasi tanah dengan satuan kgf, kedalaman penetrasi dengan satuan cm, dan suhu lingkungan dengan satuan oC untuk mengetahui pengaruh suhu terhadap pembacaan sensor kedalaman.

C.

TUJUAN

Penelitian ini bertujuan untuk merancang penetrometer digital berbasis mikrokontroler ATmega 8535 yang menggunakan sensor gaya tipe cincin tranduser, sensor kedalaman penetrasi tipe ultrasonik ranger, dan sensor suhu dengan IC LM35.

3

II.

TINJAUAN PUSTAKA

A.

JENIS-JENIS TANAH

Tanah adalah hasil proses pelapukan batuan dan sisa organik. Tanah mempunyai sifat yang bervariasi. Sifat tanah yang berbeda-beda berbagai tempat mencerminkan pengaruh dari berbagai faktor pembentuknya di alam. Tanah dipandang sebagai lahan produksi pertanian, karena tanah berfungsi sebagai media tumbuhnya tanaman. Produktivitas tanaman pertanian yang diusahakan banyak ditentukan oleh sifat tanah yang bersangkutan, baik sifat fisika tanah, kimiawi tanah, maupun biologi tanah yang bersangkutan.

Tanah merupakan padatan bumi yang dinamis dan hidup yang mengalami perubahan dari waktu ke waktu. Setiap tanah tersusun dari bahan mineral, bahan organik dan air tanah. Bahan mineral berasal dari hasil pelapukan batuan, sedangkan bahan organik berasal dari hasil penguraian organisme yang mati. Di dalam tanah selalu terjadi proses destruktif dan konstruktif. Proses destruktif adalah penguraian bahan mineral dan bahan organik. Sedangkan proses konstruktif adalah proses penyusunan kembali hasil penguraian bahan mineral dan bahan organik menjadi senyawa baru.

Menurut Enoh (1994), berbagai jenis tanah di Indonesia memiliki karakteristik tersendiri sesuai dengan bahan induknya. Karakteristik dari berbagai jenis tanah tersebut adalah: Litosol, yaitu tanah yang baru mengalami pelapukan dan sama sekali belum mengalami perkembangan tanah, Latosol yaitu tanah yang telah mengalami pelapukan intensif, warna tanah tergantung susunan bahan induknya dan keadaan iklim. Aluvial ialah tanah muda yang berasal dari hasil pengendapan. Sifatnya tergantung dari asalnya yang dibawa oleh sungai. Regosol belum jelas menampakkan pemisahan horisonnya. Tanah regosol terdiri dari: regosol abu vulkanik, bukit pasir, batuan sedimen, tanah ini cukup subur. Jenis tanah latosol terdiri dari: latosol merah kuning, cokelat kemerahan, cokelat, cokelat kekuningan. Grumusol atau Margalit, terdiri dari beberapa macam: grumusol pada batu kapur, grumusol pada sedimen tuff, grumusol pada lembah-lembah kaki pegunungan, grumusol endapan aluvial. Organosol adalah tanah yang mengandung paling banyak bahan organik, tidak mengalami perkembangan profil, disebut juga tanah gambut. Bahan organik ini terdiri atas akumulasi sisa-sisa vegetasi yang telah mengalami humifikasi, tetapi belum mengalami mineralisasi, tanah ini kurang subur.

B.

PENETROMETER

Pengukuran tentang nilai kekuatan tanah pada setiap lapisan tanah diawali sekitar 1917. Barulah sekitar tahun 1934 di Belanda penetrometer dibuat dan dipergunakan dalam bentuk yang dikenal sekarang. Pada awalnya dikembangkan pada tahun 1950 di Laboratorium mekanika tanah Belanda di Delft untuk menyelidiki tanah lunak. Berdasarkan sejarah ini juga telah disebut "kerucut uji Belanda". Setelah itu, Cone Penetrometer Test (CPT) adalah salah satu yang paling digunakan dan diterima dalam metode tanah untuk seluruh dunia penyelidikan tanah.

Penetrometer tanah digunakan untuk menguji kualitas tanah, seberapa baik tanah digunakan untuk lahan pertanian, perkebunan, bangunan, jalan, jembatan dan berbagai aplikasi yang membutuhkan monitoring serta pengukuran kualitas tanah. Pengukuran yang bisa dilakukan meliputi mengukur daya dukung tanah, kepadatan tanah, temperatur tanah, kelembaban tanah, kandungan unsur hara dalam tanah, kandungan air dalam tanah, dan lain sebagainya.

4

z

A

mgh

R

Penetrometer adalah suatu alat untuk mengukur ketahanan tanah. Jika suatu jarum atau akar tanaman masuk ke dalam tanah, maka tanah akan bereaksi untuk menahan masuknya jarum atau akar tsb. Saat jarum penetrometer bergerak maka tanah akan mengalami keruntuhan. Ada bermacam jenis keruntuhan dari peneterasi tanah yaitu keruntuhan geser, keruntuhan tegangan, dan kompresi

Ketahanan tanah suatu bahan didapatkan dengan menekan sampel pada penetrometer menggunakan penekan standar seperti kerucut, batang atau jarum yang ditenggelamkan ke dalam tanah. Hasil pengukurannya menunjukkan tingkat kekuatan tanah serta tergantung pada kondisi sampel tanah seperti: jenis tanah, berat penekan, porositas tanah, temperatur tanah dan sebagainya. Dapat dianalisis bahwa prinsip operasional penetrometer bergantung pada tekanan dan gravitasi. Bila sebuah penetrometer dengan massa m menekan suatu sempel hingga penetrometer bergeser sejauh, energi potensial W yang dihasilkannya adalah sebesar.

W = mgh (1)

Resistensi terhadap tekanan yang dihasilkan oleh penetrometer pada sampel dinyatakan dengan Dutch formula dan dirumuskan sebagai berikut:

(2)

Nilai R adalah resistensi terhadap tekanan penetrometer (N/m2), A adalah luas /area penekan (m2), g adalah percepatan gravitasi (=9,8 m/s2), m adalah massa penetrometer (kg), h adalah pergeseran

penetrometer (m), dan z adalah kedalaman tekanan atau pergeseran yang terjadi pada tanah (m). Bila penetrometer yang digunakan memiliki luas penekan A, sedangkan massa penetrometer adalah m, kemudian diterapkan pergeseran h yang sama untuk setiap tanah, akan didapatkan z yang berbeda untuk setiap yang memiliki konsistensi berbeda-beda. Semakin lunak tanah, konsistensinya akan semakin tinggi, resistensinya terhadap tekanan akan semakin kecil dan sebaliknya, pergeseran z yang dihasilkan akan semakin besar. Pada penetrometer manual, penekan diletakkan pada permukaan tanah dan percobaan dimulai dengan menekan pemicu cone dan membiarkan cone tenggelam ke tanah, kemudian kedalaman cone diukur dengan batang penetrometer.

Penetrometer pada umumnya menggunakan bahan-bahan yang terbuat dari baja yang kira-kira beratnya sebesar 6,8 kg panjangnya sampai 153 cm, Dan memiliki kemampuan untuk melakukan penetrasi ke dalam tanah kira-kira sebesar 3,8 cm dan memiliki diameter dari kerucutnya sebesar 450mm. Selain itu, ada juga jenis Penetrometer (Static Cone Penetrometer), Alat ini pertama kali ditemukan di Belanda, alat ini memiliki diameter kerucutnya sebesar 600 mm dan untuk mengukur lahan dengan luas 1,5 cm2 dan dari masa ke masa peralatan ini semakin berkembang dan semakin canggih.

Penetrometer yang sudah ada mempunyai kekuatan atau gaya dorong dari 20 sampai 200 kN. Suatu penetrometer terdiri dari suatu kerucut baja tahan karat lingkar dengan besar sudut sebesar 30 derajat, Suatu poros penggerak dan suatu alat pengukur tekanan. Penetrometer pada umumnya terdiri dari dua jenis ukuran kerucut, satu dengan suatu garis tengah dasar 0.798 ( 3/4) inci untuk lahan yang lembut dan satu lagi dengan suatu garis tengah dasar 0.505 ( 1/2) inci untuk lahan yang sulit atau keras. Ujung

5 ukurannya lebih luas dibanding poros penggerak untuk membatasi friksi batang dengan lahan. Poros penggerak pada umumnya lulus tiap-tiap 3 inci untuk mengizinkan penentuan kedalaman compaction. Alat pengukur tekanan menandakan adanya tekanan di dalam tanah yang memiliki satuan inci.

Menurut Wesley (1977), dengan menekan atau memukul berbagai macam alat ke dalam tanah, dan mengukur besarnya gaya atau jumlah pukulan yang diperlukan dapat menentukan dalamnya berbagai lapisan yang berbeda, dan mendapatkan indikasi mengenai kekuatannya. Percobaan ini sering disebut percobaan penetrasi, dan alat yang digunakan adalah penetrometer. Pada umumnya penetrometer terbagi menjadi dua macam:

1. Penetrometer statis

Ujungnya ditekan ke dalam tanah pada kecepatan tertentu, dan gaya perlawananya diukur sehingga mendapatkan nilai penetrasinya (dalam kg/cm2 atau dalam satuan Bar).

2. Penetrometer dinamis

Penetrometer yang ujungnya dimasukkan ke dalam tanah dengan pukulan yang dilakukan dengan menjatuhkan beban. Beban dijatuhkan dengan ketinggian tertentu yang sudah disesuaikan, dan jumlah pukulan yang diperlukan untuk mendorong ujung tersebut menembus jarak tertentu diukur pula (misalnya dalam satuan pukulan meter).

Gambar 1. Penetrometer tipe pukul

6 Penetrometer yang umum digunakan di Indonesia adalah alat sondir yang disebut Dutch Penetrometer. Dengan alat ini ujungnya ditekan secara langsung ke dalam tanah. Ujung alat berupa konis (kerucut) dan dihubungkan dengan rangkaian stang bor (pipa sondir). Pipa sondir ditekan masuk kedalam tanah dengan menggunakan congkel dan dongkrak

Pada dasarnya ujung penetrometer yang sudah ada terdapat dua macam (Soetoto dan Aryono,1980) 1. Tipe standar ( mantel conus )

Pada jenis ini yang diukur adalah perlawanan pada ujung ( konus ), hal ini dilakukan hanya dengan menekan stang dalam yang segera menekan konus tersebut ke bawah sedangkan seluruh casing luar tetap di luar. Gaya yang dibutuhkan untuk menekan konus tersebut ke bawah diukur dengan suatu alat pengukur. Alat pengukur yang akan diletakkan pada kekuatan rangka didongkrak. Setelah dilakukan pengukuran,konus,stang dalam,dan casing luar dimajukan sampai pada kedalaman berikutnya dimana pengukuran selanjutnya dilakukan hanya dengan menekan stang dalamnya saja.

2. Tipe lengan gesek ( Adhesion Jacket Type / Bikonus )

Pada jenis ini dapat diukur secara sekaligus nilai konus dan hambatan lekatnya. Hal ini dilakukan dengan penekanan handle dalam seperti biasa. Pembacaan nilai konus dan hambatan lekat dilakukan setiap 20 cm. Dengan alat sondir yang mungkin hanya mencapai pada kedalaman 30 cm atau lebih, bila tanah yang diselidiki adalah lunak. Alat ini sangat cocok di Indonesia, karena disini banyak dijumpai lapisan lempung yang dalam dengan kekuatan rendah sehingga tidak sulit menembusnya. Dan perlu diketahui bahwa nilai konus yang diperoleh tidak boleh disamakan dengan daya dukung tanah tersebut harus diberi pemberat.

Gambar 3. Soil penetrometer SR-2

Untuk menghitung hambatan lekat pada tanah dapat menggunakan rumus : 1. Hambatan Lekat ( HL ) dihitung dengan rumus :

7 HL = ( JPK – PPK ) x A / B.

Dimana : JPK = Jumlah Perlawanan Konus ( kg/cm2 ) PPK = Perlawanan Penetrasi Konus ( kg/cm2 )

A = Tahap Pembacaan ( setiap kedalaman 20 cm ) B = Faktor alat / Luas konus / Luas corak = 10 cm2

(d = 3.6 cm L = ¼ π d2

= 10,17 cm2) 2. Jumlah Hambatan Lekat

JHL = ∑ HL

Dimana : i = kedalaman yang dicapai konus

C.

SENSOR STRAIN GAGE

Sensor gaya berfungsi untuk mengubah gaya, beban, torsi dan regangan menjadi resistansi atau hambatan. Bahan untuk membuat sensor gaya terbuat dari kawat tahanan tipis berdiameter sekitar 1 mm. Kawat tahanan yang biasa digunakan adalah campuran dari bahan konstan (60 % Cu dan 40 % Ni). Kawat tahanan ini dilekatkan pada papan penyangga membentuk strain gage dengan berbagai tipe:

1. Bonded strain gage

Gambar 4. Bonded strain gage

Susunan kawat tahanan di dalamnya berliku sehingga memudahkan pendeteksian terhadap gaya tekanan yang tegak lurus dengan arah panjang lipatan kawat, karena tekanan akan menarik kabel sehingga meregang. Dengan meregannya strain gage, maka terjadi perubahan resistansi kawat.

8

L

L

R

R

GF

S

2. Unbonded strain gage

Gambar 5. _{Unbonded strain gage}

Jenis strain gage yang dibentuk dengan kawat tahanan yang terpasang lurus dan simetris. Jika papan atau rangka mendapat tekanan dari luar, maka resistansinya akan bertambah. Karakteristik strain gage dihitung dengan rumus :

(3)

Keterangan:

S=GF = sensitivitas atau gage factor R = resistansi awal sebelum terbebani

R = perubahan nilai resistansi setelah terbebani L = panjang awal sebelum terbebani perubahan

L = panjang strain gage setelah terbebani

D.

TRANDUSER TIPE CINCIN

9

2

09

.

1

Ebt

Fr

Sedangkan untuk mengukur regangan pada sensor cincin dengan parameter gaya tarik atau tekan, sensisivitas, dan berat sensor dengan menggunakan rumus:

(4) dimana,

ε = strain yang terjadi F = gaya tarik atau tekan (N) r = jari-jari cincin transduser (m) E = modulus elastisitas bahan (GPa) b = lebar cincin (m)

t = tebal cincin (m)

E.

SENSOR JARAK

E.1.

Infrared

Infrared adalah sebuah cahaya pada panjang gelombang yang titik puncaknya berada di luar respon mata manusia adalah merupakan cahaya yang mempunyai banyak fungsi pada bidang elektronika maupun robotik. Phototransistor ST8-LR memiliki sifat yang sama dengan transistor yaitu menghasilkan kondisi cut off dan saturasi. Perbedaannya adalah bilamana pada transistor kondisi cut off terjadi saat tidak ada arus yang mengalir melalui basis ke emitor dan kondisi saturasi terjadi saat ada arus mengalir melalui basis ke emitor maka pada phototransistor kondisi cut off terjadi saat tidak ada cahaya infrared yang diterima dan kondisi saturasi terjadi saat ada cahaya infrared yang diterima.

Kondisi cut off adalah kondisi di mana transistor berada dalam keadaan off sehingga arus dari kolektor tidak mengalir ke emitor. Pada rangkaian gambar 8, arus akan mengalir dan membias basis transistor Q2 C9014. Kondisi saturasi adalah kondisi transistor berada dalam keadaan on sehingga arus dari collector mengalir ke emitor dan menyebabkan transistor Q2 tidak mendapat bias atau off.

10

E.2. Ultrasonik

Dibandingkan dengan infrared, ultrasonik memiliki daya jangkau yang lebih jauh dalammengenali adanya obyek

Gambar 8. Grafik tegangan analog dengan jarak

Gambar 9 menunjukkan perbandingan antara tegangan analog dengan jarak antara sensor dengan obyek semakin jauh obyek, maka semakin sedikit cahaya infrared yang dipantulkan dan semakin turun juga tegangan analog outputnya. Dibandingkan dengan infrared, ultrasonik mempunyai kemampuan mendeteksi obyek lebih jauh terutama untuk benda-benda yang keras. Pada benda-benda yang mempunyai permukaan keras gelombang ini akan dipantulkan lebih kuat dari pada benda-benda yang mempunyai permukaan lunak

Sesuai dengan namanya, ultrasonik adalah sebuah gelombang yang mempunyai frekuensi di atas pendengaran manusia yaitu di atas 20 kHz. Pada umumnya rangkaian ultrasonik menggunakan frekwensi 40 kHz yang dihasilkan oleh rangkaian osilator. Pengenalan obyek atau jarak antara sensor dengan obyek dapat dikenali dengan menghitung perbedaan waktu dari saat sinyal ultrasonik pertama kali dipancarkan hingga diterima kembali oleh sensor

Modul SRF-04 adalah sebuah modul pemancar dan penerima ultrasonik yang sudah dilengkapi oleh microcontroller yang menghitung jarak dengan membangkitkan pulsa berbanding lurus dengan jarak. Seperti yang tampak pada gambar 10, Echo Pulse Output bangkit setelah 8 siklus frekuensi ultrasonik dibangkitkan dan kembali setelah gelombang ultrasonik kembali ke bagian penerima.

11 Modul sensor PING adalah salah satu jenis sensor yang berfungsi mengukur jarak objek dengan mekanismenya yaitu memancarkan gelombang ultrasonik sebesar 40 kHz selama

2

00 μs. Setelah itu menditeksi pantulan. Gelombang ultrasonik merambat di udara dengan kecepatan 344 m/s, mengenai objek dan memantulkan kembali ke sensor. Setelah merambat ke udara modul sensor PING mengeluarkan pulsa output high pada pin SIG setelah memancarkan gelombang ultrasonik, kemudian gelombang terdeteksi modul sensor PING yang nantinya akan membuat output low pada pin SIG.

Lebar pulsa high

akan

sesuai dengan lama waktu tempuh gelombang ultrasonik untuk 2 kali jarak ukur dengan objek. Perhitungan ini didapat dari rumus berikut:

S = (tIN x V) ÷ 2 (5)

Dimana :

S = Jarak antara sensor ultrasonik dengan objek yang dideteksi V = Cepat rambat gelombang ultrasonik di udara (344 m/s) tIN = Selisih waktu pemancaran dan penerimaan pantulan

DT-SENSE Ultrasonic and InfraRed Ranger merupakan modul sensor pengukur jarak dengan media gelombang ultrasonik dan dapat dihubungkan dengan maksimum 2 buah infrared ranger (Sharp GP2D12). Modul ini dapat dengan mudah dihubungkan keberbagai sistem berbasis mikrokontroler dan hanya membutuhkan 1 pin I/O saja. Modul ini dapat digunakan dalam aplikasi pengukur jarak, pintu otomatis, sekuriti, robot cerdas, dan lain-lain. Kelebihan dari sensor ultrasonik ranger adalah sebagai berikut:

a. Memiliki 2 jenis antarmuka yang dapat aktif bersamaan, yaitu I2C-bus (SCL maks. 65 kHz) dan pulse width (10 µs/mm).

b. 8 modul dapat digunakan bersama dalam satu sistem I2C-bus yang hanya membutuhkan 2 pin I/O mikrokontroler saja.

c. Membutuhkan catu daya tunggal +5 VDC, dengan konsumsi arus 17 mA (tanpa sensor infrared ranger).

d. Terdapat 2 mode operasi yaitu full operation dan reduced operation. Pada mode reduced operation beberapa komponen ultrasonik ranger akan dimatikan (saat idle) dan konsumsi arus mejadi 13 mA type.

e. Ultrasonik ranger dapat mengukur jarak dari 2 cm hingga 3 m tanpa dead zone atau blank spot. f. Obyek dalam jarak 0 - 2 cm dideteksi sebagai 2 cm.

g. Menggunakan burst sinyal kotak 16 Vp-p dengan frekuensi 40 kHz.

h. Kompensasi kesalahan dapat diatur secara manual untuk mengurangi pengaruh faktor perubahan suhu lingkungan dan faktor reflektifitas obyek.

E.3. LVDT (

Sensor Linier Variable Differential Transformers

)

Sensor Linear Variable Differential Transformers (LVDT) adalah suatu sensor yang bekerja berdasarkan prinsip trafo diferensial dengan gandengan variabel antara gandengan variabel antara kumparan primer dan kumparan sekunder. Prinsip ini pertama kali dikemukakan oleh Schaevits pada tahun 1940-an. Pada masa sekarang sensor LVDT telah secara luas digunakan. Pada aplikasinya LVDT

12 dapat dig NMunakan sebagai sensor jarak, sensor sudut, dan sensor mekanik lainnya. Untuk kali ini sensor ini diaplikasikan sebagai sensor jarak.

LVDT pada dasarnya terdiri dari sebuah kumparan primer, dua buah kumparan sekunder, dan inti dari bahan ferromagnetic. Kumparan-kumparan tersebut dililitkan pada suatu selongsong, sedangkan inti besi ditempatkan di dalam rongga selongsong tersebut. Selongsong ini terbuat dari bahan non-magnetik. Kumparan primer dililitkan ditengah selongsong, sedangkan kedua kumparan sekunder dililitkan di setiap sisi kumparan primer. Kedua kumparan sekunder ini dihubungkan seri secara berlawanan dengan jumlah lilitan yang sama

Gambar 10. SkemaSensor linear variable differential transformers

Pada ujung-ujung kuparan primer diberikan tegangan eksitasi yang berupa tegangan bolak balik (AC). Keluaran dari sensor ini diambil dari ujung-ujung kumparan sekunder.

Besar tegangan keluaran LVDT bergantung kepada posisi inti. Pada saat posisi inti. Pada saat posisi inti besi ditengah, GGL yang diinduksi oleh kumparan sekunder 1 dan 2 sama besar. Tetapi karena kedua kumparan sekunder dihubungkan seri secara berlawanan maka tegangan keluaran akan sama dengan nol. Jika inti besi kita geser kearah kiri maka kumparan sekunder 1 akan mendapat rapat fluks yang lebih tinggi dibandingkan dengan kumparan sekunder 2. Akibatnya GGL induksi pada kumparan sekunder 1 akan lebih besar daripada kumparan sekunder 2. Tegangan keluaran yang dihasilkan merupakan selisih tegangan kedua kumparan sekunder. Hubungan antara tegagan keluaran dan pergesaran inti LVDT adalah linier pada selang jarak tertentu. Hubungan antara tegangan keluaran U dengan posisi inti besi x linier saat inti berada ditengah selongsong, dan tidak linier saat inti berada dipinggir-pinggir selongsong.

13

F.

SENSOR SUHU

Ada berbagai macam sensor suhu. Penggunaan sensor suhu tergantung dari fungsi dalam penggunaannya. Sensor suhu mempunyai fungsi mengubah temperatur suhu menjadi beda potensial listrik. Jenis-jenis sensor suhu yaitu:

F.1. Termokopel

Berfungsi sebagai sensor suhu rendah dan tinggi, yaitu suhu terendah 3000 oF sampai dengan suhu tinggi yang digunakan pada proses industri baja, gelas dan keramik yang lebih dari 30000 oF. Termokopel dibentuk dari dua buah penghantar yang berbeda jenisnya (besi) dan dililit bersama. Prinsip kerja dari termokopel yaitu jika salah satu bagian pangkal lilitan dipanasi, maka pada kedua ujung penghantar yang lain akan muncul beda potensial (emf). Termokopel ditemukan oleh Thomas Johan Seebeck tahun 1820 dan dikenal dengan efek Seebeck.

Efek Seebeck akan terjadi jika Sebuah rangkaian termokopel sederhana dibentuk oleh 2 buah penghantar yang berbeda jenis (besi dan konstanta), dililit bersama-sama. Salah satu ujung T merupakan measuring junction dan ujung yang lain sebagai reference junction. Reference junction dijaga pada suhu konstan 320 oF (100 oC) atau 680 oF (200 oC). Bila ujung T dipanaskan hingga terjadi perbedaan suhu terhadap ujung Tr, maka pada kedua ujung penghantar besi dan konstanta pada pangkal Tr terbangkit beda potensial Electro Motive Force (EMF) sehingga mengalir arus listrik pada rangkaian tersebut.

F.2. Termistor

Berfungsi untuk mengubah suhu menjadi resistansi atau hambatan listrik yang berbanding terbalik dengan perubahan suhu. Semakin tinggi suhu, semakin kecil resistansi

.

Termistor dibentuk dari bahan oksida logam campuran, kromium, kobalt, tembaga, besi atau nikel.

Bentuk termistor antara lain bentuk butiran, keping, dan batang. Bentuk butiran digunakan pada suhu di atas 7000 oC dan memiliki nilai resistansi 100 Ω hingga 1 MΩ. Bentuk keping digunakan dengan cara direkatkan langsung pada benda yang diukur panasnya. Bentuk bantang digunakan untuk memantau perubahan panas pada peralatan elektronik, mempunyai resistansi tinggi. Sedang termistor dibuat sekecil-kecilnya agar mencapai kecepatan tanggapan (respon time) yang baik. Cara kerja dari termistor yaitu saat temperatur masih dingin hambatan termistor sangat besar dibandingkan dengan R2, sehingga transistor dalam kondisi menghantar lalu reley kontak (terhubung) dan heater (pemanas) menghasilkan panas. Akan tetapi, ketika ruangan menjadi panas, termistor juga ikut panas sehingga hambatannya turun. Hambatan paralel termistor dengan R2 menjadi kecil, sehingga tegangan bias Tr juga kecil, mengakibatkan Tr dalam kondisi cut off. Reley tidak kontak dan heater tidak bekerja. Akibatnya, suhu ruangan turun. Demikian seterusnya proses akan berulang dari awal dan suhu ruangan menjadi konstan.

F.3. RTD (

Resistance Temperature Detectores

)

Fungsi dari RTD yaitu untuk mengubah suhu menjadi resistansi atau hambatan listrik yang sebanding dengan perubahan suhu. Semakin tinggi suhu, resistansinya semakin besar. RTD terbuat dari sebuah kumparan kawat platinum pada papan pembentukan dari bahan isolator. RTD dapat digunakan sebagai sensor suhu yang mempunyai ketelitian 0.03 oC di bawah 5000 oC dan 0.1 oC di atas 10000 oC.

14

F.4. LM35

Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. Sensor Suhu LM35 yang dipakai dalam penelitian ini berupa komponen elektronika-elektronika yang diproduksi oleh National Semiconductor. LM35 memiliki keakuratan tinggi dan kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yang lain, LM35 juga mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang tinggi sehingga dapat dengan mudah dihubungkan dengan rangkaian kendali khusus serta tidak memerlukan penyetelan lanjutan.

Sensor LM35 memilki tegangan kerja 5 volt namun output yang dihasilkan antara 0.01 volt sampai 2.5 volt. Jarak pengukuran suhu antara 0 oC sampai 150 oC. LM35 mempunyai fungsi untuk mengubah suhu menjadi tegangan tertentu yang sesuai dengan perubahan suhu. Tegangan keluaran rangkaian bertambah 10 mV/oC. Dengan memberikan tegangan referensi negatif (-Vs) pada rangkaian, sensor ini mampu bekerja pada rentang suhu -550 oC – 1500 oC. Tegangan keluaran dapat diatur 0 V pada suhu 100 o

C dan ketelitian sensor ini adalah ± 10 oC.

Gambar 12. Sensor suhu LM35

Sistem kerja dari LM35 yaitu jarak yang jauh diperlukan penghubung yang tidak terpengaruh oleh interferensi dari luar, dengan demikian digunakan kabel selubung yang ditanahkan sehingga dapat bertindak sebagai suatu antena penerima dan simpangan didalamnya, juga dapat bertindak sebagai perata arus yang mengkoreksi pada kasus yang sedemikian, dengan mengunakan metode bypass kapasitor dari Vin untuk ditanahkan. Berikut ini adalah karakteristik dari sensor LM35.

1. Memiliki sensitivitas suhu, dengan faktor skala linier antara tegangan dan suhu 10 mVolt/ºC, sehingga dapat dikalibrasi langsung dalam Celcius.

2. Memiliki ketepatan atau akurasi kalibrasi yaitu 0.5 ºC pada suhu 25 ºC, 3. Memiliki jangkauan maksimal operasi suhu antara -55 ºC sampai +150 ºC. 4. Bekerja pada tegangan 4 sampai 30 volt.

5. Memiliki arus rendah yaitu kurang dari 60 µA.

6. Memiliki pemanasan sendiri yang rendah (low-heating) yaitu kurang dari 0.1 ºC pada udara diam. 7. Memiliki impedansi keluaran yang rendah yaitu 0.1 W untuk beban 1 mA.

15

G.

JEMBATAN WHEATSTONE

Gambar 13. Rangkain jembatan wheatstone

Jembatan Wheatstone adalah susunan komponen elektronika yang berupa resistor dan catu daya seperti tampak pada gambar di atas.

Hasil kali antara hambatan berhadapan yang satu akan sama dengan hasil kali hambatan berhadapan lainnya jika beda potensial antara c dan d bernilai nol. Persamaan. R1 . R3 = R2 . R4 dapat diturunkan dengan menerapkan hukum Kirchoff dalam rangkaian tersebut. Hambatan listrik suatu penghantar merupakan karakteristik dari suatu bahan penghantar tersebut yang mana adalah kemampuan dari penghantar itu untuk mengalirkan arus listrik, yang secara matematis dapat dituliskan:

r=p. (L/A) (6)

Dimana:

r : Hambatan listrik suatu penghantar (Ω)

ρ : Resistivitas atau hambatan jenis (Ω. m) L : Panjang penghantar (m)

A : Luas penghantar ( m²)

Menurut hukum Ohm, hambatan listrik juga merupakan hasil perbandingan dari besar beda potensial pada kedua ujung penghantar terhadap besarnya arus listrik yang mengalir melalui hambatan tersebut. Secara matematis dapat dituliskan:

R=V/I (7)

Dimana:

R : Hambatan (Ω)

V : Beda potensial (V) I : Arus Listrik (A)

Cara menentukan besar suatu hambatan biasanya dapat dilakukan dengan menggunakan teori hubungan antara resistivitas terhadap besar hambatan ( jika hambatan berupa suatu penghantar), yang

16

Ri

Rf

Vo

mana harus diketahui luas dari lebar penghantar dan panjang penghantar serta harus diketahui juga hambatan jenis dari bahan penghantar. Namun bila besar hambatan merupakan suatu komponen listrik (R ), dapat diketahui dengan cara mengukur besar arus yang mengalir dan besar beda potensial pada kedua ujung penghantar, lalu gunakan hukum Ohm yang mana didapat besar hambatan berbanding lurus dengan besar beda potensial dan berbanding terbalik terhadap besar arus listrik yang mengalir.

Jembatan Wheatstone merupakan perbandingan antara besar hambatan yang telah diketahui dengan besar hambatan yang belum diketahui yang tentunya dalam keadaan jembatan disebut seimbang ( G=0 ). Rangkaian jembatan wheatstone adalah susunan dari 4 buah hambatan, yang mana 2 dari hambatan tersebut adalah hambatan variable dan hambatan yang belum diketahui besarnya yang disusun secara seri satu sama lain dan pada 2 titik diagonal dipasang sebuah galvanometer dan pada 2 titik diagonal lainnya diberikan sumber tegangan. Dengan mengatur sedemikian rupa besar hambatan variable sehingga arus yang mengalir pada Galvanometer = 0, dalam keadaan ini jembatan disebut seimbang.

Di pertengahan abad 19, Gustav Robert Kichoff (1824-1887) menemukan cara untuk menentukan arus listrik pada rangkaian bercabang yang kemudian dikenal dengan hukum Kirchoff. Hukum Kirchoff berbunyi “Jumlah kuat arus yang masuk dalam titik percabangan sama dengan jumlah kuat arus yang keluar dari titik percabangan”.

Rangkaian jembatan Wheatstone juga dapat disederhanakan dengan menggunakan kawat geser bila besarnya hambatan bergantung pada panjang penghantar.

Prinsip dari metode jembatan Wheatstone adalah:

1. Hubungan antara resistivitas dan hambatan, yang berarti setiap penghantar memiliki besar hambatan tertentu. Dan juga menentukan hambatan sebagai fungsi dari perubahan suhu.

2. Hukum Ohm yang menjelaskan tentang hubungan antara hambatan, tegangan dan arus listrik. Besar arus yang mengalir pada galvanometer diakibatkan oleh adanya suatu hambatan.

3. Hukum Kirchoff 1 dan 2, yang mana sesuai dari hukum ini menjelaskan jembatan dalam keadaan seimbang karena besar arus pada ke-2 ujung galvanometer sama besar sehingga saling meniadakann.

H.

OPERASIONAL AMPLIFIER

Operational Amplifier atau di singkat op-amp merupakan salah satu komponen analog yang sering digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika Aplikasi op-amp yang paling sering dipakai antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan differensiator.

H.1.

Inverting

Inverting amplifier ini, input dengan output berlawanan polaritas. Jadi ada tanda minus pada rumus penguatan. Penguatan inverting amplifier adalah bisa lebih kecil nilai besaran dari 1, misalnya 0.2, 0.5, -0.7, dan seterusnya dan selalu negatif. Rumusnya adalah:

17 Rf

Vi Ri

Vo

Gambar 14. Rangkaian inverting amplifie

r

H.2.

Non-Inverting

Rangkaian non inverting ini hampir sama dengan rangkaian inverting hanya perbedaannya adalah terletak pada tegangan inputnya dari Masukkan noninverting

(9)

(10)

Hasil tegangan output non-inverting ini akan lebih dari satu dan selalu positif. Rangkaiannya adalah seperti pada gambar berikut ini.

Rf

Ri

Vo Vi

Gambar 15. Non-inverting amplifier

Vi

Ri

Rf

Vo

Vi

Ri

Ri

Rf

Vo

18

H.3.

Diferensial

Rangkaian differensiator adalah rangkaian aplikasi dari rumusan matematika yang dapat dimainkan (dipengaruhi) dari kerja kapasitor. Rangkaiannya seperti pada gambar 17. Dengan rangkaian sederhana dari differensiator. Untuk mendapatkan rumus diffrensiator, urutannya adalah sebagai berikut: iC=iB+iF dan selama nilai iB=0 maka iC=iF. Selisih dari inverting input dan noninverting input (v1 dan v2) adalah nol dan penguatan tegangan sangat besar dan penguatan tegangannya sangat besar, makadidapat persamaan pengisian kapasitor sebagai berikut :

R

i_F

_i

C C1

iB

V

in _v

o

_V

2

V1

RRf

Gambar 16. Rangkaian differensiator op-amp.

Penguat operasional (Op Amp) adalah suatu rangkaian terintegrasi yang berisi beberapa tingkat dan konfigurasi penguat diferensial yang telah dijelaskan di atas.Penguat operasional memilki dua masukkan dan satu keluaran serta memiliki penguatan DC yang tinggi. Untuk dapat bekerja dengan baik, penguat operasional memerlukan tegangan catu daya yang simetris yaitu tegangan yang berharga positif (+V) dan tegangan yang berharga negatif (-V) terhadap tanah (ground).

Penguat operasional banyak digunakan dalam berbagai aplikasi karena beberapa keunggulan yang dimiliki, seperti penguatan yang tinggi, impedansi Masukkan yang tinggi, impedansi keluaran yang rendah dan lain sebagainya.

Kondisi ideal tersebut hanya merupakan kondisi teoritis tidak mungkin dapat dicapai dalam kondisi praktis. Tetapi para pembuat Op amp berusaha untuk membuat Op amp yang memiliki karakteristik mendekati kondisi-kondisi di atas. Karena itu sebuah Op amp yang baik harus memiliki karakteristik yang mendekati kondisi ideal.

Rangkaian pembanding ini ada 3 macam yaitu :

a. Rangkaian pembanding 1 op-amp tanpa jendela input b. Rangkaian pembanding 1 op-amp dengan jendela input

c. Rangkaian pembanding 2 op-amp dengan jendela input proses output luar

Ada berbagai jenis IC yang digunakan untuk merangkai amplifier antara lain adalah IC LM741, LM 358, dan LM324. Pada dasarnya setiap IC memiliki kelebihan masing-masing input dan output yang berbeda-beda. Penggunaan IC ini tergantung dari keinginan perangkai.

19 Gambar 17. Susunan rangkaian IC LM 358

Setelah adanya penguat diperlukan jembatan Wheatstone. Prinsip dasar dari jembatan Wheatstone adalah keseimbangan. Sifat umum dari arus listrik adalah arus akan mengalir menuju polaritas yang lebih rendah. Jika terdapat persamaan polaritas antara kedua titik maka arus tidak akan mengalir dari kedua titik tersebut. Dalam rangkaian dasar jembatan Wheatstone penghubung kedua titik tadi disebut sebagai jembatan Wheatstone.

I.

MIKROKONTROLER ATMEGA 8535

AVR dapat dikelompokkan menjadi 4 kelas, yaitu keluarga ATtiny, keluarga AT90Sxx, keluarga ATmega dan AT86RFxx. Pada dasarnya yang membedakan masing – masing kelas adalah memori, peripheral, dan fungsinya. Dari segi arsitektur dan instruksi yang digunakan, mereka bisa dikatakan hampir mikrokontroler merupakan keseluruhan sistem komputer yang dikemas menjadi sebuah chip di mana didalamnya sudah terdapat mikroprosesor, I/O, memori, dan ADC (Analog to Digital Converter). Penggunaan mikrokontroler dalam sistem kontrol sangat luas dan populer.

Ada beberapa vendor yang membuat mikrokontroler diantaranya Intel, Microchip, Winbond, Atmel, Philips, Xemics dan lainnya. Dari beberapa vendor tersebut, yang paling populer digunakan adalah mikrokontroler buatan Atmel. Mikrokontroler AVR (Alf and Vegard’s Risc prosesor) memiliki arsitektur RISC 8 bit. Semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit (16-bits word) dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam 1 (satu) siklus clock, berbeda dengan instruksi MCS 51 yang membutuhkan 12 siklus clock. Tentu saja itu terjadi karena kedua jenis mikrokontroler tersebut memiliki arsitektur yang berbeda. AVR berteknologi RISC (Reduced Instruction Set Computing), sedangkan seri MCS 51 berteknologi CISC (Complex Instruction Set Computing) sama. Oleh karena itu, dipergunakan salah satu AVR produk Atmel, yaitu ATmega8535. Selain mudah didapatkan dan lebih murah ATmega8535 juga memiliki fasilitas yang lengkap. Untuk tipe AVR ada 3 jenis yaitu AT Tiny, AVR klasik, AT Mega. Perbedaannya hanya pada fasilitas dan I/O yang tersedia serta fasilitas lain seperti ADC,EEPROM dan lain sebagainya. Salah satu contohnya adalah ATmega 8535. Memiliki teknologi RISC dengan kecepatan maksimal 16 MHz membuat ATmega 8535 lebih cepat bila dibandingkan dengan varian MCS 51. Dengan fasilitas yang lengkap tersebut menjadikan ATmega 8535 sebagai mikrokontroler yang powerfull.

20

Gambar 18. Mikrokontroler ATmega 8535

Sistem minimum AVR sangat sederhana dimana hanya menghubungkan VCC dan AVCC ke +5V dan GND dan AGND ke ground serta pin reset tidak dihubungkan apa-apa (diambangkan) . Chip akan reset jika tegangan nol atau pin reset dipaksa nol. Dan ini merupakan sistem minimum tanpa memakai kristal. Untuk yang memakai kristal rangkaian di atas ditambah kristal pada pin XTAL1 dan XTAL2.Untuk membuat rangkaian sismin Atmel AVR 8535 diperlukan beberapa komponen yaitu:

1. Mikrokontoler ATmega8535 2. Con header putih 8 pin, 4 pcs 3. Con header hitam 40 pin, 1 pcs

4. Kapasitor 22pF (2 pcs), 10nF (1 pcs), 100nF (1 pcs) 5. Kristal 11.059200 MHz, 1 pcs

6. Push Button 2 pin, 1 pcs 7. LED 1 pcs

8. Resistor 4k7 (1 pcs), 220Ohm (1 pcs). 9. Socket mikro 40 pin.

21 ATmega8535 adalah mikrokontroler keluarga AVR dengan fitur yang komplit dengan jumlah kaki I/O yang banyak. Mikrokontroler berkaki 40 (Dual-Inline Package) ini sangat cocok untuk diaplikasikan pada sistem yang membutuhkan banyak kaki I/O baik digital maupun analog. Konfigurasi pin ATmega 8535 dapat dilihat pada gambar

Dari gambar dapat dijelasakan fungsi konfigurasi pin ATmega 8535 sebagai berikut: 1. VCC Input sumber tegangan (+)

2. GND Ground (-)

3. Port A (PA7 … PA0) Berfungsi sebagai input analog dari ADC (Analog to Digital Converter). Port ini juga berfungsi sebagai port I/O dua arah, jika ADC tidak digunakan.

4. Port B (PB7 … PB0) Berfungsi sebagai port I/O dua arah. Port PB5, PB6 dan PB7 juga berfungsi sebagai MOSI, MISO dan SCK yang dipergunakan pada proses downloading. Fungsi lain port ini selengkapnya bisa dibaca pada buku petunjuk ”AVR ATmega8535”.

5. Port C (PC7 … PC0) Berfungsi sebagai port I/O dua arah. Fungsi lain port ini selengkapnya bisa dibaca pada buku petunjuk ”AVR ATmega8535”.

6. Port D (PD7 … PD0) Berfungsi sebagai port I/O dua arah. Port PD0 dan PD1 juga berfungsi sebagai RXD dan TXD, yang dipergunakan untuk komunikasi serial. Fungsi lain port ini

selengkapnya bisa dibaca pad a buku petunjuk ”AVR ATmega8535”. 7. RESET Input reset.

8. XTAL1 da XTAL2 merupakan pin Masukkan clok ekstrernal 9. AVCC Input tegangan untuk Port A dan ADC.

10. AREF Tegangan referensi untuk ADC.

Memprogram mikrokontroler dapat menggunakan bahasa assembler atau bahasa tingkat tinggi yaitu bahasa C. Bahasa yang digunakan memiliki keunggulan tersendiri, untuk bahasa assembler dapat diminimalisasi penggunaan memori program sedangkan dengan bahasa C menawarkan kecepatan dalam pembuatan program. Untuk bahasa assembler dapat ditulis dengan menggunakan text editor setelah itu dapat dikompilasi dengan tool tertentu misalnya asm51 untuk MCS51 dan AVR Studio untuk AVR.

J.

ADC (ANALOG DIGITAL CONVERTER)

Analog Digital Converter (ADC) adalah sebuah piranti yang dirancang untuk mengubah sinyal-sinyal analog menjadi bentuk sinyal-sinyal digital. Biasanya ADC sering digunakan untuk mengkonversi keluaran sensor karena pada dasarnya keluaran dari sensor masih berupa sinyal analog.

Jika ada sensor yang telah mempunyai keluaran digital sebenarnya didalamnya telah dilengkapi oleh rangkaian ADC. Jika keluaran sensor telah diubah menjadi sinyal digital, maka dapat dihubungkan langsung ke rangkaian digital misalnya keluaran output sensor dihubungkan ke mikrokontroler untuk selanjutnya diolah menjadi instruksi.

Parameter penting dari suatu ADC selain lama waktu konversinya adalah besar resolusinya. Resolusi adalah besaran sinyal analog terkecil yang masih dapat dikonversi menjadi sinyal digital. Besar resolusi ini tergantung dari bit ADC, semakin banyak bit ADC maka semakin kecil (bagus) resolusinya dan proses konversi pun menjadi lebih teliti.

22

Vref

R

N

2

1

Rumus dari besar resolusi adalah

(11)

Vref = Tegangan referensi ADC; N = Jumlah bit ADC

Ada banyak cara yang dapat digunakan untuk mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital yang nilainya sesuai. Jenis ADC yang biasa digunakan dalam perancangan adalah jenis Succeissive Aprrosimation Convertion( SAR) atau pendekatan bertingkat yang memilki waktu konversi jauh lebih singkat dan tdak tergantung pada nilai Masukkan analognya atau sinyal yang akan diubah.

IC yang sering digunakan untuk mengkonversi sinyal analog menjadi sinyal digital adalah IC ADC 0804. IC ADC 0804 mempunyai dua inputan analog, Vin+ dan Vin- sehingga dapat menerima inpu diferinsial. Input analog sebernya sama dengan selish antar tegangan-tegangan yang dihubungkan dengan kedua pin input yaitu Vin=Vin+ - Vin-.

K.

PENAMPILAN DAN PENYIMPANAN DATA

Gambar 20. LCD 2x16

LCD merupakan suatu kristal cair yang akan aktif bila dihubungkan dengan tegangan. Input untuk mengendalikan modul ini berupa bus data dari sebuah mikrokontroler. LCD adalah komponen yang biasa digunakan untuk menampilkan suatu simbol, angka maupun huruf. LCD terdiri dari beberapa pin yang berfungsi untuk pengontrolan pemakaiannya. LCD yang digunakan pada alat ini adalah M1632 atau 16 x 2 (enam belas karakter dengan dua baris)

23 LCD merupakan salah satu komponen terpenting dalam pembutan skripsi ini. LCD berfungsi menampilkan suatu nilai hasil sensor, menampilkan teks atau menampilkan menu pada aplikasi mikrokontroler. LCD akan menampilkan hasil sensor yang sudah dikonversikan dalam bentuk satuan yang diinginkan oleh pengguna atau data yang dibutuhkan. Penampilan data secara visual akan mempermudah pengguna dalam penggunaan alat yang akan dibaca. Berdasarkan tampilannya. LCD dibedakan menjadi dua yaitu LCD menampilankan bentuk karakter dan LCD yang menampilkan dalam bentuk grafik. LCD yang menampilakan dalam bentuk karakter akan menghasilkan data berupa huruf atau angka. Sedangkan LCD grafik akan menghasilkan data berupa grafik.

Data yang telah ditampilakan di layar LCD data dapat disimpan juga dengan mengunakan EMS Data Flash memory. EMS Dataflash memory adalah modul memori non-volatile (flash) yang memiliki kapasitas 4.325.376 bit (2048 page x 264 byte x 8 bit). Modul ini memiliki antarmuka SPI dan dapat digunakan untuk menyimpan berbagai jenis data digital. Contoh aplikasinya adalah penyimpanan data pada aplikasi datalogger. Fungsi dari data flash memory yaitu menyimpan data yang sudah terprogram dengan mikrokontroler yang disimpan ke dalam memory sehingga dapat dipanggil ulang nilai hasil pengukuran yang dilakukan oleh mikrokontroler. Flash memory dapat diprogram dengan menggunakan code vision avr. Dengan adanya penyimpan data sehingga penggunaan pentrometer lebih efektif dalam memperoleh data penetrasi tanah dan dapat diolah kembali.

Flash memory akan di hubungkan oleh mikrokontroler Atmega 8535 yang dapat menyimpan nilai penetrasi tanah, nilai kedalaman tanah secara sekaligus dan disimpan langsung oleh flash memory. Spesifikasi :

Berbasis AT45DB041B yang memiliki 2 x 264 Byte SRAM dan 528k Byte (2048 x 264 Byte) flash memory.

SRAM dapat menerima data saat flash memory sedang ditulis. Memiliki antarmuka SPI.

Pin input/output kompatibel dengan level tegangan TTL 5V.

Bekerja pada catu daya +5V DC, sudah dilengkapi dengan regulator & level converter. Menggunakan kapasitor aluminium dan resistor SMD.

Konektor 10 pin untuk koneksi ke modul lain (misalnya mikrokontroler), sesuai dengan port I/O DT-51 dan DT-AVR Low Cost series.

Mendukung DT-AVR Low Cost series, serta sistem mikrokontroler/mikroprosesor lainnya. Tersedia contoh program menggunakan CodeVisionAVR© untuk mikrokontroler keluarga AVR.

L.

SOFTWARE CODE VISION AVR (EDITOR DAN DOWNLODER)

CodeVisionAVR merupakan salah satu software untuk membuat kode program mikrokontroler keluarga AVR. Kelebihan dari CodeVision AVR adalah salain untuk membuat kode program juga dapat digunakan untuk mendownload program ke mikrokontroler.

Jadi kita dapat sekaligus membuat kode program dengan mendownload sekaligus dalam satu kerja. Tampilan software CodeVision AVR dapat dilihat pada gambar 23. Pemrograman yang digunakan pada CodeVision digunakan bahasa c sehingga lebih mudah dalam pembuatan program.

24 Gambar 21. Tampilan codevision AVR

M.

ERGONOMIKA

Tabel 1. Data anthropometeri orang Indonesia persentil 50

Sumber: Herodian et al. dalam Nugroho, 2007

No Pengukuran (cm) Pria Wanita

Tinggi 161.3 151.6

2 Tinggi bahu 132.64 122.0

3 Lebar bahu 39.6 34.9

4 Tinggi siku 97.8 90.8

5 Tinggi pinggul 93.6 88.8

6 Lebar pinggul 28.9 31.5

7 Panjang tangan 66.7 61.4

8 Panjang lengan atas 34.8 31.5

9 Panjang lengan bawah 44.2 40.7

10 Jangkauan tangan vertikal 72.0 68.0

11 Jangkauan tangan horizontal 60.0 56.5

12 Tinggi duduk 83.2 77.9

13 Tingi siku 23.0 22.2

14 Tinggi pinggul 18.4 19.0

15 Tinggi lutut 49.5 46.3

16 Panjang paha 44.8 42.1

25 Pengeluaran tenaga mekanis untuk jenis pekerjaan harian berkisar antara 70-150 watt tergantung dari kondisi iklim atau lingkungan kerja dan kondisi tubuh seseorang. Berdasarkan hasil peneliatan, rata-rata pengeluaran tenaga bagi orang Indonesia dewasa sebesar 2200 kkal/8 jam(312 watt) telah tergolong berat. Dengan asumsi efisiensi tenaga mekanisnya 20 %, berarti tenaga mekanis yang dapat dimanfaatkan hanya sebesar 64 watt (Kusen dalam Wisnubrata, 2003)

Untuk memperoleh kenyamanan dalam penggunaan mesin perlu diperhatikan interaksi antara manusia dengan alat atau mesin sehingga desain yang dirancang akan disesuaikan dengan ukuran tubuh pengguna.

26

III.

METODE PENELITIAN

A.

TEMPAT DAN WAKTU PELAKSANAAN

Kegiatan penelitian ini dilaksanakan selama tiga bulan terhitung dari 1 september 2011 sampai dengan 1 November 2011 di laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo, di leuwikopo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian IPB.

B.

BAHAN DAN PERALATAN

Dalam penelitian ini dilakukan dua kegiatan yang bertahap yaitu pembuatan alat penetrometer digital dan pengambilan data. Pembuatan penetrometer digital diperlukan beberapa perangkat alat dan bahan. Perangkat tersebut terbagi menjadi dua diantaranya yaitu perangkat mekanik dan elektronik. Oleh sebab itu, bahan dan alat digolongkan sebagai berikut:

1. Bahan-bahan dikelompokkan menjadi

(1) Bahan perangkat mekanik penetrometer, yang berupa: Besi pejal (27 mm), besi ring, stainless steel pejal (12 mm), stainless steel (16 mm), mur, baut, akrilik dan lem akrilik, dempul dan cat.

(2) Bahan-bahan perangkat elektronik penetrometer terdiri dari: mikokontroler ATmega 8535, sensor ultrasonik ranger, sensor suhu (IC LM35), penguat(resistor, kapasitor, kabel, tinol, IC LM358, sensor regangan (strain gage), LCD 2x16, kabel, tinol, resistor, zener 4.7 volt dan 6.1 volt, papan PCB dan sikrng 0.5 ampere.

(3) Bahan yang digunakan untuk pengujian alat terdiri dari: Beban 3kg, kg sebanyak 10 buah, Plat besi, Tali besi baja.

2. Alat-alat dikelompokan menjadi:

(1) Alat-alat untuk pembuatan perangkat elektronik penetrometer terdiri dari: komputer (dengan kelengkapan software codevisionAVR dan VisualBasic), solder, multitester, obeng.

(2) Perangkat alat untuk pembuatan mekanik penetrometer yaitu mesin bubut, komputer (dengan kelengkapan software AutoCAD), mesin bubut, las listrik, gergaji besi, dan peralatan bengkel lainnya.

(3) Perangkat alat untuk pengujian terdiri dari alat tulis, kalkulator, multitester dan timbangan.

Peralatan pendukung lain yang digunakan untuk pembuatan penetrometer digital adalah kamera digital yang digunakan untuk merakan dan mendokumentasikan pengujian.

C.

TAHAPAN PENELITIAN

Tahapan penelitan merupakan langkah untuk merancang dan membangun sebuah alat. Dengan adanya tahapan penelitan konsep kerja dari pembuatan alat akan berjalan secara sistematis. Adapun tahap penelitian yang disajikan dalam gambar berdasarkan konsep perancangan teknik yang terdapat dalam buku Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin.

27 Gambar 23. Bagan metodologi penelitian

Indentifikasi masalah merupakan langkah awal dalam prosedur perancangan alat. Pada tahap ini indentifikasi masalah-masalah yang muncul pada penetrometer yang sudah ada. Penetrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kekuatan tanah. Akan tetapi penetrometer yang ada masih menggunakan tipe analog dan mekanis dengan menggunakan jarum penunjuk skala untuk menunjukan nilai pengukuran. Dalam penggunaan penetrometer analog dan mekanis membutuhkan tiga orang dalam pengukuran hal ini akan sangat tidak praktis dan akan menimbulkan kesalahan membaca.

Setelah tahap identifikasi masalah yang terdapat pada alat penetrometer analog yang sudah ada maka dilakukan analisa permasalahan, hal yang dilakukan yaitu mendapatkan solusi yang tepat untuk permasalahan yang ada dengan kebutuhan yang diharapkan. Pada tahap analisis masalah yang terjadi adalah membutuhkan banyak orang untuk mengoperasikan penetrometer analog, sehingga perlu adanya desain penetrometer yang dapat dioperasikan hanya satu orang dalam pengoperasian alat dan dapat

Uji Fungsional

seles Mulai

Identifikasi Permasalahan

Analisis Masalah Konsep Desain

Analisis Desain dan Pembuatan Gambar

Berhasil

Uji Kinerja

Berhasil

Modifikasi Tidak

Ya

Ya

28 memperoleh hasil pengukuran penetrasi serta kedalaman tanah. Pemecahan masalah ini yang akan diterapkan dalam mendesain penetrometer digital.

Konsep dan analisa desain dan pembutan gambar kerja dilakukan untuk menentukan bahan, ukuran, serta mekanisme bagian-bagian alat yang akan dirancang. analisa perancangan yang dilakukan terdiri dari: 1) perhitungan desain rangkaian elektronik 2) perhitungan desain rangkaian mekanik. Pada tahap ini dijelaskan pada bab analisis desain penetrometer. Setelah semua di analisis maka tahapan selanjutnya adalah pembuatan mesin dengan dimensi yang sebenarnya sehingga alat penetrometer tanah dapat dipergunakan langsung untuk pengukuran penetrasi tanah.

Metode pengujian yang dipergunakan adalah metode uji fungsional dari masing-masing elemen mesin yang telah digabungkan. Komponen alat penetrometer tanah tersebut akan diuji apakah berfungsi dengan baik atau tidak. Salah satu uji dari penetrometer tanah yaitu dengan mengadakan uji kaliberasi seluruh alat. Apabila tidak berfungsi secara baik maka akan dilakukan analisis rancangan kembali.

Setelah tahap uji fungsional dengan baik, tahap selanjutnya adalah uji kinerja dari rancangan. Dari tahap ini uji kinerja dari prototipe penetrometer digital yaitu tingkat ketepatan dan ketelitian alat.pada tahap ini akan dibahas lebih lanjut pada bab hasil dan pembahasan.

D.

TAHAPAN PENGUJIAN

Untuk tahapan pengujian dari penelitan terbagi menjadi dua tahapan yaitu tahapan kalibrasi alat dan tahapan pengolahan data.

D.1. Kalibrasi

Tahap pengujian diawali dengan melakukan kalibrasi penetrometer. Bagian-bagian penetrometer yang akan dikalibrasi antara lain kalibrasi sensor penguat strain gage, kalibrasi sensor suhu, dan kalibrasi sensor ultrasonik ranger (sensor kedalaman).

Penguat strain gage dikalibrasi dengan pemberian beban yang teratur. Pada setiap penambahan beban tegangan yang keluar dari AVO meter akan terbaca secara teratur pula. Keluaran tegangan akibat dari pembebanan akan tercatat dan akan diolah lebih lanjut.

Kalibarasi suhu IC LM35 dilakukan dengan membandingkan keluaran suhu di LCD dengan alat pengukur suhu yang sudah terkalibrasi akurat. Untuk kalibrasi sensor kedalaman yaitu dengan menentukan keluaran jarak yang ada di LCD dengan membandingkan secara langsung alat pengaris yang memiliki ketelitian sampai satuan milimeter.

Kemampuan alat pengukur penetrometer ditentukan dengan beberapa parameter yang ditentukan oleh Holman (1985) sebagai berikut:

a. Kepekaan alat, adalah perubahan penunjukan nilai input perperubahan nilai output.

b. Keteliatan alat, adalah besarnya penyimpangan yang dilakukan oleh instrumen untuk Masukkan yang telah diketahui.

c. Ketepatan alat, adalah kemampuan alat untuk menunjukan kembali angka tertentu untuk ketelitian yang telah diketahui.

29

1 2

1 1

2 1

X

X

X

X

Y

Y

Y

Y

Untuk memperoleh kemampuan alat penetrometer tanah. Pengujian penetrometer dilakukan pada penguat operasional, sensor gaya, sensor suhu, dan cincin tranduser.

D.2. Pengolahan Data Kalibrasi

Pengolahan data kalibrasi sensor strain gage, sensor suhu, sensor kedalaman dan hubungan antara sensor suhu dengan sensor kedalaman yaitu dengan menggunakan metode persamaan regresi. Dalam bentuk yang paling sederhana yaitu satu peubah bebas (X) dengan satu peubah tak bebas (Y) mempunyai persamaan :

Y=a+bx (12)

Disini a disebut intersep dan b koefisien arah. Dalam pengertian fungsi persamaan garis Y = a +bx hanya ada satu yang dapat dibentuk dari dua buah titik denagn koordinat yang berbeda yaitu (X1, Y1) . Hal ini berarti kita bisa membuat banyak sekali persamaan garis dalam bentuk lain melalui dua buat titik yang berbeda koordinatnya/tidak berimpit. Persamaan garis melalui dua buah titik dirumuskan sebagai berikut :

(13)

Hubungan antara nilai massa dengan tegangan yang keluar akan menjadi acuan dasar dari persamaan untuk pemrograman di mikrokontroler.

Data yang terolah dengan persamaan regresi kemudian menentukan nilai R maka data tersebut layak untuk dijadikan acuan. Selain itu, hubungan antara suhu dengan sensor kedalaman akan dibandingkan karena berdasarkan teori tentang kecepatan suara, keceptan suara pada udara dipengaruhi oleh berbagai faktor, antara lain. Yang cukup diperhitungkan adalah perubahan suhu dari udara karena sensor kedalaman akan ditempatkan di ruangan terbuka yang terkena panas matahari langsung.

1. Pengolahan data kalibrasi gaya.

Pengkalibrasian cincin tranduser dilakukan dengan memberikan taraf beban mati, yaitu pada beban mati 3 kg, 6 kg, 9 kg, 12 kg, 15 kg, 18 kg, 21 kg, 24 kg, 27 kg, dan 30 kg. Dengan memberikan beban mati tersebut cincin tranduser akan memperoleh nilai tegangan yang kemudian akan dibentuk suatu persamaan regresi dan korelasi data data dengan menggunakan MS Exel. Persamaan regresi tersebut akan menjadikan acuan pada pembentukan program yang akan diolah oleh mikrokontroler menjadi nilai penetrasi tanah. 2. Pengolahan data kalibrasi sensor ultrasoanik ranger

Pengukuran kalibrasi sensor kedalaman dengan menggunakan sensor ultrasonik ranger sangat sederhana yaitu dengan mengukur jarak sensor dengan menggunakan penggaris. Taraf jarak yang

30 digunakan yaitu: 60 cm, 55 cm, 50 cm, 45 cm, 40 cm, 35 cm, 30 cm, 25 cm, 20 cm, 15 cm, 10 cm dan 5 cm. Keluaran dari data kalibrasi keluaran jarak dengan satuan centimeter. Pengukuran sensor jarak dilakukan pada waktu yang berbeda-beda untuk mendapatkan pengaruh suhu dengan dengan kecepatan rambat dari sensor ultrasonik ranger.

3. Pengolahan data kalibrasi sensor suhu IC LM35

Pengukuran sensor suhu dengan menggunakan IC LM35 yang persamaan kalibrasinya sudah ada di internet. Pengkalibrasian suhu yaitu dengan membandingkan alat suhu yang sudah ada dengan sensor suhu pengkalibrasian dengan menggunakan taraf suhu yaitu: 29 oC, 30 oC, 31oC, 32 oC, 33 oC, 34 oC dan 35 oC. Pengukuaran yang dihasilkan nilai keluaran ADC dan suhu pada layar digital.

31

IV.

ANALISIS PERANCANGAN

Penggunaan alat pertanian yang erat hubungannya dengan faktor mekanis tanah akan sangat menentukan tindakan pengolahan tanah. Selain itu sifat mekanis yang dimiliki tanah berbeda-beda karena tanah di setiap lokasi memilki jenis tanah yang berbeda sehingga pangukuran kekuatan tanah sangat diperlukan. Analisis rancangan penetrometer digital yang digunakan terbagi menjadi analisi fungsional dan struktural. Untuk mengukur kekuatan tanah dapat menggunakan penetrometer.

A.

ANALISIS KOMPONEN ELEKTRONIKA PADA PENETROMETER

Perancangan penetrometer digital harus memperhatikan aspek keteknikan agar pembuatan alat tersebut sesuai dengan hasil rancangan. Analisis fungsional perancangan penetrometer digital terdiri dari analisis pengukuran gaya penetrasi tanah, analisis pengukuran kedalaman tanah, dan analisis pengukuran suhu.

A.1.

Analisis Fungsional Pengukuran Gaya Penetrasi

Pengukuran gaya penetrasi merupakan salah satu syarat yang dibutuhkan untuk mengetahui cone indeks dari penetrasi tanah. Untuk mengetahui penetrasi tanah harus memberikan gaya luar sehingga tanah akan memberikan reaksi berupa penetrasi tanah.

Menurut Wesley (1977), dengan menekan atau memukul berbagai macam alat ke dalam tanah, dan mengukur besarnya gaya atau jumlah pukulan yang diperlukan dapat menentukan dalamnya berbagai lapisan yang berbeda, dan mendapatkan indikasi mengenai kekuatannya. Dari dua alternatif tersebut, untuk mendapatkan nilai penetrasi tanah yang dipilih adalah menekan tanah karena menekan tanah tidak menimbulkan diharapkan tidak menimbulkan deformasi pada alat. Selain itu, dengan menggunakan proses menekan tanah tidak menimbulkan getaran yang lebih besar dari pada proses memukul untuk memperoleh kekuatan tanah.

A.1.1. Analisis fungsional menekan tanah

Menekan alat ke tanah adalah memberikan tenaga tekan ke dalam tanah sehingga alat dapat memberikan aksi berupa gaya tekan tanah. Dari sumber tenaga untuk menekan tanah dapat menggunakan berbagai macam alaternatif, antara lain: dengan menggunakan tenaga manusia, tenaga hewan, atau dengan menggunakan tenaga mesin. Pada penelitian ini untuk menekan tanah dipilih menggunakan tenaga manusia. Menurut widodo (1980) melakukan penetrasi tanah latosol Darmaga, mendapatkan bahwa tahanan penetrasi maksimum pada kedalaman 30 cm adalah 13.79 kgf/cm2.. Pengukuran dilakukan pada kadar air mendekati kapasitas lapang, yaitu dua hari setelah hujan lebat. Dapat diartikan bahwa penetrasi tanah tidak terlalu membutuhkan tenaga yang besar untuk dapat menekan ke dalam tanah. Pemilihan tenaga manusia akan lebih efektif karena tenaga manusia dapat dikontrol dari pada tenaga hewan, sedangkan tenaga mesin akan lebih rumit pada saat pembuatan. Dengan menggunakan tenaga manusia dengan tangan maka diperlukan pegangan agar tenaga manusia dapat ditransmisi ke alat penetrasi tanah.

32 Gaya tekan tanah diukur untuk menjadi acuan nilai penetrasi berbagai macam tanah. Dari pengukuran tersebut maka didapat variasi kekuatan tanah dari berbagai tempat. Untuk mengukur gaya tekan tanah dengan menggunakan tenaga manusia ada berbagai macam cara untuk mengukur ketahanan tanah yaitu menggunakan prinsip pegas menggunakan elemen tahanan listrik (strain gage), monometer kolom cair, menggunakan spindle, elemen bordon, dan sistem pressure gage.

Pengukuran gaya tekan manusia yang diharapkan adalah dapat ditampilkan secara langsung dan pengukuran dapat direkam serta dapat dilihat kembali. Untuk itu strain gage merupakan salah satu sistem pengukuran yang sangat cocok untuk hal tersebut karena strain gage adalah elemen tranduser yang dapat merubah perubahan dimensi linier (panjang perpindahan, pergerakan) menjadi perubahan tahanan listrik. Bebarapa kelebihan strain gage antara lain:a) ukurannya kecil dan mudah dipasang. b) Ketelitiannya sangat tinggi. c) Daerah pengukurannya sangat lebar. d)Kestabilnya ssangat tinggi dan kelurannya dapat dikondisikan dengan mudah. e) Tidak peka terhadap getaran dan kejutan. f) kecepatan responnya tinggi, sehingga dapat digunakan untuk pengukuran tekanan dinamik.

Karena tenaga manusia terbatas dan tidak telalu besar maka diperlukan peletakkan strain gage yang membaca gaya tekan yang dihasilkan oleh tenaga manusia. Peletakan strain gage dapat mengukur tenaga tekan secara vertikal sehingga pembacaan tenaganya akan lebih akurat. Ada berbagai macam cara peletakan strain gage antara lain pada batang atau kolom metal, elemen diafragma metal, elemen tabung bourdon, dan ring tranduser. Pada peletakan strain gage, sistem ring tranduser dipilih karena bentuk ring tranduser mudah dibuat serta ring tranduser dapat membaca rengangan dan tegangan yang kecil.

Ada berbagai macam produk sensor yang digunakan yaitu strain gage 120 ohm, gage 350 ohm, gage 500 ohm, strain gage DT3747. Prinsip kerja dari dari seluruh strain sama yaitu mengukur resistansi dari elastisitas besi yang ditempelkan.

Strain gage yang digunakan pada penelitian adalah menggunakan strain gage KFG 120 ohm. karena harga tahanan gage 120 ohm menghindari kawat gage terlalu berlebih. Salain itu, pabrikasi KFG 120 ohm lebih banyak sehingga mudah ditemukan dan harganya lebih murah.

B.1.

Analisis pengukur kedalaman tanah

Gaya penetrometer menunjukkan pembacaan per unit luas penampang lintang menunjukkan kekuatan relatif tanah yang berbeda dan keragaman terhadap kedalaman pada suatu kondisi tanah tertentu (Kepner, Bainer, dan Barger, 1982). Pengukuruan kedalaman tanah dilakukan untuk mengetahui hubungan kedalaman tanah dengan nilai penetrasi. Nilai kedalaman tanah dilakukan dengan menancapkan cone sampai masuk ke dalam tanah. Nilai kedalaman tanah tergantung pengguna menancapkan cone ke tanah.

Ada berbagai alternatif untuk mengukur kedalaman tanah antara lain: menggunakan batang terukur, meteran roll, ultrasonik, infrared, Sensor Linier Variable Differential Transformers. Alternatif tersebut yang akan digunakan berdasarkan alasan antara lain: dapat diukur dengan mudah dan dapat disimpan ke dalam penyimpan.

Berdasarkan pertimbangan tersebut maka sensor ultrasonik yang menjadi pilihan. Kelebihan sensor ultrasonik yaitu jangkauan sensor ultrasonik dalam menditeksi objek penghalang relatif luas dibandingkan dengan sensor infrared. Dalam hal ini jika objek tidak tegak lurus dengan sensor

33 ultrasonik, masih dapat terdeteksi keberadaan objek tersebut. Radiasi dari gelombang ultrasonik yang dipancarkan tidak berbahaya.

Pengukuran nilai kedalaman yang digunakan adalah sensor ultrasonik. Ultrasonik adalah sensor yang berfungsi untuk mengukur jarak dengan cara memancarkan sinyal ultrasonik. Modul ultrasonik yang ukurannya cukup kecil dan mempunyai jarak pengukuran yang bervariasi minimal bisa 2 cm dan maksimal bisa mencapai lebih dari 6 m. Keluaran modul sensor ultrasonik yaitu berupa pulsa dengan satuan ms atau us yang lebarnya tergantung dari jenis modul ultrasonik.

Sensor ultrasonik ada berbagai macam tipe antra lain: Ultrasonik SRF04, Ultrasonik PING, dan DT ultrasonik ranger. Prinsip kerja dari sensor tersebut sama akan tetapi penggunaan dari penilitan ini adalah adalah DT ultrasonik ranger. Pemilihan DT ultrasonik ranger ini berdasarkan pertimbangan kemudahan dalam penggunaan pemrograman dalam pembacaan sensor ultrasonik ranger. Selain itu, sensor ini memiliki akurasi kedalaman yang besar dari pada modul sensor ultrasonik yang lain yaitu bisa mencapai 2 cm.

C.1.

Analisis pengukuran suhu

Pengukuran suhu adalah mengukur tingkatan suhu yang terjadi, satuan suhu memiliki satuan yang bermacam-macam antara lain: Celcius, Farenhait, Kelvin, Reamur. Namun berdasarkan satuan suhu yang digunakan adalah Celcius. Pengukuran suhu digunakan untuk mengetahui nilai suhu lingkungan. Suhu lingkungan ini berguna untuk mengetahui apakah suhu lingkungan dapat mempengaruhi pengukuran sensor kedalaman.

Ada banyak alternatif untuk mengukur suhu lingkungan, antara lain: Termometer, dan sensor suhu. Pengukuran suhu yang diharapkan yaitu dapat ditampilkan secara langsung dan dapat direkam secara otomatis serta memiliki ketelitian yang lebih baik. Berdasarkan pertimbangan tersebut maka sensor suhu adalah salah satu alternatif yang cocok dengan kriteria yang diinginkan.

Sensor suhu adalah sensor yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. Sensor suhu digunakan untuk mengukur suhu lingkungan dapat mengukur suhu suhu 0 oC sampai 100 oC. ada berbagai macam alternatif sensor suhu yang digunakan untuk mengukur suhu lingkungan antara lain: Termistor, Resistance Temperature Detectore (RTD), dan LM35. Dari alternatif tersebut, untuk mengukur suhu digunakan LM35.

Sensor suhu yang digunakan adalah jenis sensor suhu LM35 karena berdasarkan pertimbangan pengukuran suhunya dapat mengukur suhu 0 oC sampai 100 oC, selain itu, sensor suhu LM35 memiliki keluaran sinyal yang linier sehingga tidak perlu pengkalibrasian ulang dan harga sensor LM35 tidak terlalu mahal.

D.1.

Analisis pengubahan sinyal keluaran penetrasi, kedalaman, dan suhu

D.1.1. Analisis pengubahan sinyal pada nilai penetrasi

Pengukuran penetrasi tanah dengan menggunakan strain gage. Strain gage adalah elemen tranduser yang dapat merubah perubahan dimensi linier (panjang perpindahan, pergerakan) menjadi perubahan tahanan listrik. Keluaran tegangan strain gage sangat kecil dengan keluaran sampai milivolt. Hal ini, tidak bisa dibaca dengan alat ukur. Untuk itu, perlu adanya penguat yang bisa meningkatkan nilai keluaran tegangan dari strain gage.

34 Oprasional Amplifier atau disingkat Op amp adalah peranti solid yang berfungsi untuk memperkuat sinyal masukan baik DC maupun AC. Keluaran tengangan pada strain gage sangatlah kecil sehingga tidak bisa dibaca perbesaran tegangan yang keluar pada strain gage sehingga dengan bantuan penguat Op amp maka strain gage dapat dibaca perbesarannya.

Sebelum strain gage masuk ke penguat, strain harus melewati jembatan Wheatstone terlebih dahulu karena keluaran tengan yang dihasilkan dari strain gage belum diketahui. Fungsi dari jembatan Wheatstone adalah suatu susunan rangkaian listrik untuk mengukur suatu tahanan yang tidak diketahui harganya (besarannya). Pada umumnya jembatan Wheatstone dipergunakan untuk memperoleh ketelitian dalam melaksanakan pengukuran terhadap suatu tahanan yang nilainya relatif kecil.

Pada penelitian ini jembatan Wheatstone digunakan untuk mengetahui nilai hambatan yang terjadi pada sensor strain gage yang ditempelkan pada cincin tranduser. Jembatan Wheatstone yang digunakan mengguanakan nilai R yang diketahui 120 ohm, karena nilai tersebut berdasarkan strain gage yang digunakan yaitu sebesar 120 ohm. Setelah keluaran tengangan diketahui maka strain gage dapat dibaca oleh penguat.

Penguat op amp mempunyai tipe penguatan yaitu non-inverting, inverting, diferensial. Penelitian ini menggunakan penguatan diferensial. Penguat diferensial adalah suatu penguat yang bekerja dengan memperkuat sinyal yang merupakan selisih dari kedua Masukkannya. Penguat diferensial sangat cocok digunakan karena pada penguat diferensial terdapat dua sinyal Masukkan (input) yaitu V1 dan V2 dan keluaran (output) yaitu Vout. Untuk memperbesar penguatan dapat digunakan dua tingkat penguat diferensial (cascade). Keluaran penguat diferensial dihubungkan dengan masukkan penguat diferensial tingkatan berikutnya.

Keluaran sensor strain gage masih berupa nilai tegangan sedangkan satuan yang diharapkan adalah nilai satuan gaya tekan yaitu kgf. Untuk itu perlu adanya pengubahan sinyal dari keluaran masih berupa analog menjadi keluran digital. Pengubahan analog menjadi digital sering disebut ADC. Analog to digital converter (ADC) adalah sebuah piranti yang dirancang untuk mengubah sinyal-sinyal analog menjadi bentuk sinyal digital. Biasanya ADC sering digunakan untuk mengkonversi keluaran sensor karena pada dasarnya keluaran dari sensor masih berupa sinyal analog. Sinyal analog yang akan dimasukkan ke ADC berupa sinyal gaya yang masih berupa tegangan yang diambil dari penguat(inverter).

Ada berbagai macam alternatif dari ADC antara lain: ADC 0804, ADC 0809, dan ADC LM741. Dari alternatif tersebut, ADC yang digunakan adalah 0804 karena ADC ini biasanya sudah terpaket dengan modul dari keluaran AVR.selain itu, modul ADC 0804 memiliki resolusi besar yaitu 10 bit.

D.1.2. Analisis pengubahan sinyal nilai pengukuran kedalaman

Nilai pengukuran kedalaman dengan menggunakan sensor ultrasonik menggunakan sistem waktu tempuh yang dipancarkan oleh sensor dengan satuan milisecound atau mikrosecond ultrasonik.sistem kerja dari ultrasonik adalah gelombang dengan besar frekuensi diatas frekuensi gelombang suara yaitu lebih dari 20 KHz. Seperti telah disebutkan bahwa sensor ultrasonik terdiri dari rangkaian pemancar ultrasonik yang disebut transmitter dan rangkaian penerima ultrasonik yang disebut receiver. Sinyal ultrasonik yang dibangkitkan akan dipancarkan dari transmitter ultrasonik. Ketika sinyal mengenai benda penghalang, maka sinyal ini dipantulkan, dan diterima

101 else{

k=0;

buffer_2_write_close();

buffer_2_to_main_Memory_with_erase(page); } mainpage++; i=0; } if(s!=s1){ s1=s; goto next;} s1=s; } next: if(i<33){ page=0; page=mainpage; page*=256; page+=mainpage; if(k==0){ buffer_1_write_close();

buffer_1_to_main_Memory_with_erase(page); }

else{

buffer_2_write_close();

buffer_2_to_main_Memory_with_erase(page); } mainpage++; } update=mainpage; save=update; save1=mainpage_akhir; save2=i_akhir; lcd_gotoxy(0,0); lcd_clear(); lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf("Record Finish"); while(1){ if(s!=s1){ s1=s; goto next1;} s1=s; } next1: lcd_clear(); lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf("Transfer");

102

for(mainpage=0;mainpage<update;mainpage++) { i=0;

page=0;

page=mainpage; page*=256; page+=mainpage;

main_Memory_to_buffer_1_transfer(page); while(i<264){

baca1=buffer_1_read(i); i++;

baca2=buffer_1_read(i); i++;

baca3=buffer_1_read(i); i++;

baca4=buffer_1_read(i); i++;

baca5=buffer_1_read(i); i++;

baca6=buffer_1_read(i); i++;

baca7=buffer_1_read(i); i++;

baca8=buffer_1_read(i); i++;

us1=baca1*256+baca2; us = us1/5;

us=us/10;

suhu=baca3*256+baca4; suhu1=(float)suhu*500/1024; tekanan=baca5*256+baca6;

printf("%.2f %.2f %.2f \n \r", us, suhu1, tekanan);

if(mainpage==mainpage_akhir && i==i_akhir*8){mainpage++;goto next3;} }

} next3: lcd_clear(); lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf("Finish..."); while(1){

if(s!=s1){ s1=s; goto next1;} s1=s; } }

103 Lampiran 28. Program pembacaan port

Private Sub background_Click(Index As Integer) If BackColor = vbYellow Then

BackColor = vbGreen Else

BackColor = vbYellow End If

End Sub

Private Sub command1_click() Dim port As Integer

On Error GoTo errcode Select Case Combo1.ListIndex Case -1

port = 1 Case 0 port = 1 Case 1 port = 2 Case 2 port = 3 Case 3 port = 4 Case 4 port = 5 Case 5 port = 6 Case 6 port = 7 Case 7

104 port = 8

Case 8 port = 9 End Select

If MSComm1.PortOpen = False Then MSComm1.CommPort = port MSComm1.RThreshold = 1 MSComm1.InputLen = 40

MSComm1.Settings = Combo2.List(Combo2.ListIndex) & ",N,8,1" MSComm1.PortOpen = True

Command1.Enabled = False Command2.Enabled = True End If

Exit Sub errcode:

MsgBox "Port Salah !", vbOKOnly, "Peringatan" Combo1.SetFocus

End Sub

Private Sub command2_click() If MSComm1.PortOpen = True Then MSComm1.PortOpen = False End If

cmdConnect.Enabled = True cmdDisconnect.Enabled = False End Sub

Private Sub command3_click() Dim tbx As Control

For Each tbx In Me.Controls

If TypeOf tbx Is TextBox Then tbx.Text = " " Next

End Sub

105 Clipboard.SetText Text1.SelText

Text1.SelText = Text1 Text1 = ""

End Sub

Private Sub exit_Click(Index As Integer) End

End Sub

Private Sub Form_Load() With Combo1

.AddItem "COM1" .AddItem "COM2" .AddItem "COM3" .AddItem "COM4" .AddItem "COM5" .AddItem "COM6" .AddItem "COM7" .AddItem "COM8" .AddItem "COM9" End With

With Combo2 .AddItem "2400" .AddItem "4800" .AddItem "9600" .AddItem "19200" .AddItem "38400" .AddItem "56600" End With

Command1.Enabled = True Command2.Enabled = False End Sub

Private Sub MSComm1_OnComm() Dim buffer As String

106 Dim temp As String

buffer = MSComm1.Input If buffer <> "" Then With Text1

.SelStart = Len(.Text) .SelText = buffer End With

End If End Sub