Perancangan Viskometer Digital Berbasis Arduino Uno Untuk Mengukur Viskositas Cairan Dan Smartphone Android Sebagai Display

BAB 2

LANDASAN TEORI

2.1

VISKOSITAS

Viskositas merupakan derajat kekentalan sebuah fluida. Viskositas juga dapat
dikatakan sebagai gesekan internal yang terjadi pada fluida. Viskositas memberikan
gaya perlawanan terhadap sebuah objek yang berada didalam fluida sehingga
mengakibatkan interaksi antara objek dan fluida berupa gesekan. Satuan dari
viskositas sebuah cairan dinyatakan dalam Poise.
Dampak dari viskositas memiliki peran penting untuk perilaku fluida dalam
sebuah ruang. Dampak viskositas berpengaruh dalam aliran darah didalam tubuh,
pelumas dari bagian-bagian mesin, aliran fluida dalam pipa berongga dan lain-lain.
Minyak pelumas mesin harus mengalir secara merata dalam kondisi mesin yang
dingin maupun panas, karena itu pelumas dirancang memiliki variasi perubahan
temperatur sekecil mungkin terhadap perubahan viskositas. Viskositas darah
didalam tubuh akan mempengaruhi distribusi sari-sari makanan yang keseluruh
tubuh. (Young, 2008)

Beberapa metode dapat digunakan dalam penentuan viskositas sebuah
cairan. Metode yang paling umum digunakan dalam laboraturium

adalah

penentuan viskositas dengan metode bola jatuh. Jika sebuah benda berbentuk bola
dijatuhkan kedalam fluida kental, misalnya kelereng dijatuhkan dalam kolam
renang yang airnya cukup dalam, nampak pada awalnya kelereng bergerak
dipercepat. Namun, setelah beberapa saat setelah menempuh jarak tertentu kelereng
bergerak dengan kecepatan konstan (bergerak lurus beraturan). Kedaan ini
disebabkan karena adanya gaya gesekan yang disebabkan oleh kekentalan fluida.
(Anwar, 2008)

Universitas Sumatera Utara

6

Untuk benda berbentuk bola jatuh didalam cairan yang memiliki jari-jari R,
bergerak dengan kecepatan konstan v relatif terhadap cairan dan � menyatakan

koefisien kekentalan cairan maka gaya gesekan fluida Fs secara empiris dirumuskan
persamaan sebagai :
�

=

…………(1)

���

dan persamaan (1) disebut sebagai Hukum Stokes.
Dengan memilih sumbu vertikal keatas sebagai sumbu positif, maka pada
saat kecepatan terminal berlaku :
∑

�

……..(2)

=

Jumlah gaya yang meliputi sumbu vertikal keatas tersebut adalah gaya keatas
gaya gesekan fluida

�

dan gaya berat

(

dengan :

�+

�� =

�=

9

, sehingga persamaan (2) menjadi :

+

� )� +

�2

�

=

��� = � �

��� =

� �(
�−

�

�

−

(

)

� )�

……(3)

�

= koefisien kekentalan fluida (Pa s)

�

= jari-jari bola (m)

�

,

= percepatan gravitasi (m/s2)
= massa jenis bola (kg/m3)
= massa jenis fluida (kg/m3)

�

= kecepatan terminal (m/s)

Ada beberapa hal yang harus diperhitungkan pemakaian Hukum Stokes
dalam eksperimen, yaitu ruang tempat fluida harus jauh lebih luas daripada ukuran

Universitas Sumatera Utara

7

bola, tidak terjadi aliran turbulen didalam cairan dan kecepatan v tidak terlalu besar
sehingga aliran fluida masih bersifat laminer.

Gambar 2.1 Gaya – gaya yang terjadi pada keadaan bola jatuh didalam cairan
Untuk memperkecil kesalahan perhitungan dalam viskositas metode bola
jatuh, Faxen menjabarkan solusi persamaan Oseen yang menghasilkan persamaan:

� = �� [ − ,

�

+ , 9

�

− ,9

�

5

] ….(4)

Dengan � viskositas akhir, �� viskositas yang dihasilkan dari eksperimen, �

diameter bola dan

diameter dalam tabung. Persamaan ini berlaku untuk bilangan

Reynold < 1 dan rasio diameter �/ yang kecil yaitu sekitar

�

< ,9 .

Bilangan Reynold �� dalam metode bola jatuh dapat ditentukan dengan persamaan
:

Dengan
diameter bola.

2.2

�� =

.�.

��

.....(5)

massa jenis cairan, � kecepatan bola relatif terhadap cairan dan �

ARDUINO

Arduino merupakan developing board open source didalamnya terdapat prosesor
Atmel AVR (pada umumnya microcontroller) yang langsung dapat diprogram dari

Universitas Sumatera Utara

8

komputer. Arduino dilengkapi port USB, terimplementasi menggunakan adapter
USB-to-serial chip seperti FTDI FT232 sehingga mikrokontroller pada papan
Arduino langsung dapat diprogram melalui komputer yang sebelumnya script
program ditulis pada Arduino IDE.
Sebuah program untuk Arduino ditulis menggunakan bahasa pemrograman
Arduino

(Arduino

programming

language)

berdasarkan

Wiring(http://wiring.org.co/) dan program disimpan dalam file yang disebut sketch
(www.arduino.cc). Dalam penulisan program, Arduino IDE memiliki software
library dimana fungsi-fungsi yang biasa ditulis untuk memprogram sebuah chip

mikrokontroller AVR terangkum dalam library membuat penulisan program lebih
mudah.
Papan Arduino menyediakan pin I/O mikrokontroller yang dapat
dihubungkan dengan komponen-komponen atau rangkaian-rangkaian eksternal.
Seperti pada salah satu jenis papan Arduino yaitu Arduino Uno Rev.3 seperti pada
gambar (2.b) menggunakan chip AVR Atmega328P memiliki pin I/O
mikrokontroller dengan 14 pin digital I/O dimana 6 pin dari digital I/O dapat
menghasilkan pulsa PWM (Pulse Width Modulation) dan 6 pin analog I/O yang
memiliki resolusi 10 bit register.

Gambar 2.2 Arduino Uno Rev.3

Universitas Sumatera Utara

9

Arduino Uno Rev.3 memiliki kelebihan selain harganya yang relatif murah,
sudah

memiliki

koneksi

USB,

interface

USB

terimplementasi

dari

LUFA(Lightweight USB Framework for AVRs) projek sehingga mudah untuk
saling share program untuk keperluan projek.

2.3

SENSOR LDR (LIGHT DEPENDENT RESISTOR)

Cahaya merupakan sebuah fenomena mekanika-quantum. Cahaya berasal dari
partikel diskrit yang disebut sebagai foton. Foton memiliki panjang gelombang �,
kecepatan c = 3x108 m/s, frekuensi � =

34

ℎ

�

, energy

=

ℎ

�

dengan h = 6.67x10-

Js, serta momentum � = . Diantara kesemuanya, penting untuk mengingat
�

bahwa adanya hubungan antara energi dan panjang gelombang. Dalam semua hal,

energi dari foton menentukan bagaimana untuk mendeteksinya. (Wilson Jon.S,
2005)
Cahaya merupakan bentuk energi yang sangat efisien untuk stimulasi dari
variasi hasil pendeteksian. Sebagai contoh dari sekian banyak stimulasi tersebut
adalah jarak, pergerakan, temperatur dan komposisi kimia. Cahaya memiliki sifat
elektromagnetik, baik itu dianggap sebagai sebuah propagasi energi kuantum atau
sebagai gelombang elektromagnetik sendiri.
Sensor LDR merupakan resistor yang nilai hambatannya berubah karena
adanya perubahan intensitas cahaya yang diterima. Besar kecilnya nilai hambatan
LDR bergantung pada besar kecilnya intensitas cahaya yang diterima oleh LDR.
Secara normal, hambatan yang dimiliki oleh LDR sangat tinggi dalam keadaan
intensitas cahaya yang sangat rendah, namun pada umumnya LDR memiliki
hambatan sebesar 10MΩ.
LDR difabrikasi dari berbagai campuran material semikonduktor. Material
semikon-duktor yang digunakan bahan pembuatan LDR antara lain Timbal Sulfida
(PbS), Indium Sulfida (InSb) dan Cadmium Sulfida(CdS). Diantara jenis-jenis LDR
yang paling sering dijual dipasaran adalah LDR berbahan CdS karena harganya
yang murah seperti pada gambar (2.b).

Universitas Sumatera Utara

10

Oleh karenanya, dengan karakteristik dari LDR yang telah dijelaskan
sebelumnya, maka LDR dapat dimanfaatkan sebagai penerima cahaya dalam
perancangan sistem.

Gambar 2.3 LDR (Light Dependent Resistor)

2.4

ARDUINO USB HOST SHIELD

Arduino USB Host Shield merupakan papan rangkaian tambahan yang digunakan
dalam berbagai projek berplatform Arduino. USB Host Shield memuat semua
sirkuit digital logic dan analog yang dibutuhkan untuk menjalankan fungsi
pengendali peripheral/host full-speed USB pada papan Arduino. Dengan fitur yang
dimiliki oleh USB Host Shield memungkinkan arduino dalam mengendalikan
perangkat-perangkat USB slave seperti flashdrive, kamera digital, bluetooth dogle,
Smartphone dan lain-lain.
Antarmuka serial pada USB Host Shield dapat digunakan untuk komunikasi
dengan chip host controller, sehingga USB Host Shield menghubungkan pin
SPI(Serial Peripheral Interface) perangkat Arduino pada IC MAX3421E. Sebuah
port USB tipe A female connector terhubung dengan IC MAX3421E seperti gambar
(2.d), dan dibekali tegangan 5V seperti pada umumnya port USB.
Salah satu jenis USB HOST SHIELD yang banyak digunakan adalah USB
Host Shield yang diproduksi oleh Sprakfun.

Universitas Sumatera Utara

11

Gambar 2.4 USB Host Shield

2.5

LASER (LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION
OF RADIATION)

LASER merupakan mekanisme suatu alat dalam memancarkan radiasi gelombang
elektromagnetik biasanya berbentuk cahaya yang dapat dilihat oleh mata normal
maupun tidak. LASER terjadi karena adanya proses pancaran stimulasi energi
foton yang berinteraksi dengan bahan aktif LASER.
Cahaya LASER memiliki karakteristik yang unik dibandingkan cahaya
yang lain. Cahaya laser memiliki tingkat divergensi yang sangat rendah, dapat
melintasi jarak yang sangat jauh dan menghasilkan berkas cahaya sangat kecil.
Cahaya LASER digunakan dalam berbagai aplikasi sesuai dengan sumber
daya, bahan pembuatan dan panjang gelombang cahaya yang dihasilkan oleh laser.
Untuk keperluan medis biasanya digunakan sinar LASER terbuat dari bahan aktif
GaN (Galium Nitrogren) memiliki panjang gelombang yang pendek berkisar 375 –
475 nm, meiliki daya yang besar 30 – 100 W sehingga mampu menghasilkan energi
foton yang besar dan memiliki daya tembus tinggi terhadap objek. Dalam
penggunaan sehari-hari misalnya LASER mainan, pointer dalam presentasi,
memiliki panjang gelombang yang lebih besar berkisar 600 – 800 nm, memiliki
daya yang lebih kecil 1-5 mW menghasilkan energi foton yang lebih kecil sehingga
cukup aman untuk digunakan dalam keperluan sehari-hari dibandingkan jenis-jenis

Universitas Sumatera Utara

12

LASER yang lain yang memiliki panjang gelombang yang lebih pendek dengan
energi foton yang lebih besar.
(www.bgu.ac.il/~glevi/website/Guides/Lasers.pdf)

Gambar 2.5 LASER pointer
2.6

ANDROID

Android merupakan sistem operasi berbasis Linux yang sebagian besar ditargetkan
untuk perangkat mobile layar sentuh seperti smartphone dan computer tablet.
Android bekerja dalam sebuah jenis kernel yang disebut monolithic yang
merupakan kernel Linux termodifikasi.
Android dibangun menggunakan bahasa pemrograman Java dan OOP
(Object Oriented Programming) dan untuk susunan antarmuka pengguna
menggunakan bahasa pemrograman berbasis XML. Setelah antarmuka pengguna
dibentuk, maka Java digunakan untuk menjalankan fungsi dari antarmuka yang
disusun sebelumnya menggunakan XML code. Sampel dari antarmuka pada
Android Smartphone ditunjukkan seperti pada gambar (2.f). Karena dibangun
berdasarkan OOP maka aplikasi yang dibuat bersifat lebih fleksible untuk
dikostumasi sesuai dengan keinginan pengguna.(DiMarzio J.F, 2008)

Universitas Sumatera Utara

13

Gambar 2.6 Android 4.3 (Jelly Bean) pada Samsung Galaxy Nexus
Dalam perkembangannya, Android Smartphone kini mampu digunakan
untuk mengendalikan beberapa perangkat rumah tangga seperti sakelar lampu, stop
kontak daya dan thermostat. Beberapa pengembang perangkat yang menggunakan
mikrokontroller juga telah mengembangkan beberapa projek dalam memanfaatkan
Android Smartphone untuk mengendalikan mikrokontroller .
Dalam pengaplikasian USB host, Android versi minimal 4.0 lebih memadai
karena pada sudah terdapat USB host API(Application Protocol Layer) sehingga
lebih mudah untuk menjalankan komunikasi data serial USB baik secara
Synchronous maupun Asynchronous dengan perangkat-perangkat lain yang
menggunakan komunikasi serial untuk proses pertukaran data.

Universitas Sumatera Utara