SISTEM PERINGATAN DINI KEBOCORAN GAS ELPIJI DENGAN MENGGUNAKAN SENSOR HS-133 BERBASIS MIKROKONTROLER ATmega8
Skripsi Untuk memenuhi sebagian persyaratan Mencapai derajat Sarjana S-1
Program Studi Fisika
Diajukan oleh: FURKONUDIN 06620010
Kepada PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SUNAN KALIJAGA YOGYAKARTA 2011
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan disuatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Yogyakarta, 16 Februari 2011
Furkonudin
ii
KATA PENGANTAR
Assalamu’alaikum Wr.Wb Alhamdulillahirobbil ‘alamin, penulis bersyukur kehadirat Allah SWT yang Maha Pengasih dan Penyayang serta senantiasa mencurahkan Rahmat dan Hidayah kepada hamba-Nya sehingga penulisan Skripsi ini dapat terselesaikan. Semoga keselamatan dan kesejahteraan senantiasa terlimpah kepada Nabi Muhammad SAW, yang telah memandu manusia menuju jalan kebenaran di dunia dan akhirat. Dalam penyusunan Skripsi ini, penulis banyak mendapatkan bantuan dari berbagai pihak, mulai dari persiapan hingga Skripsi ini selesai dikerjakan. Untuk itu dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih kepada: 1. Bapak Prof. Dr. Musa Asyarie, selaku Rektor UIN Sunan Kalijaga Yogyakarta. 2. Prof. Drs. H. Akh. Minhaji, M.A.,Ph.D selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi UIN Sunan Kalijaga Yogyakarta. 3. Bapak Thaqibul Fikri Niyartama, M.Si selaku Kepala Jurusan Program Studi Fisika, sekaligus sebagai Dosen Penasehat Akademik Penulis. 4. Ibu Widayanti, M.Si selaku Dosen Pembimbing I penulisan skripsi penulis, terimakasih atas waktu dan saran yang telah diberikan. 5. Ibu Retno Rahmawati, M.Si selaku Dosen Pembimbing II penulisan skripsi penulis, terimakasih atas motivasi untuk segera lulus, saran dan koreksi yang telah diberikan.
iii
6. Dosen Program Studi Fisika Fakultas Sains dan Teknologi UIN Sunan Kalijaga Yogyakarta yang telah mengajarkan dan membagikan ilmunya. 7. Seluruh staf dan karyawan dibagian Tata Usaha Fakultas Sains dan Teknologi UIN Sunan Kalijaga Yogyakarta. 8. Ayah dan ibunda tercinta yang selalu memberi dukungan, do’a dan nasihat kepada penulis, nasihat ayah dan ibu kan ku ingat dan kukerjakan. 9. Kang Amir yang menjadi motivator bagiku untuk dapat terus menuntut ilmu. 10. Adikku I’ing dan Amy mengingatmu membuatku malu tuk berlama-lama duduk dibangku kuliah. 11. Chayang Roik yang setia menemani walau bagaimanapun keadaanku. 12. Seluruh teman-teman Fisika angkatan 2006, Yamyam Suriba, Jheng Tom2, Say, Mumun, Pak Danang, Muse, Fuad, Dyas, Madeceng, semoga kebersamaan kita selama ini akan terus terjalin. Dengan segala keterbatasan penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan dalam penyusunan skripsi ini. Untuk itu Saran dan kritik yang konstruktif dari semua pihak sangat penulis harapkan demi perbaikan dan peningkatan skripsi ini. Akhirnya, penulis hanya bisa mendoakan semoga Allah membalas semua kebaikan-kebaikan mereka selama ini. Aamiin…. Yogyakarta, 16 Februari 2011
Penulis
iv
PERSEMBAHAN
Motto: 1. “Jadikanlah sabar dan sholat sebagai penolongmu. Dan sesungguhnya yang demikian itu sungguh berat, kecuali bagi orang-orang yang khusyu”. (Qs. Al-Baqarah : 45). 2. “Allah
tidak
membebani
seseorang
melainkan
sesuai
dengan
kesanggupannya, dia mendapat pahala dari kebaikan yang dilakukannya dan mendapat siksa dari kejahatan yang diperbuatnya” (QS Al-Baqarah : 286) 3. Sebelum tidur, maafkan seluruh manusia, cuci hati dengan pemaafan sebanyak tujuh kali, dan untuk yang kedelapan kalinya lumurilah dengan ampunan, niscaya akan mendapatkan kedamaian hati. 4. Ilmu itu teman akrab dalam kesepian, sahabat dalam keterasingan, pengawas dalam kesendirian, penunjuk jalan kearah yang benar, penolong disaat sulit dan simpanan setelah kematian
Skripsi ini kupersembahkan untuk 1. Ayah dan ibunda tercinta 2. Kang Amir dan kedua adikku “Amy” n “I’ing” 3. Chayang Roik yang setia menemani bagaimanapun keadaanku 4. Seluruh Ummat manusia yang peduli dan ingin maju dengan pendidikan
v
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL HALAMAN PENGESAHAN..........................................................................
i
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN ....................................................
ii
KATA PENGANTAR .....................................................................................
iii
PERSEMBAHAN ............................................................................................
v
DAFTAR ISI ....................................................................................................
vi
DAFTAR TABEL ............................................................................................
viii
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................
ix
DAFTAR LAMPIRAN ....................................................................................
x
INTISARI ........................................................................................................
xi
BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Masalah .............................................................................
1
I.2 Rumusan Masalah .......................................................................................
3
I.3 Batasan Masalah .........................................................................................
3
I.4 Tujuan Penelitian ........................................................................................
4
I.5 Manfaat Penelitian ......................................................................................
4
I.6 Keaslian Penelitian .....................................................................................
4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1 Tinjauan Pustaka .......................................................................................
5
II.2 Landasan Teori ..........................................................................................
6
II.2.1 Liquified Petroleum Gas (LPG) ......................................................
6
II.2.2 Mikrokontroler ATmega8 ...............................................................
8
II.2.2.1 CPU (Central Processing Unit) ..........................................
13
II.2.2.2 Bagian Masukan/Keluaran (I/O) .........................................
13
II.2.2.3 Special Function Register (SFR) ........................................
14
II.2.3 Sensor ..............................................................................................
14
vi
II.2.3.1 Karakteristik Statik Sensor .................................................
15
II.2.3.2 Sensor HS-133 ....................................................................
21
BAB III METODE PENELITIAN III.1 Alat dan Bahan ........................................................................................
25
III.2 Desain Blok ..............................................................................................
26
III.3 Prosedur Kerja Penelitian.........................................................................
28
III.4 Rangkaian Power Supply Adaptor (PSA) ................................................
29
III.5 Rangkaian Minimum Mikrokontroler ATmega8 .....................................
29
III.6 Rangkaian Buzzer/Alarm .........................................................................
30
III.7 Rangkaian Interface LCD ........................................................................
31
III.8 Konversi Tegangan Output Menjadi Satuan ppm (part per million) .......
32
III.9 Langkah Pengujian Sistem Deteksi Gas Elpiji ........................................
34
III.10 Cara Kerja Sistem ..................................................................................
35
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN IV.1 Hasil Pengujian ........................................................................................
36
IV.1.1 Pengujian Deteksi Stimulus Pada Hasil Perancangan Sistem Sensor 36 IV.1.2 Karakterisasi Sistem Sensor...........................................................
38
IV.2 Pembahasan..............................................................................................
43
BAB V KESIMPULAN V.1 Kesimpulan ...............................................................................................
47
V.2 Saran ..........................................................................................................
47
DAFTAR PUSTAKA .....................................................................................
49
LAMPIRAN ....................................................................................................
51
vii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Bagian Dalam Sensor HS-133 .........................................................
23
Tabel 4.1 Data pengujian jarak deteksi terhadap konsentrasi gas elpiji (ppm)
37
Tabel 4.2 Output tegangan sensor (V) dan konsentrasi gas (ppm) ...................
38
Tabel 4.3 Karakteristik Sistem Sensor HS-133................................................
45
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Konfigurasi pin Mikrokontroler ATmega8 ..................................
9
Gambar 2.2 Presisi dan Akurasi .......................................................................
16
Gambar 2.3 Grafik penentuan error repeatability sensor ................................
17
Gambar 2.4 Grafik linieritas dan nonlinieritas .................................................
21
Gambar 2.5 Grafik sensitivitas sensor HS-133 ................................................
22
Gambar 2.6 Struktur bagian dalam sensor HS-133 .........................................
22
Gambar 2.7. Rangkaian pengukuran parameter listrik H-133 .........................
24
Gambar 3.1 Desain blok sistem deteksi ...........................................................
26
Gambar 3.2 Diagram Alir Penelitian ...............................................................
28
Gambar 3.3 Rangkaian Power Supply Adaptor (PSA) ....................................
29
Gambar 3.4 Rangkaian Minimum Mikrokontroler ATmega8 .........................
30
Gambar 3.5 Rangkaian Buzzer/Alarm..............................................................
31
Gambar 3.6 Rangkaian Interface LCD ............................................................
32
Gambar 3.7 Rangkaian Sensor HS-133 ...........................................................
33
Gambar 3.8 Diagram alir cara kerja sistem peringatan dini kebocoran gas.....
35
Gambar 4.1 Tampilan sistem saat mendeteksi gas elpiji .................................
36
Gambar 4.2 Grafik hubungan jarak deteksi terhadap konsentrasi gas (ppm) ..
37
Gambar 4.3 Grafik hubungan tegangan sensor terhadap konsentrasi gas (ppm) 39 Gambar 4.4 Grafik Hasil karaktersisasi sistem sensor ....................................
ix
43
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Surat Persetujuan Skripsi ..............................................................
51
Lampiran 2 Perhitungan karakteristik sensor dengan metode least square .....
52
Lampiran 3 Proses Pembuatan Alat .................................................................
53
Lampiran 4 Listing Program Menggunakan Bahasa C ....................................
56
Lampiran 5 Kode ASCII Bahasa C ..................................................................
63
Lampiran 6 LPG Gas Sensor HS-133 Spesifications .......................................
65
Lampiran 7 ATMEL Data Sheet ......................................................................
69
x
SISTEM PERINGATAN DINI KEBOCORAN GAS ELPIJI DENGAN MENGGUNAKAN SENSOR HS-133 BERBASIS MIKROKONTROLER ATmega8
Furkonudin 06620010
INTISARI Telah berhasil dibuat seperangkat sistem sensor peringatan dini kebocoran gas elpiji dengan menggunakan sensor HS-133. Sistem sensor ini mampu mendeteksi dan menampilkan konsentrasi gas elpiji yang terdeteksi melalui LCD dalam satuan ppm. Sistem sensor yang menggunakan sensor HS-133 yang telah dihasilkan dari penelitian ini kemudian dikarakterisasi agar dapat digunakan sebagai alat pendeteksi gas elpiji. Penelitian ini menggunakan mikrokontroler ATmega8 sebagai sistem kontrol dari sinyal masukan dan keluaran. Hasil akuisisi data dari penelitian ini dianalisis dengan menggunakan pendekatan metode kuadrat terkecil (least square). Dari hasil analisis data diperoleh variabel karakterisasi antara lain: nilai sensitivitas sebesar 0,000107 Volt/ppm, galat taksiran standar sebesar 0,419338, error repeatability sebesar 5,645%, jangkauan pengukuran sampai dengan 20.000 ppm, dan Zero of Set sebesar 0,6 Volt. Kata kunci: Gas elpiji, Sensor HS-133, Mikrokontroler ATmega8
xi
BAB I PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang Masalah Maraknya kebakaran dan kecelakaan yang disebabkan oleh bocor dan meledaknya tabung gas elpiji akhir-akhir ini, menjadi hal yang menakutkan bagi masyarakat pengguna gas tersebut. Maraknya kejadian tersebut tidak hanya menimbulkan kontroversi tapi juga kecaman dari berbagai kalangan terhadap pemerintah yang telah melakukan konversi gas. Bagi sebagian kalangan, pemerintah dianggap telah mengirimkan bom waktu bagi rakyatnya. Elpiji sudah tidak lagi menjadi barang mewah, dan telah menjelma menjadi barang kebutuhan rumah tangga modern. Meskipun demikian, kewaspadaan saat menggunakan elpiji tidak boleh dilupakan. Apalagi belakangan ini telah banyak beredar tabung gas palsu tanpa logo SNI (Standar Nasional Indonesia). Salah satu resiko penggunaan gas elpiji adalah terjadinya kebocoran pada tabung atau instalasi gas tersebut. Pusat Laboratorium Forensik (Puslabfor) Mabes Polri menyatakan, kasus ledakan yang dipicu tabung gas elpiji ukuran 3 Kg diberbagai wilayah di Indonesia murni disebabkan karena faktor human error. Ito Sumardi (2010) menjelaskan selain faktor human error, ditemukan laporan kebocoran tabung gas yang disebabkan tabung sudah mengalami korosi. Penyebab lainnya adalah adanya upaya pengoplosan yang membuat rusaknya aksesori seperti selang, valve, dan regulator pada tabung gas.
1
2
Pada awalnya, gas elpiji tidak berbau, tetapi bila demikian akan sulit dideteksi apabila terjadi kebocoran pada tabung gas. Menyadari hal tersebut, Pertamina menambahkan gas mercaptane, yang baunya khas dan menusuk hidung. Langkah itu sangat berguna untuk mendeteksi bila terjadi kebocoran tabung gas.
Melalui gas mercaptane tersebut masyarakat sudah dapat
menghindari ledakan gas LPG, yaitu dengan cara pendeteksian bau gas dengan indra pencium/hidung. Namun karena keterbatasan dari indra pencium tersebut, bau gas yang tercium terkadang tidak dihiraukan dan tidak menjadikannya waspada. Akibatnya kecelakaan yang diakibatkan oleh kebocoran tabung gas pun tidak dapat dihindari. Elpiji merupakan campuran dari berbagai hidrokarbon, sebagai hasil penyulingan minyak mentah yang berbentuk gas. Dengan menambah tekanan atau menurunkan suhunya sehingga elpiji menjadi berbentuk cair. Gas elpiji terkenal dengan sifatnya yang mudah terbakar sehingga kebocoran peralatan elpiji beresiko tinggi terhadap kebakaran. Dikarenakan sifatnya yang sensitif, maka perlu adanya perhatian khusus terhadap bahan bakar jenis ini. Pada penelitian sebelumnya telah dibuat suatu alat yang dapat mendeteksi kebocoran gas elpiji. Namun pada penelitian tersebut hanya sebatas membunyikan sirine sebagai tanda peringatan dan hanya mampu menampilkan level kondisi (level aman, level waspada, level bahaya) pada tampilan displaynya. Pada penelitian ini dibuat sistem pendeteksi bau gas dengan fasilitas display LCD (Liquid Cristal Display) yang menampilkan konsentrasi gas berbasiskan mikrokontroler ATmega8 dan sensor HS-133.
3
Sistem ini memiliki kelebihan dalam sistem komunikasi yaitu memberikan informasi konsentrasi gas, agar dapat selalu diamati oleh pengguna. Selain itu sistem juga dilengkapi dengan buzzer sebagai sirine dan LED indikator jika terdeteksi adanya gas.
I.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang di atas dapat dirumuskan suatu masalah yang relevan dengan judul yang ada yaitu: 1. Bagaimanakah membuat seperangkat sistem peringatan dini kebocoran gas elpiji dengan menggunakan sensor HS-133? 2. Bagaimanakah karakteristik sensor HS-133 yang dihasilkan dari penelitian ini agar dapat digunakan sebagai alat pendeteksi gas elpiji?
I.3 Batasan Masalah Berdasarkan rumusan masalah diatas, maka penelitian ini dibatasi pada hal-hal berikut ini: 1. Sensor yang digunakan dalam penelitian ini adalah sensor HS-133. 2. Sistem berbasis mikrokontroller ATmega8 yang bertugas untuk mengatur seluruh kegiatan sistem yang dirakit. 3. Tanda bahaya dari kebocoran gas akan ditampilkan melalui LCD berupa nilai konsentrasi gas dengan satuan ppm (part per million) dan buzzer sebagai sistem peringatan dini.
4
I.4 Tujuan Penelitian Adapun tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Merancang dan mengimplementasikan suatu sistem yang dapat memantau dan mendeteksi adanya kebocoran gas elpiji dengan menggunakan sensor HS-133 2. Mengkarakterisasi sistem sensor HS-133 yang dihasilkan dari penelitian ini agar dapat digunakan sebagai alat pendeteksi gas elpiji.
I.5 Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini antara lain sebagai berikut: 1. Menanggulangi kebakaran yang diakibatkan oleh kebocoran gas elpiji. 2. Menghindari kecelakaan akibat kebocoran dan meledaknya tabung gas elpiji 3. Mengurangi human error akibat salah dalam melakukan pengukuran konsentrasi gas.
I.6 Keaslian Penelitian Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
II.1 Tinjauan Pustaka Risdianto Yuli Hermansyah, (2006): Sistem Pemantau Keadaan Rumah dan Kantor dari Bahaya Kebakaran dan Penyusup, Skripsi Jurusan Fisika Elektronika dan Instrumentasi, FMIPA UGM. Penelitian ini berlatar belakang maraknya kebakaran yang terjadi akhir-akhir ini. Sensor yang digunakan dalam penelitian ini adalah sensor suhu yaitu LM35. SMS dapat digunakan untuk dapat menyampaikan informasi tanda bahaya kebakaran kepada pemilik dengan memasang sensor LM35 pada sistem. Sistem ini dilengkapi fiture SMS, sehingga informasi keadaan rumah dari bahaya kebakaran dan penyusup dapat secara langsung diketahui pemilik rumah melalui pesan SMS. Kesimpulan dari skripsi ini adalah telah berhasil dibuat suatu sistem/alat yang dapat memantau keadaan rumah dari bahaya kebakaran dan penyusup berbasis mikrokontroller dan SMS. Fito Wigunanto Herminawan, (2009): Prototype Sistem Peringatan Dini Kebocoran Liquified Petroleum Gas Menggunakan Sensor Gas TGS 2610, Skripsi Jurusan Fisika Elektronika dan Instrumentasi, FMIPA UGM. Sistem tersebut dibuat dengan tujuan untuk mendeteksi kebocoran gas LPG (Liquid Petroleum Gas) dengan menggunakan mikrokontroler sebagai pusat pengendali yang menghasilkan keluaran berupa level kondisi. Sistem ini tidak dapat menampilkan konsentrasi gas secara kuantitatif, tapi dalam bentuk level
5
6
konsentrasi gas. Level aman, waspada dan bahaya disajikan melalui LCD, buzzer/sirine, dan lampu peringatan. Penelitian yang akan dilakukan oleh penulis berbeda dengan penelitian sebelumnya. Penulis akan membuat seperangkat sistem peringatan dini yang dapat mendeteksi apabila ada kebocoran gas LPG dengan menggunakan sensor gas HS-133. Sistem ini memiliki kelebihan dalam sistem komunikasi yaitu memberikan informasi konsentrasi gas agar dapat selalu diamati oleh pengguna. Selain itu sistem juga dilengkapi dengan buzzer sebagai sirine dan LED indikator jika terdeteksi adanya gas.
II.2 Landasan Teori II.2.1 Liquified Petroleum Gas (LPG) Liquified Petroleum Gas (LPG), merupakan gas hasil produksi dari kilang minyak atau kilang gas, yang komponen utamanya adalah gas propane (C3H8) dan butane (C4H10) kurang lebih 97% dan selebihnya adalah gas pentane (C5H12) yang dicairkan. Pertamina memasarkan LPG sejak tahun 1969 dengan merk dagang ELPIJI. Perbandingan komposisi, propane (C3H8) dan butane (C4H10) adalah sebesar 30:70. Zat mercaptane biasa ditambahkan kepada LPG untuk memberikan bau yang khas, sehingga kebocoran gas dapat dideteksi dengan cepat. Elpiji lebih berat dari udara dengan berat jenis sekitar 2.01 (dibandingkan dengan udara), tekanan uap Elpiji cair dalam tabung sekitar 5.0 – 6.2 Kg/cm2.
1
Buku Pintar Petunjuk Aman Penggunaan Elpiji 3 Kg Pertamina, halaman 2.
1
7
Berdasarkan komposisi propane dan butane, LPG dapat dibedakan menjadi tiga macam, yaitu: •
LPG propane, yang sebagian besar terdiri dari C3
•
LPG butane, yang sebagian besar terdiri dari C4
•
Mix LPG, yang merupakan campuran dari propane dan butane.
Berdasarkan cara pencairannya, LPG dibedakan menjadi dua macam, yaitu: 1. LPG Refrigerated LPG Refrigerated adalah LPG yang dicairkan dengan cara didinginkan (titik cair Propana adalah + -42°C, dan titik cair Butana adalah + -0.5°C). LPG jenis ini umum digunakan untuk mendistribusikan LPG dalam jumlah besar (misalnya, mengirim LPG dari negara Arab ke Indonesia). Dibutuhkan tangki penyimpanan khusus yang harus didinginkan agar LPG tetap dapat berbentuk cair serta dibutuhkan proses khusus untuk mengubah LPG Refrigerated menjadi LPG Pressurized. 2. LPG Pressurized LPG Pressurized adalah LPG yang dicairkan dengan cara ditekan (45 kg/cm2). LPG jenis ini disimpan dalam tabung atau tangki khusus yang bertekanan. LPG jenis inilah yang banyak digunakan dalam berbagai aplikasi di rumah tangga dan industri, karena penyimpanan
8
dan penggunaannya tidak memerlukan handling khusus seperti LPG Refrigerate. Elpiji memiliki sifat yang khas antara lain sebagai berikut: 1. Sensitif terhadap api 2. Bersifat flammable (mudah terbakar) 3. Tidak berwarna dan tidak berbau 4. Tekanan gas LPG cukup besar, sehingga bila terjadi kebocoran LPG akan membentuk gas secara cepat, dan memuai 5. LPG menghambur di udara secara perlahan sehingga sukar mengetahuinya secara dini 6. Berat jenis LPG lebih besar dari pada udara sehingga cenderung bergerak kebawah 7. Daya pemanasannya cukup tinggi, namun tidak meninggalkan debu dan abu (sisa pembakaran).2
II.2.2 Mikrokontroler ATmega8 ATmega8 merupakan seri mikrokontroler 8-bit buatan Atmel, berbasis arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer). Hampir semua instruksi dieksekusi dalam satu siklus clock. AVR mempunyai 32 register general-purpose, timer/counter, fleksibel dengan mode compare, interrupt internal dan eksternal, serial UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter), PWT (Programmable Watchdog Timer), dan
2
PT. Aptogaz Indonesia. www.aptogaz.com
9
mode power saving, ADC (Analog to Digital Converter) dan PWM (Pulse-width modulation) internal. Keluarga AVR juga mempunyai In System Programmable Flash on-chip yang mengijinkan memori program untuk diprogram ulang dalam sistem menggunakan hubungan serial SPI (Serial Programmable Interface). Mikrokontroler Atmega8 memiliki 28 Pin dengan internal ADC (Analog to Digital Converter)3. Konfigurasi PIN ATmega8 dapat diperlihatkan pada gambar 2.1 berikut ini:
Gambar 2.1 Konfigurasi pin Mikrokontroler ATmega8 (Sumber: Data Sheet ATMEL No. Rev.2486V–AVR–05/09)
Mikrokontroler
ATmega8
sebagaimana
gambar 2.1 memiliki feature sebagai berikut4: •
3 4
Kecepatan beroperasi mulai dari 0 Hz -16 MHz
Data Sheet ATMEL No. Rev.2486V–AVR–05/09, halaman 3-4 Data Sheet ATMEL No. Rev.2486V–AVR–05/09, halaman 1
diperlihatkan
pada
10
•
Memori: 8 Kb flash memory, 512 bytes EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) , 1 Kb internal SRAM (Static Random-Access Memory)
•
Time/Counter Dua buah 8 bit timer/counter, Satu buah 16 bit timer/counter,
•
ADC (Analog to Digital Converter) internal dengan spesifikasi: Delapan kanal yang dapat digunakan secara bergantian, Resolusi mencapai 10 bit, Tersedia 2,56 V tegangan referensi internal.
•
Tegangan operasi mulai 4.5 volt sampai 5.5 volt
Deskripsi dan fungsi dasar dari pin-pin mikrokontroler ATmega8 adalah sebagai berikut: 1. VCC (Common-Collector Voltage) Berfungsi sebagai penyuplai tegangan digital. Besarnya tegangan berkisar antara 4,5V – 5,5V 2. GND Ground, sebagai referensi nol suplai tegangan digital. 3. PORT B (PB7 sampai dengan PB0) PORTB adalah port I/O dua-arah (bidirectional) 8-bit dengan resistor pull-up internal yang dapat dipilih. Buffer keluaran port ini memiliki karakteristik yang simetrik ketika digunakan sebagai source ataupun
11
sink. Ketika digunakan sebagai input, pin yang dipull-low secara eksternal akan memancarkan arus jika resistor pull-up-nya diaktifkan. Pin-pin PORTB akan berada pada kondisi tri-state ketika RESET aktif, meskipun clock tidak running. 4. PORT C (PC5 sampai dengan PC0) PORTC adalah port I/O dua-arah (bidirectional) 7-bit dengan resistor pull-up internal yang dapat dipilih. Buffer keluaran port ini memiliki karakteristik yang simetrik ketika digunakan sebagai source ataupun sink. Ketika digunakan sebagai input, pin yang dipull-low secara eksternal akan memancarkan arus jika resistor pull-up-nya diaktifkan. Pin-pin PORTC akan berada pada kondisi tri-state ketika RESET aktif, meskipun clock tidak running. 5. PC6 / RESET Jika Fuse RSTDISBL (Reset Disable) diprogram, maka PC6 berfungsi sebagai pin I/O akan tetapi dengan karakteristik yang berbeda dengan PC5 sampai dengan PC0. Jika fuse RSTDISBL (Reset Disable) tidak diprogram, maka PC6 berfungsi sebagai masukan reset. Sinyal low pada pin ini dengan lebar minimum 1,5 mikrodetik akan membawa mikrokontroler ke kondisi reset, meskipun clock tidak running. 6. PORT D (PD7 sampai dengan PD0) PORTD adalah port I/O dua-arah (bidirectional) 8-bit dengan resistor pull-up internal yang dapat dipilih. Buffer keluaran port ini memiliki
12
karakteristik yang simetrik ketika digunakan sebagai source ataupun sink. Ketika digunakan sebagai input, pin yang dipull-low secara eksternal akan memancarkan arus jika resistor pull-up-nya diaktifkan. Pin-pin PORTD akan berada pada kondisi tri-state ketika RESET aktif, meskipun clock tidak running. 7. RESET Berfungsi sebagai pin masukan reset. Sinyal low pada pin ini dengan lebar minimum 1,5 mikrodetik akan membawa mikrokontroler ke kondisi reset, meskipun clock tidak running. Sinyal dengan lebar kurang dari 1,5 mikrodetik tidak menjamin terjadinya kondisi reset. 8. AVCC (Analog Common-Collector Voltage) AVCC adalah pin suplai tegangan untuk ADC, PC3, PC0, dan ADC7 sampai dengan ADC6. Pin ini harus dihubungkan dengan VCC, meskipun ADC tidak digunakan. Jika ADC digunakan, VCC harus dihubungkan ke AVCC melalui low-pass filter untuk mengurangi noise. 9. AREF (Analog Reference) Berfungsi sebagai pin analog reference untuk ADC. 10. ADC7 sampai dengan ADC6 Berfungsi sebagai analog input ADC.
13
II.2.2.1 CPU (Central Processing Unit) Bagian ini berfungsi mengendalikan seluruh operasi pada mikrokontroler. Unit ini terbagi atas dua bagian, yaitu unit pengendali atau CU (Control Unit) dan unit aritmatika dan logika atau ALU (Aritmetic Logic Unit) Fungsi utama unit pengendali adalah mengambil instruksi dari memori (fetch) kemudian menterjemahkan susunan instruksi tersebut menjadi kumpulan proses kerja sederhana (decode), dan melaksanakan urutan instruksi sesuai dengan langkah-langkah yang telah ditentukan program (execute). Unit aritmatika dan logika merupakan bagian yang berurusan dengan operasi aritmatika seperti penjumlahan, pengurangan, serta manipulasi data secara logika seperti operasi AND, OR, dan perbandingan5.
II.2.2.2 Bagian Masukan/Keluaran (I/O) Bagian ini berfungsi sebagai alat komunikasi serpih tunggal dengan peranti di luar sistem. Ada dua macam peranti I/O yang digunakan, yaitu peranti untuk hubungan serial UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) dan peranti untuk hubungan paralel yang disebut dengan PIO (Paralel Input Output)6.
5 6
Data Sheet ATMEL No. Rev.2486V–AVR–05/09, halaman 11 Data Sheet ATMEL No. Rev.2486V–AVR–05/09, halaman 51-52
14
II.2.2.3 Special Function Register (SFR) Mikrokontroler mempunyai sebuah peta memori yang disebut sebagai Special Function Register (SFR) . Port 0 berada di alamat 80h, port 1 90h, port 2 A0h dan P3 di alamat B0h. Sedangkan SBUF (Serial Buffer) untuk komunikasi serial berada pada alamat 99h.
II.2.3 Sensor Pada sistem elektronis, sensor dipandang sebagai sebuah perangkat atau device yang berfungsi untuk mengubah suatu besaran fisik menjadi besaran listrik, sehingga keluarannya dapat diolah dengan rangkaian listrik atau sistem digital. Terkait dengan perkembangan teknologi yang begitu luar biasa, pada saat ini banyak sensor telah difabrikasi dengan ukuran sangat kecil sampai orde nanometer sehingga menjadikan sensor sangat mudah digunakan dan dihemat energinya.7 Fraden (2003) mendefinisikan sensor sebagai “Peranti yang menerima sebuah stimulus dan meresponnya dengan sebuah sinyal listrik”. Lebih jauh Fraden mendefinisikan stimulus, atau rangsangan, sebagai kuantitas, sifat, atau kondisi tertentu yang dapat dirasakan dan diubah menjadi sinyal listrik. Tujuan dari sebuah sensor adalah merespon sejenis masukan dan mengubah masukan tersebut menjadi sinyal listrik. Keluaran (output) dari sensor dapat berupa arus atau beda potensial. 7
Iwan Setiawan, S.T, M.T. 2009. Buku Ajar Sensor dan Transduser, Fakultas Teknik Universitas Diponegoro. Semarang. halaman 1.
15
Setiap sensor pada prinsipnya adalah pengubah energi (energy converter).
II.2.3.1 Karakteristik Statik Sensor Karakterisasi sensor dilakukan adalah untuk mengetahui ”performance” dari sensor yang telah dirancang. Dalam hal ini sensor dianggap sebagai ”black box” yang karakteristiknya ditentukan oleh hubungan antara sinyal keluaran dan sinyal masukan. Karakteristik statis sebuah sensor dapat dicirikan sebagai berikut: a. Akurasi (Accuracy) Akurasi menyatakan kedekatan nilai hasil pengukuran dengan nilai sesungguhnya (true value) atau nilai yang dianggap benar (accepted value). Akurasi bisa diekspresikan dalam inakurasi (Inaccuracy). b. Presisi (Precision) Presisi dapat diartikan dengan ketepatan dan sangat erat hubungannya dengan akurasi, atau definisi lainnya yaitu kedekatan nilai hasil pengukuran berulang. Semakin dekat nilai-nilai hasil pengulangannya maka semakin presisi nilai pengukuran
tersebut.
Jika
hasil
pengukuran
saling
berdekatan (mengumpul) maka dikatakan mempunyai presisi tinggi dan sebaliknya jika hasil pengukuran menyebar maka
16
dikatakan mempunyai presisi rendah. Presisi diindikasikan dengan penyebaran distribusi probabilitas. Distribusi yang sempit mempunyai presisi tinggi dan sebaliknya. Ukuran presisi dapat dinyatakan sebagai standar deviasi (σ). Presisi tinggi mempunyai nilai standar deviasi kecil dan sebaliknya. Presisi dan akurasi dapat diperlihatkan pada gambar 2.2 di bawah ini:
Gambar 2.2 (a). Presisi dan akurasi tinggi, (b). Presisi rendah, akurasi tinggi, (c). Presisi tinggi akurasi rendah, (d). Presisi dan akurasi rendah.8
8
Alan S. Morris. 2001. Measurement and Instrumentation Principles, Third Edition. Plant A Tree. Britain. halaman 18
17
c. Repeatability Repeatability
yaitu
kemampuan
sensor
untuk
menghasilkan nilai yang sama pada kondisi yang berbeda. Kedekatan hasil berturut-turut diperoleh dengan metode dan kondisi yang sama dalam interval waktu yang singkat. Besarnya
error repeatability dapat dituliskan dalam
persamaan:
δ =
∆ x100% FS
(2.1)
dengan:
δ
: Error repeatability
∆
: Nilai Maximum – Nilai Mininimum
FS
: Full Scale
Grafik
untuk
menentukan
error
repeatability sensor
disajikan dalam gambar 2.3 berikut ini:
Gambar 2.3 Grafik penentuan error repeatability sensor (Sumber: Handbook of Moder Sensor, Third Edition (2003))
18
d. Sensitivitas (Sensitivity) Sensitivitas dapat diartikan sebagai kepekaan sensor terhadap kuantitas yang diukur, yaitu perbandingan kenaikan keluaran atau respon instrumen terhadap kenaikan masukan atau
variabel
mempengaruhi
yang
diukur.
sensitivitas
Linieritas dari
sensor
sensor.
juga
Apabila
tanggapannya linier terhadap stimulus yang diberikan, maka sensitivitasnya akan sama untuk jangkauan pengukuran secara keseluruhan. Untuk fungsi transfer yang linear, sensitivitas sensor dapat diperoleh dari slope grafik. Fungsi transfer adalah karakteristik sensor yang menggambarkan hubungan keluaran yang dihasilkan (Yi) terhadap stimulus yang diberikan (Xi). Fungsi tersebut bisa dalam bentuk tabel, grafik atau persamaan matematis. Hubungan dari fungsi transfer dapat berhubungan secara linier atau nonlinier.
Persamaan fungsi transfer linier
Persamaan fungsi transfer logaritmik Y = a + b ln X
(2.2)
(2.3)
Persamaan fungsi transfer eksponensial Y = aebX
(2. 4)
Kuantifikasi galat regresi linier dilakukan dengan menggunakan persamaan jumlah total kuadrat (St) dan
19
jumlah kuadrat residual (Sr), yang masing masing dinyatakan melalui persamaan berikut ini:
St = ∑
(2.5)
Sr = ∑
(2.6)
dengan
(2.7)
(2.8)
(2.9)
Deviasi standar total : Sy
=
Galat taksiran standar : Sy/x
=
Koefisien korelasi
: r2
=
Keterangan: Xi
: Stimulus/rangsangan
Yi
: Tanggapan/respon
a
: Intersep
b
: Slope
e. Linieritas (Linierity) Linieritas yaitu kemampuan sensor untuk membentuk hubungan antara output dan input yang diwujudkan dalam persamaan garis lurus. Linieritas sangat diharapkan karena segala perhitungan dapat dilakukan dengan mudah jika sensor dapat diwujudkan dalam persamaan garis lurus.
20
Ada banyak sensor yang menghasilkan sinyal keluaran yang berubah secara kontinyu sebagai tanggapan terhadap masukan yang berubah secara kontinyu. Sebagai contoh, sebuah sensor panas dapat menghasilkan tegangan sesuai dengan panas yang dirasakannya. Dalam kasus seperti ini, dapat diketahui secara tepat bagaimana perubahan keluaran dibandingkan dengan masukannya melalui sebuah grafik. Pendekatan sifat linieritas sensor dapat dilakukan dengan metode kuadrat terkecil (least square), yaitu dengan cara menentukan konstanta regresinya. Untuk menentukan slope (b) dan intersep (a) dapat digunakan persamaan sebagai berikut:
∑Y ∑ X − ∑ X ∑ X Y n∑ X − (∑ X ) 2
a=
i
i
i
i i
2
2
i
b=
i
n ∑ X iYi − ∑ X i ∑ Yi n∑ X i − (∑ X i ) 2
dengan a
: Intersep
b
: Slope
Xi
: Stimulus
Yi
: Tanggapan/respon
n
: Jumlah data
∑
(2.10)
: Jumlahan dari n.
2
(2.11)
21
Adapun grafik linier dan nonlinieritas disajikan pada gambar 2.4 berikut ini:
(a)
(b)
Gambar 2.4 (a). Grafik linieritas, (b) grafik nonlinieritas9 (Sumber: Measurement and Instrumentation Principles, Third editions (2001))
II.2.3.2 Sensor HS-133 Sensor HS-133 adalah suatu jenis semikonduktor oksida logam film tebal yang menawarkan biaya cukup rendah, daya tahan yang lama, sensitivitas yang bagus terhadap gas (target) yang disensor
dengan
menggunakan
rangkaian
elektronik
yang
sederhana. Sensor ini sangat cocok untuk aplikasi dalam mendeteksi kebocoran gas elpiji, isobutana, propana dan metana.10 Adapun grafik sensitivitas sensor HS-133 dapat diperlihatkan pada gambar 2.6 di bawah ini:
9
Jacob, Fraden. 2003. Handbook Of Modern Sensor, Third Edition. AIP Press, New York. halaman 21 10 Suprayitno, 2009. Artikel tentang “Perancangan dan Realisasi Alat Pendeteksi Konsentrasi (kandungan) Gas LPG”, Perpustakaan Institut Teknologi Telkom. Bandung.
22
Gambar 2.5 Grafik sensitivitas sensor HS 133 (Sumber: Data Sheet HS-133 05/09)
a. Struktur dan konfigurasi sensor HS-133 Struktur dan konfigurasi sensor dapat diperlihatkan pada gambar 2.7 berikut ini:
Gambar 2.6 Struktur Bagian dalam Sensor HS 133 (Sumber: Data Sheet HS-133 05/09)
23
Masing-masing bagian sensor HS 133 tersebut disajikan dalam tabel 2.1 berikut ini:
Seri 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Tabel 2.1 Bagian dalam Sensor HS-133 Bagian Material Gas sensing layer SnO2 Measurement electrode Au Measurement electrode ignited line Pt Heater Ni-Cr alloy Tubular ceramic basic body Al2 O3 100 dual layer Anti-explosion network stainless steel (SUS316) Clamp ring materials valcanized Ni Basic seat Bakelite Tube foot materils valcanized Ni
b. Cara Kerja Sensor HS-133 Pencium utama pada rangkaian pendeteksi gas ini adalah sebuah sensor gas HS-133 yang didalamnya terdapat kawat pemanas (heater) dari bahan nichrome yang berbentuk miniatur dengan nilai resistansi nominal 33 Ω, permukaan sensor dilapisi dengan dioxide (SnO2) yang tahan terhadap panas. HS-133 ini sangat peka terhadap LPG dan cara kerjanya sederhana. Jika molekul gas menyentuh permukaan sensor maka satuan resistansinya akan mengecil sesuai dengan konsentrasi gas. Sebaliknya, jika konsentrasi gas menurun akan diikuti dengan semakin tingginya resistansi maka tegangan keluarannya akan menurun. Dengan demikian perubahan konsentrasi gas dapat mengubah nilai resistansi sensor dan juga akan mempengaruhi tegangan keluarannya juga, perbedaan inilah
24
yang dijadikan acuan bagi pendeteksi gas elpiji ini. Rangkaian pengukuran
parameter
listrik
sensor
HS-133
ini
dapat
diperlihatkan pada gambar 2.8 berikut ini:
Gambar 2.7 Rangkaian pengukuran parameter listrik HS-133 (Sumber: Data Sheet HS-133 05/09)
Keterangan: Vc
: circuit voltage
Vout
: output voltage
RL
: load resistance
A
: fetch signal A
B
: fetch signal B
f
: heater
BAB III METODE PENELITIAN
III.1 Alat dan Bahan a. Alat Peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut: •
Komputer
1 Unit
•
Multitester
1 Buah
•
Solder
1 Buah
•
Obeng
1 Buah
•
Bor
1 Buah
•
Wadah pengaduk/pelarut
1 Buah
•
ISP Downloader
1 Buah
•
Eagle software
Versi 5.10
•
Code Vision software
Versi 2.03
b. Bahan Sedangkan bahan utama yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut: •
Sensor HS-133
1 Buah
•
Mikrokontroler Atmega8
1 Buah
•
LCD 2x16 Karakter
1 Buah
•
Buzzer 12 Volt
1 Buah
25
26
•
PCB Single layer
•
Larutan feri chloride
•
Adaptor 12 Volt DC
1 Buah
•
Tenol
1 Gulung
•
Korek gas
1 Buah
•
LED merah
3 Buah
•
LED kuning
1 Buah
•
LED hijau
1 Buah
•
Kapasitor 4700 µF 35 Volt
1 Buah
•
Kapasitor 470 µF 16 Volt
1 Buah
•
Resistor 150 Ω
5 Buah
•
Resistor 10.000 Ω
1 Buah
•
Resistor 4.300 Ω
1 Buah
•
Resistor 330 Ω
1 Buah
•
Resistor 47 Ω
1 Buah
•
Transistor jenis NPN
1 Buah
•
Dioda
1 Buah
•
Dioda bridge
1 Buah
1 Buah
III.2 Desain Blok
Gambar 3.1 Desain blok sistem deteksi
27
Keterangan dari masing-masing blok pada gambar 3.1 di atas adalah sebagai berikut: a. Blok Sensor Bagian ini berfungsi untuk mendeteksi adanya gas elpiji sehingga data akan dikirimkan ke ADC dan diproses oleh Mikrokontroler. Sensor yang digunakan untuk mendeteksi adanya gas elpiji ini adalah HS-133. b. Blok Pengolah Merupakan blok pusat yang berfungsi untuk mengolah dan memproses data. Blok ini merupakan blok Mikrokontroler ATmega8 yang didalamnya sudah terdapat ADC internal. c. Blok Peringatan Berfungsi sebagai indikator atau peringatan yang menandakan adanya gas elpiji yang terdeteksi disekitar sistem. d. Blok Penampil Berfungsi
untuk
menampilkan
keadaan
aman
konsentrasi gas jika ada gas elpiji yang terdeteksi.
dan
menampilkan
28
III.3 Prosedur Kerja Penelitian Prosedur kerja pada penelitian ini dapat diperlihatkan pada diagram alir pada gambar 3.2 di bawah ini:
Desain Skematik & Layout PCB
Pelarutan PCB dengan Feri Chloride
Merangkai dan Soldering
Tes alur rangkaian
Download program ke Mikro
Pengujian Alat
Karakterisasi Sistem Sensor
Gambar 3.2 Diagram Alir Penelitian
29
III.4 Rangkaian Power Supply Adaptor (PSA) Rangkaian ini berfungsi untuk memberikan supply tegangan ke seluruh rangkaian yang ada. Rangkaian PSA yang dibuat satu keluaran, yaitu 5 volt yang digunakan untuk mensupply men tegangan ke seluruh rangkaian. Rangkaian PSA dilengkapi dengan LED merah sebagai indikator bahwa PSA mensupply men tegangan. Rangkaian power supply ditunjukkan pada gambar 3.3 berikut ini: ini
Gambar 3.3 3. Rangkaian Power Supplay Adaptor (PSA)
III.5 Rangkaian Minimum Mikrokontroler ATmega8 Rangkaian mikrokontroller ATmega8 AT ini merupakan sistem kontrol yang mengatur
fungsi
kerja
sistem
pengukuran.
Dalam
penelitian
ini,
mikrokontroler digunakan sebagai sistem kontrol input dan output saja. Input (masukan) pada rangkaian sistem kontrol ini dihubungkan dengan sensor HS133. Sedangkan output (keluaran) dihubungkan dengan piranti tampilan berupa LCD, dan buzzer sebagai peringatan dini.. Rangkaian mikrokontroler ditunjukkan pada gambar 3.4 berikut ini:
30
Gambar 3.4 Rangkaian Minimum Mikrokontroler ATmega8
III.6 Rangkaian Buzzer/Alarm Buzzer Rangkaian alarm pada sistem ini berfungsi untuk memutuskan ataupun atau menghubungkan sumber tegangan 12 Volt dengan buzzer. Rangkaian alarm ini dihubungkan hubungkan ke mikrokontroler melalui PORTB3. Gambar rangkaian alarm ini ditunjukkan pada gambar 3.5 berikut ini:
31
Gambar 3.5 Rangkaian buzzer/alarm
III.7 Rangkaian Interface LCD Rangkaian Interface LCD pada sistem ini berfungsi untuk menampilkan keadaan gas dan nilai konsentrasi gas terpantau dalam satuan ppm (part per million) saat terdeteksi adanya gas. LCD yang digunakan pada sistem ini adalah LCD berukuran 2x16 karakter. Rangkaian interface ini dihubungkan ke mikrokontroler melalui PORT D, yaitu D0, D1, D2, D4, D5, D6, dan D7. Gambar rangkaian Interface LCD ini diperlihatkan pada gambar 3.6 berikut ini:
32
Gambar 3.6 Rangkaian Interface LCD
III.8 Konversi tegangan output menjadi satuan ppm (part per million) Pada proses pendeteksian LPG, nilai resistansi Rs pada sensor akan berkurang sesuai dengan nilai konsentrasi LPG yang terdeteksi. Sensor, untuk melakukan pendeteksian, memerlukan dua tegangan yang sama antara Vh (untuk heater) dengan Vc (untuk R) yaitu masing-masing sebesar (5,0 ± 0,1)V seperti diperlihatkan pada gambar 3.7. Cara mengkonversi dari besar tegangan output VRL ke dalam satuan konsentrasi gas ppm (part per million) memerlukan nilai referensi R0 sebesar 3000 Ω serta RL sebesar 3000 Ω.
33
Gambar 3.7 Rangkaian Sensor HS-133 Diketahui saat RS/R0 = 0,9 dengan konsentrasi gas sebesar 2000 ppm. Nilai RS dapat dihitung menggunakan persamaan yaitu: RS =
x RL
(3.1)
Karena perbandingan RS/R0 berbanding terbalik dengan nilai konsentrasi gas, maka:
=
(3.2)
Saat RS/R0=0,9, maka 0,9 =
(3.3)
Perhitungan konversi ke satuan konsentrasi ppm dilakukan dengan cara: Jika,
(3.4)
34
Dengan memasukkan persamaan 3.1 ke dalam persamaan 3.4, diperoleh:
(3.5)
Berdasarkan persamaan 3.2 dan persamaan 3.3, maka: ,
(3.6)
III.9 Langkah Pengujian Sistem Deteksi Gas Elpiji Adapun langkah pengujian sistem deteksi adalah sebagai berikut: 1. Sistem dihubungkan dengan arus listrik sampai lampu indikator hijau menyala. 2. Setelah sistem standby selama ± 5 detik, diukur tegangan awal sensor saat sebelum terdeteksi adanya gas. 3. Diberikan rangsangan gas terhadap sensor kemudian mencatat tegangan sensor dan konsentrasi gas yang terpantau pada tampilan LCD. Langkah ini dilakukan pada suatu wadah tertutup, supaya memudahkan dalam penambahan konsentrasi gas. 4. Jumlah konsentrasi gas ditambahkan dan mencatat nilai yang terpantau dalam tampilan LCD. 5. Langkah tersebut diatas diulangi untuk mendapatkan beberapa data yang dibutuhkan.
35
III.10 Cara kerja sistem Cara kerja sistem peringatan dini ini dapat dilihat melalui diagram alir pada gambar 3.8 di bawah ini: Mulai
Inisialisasi Port
LED Indikator Hijau Menyala
Apakah ada Bau Gas?
Gas Terdeteksi > 3 detik?
Tampilkan “Detektor Gas” Oleh: Furqonudin
• LED Merah Nyala Kedip • Hidupkan Buzzer • Tampilkan “Awas Bahaya Gas” Kadar: ... PPM • LED Kuning Nyala Kedip • Buzzer OFF • Tampilkan “Waspada” Kadar: … PPM
Gambar 3.8Alir Diagram alir cara kerjaDetektor sistem peringatan kebocoran Diagram Cara Kerja Sistem Kebocorandini Tabung Gas gas
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
IV.1 Hasil Penelitian IV.1.1 Pengujian Deteksi Stimulus Pada Hasil Perancangan Sistem Sensor Pengujian deteksi stimulus pada sistem sensor dilakukan dengan cara menguji keseluruhan sistem sensor yang dirancang sesuai dengan gambar 3.1. Pengujian ini dilakukan dengan memberikan rangsangan gas elpiji di dekat sensor. Hal ini dilakukan dalam suatu ruang tertutup sebagaimana diperlihatkan pada lampiran 3. Melalui hasil penelitian yang diperoleh, bahwa sistem yang dibuat telah dapat mendeteksi gas elpiji dan mampu menampilkan konsentrasi gas yang terpantau melalui LCD disertai tanda peringatan berupa LED dan buzzer, seperti disajikan pada gambar 4.1 berikut ini:
Gambar 4.1 Tampilan sistem saat mendeteksi gas elpiji
36
37
Data hasil pengujian deteksi stimulus pada hasil perancangan sistem sensor diperlihatkan pada tabel 4.1 berikut ini: Tabel 4.1 Data pengujian jarak deteksi (cm) terhadap konsentrasi gas elpiji (ppm) No Jarak deteksi (cm) Konsentrasi Gas (ppm) 1 0 19865 2 1 19800 3 2 19450 4 3 19000 5 4 18000 6 5 17000 7 6 16500 8 7 16000 9 8 15000 10 9 14500 11 10 14000 12 12 12700 13 15 11500 14 20 9350 15 25 7000 16 30 4950 17 35 3682 18 40 2561 19 45 1000 20 50 115
Berdasarkan tabel 4.1 di atas, maka dapat dibuat grafiknya sebagai berikut:
Gambar 4.2 Grafik hubungan jarak deteksi (cm) terhadap konsentrasi gas elpiji (ppm)
38
Melalui grafik pada gambar 4.2 di atas, dapat dilihat bahwa grafik yang terbentuk berbanding terbalik antara jarak sensor terhadap gas elpiji yang terdeteksi. Semakin dekat sistem sensor terhadap rangsangan, maka semakin tinggi konsentrasi yang terdeteksi. Sebaliknya, semakin jauh sistem terhadap rangsangan, maka semakin kecil pula konsentrasi yang terdeteksi oleh sistem sensor. Hal ini menunjukkan bahwa sistem sensor ini lebih sensiti apabila didekatkan dengan sumber rangsangan.
IV.1.2 Karakterisasi Sistem Sensor Setelah sistem yang dibuat sudah dapat digunakan untuk mendeteksi gas elpiji, tahapan selanjutnya adalah menentukan kerakteristik sistem sensor. Karakterisasi sistem sensor dapat dilakukan dengan membuat grafik hubungan antara tegangan sensor (Volt) terhadap konsentrasi gas (ppm). Hasil akuisisi data dalam penelitian ini ditampilkan pada tabel 4.2 berikut ini: Tabel 4.2 Output tegangan sensor (V) dan konsentrasi gas (ppm) No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Konsentrasi Gas (ppm) 0 122 245 312 1037 1524 2021 2881 5161 5968
Tegangan Output Sensor (V) Pengujian 1 Pengujian 2 0.60 0.60 0.80 0.80 1.00 0.90 1.10 1.10 1.40 1.30 1.60 1.60 1.80 1.80 2.00 2.00 2.50 2.50 2.56 2.60
39
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
6694 7903 9032 10000 12619 14048 15238 16190 18095 20000
2.60 2.67 2.75 2.80 2.85 2.88 2.91 2.93 2.97 3.01
2.65 2.75 2.80 2.80 2.86 2.90 2.92 2.93 2.94 3.00
Berdasarkan tabel 4.2 di atas maka grafik hubungan tegangan (V) dengan konsentrasi gas (ppm) dapat ditunjukkan pada gambar 4.3 berikut:
Gambar 4.3 Grafik Hubungan Tegangan sensor (V) terhadap Konsentasi Gas (ppm)
40
Berdasarkan grafik hubungan tegangan output sensor (V) terhadap konsentrasi gas (ppm) pada gambar 4.3 di atas, dapat ditentukan beberapa variabel karakteristik sistem sensor sebagai berikut: a. Sensitivitas sistem sensor Penentuan
sensitivitas
sistem
sensor
dilakukan
dengan
menggunakan pendekatan linier. Metode yang digunakan dalam penentuan sensitivitas ini adalah metode kuadrat terkecil (Least square). Sensitivitas sistem sensor dapat dicari dengan menggunakan persamaan 2.11. b=
n ∑ X iYi − ∑ X i ∑ Yi n∑ X i − (∑ X i ) 2
2
dengan: b
: slope
Xi
: stimulus
Yi
: tanggapan/respon
n
: jumlah data
∑
: jumlahan dari n.
Dengan memasukkan data-data hasil penelitian pada tabel 4.2 kedalam persamaan di atas, diperoleh konstanta slope sebesar 0,000107, sehingga sensitivitas dari sistem sensor ini adalah sebesar 0,000107 Volt/ppm.
41
Galat taksiran standar diperoleh dengan persamaan: Sy/x =
(4.1)
dengan Sr
= ∑
(4.2)
Keterangan: Sy/x : galat taksiran standar Sr : jumlah kuadrat residual n
: jumlah data
Xi : stimulus Yi : tanggapan/respon a
: intersep
b
: slope
Nilai a (intersep) diperoleh dengan menggunakan persamaan:
∑Y ∑ X − ∑ X ∑ X Y a= n∑ X − (∑ X ) 2
i
i
i
i i
2
2
i
i
(4.3)
Dengan memasukkan data eksperimen pada tabel 4.2 ke dalam persamaan 4.3 diperoleh nilai a (Intersep) sebesar: 1,385277 dan Sr (jumlah kuadrat residual) adalah sebesar: 3,165191. sehingga galat taksiran standarnya adalah: Sy/x =
42
=
3,165191
= 0,419338
b. Repeatabilitas Penentuan repeatabilitas dapat diperoleh dengan membaca grafik yang terbentuk dari pengulangan proses analisis data pada waktu yang berbeda. Besarnya error repeatability dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan berikut:
δ =
∆ x100% FS
(4.4)
dengan:
δ : error repeatability ∆ : nilai maximum – nilai mininimum FS : full scale dengan demikian dapat ditentukan besarnya error repeatability yaitu:
δ =
∆ x100% FS
δ =
9032 − 7903 x100% 20000
δ = 0,05645 x100 % δ = 5,645% sehingga secara lengkap hasil karakterisasi sistem sensor yang telah dihasilkan dari penelitian ini disajikan pada gambar 4.4 berikut ini:
43
Gambar 4.4 Grafik hasil karakterisasi sistem sensor
IV.2 Pembahasan Rangkaian penguat instrumentasi dibangun dengan menambahkan komponen transistor jenis NPN (Negative Positive Negative) pada rangkaian sensor. Fungsi dari penambahan komponen ini adalah sebagai penguat tegangan, arus kecil yang memasuki basis pada emiter dikuatkan dan dikeluarkan melalui kolektor. Selain menambahkan transistor jenis NPN, rangkaian sensor juga ditambahkan resistor dengan nilai 330 Ω, namun pada saat sistem telah jadi dan dinyatakan telah berhasil dilakukan pengujian, sistem mengalami reset (nilai yang terdeteksi selalu kembali kembali ke titik semula) meskipun telah ditambahkan kadar konsentrasi gasnya. Resistor sebesar 4700 Ω ditambahkan kembali dalam rangkaian sensor, hal ini dimaksudkan untuk menyesuaikan arus listrik yang melalui rangkaian sensor
44
dan mengendalikan nilai tegangan listriknya. Dalam penelitian ini tegangan offset diatasi dengan perangkat lunak atau program yang diisikan ke dalam mikrokontroller sehingga tampilan yang muncul pada layar LCD sesuai dengan konsentrasi gas yang terpantau. Tegangan analog yang masuk, diolah melalui ADC internal yang ada dalam mikrokontroler ATmega8 yang kemudian dikonversi menjadi tegangan digital 8 bit. Mikrokontroler menyimpan data untuk sementara pada alamat tertentu untuk ditampilkan ke interface LCD. Proses penampilan data ke LCD diawali dengan proses inisialisasi LCD. Inisialisasi LCD diperlukan untuk menentukan modus kerja dari LCD. Kerja dari LCD dikendalikan oleh mikrokontroller dengan mengirimkan instruksi-instruksi ke pin kontrol dari LCD. Data dari mikrokontroller dikirimkan ke LCD melalui PORTD. Pengujian deteksi stimulus pada sistem sensor dilakukan dengan mendekatkan sensor pada sumber gas. Adapun sumber yang digunakan untuk pengujian ini adalah korek gas, karena kandungan yang terdapat pada korek tersebut menggunakan hidrokarbon cair seperti n-butana, isobutana, dan propana yang mempunyai tekanan pada 24ºC melebihi 104 kPa.1 Penggunaan korek gas ini sudah cukup untuk melakukan pengujian deteksi stimulus pada sistem sensor agar dapat mendeteksi gas elpiji. Namun karena keterbatasan kadar gas dan perubahan konsentrasi yang fluktuatif, sehingga hasil yang diperoleh kurang maksimal. Sumber gas tersebut dapat menghasilkan jangkauan pengukuran sampai dengan 20.000 ppm seperti yang telah
1
SNI 19-7120-2005 - ICS 13.120 Halaman 1
45
diperlihatkan pada gambar 4.4. Nilai ini masih berada di bawah jangkauan referensi yaitu sebesar 30.000 ppm. Berdasarkan hasil akuisisi data penelitian ternyata diperoleh grafik yang tidak linier, hal ini sudah sesuai dengan referensi (lihat lampiran 6 hal. 67). Hasil karakterisasi sistem sensor yang telah dirancang dalam penelitian ini menghasilkan beberapa karakteristik seperti ditunjukkan pada tabel 4.3 berikut ini: Tabel 4.3 Karakteristik sistem sensor HS-133 No
Karakteristik
Nilai terukur
1
Sensitivitas
0,000107 Volt/ppm
2
Error repeatability
5,645%
3
Jangkauan pengukuran
20.000 ppm
4
Zero of set
0,6 Volt
5
Galat taksiran standar
0,419338
Berdasarkan tabel 4.3 dapat dilihat bahwa nilai sensitivitas sistem sensor adalah sebesar 0,000107 Volt/ppm.. Hal ini menunjukkan bahwa setiap kanaikan konsentrasi gas sebesar 1 ppm, menghasilkan tegangan output pada sistem sebesar 0,000107 Volt. Nilai sensitivitas ini cukup kecil, dengan galat taksiran standar cukup besar, yaitu sebesar 0,419338. Hal ini dikarenakan perhitungan sensitivitas dilakukan dengan menggunakan metode Least Square, sedangkan grafik yang terbentuk dari hasil akuisisi data pada penelitian ini tidak linier. Berdasarkan hasil tersebut dapat dikatakan bahwa penggunaan metode least square kurang tepat untuk menganalisis hasil akuisisi data pada penelitian ini.
46
Melalui pengukuran berulang terhadap sistem sensor ini menghasilkan nilai pengukuran yang hampir sama dengan error repeatability sebesar 5,645%. Persentase ini cukup kecil (<10%), sehingga sistem ini dapat digunakan berulang (repeatability). Dengan sifat yang dimiliki ini, sistem akan secara otomatis kembali dalam keadaan normal ketika sudah tidak terdeteksi adanya gas lagi. Pada saat kondisi normal tanpa adanya gas, suhu heater sensor adalah kurang dari 20o C namun pada saat sensor mendeteksi adanya gas, sensor memanas.
BAB V KESIMPULAN
V.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan yang telah diberikan pada bab sebelumnya, maka dapat diambil beberapa kesimpulan yaitu: 1. Telah berhasil dibuat seperangkat sistem peringatan dini kebocoran gas elpiji dengan menggunakan sensor HS-133 yang mampu mendeteksi sekaligus menampilkan nilai konsentrasi gas elpiji yang terdeteksi dalam satuan ppm. 2. Dari hasil karakterisasi terhadap sistem sensor pada penelitian ini diperoleh beberapa variabel karakteristik antara lain: nilai sensitivitas sebesar 0,000107 Volt/ppm dan galat taksiran standar sebesar 0,419338, error repeatability sebesar 5,645%, jangkauan pengukuran sampai dengan 20.000 ppm, dan Zero of Set sebesar 0,6 Volt.
V.2 Saran Berdasarkan hasil penelitian yang telah diperoleh disadari bahwa sistem deteksi kebocoran gas LPG yang telah dibuat memiliki beberapa kekurangan. Oleh sebab itu, untuk mengembangkannya menjadi alat yang akurat dan presisi disarankan untuk dilakukan beberapa hal sebagai berikut:
47
48
1. Sebaiknya hasil pengukuran konsentrasi gas LPG dibandingkan dengan alat ukur yang sudah terkalibrasi agar sistem sensor ini dapat digunakan sebagai alat ukur konsentrasi LPG. 2. Agar diperoleh hasil karakterisasi sistem sensor yang baik, sebaiknya menggunakan sumber gas yang memiliki konsentrasi di atas 30.000 ppm dan perubaha konsentrasinya tidak fluktuatif. 3. Disarankan untuk menambahkan sistem informasi kebocoran gas melalui sms agar kondisi gas dapat selalu terpantau secara real time.
DAFTAR PUSTAKA
Agus Bejo. 2008. ”C & AVR” Rahasia Kemudahan Bahasa C dalam Mikrokontroler ATMEGA8. Yogyakarta: Graha Ilmu. Akbar, T.H. 2008. Pendeteksi Kebocoran Tabung Gas Dengan Menggunakan Sensor Gas Figarro TGS 2610 Berbasis Mikrokontroler AT89S52. Jurusan Sistem Komputer Universitas Gunadharma, Depok. Atmoko, P.T. 2006. Sistem Pendeteksi Gas Elpiji. Skripsi Fakultas Teknik UNNES, Semarang. Chandra,F. 2010. Jago Elektronika, Rangkaian Sistem Otomatis. Surabaya: Kawan Pustaka. Firmansyah, M. dkk. __.
Rancang Bangun Pendeteksi dan Penanggulangan
Kebocoran Gas LPG Berbasis Mikrokontroler (Perangkat Lunak). Jurusan Teknik Elektro Industri ITS, Surabaya. Fraden, J. 2003. Handbook of Modern Sensors physics, designs, and aplications. Sandiego, California: AIP Press. Hermansyah, R.Y. 2006. Sistem Pemantau Keadaan Rumah dan Kantor dari Bahaya Kebakaran dan Penyusup. Skripsi Jurusan Fisika Elekronika dan instrumentasi FMIPA-UGM, Yogyakarta. Herminawan, Fito Wigunanto. 2009. Prototype Sistem Peringatan Dini Kebocoran Liquified Petroleum Gas Menggunakan Sensor Gas TGS 2610. Skripsi Jurusan Fisika Elektronika dan Instrumentasi, FMIPA UGM. Yogyakarta.
49
50
Hutabarat, M.T, dkk. 2010. Sistem Mikroprocesor. Bandung: Laboratorium Dasar Teknik Elektro ITB. Morris, A.S. 2001. Measurement and Instrumentation Principles, Third editions. Britain: Plant A Tree. Setiawan, I. 2009. Buku Ajar Sensor dan Transduser. Semarang: Program Studi Sistem Komputer UNDIP. Suprayitno. 2009. Artikel tentang “Perancangan dan Realisasi Alat Pendeteksi Konsentrasi (kandungan) Gas LPG”, Perpustakaan Institut Teknologi Telkom, Bandung. Ito Sumardi, www.hukumonline.com [diakses pada tanggal 15 October 2010, jam 11:42:44 WIB] PT. Pertamina. Buku Pintar Petunjuk Aman Penggunaan Elpiji 3 Kg Pertamina PT. Aptogaz Indonesia. Www.aptogaz.com [diakses pada tanggal 18 Januari 2011, jam 10:02:10 WIB] SNI 19-7120-2005 - ICS 13.120. Keselamatan Korek Api Gas Www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2486.pdf
(Data
Sheet
ATMEL Atmega8 No seri: 2486V-AVR-05/09) Www.Material.Itb.ac.Id/MTM/eminex 2004/ eminex-200 [diakses pada tanggal 22 July 2010, jam12:23:30 WIB] Www.digitdude.com/2010/10/minimum-system-atmega8skematic-pcb.html [diakses pada tanggal10 November 2010, jam 22.23 WIB] Www.labdasar.ee.itb.ac.id/lab/EL2140/0809/modul%20baru/Apendiks.pdf [diakses pada tanggal 24 Desember 2010, jam 15:25 WIB]
