23

3 PENERAPAN FILM Ba0,55Sr0,45TiO3 (BST) SEBAGAI SENSOR

CAHAYA DAN SENSOR SUHU PADA MODEL SISTEM

PENGERING OTOMATIS PRODUK PERTANIAN BERBASIS

ATMEGA8535

Pendahuluan

Indonesia sebagai negara agraris yang memiliki lahan pertanian yang subur,

ironisnya justru mengimpor beras dari negara lain. Salah satu penghambat

produksi beras di Indonesia yaitu permasalahan pada proses pengeringan gabah.

Selama ini para petani Indonesia hanya mengandalkan panas matahari untuk

mengeringkan gabah hasil panennya sehingga pada saat musim hujan mereka

mengalami kesulitan dalam proses pengeringannya. Pengeringan menggunakan

panas matahari membutuhkan waktu minimal 3 hari untuk mencapai kadar air

minimal dalam gabah agar dapat digiling dengan sempurna sehingga jika hari

hujan petani tidak dapat mengeringkan gabah mereka dan hal ini dapat

menyebabkan gabah rusak yang pada akhirnya beras yang dihasilkan memiliki

kualitas jelek (Daulay, 2005).

Kelemahan menjemur dengan memanfaatkan panas matahari adalah ketika

malam hari atau cuaca tidak mendukung (mendung, hujan) maka proses

pengeringan produk pertanian tidak dapat berlangsung.

Dryer (pengering) digunakan sebagai alat kontrol ketika cuaca tidak

mendukung untuk proses pengeringan. Tentunya, dengan adanya dryer proses

pengeringan produk pertanian akan terus berjalan sehingga akan mempercepat

proses pengeringan produk pertanian.

Bahan dan Metode

Pembuatan mekanik sistem pengering

Model dibuat dengan ukuran alas 50 cm x 50 cm dari bahan plastik mika

membentuk sebuah rumah. Membuka/menutupnya atap bagian kanan dan kiri

digerakan oleh 2 motor servo. Model sistem pengering ditunjukkan pada Gambar

21 sampai Gambar 27.

Gambar 21. Model tampak depan

24

Gambar 22. Model tampak belakang

Gambar 23. Model tampak samping

Gambar 24. Model tampak atas

25

Gambar 25. Model tampak bawah

Gambar 26. Model atap terbuka

Gambar 27. Desain pemasangan motor servo

Rangkaian sensor cahaya dan sensor suhu

Sensor yang digunakan terdiri atas 2 buah film BST yang yang masing-

masing dirangkai dengan rangkaian jembatan wheatstone. Jembatan wheatstone

digunakan untuk menambah sensitivitas sensor. Sinyal tegangan keluaran dari

26

jembatan wheatstone diperkuat oleh rangkainan op-amp. Untuk op-amp

digunakan IC LM324. Rangkaian op-amp ditunjukkan pada Gambar 10.

Rangkaian catu daya

Supaya sistem pengering otomatis dapat bekerja maka sistem harus diberi

tegangan sumber. Input sumber tegangan sebesar 220 volt diturunkan dengan

menggunakan transformator step down. Output AC dari sisi sekunder

transformator kemudian disearahkan dengan menggunakan dioda bridge sebagai

penyearah gelombang penuh dan mengubah tegangan AC menjadi DC. Dari hasil

penyearahan menggunakan dioda bridge masih terdapat tegangan bolak-baliknya

(dengan kata lain tegangan riak). Untuk mengurangi tegangan riak hasil dari

penyearahan maka digunakan kapasitor yang berfungsi sebagai penapis.

Untuk mendapatkan output 5 volt DC digunakan IC regulator tegangan

LM 7805 sebagai penyetabil tegangan 5 volt DC. Sedangkan untuk mendapatkan

output 12 volt DC digunakan IC regulator tegangan LM 7812 sebagai penyetabil

tegangan 12 volt DC. Pada keluaran IC 7805 dipasang transistor 2N3055 yang

digunakan untuk memperkuat arus output. Dipasang juga kapasitor sebesar

100µF/25v sebagai filter tegangan. Gambar rangkaian catu daya ditunjukkan pada

Gambar 28.

47

00

uF

/25

V

GND

Vin Vout

GND

Vin Vout

7805

7812

+5V/2A

+12V/1A

10uF/25V3

30

10

0u

F/2

5V

10

K

10

0n

F1N

40

01

2N3055

5A

5A5A

5A

47

00

uF

/25

V

12V

CT

12V

Gambar 28. Skema power supply

Rangkaian mikrokontroler ATMega8535 Pada rangkaian sistem pengering otomatis, mikrokontroler ATMega8535

mendapat catu daya 5 volt. PORTA pada mikrokontroler digunakan sebagai input

yang dipakai untuk mengontrol tegangan analog dari sensor cahaya BST dan

sensor suhu BST yang masuk ke mikrokontroler. Rangkaian mikrokontroler

ATMega8535 ditunjukkan pada Gambar 29.

27

Gambar 29. Rangkaian mikrokontroler ATMega8535

Rangkaian driver relay

Driver relay digunakan untuk pensaklaran arus AC (mengaktifkan dryer

220 AC). Rangkaian driver relay disusun secara darlington yang terdiri 2 buah

transistor bipolar (Anas, 2010). Rangkaian driver relay ditunjukkan pada Gambar

30.

Gambar 30. Rangkaian driver relay

Rangkaian liquid crystal display (LCD)

Rangkaian LCD 16 x 2 yang ditunjukkan pada Gambar 31 dihubungkan

ke PORTB pada mikrokontroler. LCD digunakan untuk menampilkan output

perubahan tegangan baik dari sensor cahaya BST maupun dari sensor suhu BST

akibat pemberian rangsangan tertentu pada masing-masing sensor BST. Output

perubahan tegangan dari sensor cahaya BST dikonversi dan ditampilkan dalam

satuan lux, sedangkan output perubahan tegangan dari sensor suhu BST

dikonversi dan ditampilkan dalam satuan oC.

28

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

PB.0

PB.1

PB.2

PB.4

PB.5

PB.6

PB.7

Vcc

1

2

3

LCD

Connector50 K

Gambar 31. Rangkaian LCD

Perancangan Perangkat Lunak

Perancangan perangkat lunak mempergunakan bahasa C melalui

mikrokontroler sebagai sistem programmable. CPU, memori, dan I/O yang

dirangkai dalam satu chip merupakan parameter pendukung dalam perancangan

perangkat lunak untuk menjalankan sistem. Software yang digunakan adalah Code

Vision AVR untuk pembuatan program. Pembuatan program ini meliputi

pembuatan program pada mukrokontroler dengan Code Vision AVR, dan

pembuatan coding program dengan menggunakan bahasa C.

Hasil dan Pembahasan

Rancangan Film Sebagai Sensor Cahaya BST dan Sensor Suhu BST

Film BST yang memiliki sensitivitas terbaik digunakan pada model sistem

pengering otomatis. Ada dua film yang digunakan sebagai sensor, satu untuk

sensor cahaya dan satu untuk sensor suhu (film BST terbaik). Kedua sensor ini

digunakan untuk membaca tegangan output dari masing-masing rangsangan yang

diberikan. Perubahan tegangan output yang kecil perlu diperkuat oleh rangkaian

penguat dengan tujuan dapat dibaca oleh mikrokontroler. Mikrokontroler

ATMega8535 menggunakan ADC dengan resolusi 8 bit=255 desimal, dengan

tegangan referensi 4,8 V, sehingga mikrokontroler dapat membedakan tegangan

yang masuk sebesar 0,0188 V.

Digunakan dua rangkaian penguat, yaitu rangkaian penguat diferensial

yang merupakan gabungan antara rangkaian penguat noninverting (penguat 1) dan

penguat inverting (penguat 2) yang berfungsi untuk membandingkan dua input

yang masuk. Rangkaian penguat diferensial digunakan karena pada tahap awal

film dirangkai dengan jembatan wheatstone yang mempunyai dua keluaran. Rangkaian penguat kedua adalah rangkaian penguat noninverting (penguat 3).

Pada rangkaian penguat inverting (penguat 2), tegangan referensi diberi tegangan

referensi positif, sehingga nilai penguatannya akan bernilai positif.

Besar penguatan untuk rangkaian penguat diferensial adalah 2 kali.

Sedangkan besar penguatan untuk rangkaian penguat noninverting (penguat 3)

29

adalah 11 kali. Sehingga total penguatan rangkaian sensor adalah 22 kali. Total

penguatan sensor sebesar 22 kali memberikan perubahan tegangan output yang

kecil menjadi 22 kali lebih besar, sehingga perubahan tegangan output tersebut

dapat dibaca oleh mikrokontroler.

Perhitungan besar penguatan pada rangkaian sensor cahaya dan sensor suhu

BST adalah sebagai berikut:

Besar penguatan untuk rangkaian penguat diferensial adalah:

Vout

Vin= 1 +

Rf

Rin

Rf

Rin

Vout

Vin= 1 +

R6

R5

R4

R3

Vout

Vin= 1 +

100K

100K

100K

100K

Vout

Vin= 2 kali

Besar penguatan untuk rangkaian penguat noninverting (penguat 3) adalah:

Vout

Vin= 1 +

Rf

Rin

Vout

Vin= 1 +

R2

R1

Vout

Vin= 1 +

1M

100K

Vout

Vin= 11 kali

Total penguatan rangkaian sensor adalah 22 kali.

Pengujian rangkaian catu daya

Tujuan pengujian rangkaian catu daya adalah untuk mengukur tegangan

keluaran dan arus keluaran pada catu daya. Dengan menggunakan sebuah

multimeter, maka tegangan dari output regulator dapat diukur. Tegangan yang

diperoleh dari pengujian sebesar 4,96 volt dan 12,04 volt. Tegangan yang

diperoleh dari hasil pengujian digunakan sebagai sumber tegangan untuk

mensuplay tegangan pada rangkaian elektronika. Sumber tegangan 4,96 volt

digunakan untuk mensuplay tegangan pada rangkaian mikrokontroler, sensor

cahaya BST, sensor suhu BST, motor servo dan LCD. Sedangkan sumber

tegangan 12,04 volt digunakan untuk mensuplay tegangan pada rangkaian driver

relay.

30

Pengujian rangkaian mikrokontroler ATMega8535

Rangkaian pengendali pada prototipe sistem pengering otomatis adalah

sebuah mikrokontroler 8 bit ATMega8535. Tegangan output dari rangkaian sensor

cahaya dan sensor suhu adalah sinyal input untuk mikrokontroler.

Mikrokontroler ATMega8535 mempunyai 42 pin. Pengujian

mikrokontroler dilakukan langsung pada rangkaian mikrokontroler sistem

pengering otomatis yang ditunjukan pada Gambar 32. Input untuk mikrokontroler

dari sensor cahaya BSTadalah PORTA.0, sedangkan input dari sensor suhu BST

adalah PORTA.1. PORTD.0 digunakan sebagai output untuk meng-on/off-kan

driver relay. PORTB digunakan sebagai output untuk LCD. PORTC.6 dan

PORTC.4 digunakan sebagai output ke motor servo 1 dan motor servo 2.

PORTD.6, PORTC.1, PORTC.0, dan PORTD.7 digunakan sebagai input dari

switch 1, switch 2, switch 3, dan switch 4.

PORTA.0

PORTA.1

PORTA.2

PORTA.3

PORTA.4

PORTA.5

PORTA.6

PORTA.7

AREF

GND

AVCC

PORTC.7

PORTC.6

PORTC.5

PORTC.4

PORTC.3

PORTC.2

PORTC.1

PORTC.0

PORTD.7

PORTB.0

PORTB.1

PORTB.2

PORTB.3

PORTB.4

PORTB.5

PORTB.6

PORTB.7

RESET

VCC

GND

XTAL2

XTAL1

PORTD.0

PORTD.1

PORTD.2

PORTD.3

PORTD.4

PORTD.5

PORTD.6

BST Light Sensor

Servo 1

Servo 2

Switch 1

Switch 2

Switch 3

Switch 4

Relay

RW

E

Data 4

Data 5

Data 6Data 7

LC

D

BST Temprature Sensor

Gambar 32. Rangkaian mikrokontroler sistem pengering otomatis

Pengujian rangkaian driver relay

Relay berfungsi sebagai saklar elektronik. Pada sistem pengering otomatis,

relay digunakan untuk mengaktifkan dan mematikan dryer 220 AC. Dryer 220

AC digunakan saat kondisi atap tertutup, sehingga proses pengeringan tetap

berlangsung.

Rangkaian driver relay terdiri dari dua transistor bipolar yang disusun

secara darlington (Gambar 30). Fungsi transistor ini adalah mengalirkan arus jika

terdapat arus bias pada kaki basisnya. Pada sistem pengering otomatis, relay

dikontrol oleh mikrokontroler ATMega8535.

Prinsipnya, jika PORTA.0 mendapat input gelap (kondisi atap tertutup),

maka PORTD.0 memerintahkan driver relay dalam keadaan NC yang akan

menghubungkan arus AC ke dryer 220 AC, sehingga dryer 220 AC hidup. Jika

PORTA.0 mendapat input terang (kondisi atap terbuka), maka PORTD.0

memerintahkan relay dalam keadaan NO yang akan memutuskan arus AC ke

dryer 220 AC, sehingga dryer 220 AC mati.

Dalam kondisi input gelap, sensor suhu berfungsi untuk membaca

perubahan suhu di dalam sistem pengering. Input dari PORTA.1 bekerja

memerintahkan PORTD.0. Jika PORTA.1 mendapat input suhu ≤ 60 oC, maka

PORTD.0 memerintahkan relay dalam keadaan NC yang akan menghubungkan

31

arus AC ke dryer 220 AC, sehingga dryer 220 AC hidup. Ketika PORTA.1

mendapat input suhu > 60 oC, maka PORTD.0 memerintahkan relay dalam

keadaan NO sampai suhu mencapai 30 oC, saat suhu < 30

oC maka PORTD.0 aktif

kembali memerintahkan driver relay dalam keadaan NC. Proses tersebut

berlangsung secara terus menerus saat kondisi atap tertutup.

Pengujian berfungsi atau tidaknya rangkaian driver relay dilakukan

dengan memberikan input tegangan. Tabel 4 menunjukkan hasil pengujian

rangkaian driver relay. Saat driver relay belum diberi input tegangan maka relay

belum tersinergis. Saat relay diberi input tegangan maka relay akan tersinergis.

Tabel 4. Hasil pengujian rangkaian relay

Input Tegangan

(V) Kondisi Output

0 Tidak Tersinergis/off Tegangan AC Tidak Terhubung

4, 96 – 5,00 Tersinergis/on Tegangan AC Terhubung

Pengujian rangkaian liquid crystal display (LCD)

Untuk menjalankan sebuah LCD supaya bisa bekerja dengan baik, maka

pin LCD dihubungkan dengan PORTB pada mikrokontroller. Pada pengujian

LCD dibuat sebuah tampilan suhu yang terukur di dalam ruangan sistem

pengering. Pin sensor suhu BST dihubungkan dengan PORTA.1. Suhu yang

terukur berasal dari data yang terbaca sensor suhu BST. Output berupa tegangan

diolah menjadi data digital pada Analog Digital Converter (ADC) internal

ATMega8535. Data digital diolah oleh mikrokontroler. LCD berukuran 16 x 2

akan menampilkan perubahan tegangan dalam satuan derajat Celcius (oC) ketika

sensor suhu BST diberikan rangsangan suhu, tentunya dengan tahapan

memasukan persamaan linear (hasil karakterisasi monoton naik sensor suhu BST )

ke dalam listing program ADC pada Code Vision AVR. Tampilan suhu terukur

ditunjukkan pada Gambar 33.

Gambar 33. Tampilan suhu yang terukur sensor suhu BST pada LCD 16 x 2

32

Pengujian motor servo

Motor servo yang digunakan adalah motor servo standar 180° produk

HITEC HS-646MG. Motor servo ini hanya mampu bergerak dua arah dengan

defleksi masing-masing sudut mencapai 90°, sehingga total defleksi sudut dari

kanan - tengah - kiri adalah 180°.

Pulsa kontrol motor servo dikendalikan oleh sebuah pulsa selebar ±20 ms,

dimana lebar pulsa antara 0,5 ms dan 2 ms menyatakan akhir dari range sudut

maksimum. Jika motor servo diberikan pulsa dengan besar 1,5 ms mencapai

gerakan 90°, maka bila berikan pulsa kurang dari 1,5 ms maka posisi mendekati

0° dan bila berikan pulsa lebih dari 1,5 ms maka posisi mendekati 180°.

Pada pengujian motor servo, bagian pin kontrolnya diberikan sinyal PWM

dengan frekuensi 50,31 Hz yang ditunjukkan pada Gambar 34, dimana pada saat

sinyal dengan frekuensi 50,31 tersebut dicapai kondisi ton duty cycle 1,5 ms,

maka rotor dari motor akan berhenti tepat di tengah-tengah.

Gambar 34. Frekuensi sinyal PWM

Pengujian motor servo dilakukan langsung pada mekanik atap sistem

pengering bagian kanan dan kiri dengan mengubah frekuensi sinyal PWM. Tabel

5 menunjukkan data frekunsi sinyal PWM yang digunakan motor servo untuk

membuka/menutup atap.

Tabel 5. Data frekuensi sinyal PWM untuk membuka/menutup atap sistem

pengering otomatis.

MotorServo

Frekuensi Sinyal

PWM untuk

Membuka Atap

(Hz)

Frekuensi Sinyal

PWM untuk Menutup

Atap

(Hz)

Servo 1 28 68

Servo 2 62 20

33

Dalam pengujian ini, motor servo langsung dikontrol dari mikrokontroler

yang terhubung dengan PORTC.6 untuk motor servo 1 dan PORTC.4 untuk motor

servo 2. Motor servo 1 digunakan untuk menggerakan atap bagian kanan,

sedangkan motor servo 2 digunakan untuk menggerakan atap bagian kiri.

Pengujian rangkaian keseluruhan sistem

Pengujian secara keseluruhan dilakukan dengan menggabungkan masing-

masing rangkaian menjadi satu sistem yang terpadu. Rangkaian sensor cahaya

BST, sensor suhu BST, driver relay, motor servo, LCD, switch, mikrokontroler

ATMega8535 digabungkan menjadi satu dalam suatu prototipe sistem pengering

sehingga terbentuk suatu sistem pengering otomatis yang berbasiskan

mikrokontroler ATMega8535 dengan bahasa C sebagai bahasa pemrograman

yang digunakan. Skema rangkaian keseluruhan elektronika sistem pengering

otomatis ditunjukkan pada Gambar 35.

BST film

BST film

-

+

+

-

-

+

+

-

+

-

-

+

LM324

R1

100 K

R2

1 M

R3

100 K

R4

100 KR5

100 K

R6

100 K

R7

100 Ω

R8

1 M

R9

4,7 K

LM324

LM324

-

+

+

-

-

+

+

-

+

-

-

+

LM324

R10

100 K

R11

1 M

R12

100 K

R13

100 KR14

100 K

R15

100 K

R16

100 Ω

R17

1 MR18

4,7 K

LM324

LM324

PORTA.0

PORTA.1

PORTA.2

PORTA.3

PORTA.4

PORTA.5

PORTA.6

PORTA.7

AREF

GND

AVCC

PORTC.7

PORTC.6

PORTC.5

PORTC.4

PORTC.3

PORTC.2

PORTC.1

PORTC.0

PORTD.7

PORTB.0

PORTB.1

PORTB.2

PORTB.3

PORTB.4

PORTB.5

PORTB.6

PORTB.7

RESET

VCC

GND

XTAL2

XTAL1

PORTD.0

PORTD.1

PORTD.2

PORTD.3

PORTD.4

PORTD.5

PORTD.6

1 V

cc

2 G

nd

3 V

EE

4 R

S

5 R

W

6 E

7 D

ata

0

8 D

ata

1

9 D

ata

2

10

Da

ta 3

11

Da

ta 4

12

Da

ta 5

13

Da

ta 6

14

Da

ta 7

15

Vcc

16

Gn

d

16 x 2 LCD

Switch 1

Switch 2

Switch 3 Switch 4

SERVO 2

SERVO 1

100 K

RELAY

COMMON

NC

NO

1N 4001

Q1

C828

Q2

TIP31C

Gambar 35. Rangkaian keseluruhan elektronika sistem pengering otomatis

Prinsipnya, saat catu daya dihidupkan, catu daya memberikan tegangan

input yang dibutuhkan setiap rangkaian elektronika yang digunakan. Sistem ini

menggunakan 2 buah film BST yang digunakan sebagai sensor cahaya dan sensor

suhu. Sensor cahaya BST akan mendeteksi ada atau tidaknya cahaya yang

diterima, sedangkan sensor suhu BST digunakan untuk membaca perubahan suhu

di dalam ruangan sistem pengering otomatis. Data yang diterima dari sensor

cahaya BST dan sensor suhu BST kemudian dikirim ke mikrokontroler.

Mikrokontroler akan mengolah data yang terbaca dari kedua sensor BST.

Apabila data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah terang, maka

mikrokontroler akan memberikan perintah pada masing-masing motor servo untuk

membuka atap bagian kanan dan kiri. Mikrokontroler juga akan memberikan

perintah untuk mengnonaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan mati.

34

Jika data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah gelap, maka

mikrokontroler akan memberikan perintah pada masing-masing motor servo untuk

menutup atap bagian kanan dan kiri. Mikrokontroler juga akan memberikan

perintah untuk mengaktifkan driver relay sehingga dryer dalam keadaan hidup.

Ketika data yang terbaca dari sensor cahaya BST adalah gelap, jika data

yang terbaca dari sensor suhu BST adalah ≤ 60 oC, mikrokontroler akan

memberikan perintah untuk mengaktifkan driver relay sehingga dryer dalam

keadaan hidup. Jika data yang terbaca dari sensor suhu BST > 60 oC,

mikrokontroler akan memberikan perintah untuk mengnonaktifkan driver relay

sehingga dryer dalam keadaan mati sampai data yang terbaca oleh sensor suhu

BST mencapai 30 oC. Saat data yang terbaca sensor suhu BST < 30

oC maka

mikrokontroler akan memberikan perintah untuk mengaktifkan kembali driver

relay sehingga dryer dalam keadaan hidup.

Penentuan data dari sensor cahaya BST terbaca terang atau gelap,

ditentukan dari nilai komparator yang ditentukan pada program. Jika data

intensitas cahaya sensor cahaya BST > intensitas cahaya komparator maka

dikatakan terang, dan sebaliknya. Data yang terbaca dari sensor cahaya BST dan

sensor suhu BST ditampilkan dalam LCD berukuran 16 x 2.

Switch pada rangkaian sistem pengering otomatis digunakan untuk

memasukan intensitas cahaya komparator, memasukan batasan pembacaan suhu

untuk sensor suhu BST, pengecekan dryer, pengecekan buka tutup atap yang

digerakan oleh motor servo. Dengan kata lain switch berfungsi untuk

mengendalikan sistem pengering secara manual.

Simpulan

Telah berhasil dilakukan penerapan film BST sebagai sensor cahaya dan

suhu pada model sistem pengering otomatis produk pertanian berbasis

mikrokontroler ATMega8535 dengan prinsip kerja memanfaatkan film BST

sebagai saklar otomatis.