BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Perancangan Desain
Transcript of BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Perancangan Desain
29
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Perancangan Desain
Dalam menentukan perancangan desain alat percobaan tegangan regangan
berbasis web server terdapat beberapa tahapan-tahapan yang bertujuan untuk
mencari desain terbaik. Metode perancangan yang diusulkan adalah dengan
menggunakan metode Pahl and Beitz. Dalam buku Engineering Design: A
Systematic Approach terdapat 4 fase dalam perencanaan. Adapun 4 fase
perencenaan tersebut adalah sebagai berikut:
1. Perancangan berupa penjelasan tugas
2. Perancangan konsep sebuah produk yang dibuat
3. Perancangan bentuk produk
4. Perancangan kompleks
Metode perancangan dengan metode Pahl dan Beitz umumnya sering
digunakan pada bidang dunia industry, utamanya ketika membuat sebuah produk.
Secara umum metode perancangan yang akan digunakan adalah metode
perancangan disarankan oleh Pahl dan Beitz yang ditunjukkan oleh Gambar 3.1
dibawah ini.
30
-
Mulai
• Perencanaan dan Penjelasan
tegangan regangan pada poros
• Analisi pasar dan keadaan prtotype
• Memformulasikan usulan prototype
• Mengembangkan daftar persyaratan
• Mengembangkan solusi utama
• Mengidentifikasi masalah – masalah
penting
• Memformulasi usulan prototype
• Menentukan struktur fungsi danpengertian
• Memncari prinsip – prinsip kerja
• Membentuk beberapa alternatif
• Evaluasi terhadap kriterian teknis
• Mengembangkan struktur prototype
• Memnentukan bentuk awal dan memilih
material
• Memilih layout awal yang terbaik
• Memperbaiki layout
• Evaluasi terhadap kriteria teknis dan
ekonomis
• Mengembangkan struktur prototype
• Menentukan struktur prototype
• Menghilangkan kelemahan dan
kekurangan
• Persiapan daftar komponen awal dan
dokumen
• Pembuatan dan susunan produk
•
• Mengembangkan struktur prototype
• Menyiapkan dokumen pembuatan
• Mengembangkan gambar atau
daftar detail
• Periksa semua dokumen
Dokumen prototype
solusi
Info
rmas
i per
bai
ki
daf
tar
per
syar
atan
has
il u
mpan
bal
ik
Tin
gkat
an d
an P
erbai
kan
Per
enca
naa
n d
an
pen
jela
san
pro
typ
e
Per
enca
naa
n d
an k
on
sep
pro
toty
pe
Per
anca
ngan
ben
tuk
Per
enca
naa
n d
etai
l
Daftar Persyaratan
Konsep Protoype
Bentuk Awal
Bentuk Akhir
Gambar 3. 1 Diagram alir perencenaan metode Pahl and Beitz
31
3.1.1 Perencangan Desain
Dalam menentukan desain rancang bangun sistem akuisisi tegangan
regangan pada poros aluminium berbasis web server terdapat beberapa tahapan-
tahapan yang bertujuan untuk mendapatkan desain terbaik. Adapun beberapa
tahapan tersebut diantaranya:
1. Daftar Persyaratan
2. Identifikasi Masalah
3. Struktur Fungsi
4. Prinsip Kerja
5. Alternatif Produk
3.1.2 Daftar Persyaratan Spesifikasi Desain
Daftar persyaratan dibuat untuk menjelaskan spesifikasi alat yang dibuat
dan persyaratan-persyaratan yang harus dipenuhi sebelum produk dikembangkan
lebih lanjut. Adapun Tabel 3.1 daftar persyaratan sebagai berikut:
Tabel. 3.1 Daftar Persyaratan Desain
Sifat Daftar Persyaratan Tanggal :
Rancang bangun sistem
akuisisi tegangan
regangan pada poros
aluminium berbasis web
server
Halaman :1
D/W Persyaratan
Geometri
D
Bentuk sederhana alat
percobaan.
32
W
Alat digunakan untuk
percobaan uji tegangan
regangan pada poros
aluminium.
Kinematik
W
W
D
W
- Menggunakan beban sebagai objek ukur.
- Menggunakan sensor strain gauge.
- Menggunakan microcontroller ESP8266.
- Fungsi dari setiap komponen harus tepat.
Energi
W
W
D
D
• Menggunakan energi mekanik berupa beban
• Menggunakan sensor strain gauge sebagai pengukur
tegangan regangan
• Menggunakan ESP8266 sebagai penerjemah hasil
pengkondisian sinyal.
• Menggunakan web server sebagai media monitoring
hasil pengujian
Teknik Daftar Persyaratan Tanggal
Rancang bangun sistem
akuisisi tegangan regangan
pada poros aluminium
berbasis web server
Halaman :2
D/W Persyaratan
Material
D
• Alat uji beam terbuat dari
poros pejal berbahan
aluminium.
• Konstruksi rangka alat
percobaan uji tegangan
33
regangan terbuat dari bahan
material plat besi.
W
W
D
Display.
• Ditampilkan pada smartphone
• Hasil pengujian dapat
ditampilkan pada Software
Arduino IDE.
• Grafik dapat ditampilkan pada
software python.
Keamanan
W
Environmental Safety :
• Operasional : Dapat
memonitoring hasil pembacaan
dari tempat yang jauh secara
aman
Biaya
D
Biaya produksi diharapkan tidak
terlalu tinggi dan murah.
Transportasi
W Mudah dibawa dan mudah
dpindahkan
Ergonomis
W
W
• Mudah dalam pengoperasian.
• Mudah dalam Pemantauan
hasil.
Produksi
D Skala Kecil
Pemrograman
34
D
D
• Mikrokontroler ESP8266
• Menggunakan Software
Arduino IDE untuk tampilan dan
terhubung pada rangkian.
Persyaratan dibuat berdasarkan kebutuhan penggun yang dapat bersifat
wajib dipenuhi (W) atau disarankan dipenuhi (D).
3.1.3 Identifikasi Masalah
Pada tahap ini penulis bertujuan untuk memperbaiki permasalahan yang ada
pada spesifikasi desain di atas. Adapun tahapannya sebagai berikut:
1. Data kuantitatif, yaitu dengan menghilangkan kesukaan/kesenangan pribadi dan
menghilangkan persyaratan yang tidak berkaitan langsung dengan fungsi dan
batasan-batasan penting. Dari kriteria tersebut didapatkan hasil sebagai berikut:
a. Sensor strain gauge alat percobaan uji tegangan regangan pada poros.
b. Membaca perubahan regangan
c. Tahanan resistansi.
d. Menggunakan strain gauge model BF350-3AA dengan hambatan 350 ohm.
e. Menggunakan jembatan wheatstone dengan metode full bridge.
f. Menggunakan amplifier berjenis in-amp INA125P
g. Menggunakan microcontroller ESP8266
h. Menggunakan web server sebagai platform untuk membaca hasil percobaan
35
2. Mengubah data kuantitatif menjadi data kualitatif dan dinyatakan dalam kalimat
yang sederhana. Dari kriteria tersebut didapatkan sebagai berikut:
a. Sensor strain gauge alat percobaan uji puntir poros.
b. Untuk membaca perubahan regangan dengan beban puntiran
c. Nilai resistansi sensor tergantung pada objek material
d. Sensor yang digunakan bermuatan sebesar 350 ohm.
e. Microcontroller sebagai pengkonversi sinyal analog ke sinyal digital
f. Menggunakan serial port ESP8266 untuk penerjemah sinyal.
g. Menggunakan smartphone yang terkoneksi internet untuk tampilan data.
h. Dapat memonitoring dengan jarak jauh.
i. Data yang dihasilkan berbentuk nilai angka untuk tujuan pengarsipan.
3. Kemudian menggeneralisir data kuantitatif. Dari kriteria tersebut didapatkan
hasil sebagai berikut:
a. Sensor strain gauge alat percobaan uji puntir poros.
b. Membaca perubahan regangan dengan beban puntiran
c. Microcontroller sebagai pengolah sinyal input dan output
d. Menggunakan web server sebagai platform untuk tampilan.
4. Kemudian menyimpulkan masalah. Didapatkan hasil sebagai berikut.
Perancangan alat percobaan untuk mengukur perubahan puntiran pada poros
secara realtime dengan menggunakan microcontroller ESP8266 yang berbentuk
nilai berupa angka dan grafik dan ditampilkan pada web server.
36
3.1.4 Struktur Fungsi
Dari formulasi penggalian serta konsep desain dapat direpresentasikan atau
digambarkan sebagai struktur fungsi berupa fungsi keseluruhan dan sub fungsi
dengan fungsi utama yang didasarkan pada aliran energi, sistem kontrol atau sinyal
dengan menggunakan diagram blok. Berikut ini merupakan diagram blok dari
sistem kerja pengukuran sensor strain gauge berbasis web server sebagai pengolah
serta pengiriman data menggunakan modul wifi ESP8266. Seperti pada gambar 3.2
berikut:
Beban Sensor Wheatstone
Bridge
Amplifier ESP8266 Web Server
Smartphone
Gambar 3.2 Diagram blok alat uji
37
3.1.5 Prinsip Kerja
Prinsip kerja dari alat ukur percobaan tegangan regangan pada poros
aluminium yaitu, ketika sebuah beban dengan massa tertentu diletakkan pada
lengan yang terletak pada titik pembebanan, maka terjadilah perubahan regangan
geser pada poros aluminium. Kemudian sensor strain gauge melakukan pembacaan
berupa nilai perubahan regangan yang terjadi. Nilai keluaran yang ada pada sensor
strain gauge masih dalam nilai hambatan atau resistance yang sangat kecil.
Pengkondisian sinyal atau amplifier digunakan sebagai penguat keluaran hambatan
yang kecil dengan nilai miliVolt (mV) sehingga berupa Volt (V). Kemudian
microcontroller ESP8266 sebagai penerjemah sinyal dari masukan nilai analog
pada IC INA125P dirubah menjadi nilai sinyal digital. Selain itu mikrokontroler
juga sebagai pengolah input/output dari pemograman yang akan dijalankan dengan
hasil pembacaan data dari ESP8266 ditampilkan ke smartphone yang sudah
terkoneksi dengan internet. Untuk penampilan data smartphone digunakan platform
web server berupa nilai hasil pengujian dan data grafik. Diagram alir prinsip kerja
alat mulai dari awal sampai akhir dapat dilihat pada gambar 3.3 dibawah ini:
38
Tidak
Tidak
Beban
Perubahan
regangan
Sensor Strain
Gauge BF 350 –
3AA
Amplifier
Microcontroller
ESP8266
Smartphone
Selesai
Gambar 3.3 Diagram alir prinsip kerja tegangan regangan
39
3.1.6 Kombinasi dan Susunan Konsep
Kombinasi dan susunan konsep pada perancangan alat percobaan uji
punter dapat dijabarkan dengan bentuk table seperti berikut:
Tabel 3.2 Kombinasi dan susunan konsep
No Prinsip Solusi dan
Sub Fungsi 1 2 3
1. Metode
Statik
2. Pengukur puntiran
BF 350-3AA Strain Gauge
Rosette 90o
Strain
Gauge
Shear 45o
3.
Amplifier (Penguat
Instrumentasi)
HX711 INA125P AD8221
4. Bridge Connection
Half Bridge Quarter Bridge Full Bridge
5. Pemrosesan data
Arduino Uno ESP8266 Raspberry
Pi
40
6.
Jenis Tumpuan
Engsel Rol Jepit
7. Pengirim Data
Kabel Serial Radio
Frequency
8. Perangkat Akuisisi
Data
Smartphone Personal
Computer
9. Software
pemrograman
Arduino IDE Python Java
10. Platform Web
Server
MIT App
Inentor Thingspeak Apache
41
3.1.7 Pemilihan Konsep Varian
Dalam pembuatan konsep varian perlu diperhatikan segi teknik dan
ekonominya agar pembuatan produk menjadi ergonomis. Pemilihan konsep varian
dilakukan untuk pengerjaan model dan menentukan unjuk kerja secara kuantitatif.
Dari tabel 3.2 didapatkan hasil varian sebagai berikut:
Varian = 1-1, 2-1, 3-2, 4-3, 5-2, 6-3, 7-3, 8-1, 9-1, 10-2.
Dan bila susunan konsep di buat sebuah gambar desain, maka desain alat
akan seperti yang ditunjukan oleh gambar 3.4 di bawah ini
Keterangan gambar:
1. Base 6. Sensor strain gauge
2. Poros Aluminium 7. Box Microcontroller
3. Dudukan beban
4. Lengan
5. Tumpuan jepit
Gambar 3.4 Desain alat pengukuran tegangan regangan
42
3.2 Desain Skematik Rangkaian Elektronik
Perancangan ini akan digambarkan dalam sebuah rangkaian skematik,
rangkaian skematik ini merupakan gabungan antara sensor strain gauge, IC INA125
dan microcontroller ESP8266. Skema diagram dibuat agar lebih mudah untuk
memahami tata letak komponen serta hubungan antara satu komponen dengan
komponen lainnya. Gambar 3.5 merupakan rangkaian skematik dan layout
pendeteksi tegangan menggunakan sensor strain gauge.
3.3 Manufaktur Produk
Berdasarkan perancangan komponen mekanik dan elektronik yang telah
dibahas secara detail pada bab sebelumnya, diperoleh komponen-kompoonen
sistem yang diperlukan dalam proses pembuatan.
3.3.1 Komponen Alat yang digunakan
1. Lem Loctite 496 6. Coating
2. Cutter 7. Pinset
3. Amplas halus 8. Gunting
4. Multimeter 9. Solder
5. Alkohol 10. Timah
Gambar 3.5 Wiring diagram
43
3.3.2 Bahan yang digunakan
1. Resistor 10K ohm: 1 buah
2. Resistor 56 ohm: 1 buah
3. Sensor Strain Gage 350 ohm: 4 buah
4. ESP8266: 1 buah
5. IC INA125: 1 buah
6. Trimpot variable 1K = 1 buah
3.4 Proses Finishing
Finishing merupakan proses terakhir dalam urutan proses pembuatan sistem.
Proses finishing meliputi perbaikan bagian-bagian komponen yang belum
sempurna, pemasangan kabel dan sensor. Setelah komponen semua telah selesai
dikerjakan, kemudian komponen-komponen tersebut dirakit menjadi sistem yang
siap diuji. Adapun urutan cara merakitnya adalah sebagai berikut:
1. Memasang 4 buah sensor strain gauge pada poros aluminium dengan posisi
450 terhadap titik sumbu poros. Dapat dilihat pada gambar dibawah
2. Menyusun rangkaian wheatstone bridge pada tiap sensor dengan
menggunakan metode full bridge
3. Merangkai kabel input dan output pada IC INA125P
4. Menghubungkan kabel output INA125P ke pin analog ESP8266
Gambar 3.6 Pemasangan sensor strain gauge
44
5. Melakukan kalibrasi pada pin output INA125P dengan cara memutar trimpot
variable hingga nilai output pada amplifier menunjukkan angka 2,5-volt
seperti pada gambar dibawah.
6.Membuka aplikasi Arduino UNO
7. Menyiapkan sketch program pada Arduino IDE dan dilanjutkan verifikasi
sketch
8. Memberikan pembebanan pada alat uji pada lengan sesuai dengan titik
pembebanan yang disediakan secara berulang-ulang
Titik
pembebanan
L = 250 mm
Gambar 3.7 Pengkalibrasian jembatan
Gambar 3.8 Titik pembebanan
45
9. Membuka platform ThingSpeak untuk melihat hasil dari jarak jauh
10. Alat siap diuji untuk dilakukan pengambilan data.
3.5 Uji Performa Prototype
Uji performa pada pengujian ini berguna untuk mengetahui kinerja dari
prototype atau alat yang digunakan dengan mengklasifikasikan beberapa parameter
berupa variabel sebagai berikut:
a. Variabel Bebas
Variabel bebas adalah variabel yang dilihat pengaruhnya terhadap
variabel terikat [23]. Pada penelitian ini, komponen variabel bebas adalah
beban dengan berat 0,604 kg, 1,413 kg, 3 kg, 4,13 kg, dan 6,249 kg.
b. Variabel Tetap
Variabel tetap adalah variabel yang berpengaruh terhadap variabel terikat
dengan pengaruh yang ditiadakan atau dikontrol secara konstan [23].
Penelitian ini memiliki beberapa variabel tetap seperti Aluminium 6061,
Gambar 3.9 Pembacaan hasil pada Thingspeak
46
microcontroller ESP8266, instrumentation amplifier IC INA125P dan strain
gauge dengan hambatan 350 ohm.
c. Variabel Terikat
Variabel terikat adalah variabel hasil dimana nilai dari variabel ini akan
berubah karena perubahan variabel bebas. Pada penelitian ini beberapa
variabel terikat adalah, regangan yang terjadi akibat beban puntir,
perubahan voltase.