TIMBANGAN DIGITAL MENGGUNAKAN LOAD CELLAbstrakPerkembangan teknologi yang semakin modern berdampak pada dunia elektronika yang semakin berkembang pesat. Salah satunya pada alat pengukur beban yaitu Timbangan Digital. Timbangan Digital menggunakan load cell berbasis mikrokontroler AT89S51 dan LCD sebagai penampil dari hasil pengukuran yang telah dilakukan. Inputan dari timbangan digital adalah gaya tekan. Gaya tekan tersebut akan disensing oleh strain gauge. Gaya tekan tersebut mengubah bentuk (x) dari strain gauge dan menjadi resistansi lalu menjadi tegangan karena terdapat rangkaian bridge didalamnya. Lalu outputan strain gauge yang berupa tegangan dikondisikan agara nilai minimum 0 volt dan nilai maksimum 5volt. Nilai tegangan ini akan diproses oleh mikrokontroller. Disini akan diproses masukan berupa tegangan dikonversi ke berat. Nilai berat ini akan akan ditampilkan pada monitor yang berupa LCD. Dengan menggunakan Timbangan Digital dalam pengukuran beban hasil yang didapat akan lebih akurat dan dalam proses pelayanan pengukuran beban lebih singkat. Pengukuran akan lebih praktis dan efisien serta memiliki tingkat akurasi yang baik.Kata Kunci: Timbangan Digital, Mikrokontroler AT89S51, Sensor Berat (Load Cell),LCD

PENDAHULUAN

Seiring dengan perkembangan teknologi dan ilmu pengetahuan,bidang elektronika mengalami kemajuan yang pesat. Dengan kemajuan tersebut, membuat manusia selalu berusaha memanfaatkan teknologi yang ada untuk mempermudah kehidupannya. Misalnya dalam hal pengukuran massa, pengukuran massa biasa dilakukan secara manual, yaitu dengan timbangan manual. Timbangan adalah sebuah alat bantu yang digunakan untuk mengetahui berat suatu benda. Timbangan digital merupakan alat ukur untuk mengukur berat masa benda atau zat dengan tampilan digital. Dalam pemanfaatannya timbangan digunakan diberbagai bidang, dari bidang perdagangan, industri sampai dengan perusahaan jasa. Bukan hanya di sektor industri, sektor diluar pun tidak luput dari penggunaan kemajuan teknologi, seperti misalnya pada pengukuran beban di pasar swalayan,pengukuran beban di terminal barang dan ditempat-tempat lainnya yang tersebar di berbagai wilayah. Hampir semuanya sudah menggunakan teknologi digital guna mendukung aktivitas yang mereka lakukan. Dalam kaitannya dengan hal tersebut, maka penulis membuat sebuah alat pengukur berat yang dapat digunakan dalam berbagai pengukuran berbasis mikrokontroller AT89S51. Dengan menampilkan suatu hasil pengukuran secara digital, sehingga diharapkan pengukuran yang dilakukan lebih akurat,lebih singkat dalam hal pelayanan dapat lebih baik.

METODE

2.1 Sensor (Strain Gauge)Strain Gauge adalah sensor yang digunakan untuk mengubah gaya tekan menjadi sinyal listrik, melalui perubahan resistansi yang terjadi pada Strain Gauge dengan sebuah tekanan dalam bentuk deformasi (regangan). Load cell biasanya terdiri dari empat susun Strain Gauge dalam konfigurasi jembatan wheatstone. Keluaran sinyal listrik Strain Gauge Load cell hanya beberapa millivolts sehingga membutuhkan amplifikasi dengan penguat instrumentasi diferential sebelum dapat digunakan. Output dari Strain Gauge Load cell diproses ke dalam algoritma yang terintergrasi untuk menghitung gaya yang diterapkan pada Strain Gauge Load cell. Spesifikasi Strain Gauge:a. kapasitas 5Kgb. Beker pada tegangan rendah 5 -10VDC / 5 - 10VAC.c. ukuran sensor yang kecil dan praktis.d. Input / output resistance rendah 35050.e. Zero balance 0.024 mV/Vf. Nonlineritas 0.05%g. Range temperature kerja -10C ~ +50C

Strain atau regangan diukur untuk mengetahui besarnya deformasi pada saat terjadinya tegangan mekanik sehingga didapat besaran gaya yang terjadi seperti beban ataupun tegangan. Selain itu juga digunakan untuk memperoleh nilai keamanan / kekuatan suatu bahan atau suatu elemen struktural yang mengandung bahan tersebut.

Strain Inputan berupa gaya (F) akan menyebabkan stress pada body dari material strain gauge yang berupa semikonduktor. Jika dianalogikan dalam bentuk mekanik maka didalam strain gauge terdapat pegas dan massa. Persamaan dinamiknya adalah:x

Ditransformasi laplace menjadi

Nilai k= 2.0 to 2.2G= Faktor gage

Panjang gauge: PanjangGaugeAplikasi penggunaan

1 mmUntuk pengukuran terpusat

2 ~ 6 mmUntuk logam dan penggunaan umum

10 ~ 20 mmUntuk mortar (semen campuran), kayu, FRP, dll

30 mmUntuk beton pondasi (concrete) dan material campuran kasar

Stress (Tegangan Mekanis): = F/A F = gaya tarikan(N) , A = luas penampang (m2)Strain (Regangan): = L/L , L = Pertambahan panjang, L = Panjang awal

Resistance strain gaugepada konduktor uniform dengan luas penampang A dan panjang L yang terbuat dari material dengan resistivitas . Resistansi dari konduktor tersebut dapat dituliskan sebagai berikut: ALR.

dimana : R = tahanan () l = panjang konduktor (m) d = diameter konduktor (mm = tahanan jenis (mm2./m

Jika kemudian konduktor tersebut ditarik hingga bertambah panjang ataupun ditekan sehingga menysut panjangnya, maka resistansinya akan berubah. Ini disebabkan karena dimensinya yaitu panjangnya dan juga luas penampangnya berubah dan juga disebabkan karena sifat dasar dari material yang disebut Piezoresistance yang menunjukkan dependence resistivity terhadap strain mekanis.Untuk mencari bagaimana perubahan dR terhadap R pada parameter-parameter dasar, maka dilakukan diferensiasi persamaan resistansi.

Gauge Factor:

: ,Untuk strain;

Gauge factor;

axial strain ;

transverse strain ;

Poisson ratio ;

Poisson ratio sebagai perbandingan regangan dalam arah lateral terhadap regangan dalam arah aksial.dengan A dan T mempunyai tanda yang berlawanan.

Tipe dan konstruksi strain gauge unbonded dan bonded metal wirebonded metal foil vacuum and sputter deposited thin metal Bonded and diffused semiconductorPenggunaan dalam rangkaian:metode normal untuk mendeteksi dan mengukur perubahan resistansi adalah dengan cara meletakkan strain gauge pada lengan dengan kondisi awal setimbang pada jembatan Whetstone dan kemudian mengukur besarnya ketidak setimbangan tegangan yang terjadi. Lengan dari Bridge tesrsebut dapat berupa strain gauge yang aktif dengan lengan lainnya resistor yang ekivalen nilainya.

Adapun konfigurasi rangkaian Bridge yg dapat dibuat adalah: quarter bridge Half Bridge Full BridgeQuarter bridge:menggunakan single strain gauge tegangan output yang diperoleh adalah:

Half Bridge:menggunakan Dua strain gauge tegangan output yang diperoleh adalah:

Full Bridge: menggunakan Empat buah strain gauge tegangan output yang diperoleh adalah:

2.2 Penguat InstrumentasiPenguat instrumentasi adalah penguat yang paling bermanfaat, cermat dan serbaguna yang ada pada saat ini. Penguat ini dibuat dari tiga penguat operasional dan tujuh resistor seperti terlihat dalam Gambar 3. Untuk menyederhanakan analisis rangkaian, perlu diketahui bahwa penguat instrumentasi sesungguhnya dibuat dengan menghubungkan dua buah penguat penyangga dengan sebuah penguat deferensial dasar.

Gambar 2.5. Penguat InstrumentasiOp Amp A3 dan dua resistor R2 dan dua resistor R3 membentuk sebuah penguat deferensial dasar dengan gain sebesar R3/R2. Seperti yang terlihat dalam Gambar 3, ada satu buah resistor lagi yang digunakan untuk menyetel penguatan, yaitu RG. Persamaan tegangan adalah sebagai berikut:

Ciri-ciri penguat instrumentasi dapat diringkas sebagai berikut:1. Penguatan tegangannya, dari masukkan diferensial (E1 - E2) ke keluaran berujung tunggal, disetel oleh satu resistor.2. Resistansi masukkan dari kedua masukkannya sangat tinggi dan tidak berubah jika penguatannya berubah.3. Vo tidak tergantung pada tegangan bersama E1 maupun E2, melainkan hanya pada perbedaan antara keduanya.

2.3 Rangkaian Analog to Digital Converter (ADC) ADC pada rancangan ini digunakan untuk mengubah masukan analog keluaran sensor berat yang sudah dikuatkan menjadi data digital 8 bit. Tipe ADC yang digunakan adalah ADC 0804 pada mode kerja free running. Rangkaian free running ADC 0804 ditunjukkan pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6. Rangkaian Free running ADC.

Untuk membuat mode kerja ADC 0804 menjadi free running, maka harus diketahui bagaimana urutan pemberian nilai pada -RD dan -WR serta perubahan nilai pada INTR, seperti ditunjukkan pada Tabel 1. Mode kerja free running ADC diperoleh jika -RD dan -CS dihubungkan ke ground agar selalu mendapat logika 0 sehingga ADC akan selalu aktif dan siap memberikan data. Pin -WR dan -INTR dijadikan satu karena perubahan logika -ITNR sama dengan perubahan logika pada -WR, sehingga pemberian logika pada -WR dilakukan secara otomatis oleh keluaran -INTR.Nilai tegangan masukan (Vx) dari sebuah adc secara umum dapat dirumuskan sebagai berikut:

dimana: Vx = tegangan masukan Vref= tegangan referensiSedangkan resolusi dari sebuah adc secara umum dapat dirumuskan sebagai berikut:

dimana: V = resolusi Vref = tegangan referensi n = jumlah bit

2.5 Mikrokontroller AT89S51

Gambar 2.7. Mikrokontroller AT89S51

Keterangan : Vcc : Suplai Tegangan GND : Ground atau pentanahan RST : Masukan reset. Kondisi logika 1 selama siklus mesin saat osilator bekerja dan akan mereset mikrokontroler yang bersangkutan.

Fungsi - fungsi Port : Port 0 : Merupakan port paralel 8 bit open drain dua arah. Bila digunakan untuk mengakses memori luar, port ini akan memultipleks alamat memori dengan data. Port 1 : merupakan port paralel 8 bit dua arah yang dapat digunakan untuk berbagai keperluan. Port 2 : merupakan port paralel selebar 8 bit dua arah. Port ini melakukan pengiriman byte alamat bila dilakukan pengaksesan memori eksternal. P3.0 : Saluran masukan serial P3.1 : Saluaran keluaran serial P3.2 : Interupsi eksternal 0 P3.3 : Interupsi eksternal 1 P3.4 : Masukan eksternal pewaktu / pencacah 0 P3.5 : Masukan eksternal pewaktu / pencacah 1 P3.6 : Sinyal tanda baca memori data ekstrenal. P3.7 : Sinyal tanda tulis memori data eksternal.

AT89S51 adalah sebuah mikrokontroller 8 bit terbuat dari CMOS, yang berkonsumsi daya rendah dan mempunyai kemampuan tinggi. Mikrokontroller ini memiliki 4Kbyte In-System Flash Programmable Memory, RAM sebesar 128 byte, 32 input/output, watchdog timer, dua buah register data pointer, dua buah 16 bit timer dan counter, lima buah vektor interupsi, sebuah port serial full-duplex, osilator on-chip, dan rangkaian clock. AT89S51 dibuat dengan teknologi memori non-volatile dengan kepadatan tinggi oleh ATMEL. Mikrokontroller ini cocok dengan instruksi set dan pinout 80C51 standart industri. Flash on-chip memungkinkan memori program untuk diprogram ulang dengan programmer memory nonvolatile yang biasa.

2.6 LCD

LCD (Liquid Crystal Display) adalah modul penampil yang banyak digunakan karena tampilannya menarik. LCD M1632 merupakan modul LCD dengan tampilan 2x16 (2 baris x 16 kolom) dengan konsumsi daya rendah. Modul tersebut dilengkapi dengan mikrokontroler yang didesain khusus untuk mengendalikan LCD. Gambar 2.8 LCD karakter 2x16

Hasil

Pengujian Load Cell dan Jembatan Wheatstone Pengujian Load Cell dan jembatan Wheatsone dilakukan agar sensor tersebut dapat bekerja dengan baik,berdasarkan pengujian tanpa diberi beban terjadi pergeseran nilai pada jembatan whaetstone sebesar 0,19mV,dengan menggunakan rangkaian yang ada keluaran load cell dan jembatan wheatsone diseting menggunakan Variable resistor supaya mendapatkan 0Volt dan ini berhasil.

Gambar 3.1 Pengujian Load Cell dan Jembatan Wheatsone

Pengujian Rangkaian Pengkondisi Sinyal Pengujian Rangkaian Pengkondisi sinyal bertujuan untuk mengetahui apakah rangkaian yang dihasilkan oleh rangkaian pengkondisi sinyal tersebut sudah sesuai dengan rangkaian yang diinginkan dan menguji kestabilan rangkaian tersebut, Gambar 3.2 Diagram blok pengujian rangkaian penguat Gambar 4.3 Rangkaian pengkondisi sinyal dari sensor berat

Tabel 4.1.1 Hasil pengujian Pengkondisi sinyal terhadap beban yang diberikan

Gambar 4.4 Grafik hubungan Pengkondisi Sinyal terhadap beban yang diberikan

Pengujian ADC ADC 0804 adalah bagian yang sangat penting pada suatu instrumentasi elektronika. Untuk itu diperlukan pengujian terlebih dahulu untuk menetukan dapat tidaknya ADC ini digunakan sebagai pengubah tegangan analog menjadi bit-bit digital.

Tabel 4.1.2 Hasil pengujian ADC terhadap pengkondisi sinyal dan berat yang diberikan

KesimpulanStrain gauge adalah sensor strain yang mengubah regangan menjadi hambatan, kemudian dengan rangkaian Jembatan Wheatstone dikonversi menjadi Tegangan namun karena tegangan yang dihasilkan sangatlah kecil (skala mili Volt) dibutuhkan rangkaian Penguat sehingga sensor starin gauge dapat menjadi actuator.1. Masa yang diukur oleh sensor Load Cell dapat diubah menjadi tegangan listrik yang diinginkan dengan menggunakan rangkaian jembatan Wheatstone. 2. Hubungan yang di dapat antara beban yang diberikan terhadap output pengkondisi sinyal adalah linear 3. Adanya tegangan offset masukan yaitu sebesar 0,74mV pada saat tidak ada beban. 4. Dari hasil pengujian dapat diketahui bahwa rata-rata tingkat kesalahan beban berat yang ditampilkan adalah sebesar - 0,6%