Sensor Gas Alkohol TGS 822

          Alkohol banyak digunakan dalam industri minuman, yaitu minuman yang mengandung alkohol (etanol) yang dibuat secara fermentasi dari jenis bahan baku nabati yang mengandung karbohidrat, misalnya: biji-bijian, buah-buahan, nira dan sebagainya, atau yang dibuat dengan cara distilasi hasil fermentasi termasuk didalamnya adalah minuman keras klasifikasi A, B dan C. Menurut PERMENKES No.86/1977, minuman beralkohol dibedakan menjadi 3 (tiga) golongan:

1. Golongan A dengan kadar alkohol 1-5%, misalnya bir

2. Golongan B dengan kadar alkohol 5-20%, misalnya anggur

3. Golongan C dengan kadar alkohol 20-55%, misalnya wiski dan brendi.

          Kementrian kesehatan melakukan pengujian bagi minuman-minuman yang beredar di masyarakat guna layak dikonsumsi bagi konsumen. Minuman alkohol ini diuji kadar alkohol yang terkandung didalamnya di laboratorium dan dimasukkan kedalam kelas-kelas tertentu. Seiring banyaknya minuman beralkohol yang memiliki kadar alkohol yang amat tinggi (melebihi 55%) dan tidak memiliki izin beredar maka BPOM (Badan Pengawas Obat dan Makanan) melakukan operasi langsung ke lapangan. Dalam melakukan operasi minuman alkohol BPOM tidak bisa mengetahui langsung kadar alkohol yang terkandung dalamnya. Minuman tersebut diuji di Laboratorium kemudian baru bisa diketahui apakah minuman tersebut layak beredar atau tidak. Proses uji Laboratorium membutuhkan waktu yang cukup lama, sehingga bagi para pedagang tidak bisa langsung mengetahui apakah minuman yang dia jual layak beredar atau tidak.

          Dalam hal ini telah dirancang suatu alat yang efektif dan efisien dalam mengukur kadar alkohol pada minuman beralkohol. Proses perencanaan sistem ini dilakukan dengan cara merubah data analog dari sensor menjadi data digital kemudian mentransmisikan data tersebut ke mikrokontroler dan ditampilkan lewat LCD (Liquid Cristal Display). Jenis-jenis sensor yang sering digunakan untuk membuat alat ukur kadar alkohol tersebut antara lain adalah sensor TGS 822, Sensor TGS 2620, Sensor AF 63 dan Sensor MQ-3. Tetapi dalam kesmepatan kali ini penulis akan membahas terlebih dahulu tentang sensor TGS 822.

          Sensor gas alkohol TGS 822, merupakan sensor gas yang elemennya terbuat dari metal oxide semiconductor (SnO2) sehingga memiliki kemampuan deteksi yang sama dengan sensor alkohol TGS 2620, tetapi menurut salah satu produsen sensor ini memiliki jangkauan deteksi antara 10-1000 ppm untuk alkohol dan juga untuk aseton. Berikut ini ditunjukan karateristik sensitivitas dan kecepatan respon dari sensor gas TGS 822.

Gambar 1. Karakteristik sensitivitas sensor TGS 822

gambar 2. Kecepatan respon sensor TGS 822

sedangkan bentuk fisik dari sensor alkohol TGS 822 ditunjukan seperti pada gambar berikut ini.

Gambar 3.Bentuk nyata sensor TGS 822

1. Diagram Blok Sistem Alat Ukur Kadar Alkohol 

          Untuk membuat alat ukur kadar alkohol pada suatu minuman yang menggunakan sensor TGS 822 diperlukan bebrapa komponen tambahan seperti non inverting amplifier, konverter analog to digital (ADC), mikrokontroller dan liquid cristal display (LCD) yang dirakit menjadi satu sistem. Diagram blok sistem secara keseluruhan ditunjukan seperti pada gambar berikut ini.

SENSOR                NON                      ADC                  MIKRO                      LCD

   TGS       -----> INVERTING  ------> 0804  <-----> KONTROLER -------> LM1632

    822                 AMPLIFIER                                       AT89S51                

Gambar 4. Blok diagram sistem alat ukur

Penjelasan dari masing-masing blok adalah sebagai berikut :

a.      Sensor Gas Alkohol TGS 822 digunakan sebagai sensor pendeteksi kadar alkohol pada sistem alat ukur.

b.     Non Inverting Amplifier memperkuat sinyal keluaran dari sensor agar dapat diproses dengan mudah oleh rangkaian berikutnya.

c.      ADC (Analog To Digital Converter) 0804, digunakan untuk mengubah data analog dari sensor menjadi data digital.

d.      Mikrokontroler AT89S51, berfungsi sebagai pengontrol utama system.

e.   LCD (Liquid Crystal Display) LM1632, berfungsi sebagai media penampil data yang didikeluarkan dari mikrokontroler AT89S51.

2.  Rangkaian Sensor TGS 822

          Rangkaian sensor gas alkohol TGS 822 ditunjukan sepeti pada gambar di bawah ini.

Gambar 5. Rangkaian sensor TGS 822

         Prinsip kerja rangkaian sensor di atas akan dijelaskan sebagai berikut. Pada saat sensor diberi tegangan input (Vc) dan tegangan heater (VH) dan diletakkan pada udara bersih, maka resistansi sensor Rs akan turun secara cepat sehingga tegangan yang melintasi tahanan beban (RL) akan naik secara cepat pula kemudian turun sesuai dengan naiknya nilai Rs kembali sampai mencapai nilai yang stabil, kondisi ini disebut "Initial Action".

          Pada saat ada uap alkohol yang masuk ke dalam sensor, nilai resistansi sensor (Rs) akan turun sesuai dengan besarnya konsentrasi uap alkohol di udara pada saat itu. Kenaikan R, ini akan menyebabkan tegangan pada RL, atau VRL naik. Hal ini dapat dilihat pada persamaan berikut ini : 

Rs = [(Vc / VRL) - 1] x RL

dimana : Vc = Tegangan input sensor dalam Volt

VRL = Tegangan output sensor dalam Volt

 RS = Tahanan sensor dalam Ohm

 RL = Tahanan beban dalam Ohm

Sedangkan disipasi daya pada elektroda sensor (PS) dirumuskan sebagai berikut :

Ps = (Vc² x Rs) / (Rs + RL)²

3.  Rangkaian Non Inverting Amplifier

             Sinyal output yang dihasilkan oleh rangkaian sensor alkohol mempunyai nilai yang kecil sehingga perlu dikuatkan agar dapat diproses dengan mudah oleh rangkaian berikutnya. Agar dapat diproses oleh rangkaian digital, maka penguatan Non Inverting amplifier harus menghasilkan output tegangan antara 0 – 5 V . Rangkaian penguatan ini menggunakan IC LM741 yang diberikan tegangan pencatu sebesar +12V dan -12V pada kaki ke-7 dan kaki ke-4. Untuk mendapatkan penguatan 1,5 kali, dipasang resistor 10 kilo ohm pada kaki ke-3 inputan, resistor 20 kilo ohm dan 10 kilo ohm yang diseri pada kaki ke-2 dan kaki ke-6.

Gambar 6. Rangkaian non inverting amplifier

Tegangan keluaran dari Rangkaian Non Inverting diatas dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut : 

Vo =  [ 1 – (Rf / Ri) ] x Ei

          Dalam perancangan sistem ini penguatan yang dibuat adalah 1,5 kali penguatan guna memperoleh ring data heksa ADC yang lebih lebar dari keluaran sensor, sehingga dalam perancangan Ri bernilai 20K, sedangkan Rf 10K jadi penguatan yang dihasilkan adalah 1,5 kali penguatan.

4.  Rangkaian Mikrokontroller AT89S51

            Mikrokontroler AT89S51 harus didukung oleh beberapa rangkaian lain agar dapat melakukan prosesnya, yaitu berupa rangkaian clock dan reset. Selain itu juga harus ditentukan dalam penggunaan port-portnya dan sinyal-sinyal yang digunakan mendukung proses yang dilakukan. Rangkaian mikrokontroler AT89S51 yang akan diantarmukakan dengan ADC 0804 dan modul LCD. Pada masing-masing blok memiliki rangkaian yang sama. Berikut adalah gambar rangkaian mikrokontroler adalah sebagai berikut.

Gambar 7. Rangkaian mikrokontroller AT89S51

Dalam sistem mikrokontroler ini direncanakan penggunaan port yang tersedia sebagai berikut :

1. Port 0.0 - 0.7 sebagai jalur untuk LCD.

2. Port 2.0 - 2.1 sebagai jalur data untuk pembaca dan menulis modul LCD.

3. Port 3.0 – 3.7 sebagai jalur untuk ADC.

a.  Rangkaian Pewaktu (Clock)

          Kecepatan proses yang dilakukan oleh mikrokontroller ditentukan oleh sumber clock yang mengendalikan mikrokontroller tersebut. Sistem yang akan dirancang ini menggunakan asilator internal yang sudah tersedia dalam chip mikrokontroller AT89S51. untuk menentukan frekuensi osilatornya cukup dengan cara menghubungkan kristal pada pin 19 (XTAL 1) dan pin 18 (XTAL 2) serta dua buah kapasitor ke ground. Besarnya kapasitansi, disesuaikan dengan spesifikasi pada lembar data AT89S51 yaitu 30pF. Kristal yang digunakan adalah 12 MHz. Gambar berikut ini menunjukan rangkain clock yang digunakan.

Gambar 8. Rangkaian pewaktu (clock)

b.  Rangkaian Reset

          Reset pada mikrokontroler merupakan masukkan aktif High ‘1’ Pulsa transisi dari rendah ‘0’ ke tinggi ‘1’ akan mereset mikrokontroler menuju alamat 0000H. Pin reset dihubungkan dengan rangkaian power on reset seperti pada gambar berikut ini.

Gambar 9. Rangkaian power on reset

          Rangkaian reset bertujuan agar mikrokontroler dapat menjalankan proses dari awal. Rangkaian reset untuk mikrokontroler dirancang agar mempunyai kemampuan power on reset, yaitu reset yang terjadi pada saat sistem dinyalakan untuk pertama kalinya. Reset juga dapat dilakukan secara manual dengan menekan tombol reset yang berupa switch push button. Rangkaian Reset terbentuk oleh komponen R dan C. Nilai R yang dipakai adalah 10 kilo ohm dan C 47 μF. Sedangkan untuk mencari frekuensi dari reset tersebut menggunakan rumus sebagai berikut : fo = 1 / (1,1 R C). Sehingga dengan komponen resistor dengan nilai 10 kΩ serta kapasitor dengan nilai 47 uF akan dihasilkan frekuensi. fo = 1,93 Hz. Maka Periode Clock T = 1 / fo = 0,52 detik.

5.  Rangkaian Konverter Analog ke Digital

          Dalam pembuatan alat ini juga dibutuhkan pengubah sinyal analog menjadi sinyal digital atau disebut juga Analog to Digital Converter (ADC), hal ini disebabkan karena sinyal-sinyal yang didapat dari sensor adalah berupa sinyal analog sedangkan rangkaian mikrokontroller menggunakan sistem digital sehingga membutuhkan masukan berupa sinyal digital. ADC pada rancangan ini digunakan untuk mengubah masukan analog keluaran sensor gas 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 berikut ini.

Gambar 10. Rangkaian ADC 0804

          Pada sistem yang dirancang menggunakan ADC 0804 Mode Free Running dimana ADC 0804 akan mengeluarkan data hasil pembacaan input secara otomatis dan berkelanjutan (continue) setelah selesai mengkonversi tegangan analog ke digital. Pin INTR akan berlogika rendah setelah ADC selesai mengkonversi, logika ini dihubungkan kepada masukan WR untuk memerintahkan ADC memulai konversi kembali.

6.  Interface Mikrokontroller ke modul LCD

          LCD Display Module M1632 buatan Seiko Instrument Inc. adalah komponen display yang paling umum digunakan saat ini. LCD M1632 merupakan panel LCD sebagai media penampil informasi dalam bentuk huruf/angka dua baris, masing-masing baris bias menampung 16 huruf/angka. Proses mengirim/mengambil data dari M1632 bisa dijabarkan sebagai berikut :

-    RS harus disiapkan dulu, untuk menentukan jenis data seperti yang telah dibicarakan diatas.

-  R/W di-nol-kan untuk menandakan akan diadakan pengiriman data ke M1632. Data yang akan dikirim disiapkan di DB0….DB7, sesaat kemudian sinyal E disatukan dan dinolkan kembali. Sinyal E merupakan sinyal sinkronisasi, saat E berubah dari 1 menjadi 0 data di DB0….DB7 diterima oleh M1632.

-   Untuk mengambil data dari M1632 sinyal R/W disatukan, menyusul sinyal E disatukan, pada E menjadi 1, M1632 akan meletakkan datanya di DB0….DB7, data ini harus diambil sebelum sinyal E dinolkan kembali.

          Untuk menghubungkan dengan mikrokontroller, pemakai LCD M1632 dilengkapi dengan 8 jalur data (DB0….DB7) yang dipakai untuk menyalurkan kode ASCII maupun perintah pengatur kerjanya M1632. Selain itu dilengkapi pula dengan E, R/W dan R/S seperti layaknya komponen yang kompetibel dengan mikroprosesor.

          RS (Register Select) dipakai untuk membedakan jenis data yang dikirim M1632, kalau RS=0 data yang dikirim adalah perintah untuk mengatur kerja M1632, sebaliknya kalau RS=1 data yang akan dikirim adlah kode ASCII yang ditampilkan.

          M1632 mempunyai seperangkat perintah untuk mengatur tata kerjanya,perangkat perintah tersebut meliputi perintah untuk menghapus tampilan, meletakkan kembali kusor pada baris huruf pertama baris pertama, menghidupkan/mematikan tampilan dan lain sebagainya.

          Untuk tampilan dipergunakan LCD Dot Matrik 2 x 16 karakter. Sinyal-sinyal yang diperlukan oleh LCD adalah RS dan Enable, sinya l RS dan Enable dipergunakan sebagai input yang outputnya dipakai untuk mengaktifkan LCD. LCD akan aktif apabila mikrokontroller memberikan instruksi tulis pada LCD. Saat kondisi RS don’t care dan enable 0 maka LCD tetap pada kondisi semula, pengiriman data ke LCD dilakukan saat RS berlogika 0 dan enable berlogika 1. instruksi dikirim pada LCD bila keadaan RS berlogika 1 dan enable berlogika 1. Pin LCD ini untuk data terkoneksi pada port 0 mikrokontroller. Kemudian untuk RS dihubungkan pada Port 2.0, tulis/baca (Read/Write) diberi logika low karena disini LCD bersifat menulis data, dan yang terakhir Enable (E) dikendalikan dengan Port 2.1. Gambar rangkaian LCD ditunjukan seperti pada gambar berikut ini.

Gambar 11. Rangkaian LCD LM1632

7.   Perangkat Lunak (Software)

          Perancangan perangkat lunak (Software) sangat diperlukan oleh programmer dalam mempermudah menentukan langkah-langkah atau alur dari program. Selain mempermudah langkah- langkah pemrograman, diagram alir juga difungsikan supaya program sesuai dan sinkron dengan perangkat keras (Hardware), sehingga sesuai dengan apa yang direncanakan.

Gambar 12. Alat ukur kadar alkohol minuman dengan sensor TGS 822