Buletin Fisika Vol 17 No. 1 Pebruari 2016 : 7 – 13

PERANCANGAN ALAT UKUR GAS HIDROKARBON (HC) DENGAN MENGGUNAKAN SENSOR MQ-4 BERBASIS MIKROKONTROLER AT89S52

I Nyoman Gede Putra Wibawa1*, I Wayan Supardi1, I Gusti Agung Putra Adnyana1

  • I.    PENDAHULUAN

Indonesia menjadi salah satu negara dengan tingkat polusi udara tertinggi ketiga di dunia. Kontribusi emisi gas buang kendaraan bermotor sebagai sumber polusi udara terbesar mencapai 60-70%. Hal ini diakibatkan oleh laju pertumbuhan kepemilikan kendaraan bermotor yang tinggi. Sebagian besar kendaraan bermotor menghasilkan emisi gas buang yang buruk, baik akibat perawatan yang kurang memadai ataupun dari penggunaan bahan bakar dengan kualitas kurang baik (Irawan, 2012).

Salah satu dari beberapa bahan pencemar udara adalah hidrokarbon (HC). Hidrokarbon diudara akan bereaksi dengan bahan-bahan lain dan akan membentuk ikatan baru yang disebut polycyclic aromatic hidrocarbon (PAH) yang banyak dijumpai di daerah industri dan padat lalulintas. Bila PAH ini masuk dalam paru-paru akan menimbulkan   luka   dan   merangsang

terbentuknya          sel-sel          kanker

[http://www.depkes.go. id/downloads/Udara.PDF].

Pada saat ini ilmu dan teknologi berkembang begitu pesat, terutama di bidang elektronika dan instrumentasi. Berbagai macam alat elektronik telah dirancang dan diterapkan untuk membantu dalam kehidupan. Salah satu alat ukur yang telah dibuat adalah alat uji emisi gas buang mesin bermotor.

Alat uji emisi gas buang kendaraan yang banyak digunakan pada bengkel-bengkel, ataupun dinas perhubungan saat ini adalah alat ukur gas karbon monoksida (CO), hidrokarbon (HC), karbon dioksida (CO2), oksigen (O2), dan nitrogen dioksida (NO2), namun alat-alat tersebut memiliki bentuk fisik yang begitu besar, sehingga tidak mudah untuk dipindah-pindahkan dan memerlukan tempat yang luas untuk

menaruhnya. Selain itu, alat tersebut juga membutuhkan daya yang besar untuk mengoperasikannya, dan yang menjadi kendala adalah harganya sangat mahal. Beberapa contoh alat uji emisi yang umum digunakan saat ini adalah SPTC USA CorpTYPE GAS 4/5 yang memiliki berat 5 Kg, dimensi 270(W) x 245(H) x 419(D) mm, dan sumber daya yang dibutuhkan adalah 220 VAC dan 12 VDC. Automatic Diesel Smoke Tester SY-AST 330 yang memiliki berat 18 Kg, dimensi 420(W) x 250(H) x 400(D) mm, dan sumber daya yang dibutuhkan adalah 220 VAC, 50Hz [http://multiteknika mandiri.indonetwork.co.id/ 2774033].

Untuk membantu dalam mengurangi pencemaran yang terjadi, maka dalam penelitian ini akan dirancang alat ukur gas hidrokarbon dengan menggunakan sensor MQ-4 berbasis mikrokontroler AT89S52. Dengan tujuan untuk mengetahui karakteristik sensor MQ-4, dan mengetahui rancangan serta cara kerja alat ukur gas hidrokarbon dengan menggunakan sensor MQ-4 berbasis mikrokontroler AT89S52.

  • II.    TINJAUAN PUSTAKA

    • 2.1.    Sensor MQ-4

Sensor MQ-4 memiliki sensitivitas yang tinggi terhadap metana dan natural gas (hidrokarbon). Bahan sensitif dari sensor MQ-4 adalah tin dioxide (SnO2), dengan konduktivitas yang rendah pada udara bersih. Jika terdapat gas yang berinteraksi dengan sensor, maka konduktivitas sensor akan meningkat seiring meningkatnya konsentrasi gas yang dideteksi [http:// www.pololu.com/file/0J311/MQ4.pdf].

Sensor MQ-4 ditunjukkan pada Gambar 2.1. Sensor ini dibuat dengan keramik tabung mikro Al2O2, lapisan sensitif tin dioxide (SnO2), elektroda pengukur dan pemanas (heater) yang dipasang pada

tempat yang dibuat dari plastik dan stainless steel. Pemanas digunakan untuk memberikan suhu tertentu yang optimal pada komponen sensitif SnO2 untuk melakukan pengindraan atau sensing.

Gambar 2.1 Sensor MQ-4.

Ketika bahan sensitif (SnO2) dihangatkan pada suhu tertentu, oksigen akan diserap pada permukaan kristal dan oksigen akan bermuatan negatif. Hal ini disebabkan karena permukaan kristal mendonorkan elektron pada oksigen yang terdapat pada lapisan luar, sehingga oksigen akan bermuatan negatif dan muatan positif akan terbentuk pada permukaan luar kristal. Tegangan permukaan yang terbentuk akan menghambat laju aliran elektron seperti tampak pada ilustrasi Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Ilustrasi penyerapan O2.

Arus elektrik mengalir melewati daerah sambungan (grain boundary) dari kristal SnO2 di dalam sensor. Penyerapan oksigen mencegah muatan untuk bergerak bebas

pada daerah sambungan. Jika konsentrasi gas menurun, proses deoksidasi akan terjadi, rapat permukaan dari muatan negatif oksigen akan berkurang, dan mengakibatkan menurunnya ketinggian penghalang dari daerah sambungan. Menurunnya penghalang tersebut maka akan mengakibatkan resistansi sensor juga ikut menurun seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3 [http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456 789/22558/ 4/Chapter%20II.pdf].

Gambar 2.3 Ilustrasi ketika terdeteksi adanya gas.

  • III.    METODE PENELITIAN

    • 3.1.    Diagram Blok Alat Rancangan

Digaram blok perancangan alat akur gas hidrokarbon menggunakan sensor MQ-4 ditunjukkan pada Gambar 3.1.

Alur respon sinyal yang ditunjukkan pada Gambar 3.1 dimulai dari sensor MQ-4 yang mengubah sinyal masukan berupa kadar gas hidrokarbon menjadi sinyal analog berupa tegangan. Jika perubahan tegangan keluaran yang dihasilkan oleh sensor relatif kecil, maka digunakan rangkaian penguat opersional agar perubahan tegangan keluaran sensor dapat dibaca oleh ADC untuk melakukan konversi sinyal analog menjadi data digital. Data digital yang diperoleh

Gambar 3.1 Diagram blok rancangan alat ukur gas hidrokarbon.


kemudian diolah oleh mikrokontroler AT89S52 menjadi data digital pembentuk tampilan angka pada seven segment. Tampilan angka pada seven segment menunjukkan kadar gas hidrokarbon yang terukur.

  • 3.2.    Algoritma Pemrograman Mikroko-ntroler AT89S52

Algoritma pemrograman mikrokontroler pada alat yang ukur akan dirancang

ditunjukkan pada Gambar 3.2. Program ini dimulai dengan inisialisai komponen yang digunakan, kemudian tegangan keluaran sensor MQ-4 dibaca oleh ADC0804 untuk dikonversi ke data digital. Data digital dihasilkan dibaca oleh mikrokontroler, kemudian diolah menjadi data digital pembentuk tampilan angka pada seven segment, setelah itu dikirim ke seven segment untuk ditampilkan.

Gambar 3.2 Algoritma pemrograman mikrokontroler AT89S52.


  • IV.    HASIL DAN PEMBAHASAN

    • 4.1.    Hasil Perancangan Alat Ukur

Hasil yang diperoleh dari penelitian ini adalah alat ukur gas hidrokarbon (HC) 10

dengan menggunakan sensor MQ-4 berbasis mikrokontroler AT89S52. Alat ukur ini terdiri dari beberapa bagian utama seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1.


Gambar 4.1 Alat ukur gas hidrokarbon dengan menggunakan sensor MQ-4 berbasis mikrokontroler AT89S52.

Keterangan Gambar 4.1:

  • 1.    Sensor   MQ-4,   berfungsi    sebagai

pengindra gas hidrokarbon.

  • 2.    Rangkaian   sensor   MQ-4,   befungsi

sebagai pengubah perubahan resistansi pada sensor MQ-4 menjadi perubahan tegangan.

  • 3.    Rangkaian komparator, berfungsi sebagai pengatur tegangan keluaran sensor MQ-4 agar dimulai dari 0 volt.

  • 4.    Rangkaian penguat tak membalik (noninverting amplifier), berfungsi sebagai penguat tegangan keluaran sensor.

  • 5.    Rangkaian ADC0804, berfungsi sebagai pengubah tegangan keluaran sensor yang berupa data analog menjadi data digital.

  • 6.    Rangkaian sistem minimum AT89S52, berfungsi sebagai pengolah data tegangan keluaran sensor MQ-4 yang berupa data digital menjadi data kadar gas hidrokarbon dalam satuan ppm.

  • 7.    Rangkaian seven segment, berfungsi sebagai pengatur data yang telah diolah untuk ditampilkan pada seven segment.

  • 8.    Seven   segment,   berfungsi   sebagai

penampil kadar gas hidrokarbon yang terukur.

  • 9.    Rangkaian catu daya, berfungsi sebagai penyedia  daya untuk  mengaktifkan

seluruh pada alat rancangan.

  • 4.2.    Hasil Pengujian Alat Rancangan

Pengujian rancangan alat ukur gas hidrokarbon dengan menggunakan sensor MQ-4 berbasis mikrokontroler AT89S52 dilakukan dengan cara membandingkan hasil pengukurannya dengan hasil pengukuran yang dilakukan oleh alat ukur gas HC Dinas Perhubungan Kota Denpasar dengan merk Capelec 3201. Pengujian ini dilakukan dengan mengambil data pengukuran gas HC dari 10 kendaraan bermotor roda 4 yang berbahan bakar premium. Pengukuran kadar gas HC pada setiap kendaraan dilakukan sebanyak 5 kali. Rata-rata hasil pengukuran kadar gas HC setiap kendaraan dianalisis dengan regresi linier, kemudian diplot menjadi sebuah grafik seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.2.

Gambar 4.2 menunjukkan grafik kelinieran antara rata-rata hasil pengukuran kadar gas HC pada 10 kendaraan roda 4 berbahan bakar premium oleh alat rancangan dan alat pembanding. Koefisien determinasi (R2) yang diperoleh dari hasil analisa data pengujian alat rancangan yaitu sebesar 0,999. Koefisien tersebut menyatakan bahwa kesesuaian alat rancangan dengan alat pembanding adalah sebesar 99,9%, sedangkan sisanya terjadi ketidaksesuaian. Ketidaksesuaian yang terjadi pada hasil pengukuran mungkin disebabkan oleh sistem penampungan gas HC yang diukur dan sensitivitas sensor dari alat rancangan

Gambar 4.2 Grafik kelinieran hasil pengujian alat.


.4.3. Pembahasan Cara Kerja Alat Ukur

Alur respon sinyal alat rancangan dimulai dari rangkaian sensor MQ-4 dengan mengubah kadar gas yang dideteksinya menjadi tegangan keluaran sensor. Tegangan keluaran sensor yang dihasilkan memiliki perubahan sebanding dengan perubahan kadar gas HC yang dideteksi.

Tegangan keluaran sensor MQ-4 yang dimulai dari 35 mV pada 0 ppm kadar HC mengakibatkan berkurangnya rentang pengukuran yang dapat dilakukan oleh alat rancangan. Oleh karena itu, digunakan rangkaian komparator dengan tegangan pembanding yang sesuai dengan tegangan keluaran sensor MQ-4 pada 0 ppm kadar gas HC, yaitu 35 mV. Sehingga tegangan keluaran sensor dimulai dari 0 volt dan rentang pengukuran menjadi tidak berkurang.

Karena perubahan tegangan keluaran sensor MQ-4 begitu kecil, yaitu 2 mV, maka tegangan keluaran tersebut dikuatkan terlebih dahulu oleh rangkaian penguat tak membalik sebesar 10 kali untuk

menyesuaikannya dengan Vlsb ADC (perubahan tegangan terkecil yang dapat dibaca oleh ADC untuk melakukan perubahan keluaran data digital sebesar 1 bit), yaitu sebesar 20 mV.

Tegangan keluaran rangkaian penguat kemudian dihubungkan pada rangakaian pembatas tegangan sebelum dihubungkan ke ADC. Rangkaian pembatas tegangan berfungsi untuk menjaga tegangan masukan ADC tidak lebih dari 5 volt, sehingga ADC tidak rusak.

Setelah melalui rangkaian pembatas tegangan, maka tegangan keluaranya dihubungkan pada pin Vin(+) ADC. Ketika ADC0804 dalam keadaan aktif atau pin CS ADC berlogika rendah, maka ADC akan membaca tegangan tersebut, kemudian memulai mengonversinya menjadi data digital pada saat pin WR ADC berlogika rendah. Setelah proses konversi selesai dan data digital telah diperoleh, maka WR akan diatur agar berlogika tinggi dan secara tidak langsung pin INTR ADC akan berlogika rendah untuk memberikan indikator kepada

mikrokontroler bahwa proses konversi telah selesai.

Ketika mikrokontroler mengetahui bahwa proses konversi telah selesai, mikrokontroler langsung dapat membaca data hasil konversi pada pin keluaran ADC, karena pin RD ADC telah diatur pada logika rendah (dihubungkan pada ground). Data digital yang telah dibaca oleh mikrokontroler kemudian diolah menjadi data digital pembentuk tampilan angka pada seven segment. Pengonversian dan pengolahan data diatur oleh program yang didownload pada mikrokontroler AT89S52. Setelah data digital diolah, kemudian dikirim ke 3 digit seven segment untuk ditampilkan secara bergantian dan dengan kecepatan tinggi, sehingga seven segment dapat menunjukkan kadar gas yang terukur oleh alat rancangan.

Bahasa pemrograman yang digunakan untuk mengendalikan mikrokontroler dalam mengolah dan menampilkan data pada seven segment dalam rancangan alat ukur gas HC ini adalah bahasa assembly. Program pengendali mikrokontoler yang didownload pada alat rancangan terdiri dari empat subprogram, yaitu subprogram pengendali konversi ADC, pengolah hasil konversi mejadi kadar gas HC, pengolah kadar HC menjadi pembentuk angka pada seven segment, dan penampil kadar HC pada seven segment.

  • V.    KESIMPULAN

Berdasarkan hasil dan pembahasan yang telah dikemukakan, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut:

  • 1.    Telah dapat dirancang alat ukur gas hidrokarbon dengan menggunakan sensor MQ-4 berbasis mikrokontroler AT89S52.

  • 2.    Rangkaian alat rancangan diaktifkan oleh catu daya 5 VDC, -15 VDC dan +15VDC, dengan rentang pengukuran mulai dari 0 ppm sampai 131 ppm.

  • 3.    Alat      rancangan      memanfaatkan

karakteristik    sensor    MQ-4    yang

menghasilkan    perubahan    tegangan

keluaran sebanding dengan perubahan kadar gas yang dideteksi. Kesesuaian alat rancangan dengan alat capelec 3201 yang diperoleh dari hasil analisa regresi linier data pengujian alat rancangan yaitu sebesar 99,9%.

DAFTAR PUSTAKA

Irawan, Bagus. 2012. Rancang Bangun Catalytic     Converter    Material

Substrat Tembaga Berlapis Mangan Untuk Mereduksi Emisi Gas Carbon Monoksida Motor Bensin. Semarang: Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhamadiyah Semarang.

http://www.depkes.go.id/downloads/Udara.P DF. Parameter Pencemar Udara dan Dampaknya Terhadap Kesehatan. [Diakses pada tanggal 17 Februari 2014].

http://multiteknikamandiri.indonetwork.co.id /2774033. Gas Analyzer for Diesel (Smoke   Tester)/Alat Uji Emisi

Otomatis   pada   Mesin   Diesel.

[Diakses pada tanggal 6 Mei 2013].

http://www.pololu.com/file/0J311/MQ4.pdf. MQ-4 Semikonduktor Sensor for Natural Gas. [Diakses pada tanggal 6 Mei 2013].

http://repository.usu.ac.id/bitstream/1234567 89/22558/4/Chapter II.pdf. Prinsip Kerja Sensor Gas Secara Umum. [Diakses pada tanggal 17 Februari 2014]

13