Modul 4

 

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

MODUL 4

Sistem Pemantauan pada Gudang Penyimpanan Bahan Makanan

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. dasar teori

5. Percobaan

Percobaan ...

1. Prosedur Percobaan
2. Hardware
3. Rangkaian Simulasi dan Prinsip Kerja
4. Flowchart
5. Video Demo
6. Download File

MODUL 4

1. Pendahuluan [Kembali]

Dalam industri penyimpanan bahan makanan, pengendalian suhu merupakan hal yang sangat penting untuk menjaga kualitas dan keamanan produk. Produk makanan seperti daging, ikan, dan makanan olahan harus disimpan pada suhu rendah agar tidak cepat rusak. Jika suhu naik, proses pembusukan akan lebih cepat terjadi, menghasilkan gas amonia (NH₃) yang berbau tajam dan menandakan adanya penurunan kualitas makanan.

Permasalahan utama yang sering muncul adalah tidak adanya sistem otomatis yang dapat mendeteksi perubahan suhu dan keberadaan gas amonia secara bersamaan. Keterlambatan dalam penanganan dapat menyebabkan kerusakan bahan makanan dalam jumlah besar. Untuk mengatasi hal tersebut, dirancanglah alat pengatur suhu otomatis berbasis sensor LM35 dan sensor gas MQ-5. Ketika suhu naik atau terdeteksi gas amonia, alat ini akan secara otomatis mengaktifkan kipas pendingin agar suhu kembali normal dan menghambat pembusukan yang pada akhirnya menenkan kadar gas amonia pada ruangan.

Sistem ini menggunakan beberapa komponen utama seperti LM35 untuk deteksi suhu, MQ-5 untuk deteksi gas, LM324 sebagai pembanding tegangan, gerbang logika OR sebagai pengendali logika, transistor 2N2222 sebagai saklar elektronik, serta kipas DC sebagai aktuator. Dengan sistem ini, proses penyimpanan bahan makanan menjadi lebih aman, efisien, dan otomatis.

2. Tujuan [Kembali]

1. Merancang dan membuat sistem otomatis untuk mengontrol suhu ruang penyimpanan bahan makanan.

2. Mendeteksi keberadaan gas amonia akibat pembusukan makanan menggunakan sensor MQ-5.

3. Mengaktifkan kipas pendingin secara otomatis ketika suhu atau kadar gas melebihi batas normal.

4. Menerapkan prinsip kerja rangkaian komparator, gerbang logika, dan relay dalam sistem pengendalian suhu dan gas.

5. Mengetahui cara kerja sistem kontrol otomatis berbasis sensor dalam aplikasi dunia nyata.

3. Alat dan Bahan[Kembali]

1. Beardboard

 

2. Sensor suhu LM35

 

3. Sensor gas MQ - 5

           4. LM358

 

5. IC 7432

 

6. IC 7486

 

7. Transitor TIP 120

 

8. IC 7408

 

9. IC 74LS193

 

10. IC 74LS47

 

11. Potensiometer

 

12. Resistor

 

13. Jumper

 

14. Dioda

 

15. Motor DC

 

16. Adapter

         17. Seven segment common anode - 5161

 

4. Dasar Teori [Kembali]

1. Sensor Suhu LM35

Sensor LM35 merupakan sensor suhu tipe analog yang berfungsi untuk mengubah besaran fisik suhu menjadi besaran listrik berupa tegangan analog. LM35 termasuk dalam keluarga sensor suhu presisi yang dikalibrasi langsung dalam derajat Celcius. Sensor ini memiliki keunggulan dibandingkan termistor atau termokopel karena tidak memerlukan kalibrasi eksternal, bersifat linier, dan memiliki sensitivitas tetap sebesar 10 mV/°C.

 

Secara matematis, hubungan antara suhu dan tegangan keluaran LM35 dinyatakan dengan persamaan:

$$V_{out}=10\times T(\mathrm{°}C)\text{(mV)}$$

Sebagai contoh, jika suhu terukur adalah 30°C, maka tegangan keluarannya sebesar:

$$V_{out}=10\times 30=300\text{mV}=0,3\text{V}$$

LM35 bekerja dengan catu daya antara 4V–30V DC dan memiliki tingkat kesalahan maksimum ±0,5°C pada suhu kamar. Sensor ini dipasang pada bagian dalam ruang frozen food untuk memantau kondisi suhu aktual. Ketika suhu naik di atas batas normal, tegangan keluarannya meningkat sehingga dapat dibandingkan dengan tegangan referensi dari potensiometer untuk menghasilkan sinyal logika tertentu.

Pin pada LM35 adalah sebagai berikut

 

 

2. Sensor gas MQ-5

Sensor gas MQ-5 berfungsi untuk mendeteksi keberadaan gas LPG (Liquefied Petroleum Gas), gas alam (CH₄ / metana), gas hidrogen (H₂), serta gas alkohol. Sensor ini banyak digunakan pada sistem pendeteksi kebocoran gas rumah tangga dan sistem keselamatan industri. Prinsip kerja sensor MQ-5 didasarkan pada perubahan resistansi bahan semikonduktor (umumnya SnO₂ – Tin Dioxide) akibat interaksi kimia dengan gas yang terdeteksi.

Saat molekul gas seperti LPG atau hidrogen hadir di sekitar sensor, terjadi reaksi oksidasi–reduksi pada permukaan SnO₂ yang dipanaskan. Reaksi ini menyebabkan penurunan resistansi sensor (Rs) sehingga konduktivitas meningkat seiring dengan bertambahnya konsentrasi gas.

Sensor MQ-5 memiliki dua bagian utama, yaitu:

Elemen pemanas (heater coil)
Berfungsi untuk menjaga suhu kerja sensor pada kondisi optimal (sekitar 200–300°C), sehingga reaksi kimia antara gas dan material sensor dapat berlangsung dengan stabil dan cepat.
Elemen deteksi (SnO₂)
Merupakan bahan semikonduktor yang nilai resistansinya berubah ketika terpapar gas target. Perubahan resistansi ini menjadi dasar dalam pendeteksian konsentrasi gas.

Hubungan antara resistansi sensor (Rs) dan konsentrasi gas (ppm) dinyatakan dalam bentuk persamaan empiris sebagai berikut:

dengan:

Rs = resistansi sensor saat terpapar gas
Ro = resistansi sensor pada udara bersih
A, B = konstanta kalibrasi yang ditentukan oleh pabrikan

Semakin tinggi konsentrasi gas LPG atau hidrogen, maka nilai Rs semakin kecil, sehingga tegangan keluaran sensor meningkat pada rangkaian pembagi tegangan.

Sinyal analog dari sensor MQ-5 ini kemudian dapat diolah menggunakan komparator (misalnya LM324) untuk dibandingkan dengan tegangan ambang (threshold). Jika tegangan keluaran melebihi batas yang ditentukan, maka sistem akan mengindikasikan kondisi gas berbahaya, misalnya dengan menyalakan LED, buzzer, atau mengaktifkan sistem pengaman lainnya.

Konfigurasi Pin Sensor MQ-5

Sensor MQ-5 umumnya memiliki 6 pin, yang terdiri dari:

2 pin Heater (H dan H) → untuk catu daya pemanas
2 pin A (A1 dan A2) → elektroda keluaran sensor
2 pin B (B1 dan B2) → elektroda keluaran sensor

Pin A dan B biasanya disambungkan secara paralel sehingga sensor digunakan sebagai resistor variabel dalam rangkaian pembagi tegangan.

 

 

3. IC LM358 (Op-Amp / Komparator)

 LM358 merupakan IC penguat operasional (operational amplifier) yang terdiri dari dua op-amp independen dalam satu kemasan. IC ini dirancang khusus untuk aplikasi tegangan rendah dan catu daya tunggal (single supply), sehingga sangat umum digunakan pada rangkaian sensor, komparator, penguat sinyal analog, serta sistem kendali berbasis mikrokontroler.

LM358 mampu beroperasi dengan tegangan catu daya tunggal antara 3 V hingga 32 V, atau catu daya ganda ±1,5 V hingga ±16 V. Keunggulan utama IC ini adalah kemampuannya bekerja pada level tegangan mendekati ground, sehingga sangat cocok untuk pengolahan sinyal sensor yang menghasilkan tegangan rendah.

Prinsip Kerja LM358

LM358 bekerja dengan menguatkan selisih tegangan antara masukan non-inverting (+) dan masukan inverting (−). Jika tegangan pada input non-inverting lebih besar dibandingkan input inverting, maka tegangan keluaran akan meningkat. Sebaliknya, jika tegangan pada input inverting lebih besar, maka tegangan keluaran akan menurun.

Secara matematis, tegangan keluaran op-amp dapat dinyatakan sebagai:

Dalam aplikasi praktis, LM358 umumnya dikonfigurasikan sebagai penguat (amplifier) atau komparator, dengan tambahan rangkaian umpan balik (feedback) untuk mengatur penguatan dan kestabilan.

Fungsi dan Aplikasi LM358

LM358 banyak digunakan dalam berbagai aplikasi elektronika, antara lain:

Penguat sinyal sensor (gas, suhu, cahaya, tekanan)
Komparator tegangan dengan nilai ambang (threshold)
Rangkaian filter aktif (low-pass, high-pass)
Penguat sinyal arus rendah
Sistem monitoring dan proteksi

Pada aplikasi pendeteksi gas, LM358 sering digunakan sebagai komparator untuk membandingkan tegangan keluaran sensor dengan tegangan referensi. Jika tegangan sensor melebihi nilai ambang, maka keluaran LM358 akan berubah logika untuk mengaktifkan indikator atau aktuator.

Karakteristik Utama LM358

Beberapa karakteristik penting dari IC LM358 adalah:

Tegangan kerja: 3 V – 32 V (single supply)
Konsumsi daya rendah
Input bias current kecil
Output dapat mencapai level mendekati ground
Stabil pada berbagai konfigurasi penguatan

Konfigurasi Pin IC LM358

LM358 tersedia dalam kemasan DIP-8, dengan konfigurasi pin sebagai berikut:

1. Output Op-Amp 1
2. Input Inverting (−) Op-Amp 1
3. Input Non-Inverting (+) Op-Amp 1
4. Ground (GND)
5. Input Non-Inverting (+) Op-Amp 2
6. Input Inverting (−) Op-Amp 2
7. Output Op-Amp 2 
8. VCC (Catu Daya Positif)

5. Transistor TIP120

TIP120 merupakan transistor daya jenis NPN Darlington yang dirancang untuk aplikasi penguatan arus besar dan pengendalian beban daya, seperti motor DC, relay, solenoid, dan lampu. Transistor ini banyak digunakan pada rangkaian kendali berbasis mikrokontroler maupun rangkaian analog karena memiliki penguatan arus (current gain) yang sangat tinggi.

TIP120 termasuk ke dalam konfigurasi Darlington pair, yaitu dua transistor NPN yang dihubungkan secara internal sehingga menghasilkan penguatan arus total yang besar. Dengan konfigurasi ini, arus basis yang kecil sudah mampu mengendalikan arus kolektor yang jauh lebih besar.

Prinsip Kerja Transistor TIP120

TIP120 bekerja berdasarkan prinsip dasar transistor NPN, di mana arus kecil yang masuk ke kaki basis (B) akan mengontrol arus yang lebih besar antara kolektor (C) dan emitor (E). Pada kondisi aktif, saat tegangan basis–emitor ($V_{BE}$) mencapai sekitar 1,2–1,4 V (lebih besar dibanding transistor NPN biasa karena konfigurasi Darlington), transistor akan mulai menghantarkan arus.

Dalam aplikasi sebagai saklar elektronik (switch), TIP120 dioperasikan pada kondisi cut-off dan saturasi:

• Cut-off: tidak ada arus basis, transistor OFF, beban tidak aktif.

• Saturasi: arus basis cukup, transistor ON, arus mengalir dari kolektor ke emitor dan beban aktif.

Karakteristik Utama TIP120

Beberapa karakteristik penting transistor TIP120 antara lain:

• Jenis transistor: NPN Darlington

• Tegangan kolektor–emitor maksimum ($V_{CE(max)}$): ±60 V

• Arus kolektor maksimum ($I_C$): hingga 5 A

• Penguatan arus (hFE): hingga 1000

• Tegangan basis–emitor ($V_{BE}$): sekitar 1,2–1,4 V

• Daya disipasi maksimum: sekitar 65 W (dengan heatsink)

Konfigurasi Pin Transistor TIP120

TIP120 umumnya tersedia dalam kemasan TO-220, dengan konfigurasi pin sebagai berikut (dilihat dari depan tulisan menghadap kita):

1. Basis (B)

2. Kolektor (C)

3. Emitor (E)

Bagian logam (tab) pada kemasan TO-220 terhubung langsung ke kolektor dan biasanya dipasang heatsink untuk membantu pembuangan panas.

Aplikasi Transistor TIP120

Transistor TIP120 banyak digunakan dalam berbagai aplikasi, antara lain:

• Pengendali motor DC

• Driver relay

• Penguat arus beban daya

• Sistem aktuator otomatis

• Rangkaian switching daya

Pada rangkaian pendeteksi gas, TIP120 sering digunakan sebagai driver beban, di mana sinyal keluaran dari op-amp (seperti LM358) atau mikrokontroler digunakan untuk mengaktifkan transistor sehingga mampu menyalakan beban dengan arus besar, misalnya motor atau buzzer.

Kelebihan dan Kekurangan TIP120

Kelebihan:

• Penguatan arus sangat besar

• Mudah dikendalikan dengan sinyal arus kecil

• Cocok untuk beban arus besar

Kekurangan:

• Tegangan jenuh ($V_{CE(sat)}$) relatif tinggi

• Efisiensi lebih rendah dibandingkan MOSFET

• Menghasilkan panas lebih besar pada arus tinggi

6. IC7490 (Counter) dan IC 7448 (BCD to 7-Segment Decoder)

IC IC7490 merupakan penghitung biner (binary ripple counter) 4-bit yang digunakan untuk menghasilkan urutan logika biner 0000–1111 (0–15). IC ini memiliki dua masukan clock (CKA dan CKB) serta empat keluaran (QA, QB, QC, QD).

 

IC 7448 berfungsi sebagai pengonversi kode biner (BCD) menjadi tampilan angka pada seven segment display. Setiap kombinasi biner pada input (A, B, C, D) akan diubah menjadi pola pencahayaan pada segmen LED (a–g) untuk menampilkan angka desimal.

 

Hubungan antara input BCD dan output seven segment diatur oleh tabel dekoder internal IC 7448. IC ini juga dilengkapi dengan pin latch dan blanking untuk mengontrol tampilan secara efisien.

Fungsi kedua IC ini dalam sistem adalah memberikan informasi visual, yaitu menghitung berapa kali terjadi kenaikan suhu yang ditampilkan lewat seven segment.

8. Potensiometer

Potensiometer digunakan sebagai pembagi tegangan untuk menentukan nilai referensi (reference voltage) pada input inverting (-) dari op-amp LM324. Nilai referensi ini berfungsi sebagai ambang batas suhu atau kadar gas. Jika tegangan keluaran sensor melebihi nilai referensi, maka sistem akan menghasilkan sinyal aktif (HIGH).

 

Persamaan dasar pembagi tegangan:

$$V_{out}=V_{in}\times \frac{R_2}{R_1+R_2}$$

Dengan mengubah posisi putaran potensiometer, pengguna dapat menyesuaikan batas sensitivitas sistem.