Proyek Modul 4

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Percobaan

Percobaan ...

1. Laporan Akhir Modul 4

MODUL 4 : Sistem Penyedotan dan Penyimpanan Nira

1. Pendahuluan [Kembali]

Nira merupakan cairan alami yang dihasilkan dari tanaman palma seperti aren dan kelapa, yang banyak dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan gula aren dan produk olahan lainnya. Namun, nira memiliki sifat yang mudah rusak karena cepat mengalami fermentasi, terutama jika terpapar suhu tinggi dan kondisi penyimpanan yang kurang terkontrol. Oleh karena itu, proses penyedotan dan penyimpanan nira perlu dilakukan secara cepat, aman, dan terkontrol agar kualitas nira tetap terjaga.

Seiring perkembangan teknologi, sistem penyedotan nira yang sebelumnya dilakukan secara manual mulai beralih ke sistem yang lebih otomatis. Pemanfaatan rangkaian digital dan sensor memungkinkan proses penyedotan berjalan lebih efisien, sekaligus meminimalkan risiko kesalahan manusia. Dengan sistem yang tepat, nira dapat dipindahkan ke tangki penyimpanan tanpa meluap, tanpa merusak pompa, dan dengan pemantauan kondisi secara real-time.

Disini kita akan membahas konsep sistem penyedotan dan penyimpanan nira berbasis rangkaian digital, yang memadukan penggunaan sensor, gerbang logika, flip-flop, counter, dan shift register. Sistem ini dirancang sebagai simulasi menggunakan Proteus, sekaligus sebagai media pembelajaran untuk menerapkan konsep dasar sistem digital pada permasalahan nyata di bidang pertanian dan agroindustri.

2. Tujuan [Kembali]

1. Merancang sistem penyedotan dan penyimpanan nira yang lebih aman dan terkontrol, dengan memanfaatkan sensor dan rangkaian digital untuk mencegah kondisi tangki penuh, pompa kering (dry-run), dan keadaan darurat.

2. Menerapkan konsep rangkaian digital secara nyata, khususnya penggunaan gerbang logika, flip-flop, counter, dan shift register dalam sebuah sistem kendali sederhana berbasis simulasi.

3. Memberikan gambaran solusi otomatisasi sederhana di bidang pengolahan nira, yang dapat menjadi referensi pembelajaran maupun pengembangan sistem yang lebih lanjut di masa depan.

3. Alat dan Bahan [Kembali]

Alat 

1. Breadboard

Breadboard merupakan papan percobaan yang digunakan untuk merangkai komponen elektronik tanpa perlu menyolder. Setiap lubang saling terhubung secara vertikal dan horizontal sesuai pola, memudahkan uji coba rangkaian sebelum dibuat permanen.

2. Kabel jumper

 

Kabel jumper yang baik yaitu kabel yang lumayan lentur dengan konektor yang agak keras dan sulit dilepaskan dari ujung kabel. Kabel jumper yang keras, kaku dan mempunyai konektor lunak akan lebih mudah rusak ketika digunakan. 

 

 

3. Adaptor 5V 2A

Sebagai sumber tegangan 5V dengan arus keluaran 2A

4. Connector 

Sebagai penghubung antara sumber tegangan ke breadboard

Bahan

1. Sensor Suhu LM35

2. Float Switch 

3. Segment Display – Menampilkan hasil cacahan jumlah kendaraan yang terdeteksi.

2. Transistor BD 139 – Sebagai saklar elektronik untuk mengendalikan LED (lampu).

Transistor BD139 merupakan jenis transistor NPN, dimana aliran tegangan terjadi antara terminal kolektor dan emitor. Besar kecilnya aliran tegangan pada kedua terminal tersebut dapat dikendalikan melalui pengaturan tegangan pada terminal basis

3. Resistor

Menahan arus listrik agar tidak berlebihan pada LED dan IC.

4. Potensiometer 

Mengatur sensitivitas pembacaan sensor agar batas jarak bisa disesuaikan

5. IC decoder BCD to 7-segment

IC 7447, merupakan IC TTL Decoder BCD to 7 Segment. IC ini berfungsi untuk mengubah kode bilangan biner BCD (Binary Coded Decimal) menjadi data tampilan untuk penampil/display 7 segment yang bekerja pada tegangan TTL (+5 volt DC).

6.Op-AMP

IC LM339 merupakan quad comparator, yaitu satu rangkaian terpadu yang di dalamnya terdapat empat buah komparator tegangan independen. Komparator berfungsi untuk membandingkan dua buah tegangan masukan, yaitu tegangan non-inverting (+) dan tegangan inverting (−). Hasil perbandingan tersebut akan menentukan kondisi keluaran, apakah berada pada level logika tinggi atau rendah.

7.Gerbang AND 3 Input (IC 4073)

IC 4073 merupakan triple 3-input AND gate, yaitu sebuah rangkaian terpadu yang di dalamnya terdapat tiga buah gerbang logika AND, dan setiap gerbang memiliki tiga masukan (3-input). IC ini termasuk ke dalam keluarga CMOS seri 4000, sehingga dikenal memiliki konsumsi daya yang rendah serta rentang tegangan kerja yang cukup lebar.

8. IC 74193

IC 74193 merupakan counter biner 4-bit up/down yang mampu menghitung naik (up) dan turun (down) secara terpisah. IC ini memiliki dua input clock, yaitu clock up dan clock down, sehingga arah perhitungan dapat dikendalikan dengan mudah. Selain itu, IC 74193 dilengkapi dengan fitur clear dan parallel load untuk mengatur nilai awal hitungan. IC ini banyak digunakan pada rangkaian pencacah digital, pengendali urutan, dan sistem kendali sederhana.

9. Pompa 5 V

10. Botol Plastik -- Sebagai tangki penyimpanan nira

4. Dasar Teori [Kembali]

• Float Switch

Sensor float switch merupakan salah satu jenis sensor level yang digunakan untuk mendeteksi ketinggian permukaan cairan di dalam suatu wadah atau tangki. Sensor ini bekerja berdasarkan prinsip gerakan pelampung (float) yang akan naik atau turun mengikuti perubahan tinggi permukaan cairan. Pergerakan pelampung tersebut kemudian digunakan untuk mengubah kondisi kontak listrik di dalam sensor.

Secara umum, float switch terdiri dari sebuah pelampung yang berisi magnet permanen dan sebuah sakelar (reed switch) yang berada di dalam batang sensor. Ketika permukaan cairan naik, pelampung ikut naik dan medan magnet dari pelampung akan mengaktifkan reed switch sehingga kontak listrik berubah dari kondisi terbuka (Normally Open) menjadi tertutup (Normally Closed), atau sebaliknya. Perubahan kondisi kontak inilah yang dimanfaatkan sebagai sinyal keluaran sensor.

Float switch biasanya menghasilkan keluaran sinyal digital, yaitu logika HIGH atau LOW, sehingga sangat mudah diintegrasikan dengan rangkaian kontrol digital seperti gerbang logika, counter dan mikrokontroler. Karena prinsip kerjanya sederhana, sensor ini memiliki tingkat keandalan yang tinggi dan relatif tahan terhadap kondisi lingkungan yang keras, seperti kelembapan atau cairan kental.

Karakteristik Sensor Float Switch

1. Prinsip Kerja Mekanis
   Float switch bekerja berdasarkan pergerakan pelampung yang naik dan turun mengikuti tinggi permukaan cairan. Gerakan ini mengaktifkan atau menonaktifkan kontak sakelar di dalam sensor.

2. Keluaran Digital (ON/OFF)
   Sensor float switch menghasilkan sinyal keluaran berupa kondisi ON/OFF atau logika HIGH/LOW, sehingga mudah diintegrasikan dengan sistem kontrol digital.

3. Memiliki Kontak NO dan NC
   Float switch umumnya tersedia dalam konfigurasi Normally Open (NO) dan Normally Closed (NC), yang dapat dipilih sesuai kebutuhan sistem.

4. Tidak Menghasilkan Nilai Kontinu
   Sensor ini hanya mendeteksi level tertentu dan tidak memberikan nilai ketinggian cairan secara kontinu seperti sensor analog.

5. Rentang Tegangan dan Arus Terbatas
   Float switch hanya mampu menangani arus dan tegangan tertentu, sehingga pada aplikasi beban besar diperlukan relay atau rangkaian penguat.

6. Respon Cepat terhadap Perubahan Level
   Perubahan tinggi cairan langsung memengaruhi posisi pelampung sehingga sensor merespons dengan cepat.

7. Konstruksi Sederhana dan Tahan Lama
   Dengan sedikit komponen elektronik, float switch relatif awet dan memiliki umur pakai yang panjang.

8. Mudah Dipasang dan Dipelihara
   Sensor ini dapat dipasang secara vertikal maupun horizontal dan tidak memerlukan perawatan yang rumit.

9. Tahan terhadap Lingkungan Basah
   Float switch dirancang untuk bekerja pada lingkungan cairan sehingga tahan terhadap kelembapan dan cipratan air.

10. Dipengaruhi oleh Kondisi Cairan
    Akurasi kerja dapat terpengaruh oleh viskositas cairan, kotoran, atau endapan yang dapat menghambat pergerakan pelampung.

• Sensor Suhu LM35

• LM35 adalah sebuah perangkat pengukur suhu yang memiliki keluaran berupa tegangan analog yang sebanding dengan suhu.
• Sensor ini memberikan tegangan keluaran dalam satuan Celcius (°C) dan tidak memerlukan rangkaian kalibrasi eksternal.
• Sensitivitas LM35 adalah sebesar 10 mV per derajat Celcius. Semakin tinggi suhu, maka semakin besar pula tegangan keluarannya. Sebagai contoh, tegangan keluaran sebesar 250 mV menunjukkan suhu 25°C.
• LM35 merupakan sensor dengan 3 kaki (terminal) yang digunakan untuk mengukur suhu lingkungan dengan rentang pengukuran dari −55°C hingga 150°C.
• LM35 menghasilkan keluaran suhu yang lebih presisi dibandingkan dengan keluaran sensor termistor.

Karakteristik sensor LM35

1. Kalibrasi dalam Celcius. Alat ini peka terhadap suhu dengan faktor penskalaan linier antara              tegangan dan suhu 10 mVolt/ºC dan dapat dikalibrasi langsung dalam derajat Celcius.
2. Akurasi 0,5 C pada suhu kamar.
3. Rentang -55C - 150C.
4. Bekerja dengan catu daya 4V-30V. 5. Tarik arus kurang dari 60A
6. Impedansi keluaran rendah 0,1W pada beban 1mA.

Cara kerja sensor LM35

Dalam praktiknya, proses antarmuka sensor LM35 dapat dikatakan cukup sederhana. IC sensor LM35 memiliki tiga pin: Vs, Vout, dan pin ground. Dalam pengoperasiannya, pin Vs dihubungkan dengan tegangan suplai 4-20 volt, pin Ground dihubungkan ke ground, dan pin Vout merupakan keluaran yang menenggelamkan tegangan yang besarnya sesuai dengan suhu yang diterima.

Prinsip kerja termometer ini adalah menggunakan sensor suhu untuk mengubah suhu menjadi tegangan. Dengan kata lain, ia mengubah panas yang diserap oleh LM35 sebagai sensor suhu menjadi tegangan. Proses mengubah panas menjadi tegangan adalah karena adanya termistor PTC (koefisien suhu positif) di dalam LM35, termistor yang merasakan perubahan panas. Prinsip kerja PTC ini adalah resistansi meningkat seiring dengan kenaikan suhu. Semakin tinggi resistansi, semakin tinggi tegangan output.

• Resistor 

Resistor adalah komponen Elektronika Pasif yang memiliki nilai resistansi atau hambatan tertentu yang berfungsi untuk membatasi dan mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian Elektronika (V=I R). 

Jenis Resistor yang digunakan disini adalah Fixed Resistor, dimana merupakan resistor dengan nilai tetap terdiri dari film tipis karbon yang diendapkan subtrat isolator kemudian dipotong berbentuk spiral. Keuntungan jenis fixed resistor ini dapat menghasilkan resistor dengan toleransi yang lebih rendah.

Cara menghitung nilai resistor:

Tabel warna

Contoh :

Gelang ke 1 : Coklat = 1

Gelang ke 2 : Hitam = 0

Gelang ke 3 : Hijau   = 5 nol dibelakang angka gelang ke-2; atau kalikan 105

Gelang ke 4 : Perak  = Toleransi 10%

Maka nilai resistor tersebut adalah 10 * 105 = 1.000.000 Ohm atau 1 MOhm dengan toleransi 10%.

• Transistor

Transistor adalah komponen semikonduktor yang dipakai sebagai penguat, sebagai sirkuit pemutus dan penyambung (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau sebagai fungsi lainnya. Transistor dapat berfungsi semacam kran listrik, di mana berdasarkan arus inputnya (BJT) atau tegangan inputnya (FET), memungkinkan pengaliran listrik yang sangat akurat dari sirkuit sumber listriknya.

    Transistor Bipolar adalah salah satu jenis transistor yang terbentuk dari 2 dioda sehingga memiliki polaritas atau sisi positif dan sisi negatif. Biasanya transistor Bipolar atau disebut dengan BJT (Basis Junction Transistor) memiliki 2 jenis, diantaranya yaitu Transistor PNP dan Transistor NPN. Transistor ini memiliki 3 polaritas yang biasa disebut B (Basis), E (Emiter), C (Collector). Basis berfungsi sebagai base atau tempat berkumpulnya kumpulan aliran arus yang masuk ke transistor, Emiter dan Collector sebagai aliran arus masuk dan keluar.

Lambang Transistor BJT

Sudah jelas seperti gambar di atas bahwa transistor PNP memiliki simbol yang arah panahnya masuk dan sebaliknya untuk NPN arah panah dari emiter mengarah keluar.

Bentuk aliran arus pada sebuah transistor dapat dirumuskan dengan hukum KCL ( Kirchoff Current Law) Atau hukum Kirchoff I, yang dirumuskan sebagai berikut.

Ie = Ic + Ib  

Keterangan : 
Ie = Arus Emitter
Ic = Arus Collector
Ib = Arus Basis

Pada Transistor BJT nilai arus Ib relatif sangat kecil terhadap Ic, maka Ib ini dapat diabaikan. Sehingga persamaan diatas bisa berubah menjadi

Ie = Ic

Keterangan :
Ie = Arus Emitter
Ic = Arus Collector

Karakteristik input merupakan karakteristik dari tegangan base dan emitter (VBE) sebagai fungsi arus base (IB) dengan VCE dalam keadaan konstan. Karakteristik ini merupakan karakteristik dari junction emitter-base dengan forward bias atau sama dengan karakteristik diode pada forward bias. Pada BJT seluruh pembawa muatan akan melewati junction Base-Emittor menuju Collector maka arus pada basis menjadi jauh lebih kecil dari diode P-N dengan adanya faktor hfe. Penambahan nilai VCE megakibatkan arus IB akan berkurang. Arus IB akan mengalir jika tegangan VBE > 0,7 V

Karakteristik output merupakan karakteristik dengan tegangan emitter (VCE) sebagai fungsi arus kolektor (IC) terhadap arus base (IB) yang tetap seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Pada saat IB=0, arus IC yang mengalir adalah arus bocor ICB0 (pada umumnya diabaikan), sedangkan pada saat IB ≠ 0 untuk VCE kecil (<< 0,2 V), pembawa muatan di basis tidak efisien dan transistor dikatakan dalam keadaan saturasi dengan IB > IC / hfe . Pada saat VCE diperbesar IC pun naik hingga melewati level tegangan VCE saturasi (0,2 -1 V) hingga transistor bekerja dalam daerah aktif dengan IB = IC / hfe. Pada saat ini kondisi arus IC relatif konstan terhadap variasi tegangan VCE.

Gelombang input dan output transistor

Jenis-jenis transistsor yang digunakan

    1. Fixed Bias

Fixed bias pada transistor BJT adalah metode yang sangat sederhana di mana tegangan basis transistor ditetapkan oleh sumber tegangan eksternal melalui sebuah resistor basis (RB). Konfigurasi dasar rangkaian ini melibatkan tegangan suplai (VCC), resistor kolektor (RC), dan resistor basis yang terhubung ke sumber tegangan bias (VBB). Kelebihan dari metode ini adalah kesederhanaannya, namun kelemahannya adalah stabilitas yang rendah. Fixed bias sangat sensitif terhadap variasi parameter transistor seperti β (gain) dan perubahan suhu, sehingga titik kerja transistor dapat mudah bergeser.

Gambar Rangkaian Fixed Bias

Rumus Untuk Rangkaian Fixed Bias

    2. Self Bias

Self bias meningkatkan stabilitas dengan menambahkan resistor emitor (RE) yang memberikan umpan balik negatif. Dalam konfigurasi self bias, tegangan basis diatur melalui resistor basis (RB) dan tegangan pada emitor yang dikendalikan oleh arus emitor (IE) yang mengalir melalui RE. Ini membantu menstabilkan arus kolektor (IC) karena perubahan dalam arus kolektor akan mempengaruhi tegangan emitor dan, pada gilirannya, menyesuaikan tegangan basis-emitor (VBE). Metode ini menawarkan stabilitas yang lebih baik dibandingkan fixed bias, tetapi masih relatif sederhana.

Gambar Rangkaian Self Bias

Rumus untuk Rangkaian Self Bias

• Emitter Bias 

Emitter bias menggabungkan pembagi tegangan untuk basis dan resistor emitor untuk mencapai stabilitas yang lebih tinggi. Konfigurasi ini melibatkan dua resistor pembagi tegangan (RB1 dan RB2) yang menetapkan tegangan basis, serta resistor emitor (RE) yang menyediakan umpan balik negatif. Pembagi tegangan memastikan tegangan basis tetap stabil meskipun ada perubahan dalam tegangan suplai atau parameter transistor. Sementara itu, resistor emitor menambah stabilitas termal dengan mengurangi efek perubahan suhu pada arus kolektor. Emitter bias adalah metode yang sangat stabil dan cocok untuk aplikasi yang memerlukan titik kerja yang sangat stabil.

Gambar Rangkaian Emitter Bias

Rumus untuk Rangkaian Emitter Bias

• Seven Segment

Seven segment merupakan bagian-bagian yang digunakan untuk menampilkan angka atau bilangan decimal. Seven segment tersebut terbagi menjadi 7 batang LED yang disusun membentuk angka 8 dengan menggunakan huruf a-f yang disebut DOT MATRIKS. Setiap segment ini terdiri dari 1 atau 2 LED (Light Emitting Dioda). Seven segment bisa menunjukan angka-angka desimal serta beberapa bentuk tertentu melalui gabungan aktif atau tidaknya LED penyususnan dalam seven segment.

Supaya memudahkan penggunaannnya biasanya memakai sebuah sebuah seven segment driver yang akan mengatur aktif atau tidaknya led-led dalam seven segment sesuai dengan inputan biner yang diberikan. Bentuk tampilan modern disusun sebagai metode 7 bagian atau dot matriks. Jenis tersebut sama dengan namanya, menggunakan sistem tujuh batang led yang dilapis membentuk angka 8 seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas. Huruf yang dilihatkan dalam gambar itu ditetapkan untuk menandai bagian-bagian tersebut.

Dengan menyalakan beberapa segmen yang sesuai, akan dapat diperagakan digit-digit dari 0 sampai 9, dan juga bentuk huruf A sampai F (dimodifikasi). Sinyal input dari switches tidak dapat langsung dikirimkan ke peraga 7 bagian, sehingga harus menggunakan decoder BCD (Binary Code Decimal) ke 7 segmen sebagai antar muka. Decoder tersebut terbentuk  dari pintu-pintu akal yang masukannya berbetuk digit BCD dan keluarannya berupa saluran-saluran untuk mengemudikan tampilan 7 segmen.

Tabel Pengaktifan Seven Segment Display

Seven segment common anoda adalah jenis tampilan digital yang tersusun dari tujuh buah LED (segmen a–g) dan satu titik desimal yang digunakan untuk menampilkan angka 0 sampai 9. Pada tipe common anoda, seluruh kaki anoda dari masing-masing segmen digabung menjadi satu dan dihubungkan ke sumber tegangan positif (VCC).

Setiap segmen akan menyala ketika kaki katodanya diberi logika LOW (0), sehingga arus listrik mengalir dari anoda menuju katoda. Oleh karena itu, seven segment common anoda bekerja dengan prinsip aktif rendah (active low).

Seven segment jenis ini umumnya digunakan bersama IC driver 74LS47, karena keluaran IC tersebut juga bersifat aktif rendah dan dirancang khusus untuk mengendalikan seven segment common anoda. Untuk melindungi LED, setiap segmen harus dihubungkan dengan resistor pembatas arus.

Teori dasar mengenai IC Decoder BCD ke 7-Segmen adalah tentang bagaimana sirkuit terintegrasi ini menjembatani kesenjangan antara logika biner komputer dengan tampilan desimal yang dapat dibaca manusia.

Teori Dasar IC Decoder BCD ke 7-Segmen

IC decoder BCD (Binary-Coded Decimal) ke 7-segmen adalah komponen kunci dalam elektronika digital yang berfungsi untuk menerjemahkan input kode biner 4-bit menjadi output yang sesuai untuk menyalakan segmen-segmen pada layar 7-segmen, sehingga membentuk angka desimal (0-9).

1. Konsep BCD:

• BCD adalah sistem pengkodean di mana setiap digit desimal (0-9) direpresentasikan menggunakan empat digit biner.
• Misalnya, angka desimal 5 dalam BCD adalah 0101, dan angka 9 adalah 1001.

2. Fungsi Decoder:

• Tugas utama IC decoder adalah mengambil input BCD ini melalui empat pin masukan (biasanya diberi label A, B, C, D) dan mengaktifkan output yang benar.
• Ada tujuh pin keluaran (biasanya diberi label a, b, c, d, e, f, g), masing-masing sesuai dengan satu segmen fisik pada layar.

3. Jenis Tampilan (Common Anode vs. Common Cathode):

Teori penting lainnya adalah kompatibilitas IC dengan jenis layar yang berbeda:

• Common Cathode (Katoda Bersama): Semua katoda (pin negatif) dari LED dihubungkan menjadi satu pin umum yang terhubung ke ground (0V). Untuk menyalakan segmen, IC harus memberikan output HIGH (logika 1 atau tegangan positif).
  • Contoh IC: 74LS48 atau CD4511.
• Common Anode (Anoda Bersama): Semua anoda (pin positif) dari LED dihubungkan menjadi satu pin umum yang terhubung ke VCC (tegangan positif). Untuk menyalakan segmen, IC harus memberikan output LOW (logika 0 atau ground).
  • Contoh IC: 74LS47.

4. Rangkaian Internal (Gerbang Logika):

Di dalam IC decoder ini terdapat matriks kompleks dari gerbang logika (AND, OR, NOT) yang dirancang secara spesifik. Gerbang-gerbang ini memastikan bahwa untuk setiap kombinasi input BCD yang valid, hanya segmen yang diperlukan untuk membentuk angka desimal yang menyala.

Gerbang AND (AND Gate)

Gerbang AND merupakan salah satu gerbang logika dasar dalam sistem digital yang berfungsi untuk menghasilkan keluaran berdasarkan operasi logika perkalian (AND). Gerbang AND memiliki dua atau lebih masukan dan satu keluaran. Keluaran gerbang AND akan bernilai logika HIGH (1) hanya jika semua masukan bernilai HIGH (1). Jika salah satu atau seluruh masukan bernilai LOW (0), maka keluarannya akan bernilai LOW (0).

Gerbang AND banyak digunakan dalam rangkaian digital sebagai pengendali kondisi, seperti sistem pengaman, sistem kontrol, dan rangkaian keputusan, di mana suatu keluaran hanya aktif ketika seluruh syarat terpenuhi.

Simbol dan Tabel Kebenaran Gerbang AND (AND Gate)

5. Percobaan [Kembali]