MAKALAH SEMINAR TUGAS AKHIR

DETEKTOR EMISI GAS BUANG DALAM MOBILDENGAN DILENGKAPI ANTARMUKA KOMUNIKASI SERIAL

Irfan Aulino Budi Satrio*, Adian Fatchur Rochim**, Trias Andromeda**

Abstrak- Polutan dari emisi kendaraan bermotor disebabkan oleh beberapa faktor yaitu : sistem pembakaran mesin, jenis bahanbakar, kemacetan lalu lintas, perilaku pengemudi, jenis kendaraan, kontrol emisi, fungsi penegakan hukum dan lain-lain. Polutanyang dihasilkan oleh emisi kendaraan bermotor meliputi : Karbon Monoksida (CO), Sulfur Dioksida (SO2), Nitrogen Monoksida(NOX), Hidrokarbon (HC), Partikel Timbal (PB), asap dan abu. Polutan tersebut dapat menimbulkan gangguan pada manusia,hewan, tumbuhan dan benda lainnya.

Umumnya perangkat detektor yang kita temui ditempat-tempat pengujian emisi dilakukan diluar kabin penumpang melaluisaluran pembuangan / knalpot mobil. Tetapi bagaimana dengan reaksi polutan terhadap penumpang mobil tersebut ?

Pada tugas akhir ini dirancang suatu perangkat detektor yang akan menampilkan 4 (empat) kadar polutan emisi gas buangmobil yang masuk kedalam kabin penumpang dengan dukungan antarmuka komunikasi serial.

Sistem minimum yang digunakan adalah produksi Innovative Electronics yaitu DT-51 Low Cost Microsystem ver 2.0.Perangkat dapat berdiri sendiri (standalone) menggunakan tampilan LCD M1632 dan mendukung pengakusisian data secara visual(grafik) yang dimaksudkan untuk menambah keakuratan hasil melalui komputer melalui antarmuka serial RS232. Perangkat lunakmenggunakan bahasa Assembly MCS-51, Microsoft Visual Basic 6 serta Microsoft Access sebagai basis data pendukungnya.

I. PENDAHULUAN

1.1 Latar BelakangPada umumnya para penumpang mobil yang

menggunakan sistem pendingin udara atau AC (AirConditioner) akan menutup rapat semua jendela mobil tersebutsaat menggunakan AC.

Hal ini memang wajar, akan tetapi dapat merugikanpenumpang mobil tersebut apabila sistem ventilasi tersebutterdapat kebocoran sehingga gas buang mesin kendaraantersebut masuk ke kabin penumpang melalui saluran AC.Sebagai contoh pada saat jalanan macet, lazimnya penumpangakan menutup rapat semua jendela mobil karena diluar udarasangat kotor, kemudian tanpa disadari asap kendaraan masukkekabin penumpang melalui AC tersebut.

Karena tidak ada sistem ventilasi lain maka gas buangmesin ini akan berada diruang kabin yang tertutup rapat dandihisap terus menerus oleh penumpang yang ada. Jika kadar gasyang dihisap mencapai batas tertentu akan dapat menyebabkangangguan kesehatan.

Pada tugas akhir ini dirancang suatu perangkat detektoryang akan menampilkan 4 (empat) kadar polutan emisi gasbuang mobil (yaitu NOx, CO, HC dan H2) yang masuk kedalamkabin penumpang dengan dukungan antarmuka komunikasiserial.

II. DASAR TEORI

2.1 Emisi Gas Buang Mesin MobilReaksi pembakaran pada mesin mobil merupakan hasil

reaksi yang seimbang antara reaktan dan produk reaksinya,seimbang disini berarti memiliki massa yang sama. Gambar 1menjelaskan rasio udara-bahan bakar.

Gambar 1. Rasio Udara-BB (AF / Air Fuel Ratio) menyatakan banyaknya udarayang digunakan tiap unit massa dari BB saat proses pembakaran.

Analisa persamaan kimia dari proses pembakarandapat ditulis sebagai :s

2222)22(2 pqNzOOyHxCOqNOpyHxC .............. (2.1)

Keadaan seperti diatas dapat dicapai pada pembakaransempurna, dimana perbandingan AF / Air Fuel Ratio dapatdicapai. Sebaliknya, yaitu proses pengapian yang kurang baikakibat campuran yang masuk ke ruang pembakaran tersebutterlalu miskin atau terlalu kaya. Bila terlalu miskin, mesin tidakakan mencapai tenaga penuh dan menjadi panas.

Sebagaimana zat-zat yang merugikan dalam gas buangadalah :1. HC / CH (Karbon-Hidrogen yang tidak terbakar),

merupakan pengisapan bensin dan bensin yang tidakterbakar.

2. NO (Nitrogen Monoksida). Gas ini dibentuk dalam mesin,khusus pada suhu tinggi (kira-kira diatas 2000C). NOmerupakan gas yang berbahaya karena mengganggu sarafpusat. Disamping itu, dengan adanya O2 ia bereaksisehingga terbentuk NO2. Gas tersebut juga mengeluarkanbau yang menyengat dan dapat menyebabkan edema paru-paru dan bronchitis.Selanjutnya di udara yang mengandung NO dan UHC, sinarmatahari akan menyebabkan terbentuknya kabut asap fotokimia (Photochemical SMOG), yang merupakan masalahpolusi udara yang gawat, khususnya di kota-kota besar.

3. CO (Karbon Monoksida / Uap Karbon). Gas ini dalambadan manusia menyerang butir-butir darah merah yangbertugas membawa zat asam keseluruh badan. Di dalamruang tertutup persentase volume CO 0,1% atau lebih tinggisudah mematikan.

4. Asap Hitam. Asap ini hanya membahayakan karenamengeruhkan udara sehingga mengganggu pandangan,tetapi juga karena adanya kemungkinan mengandungkarsinogen.

2.2 Figaro TGS 2201Elemen sensor terdiri atas suatu lapisan semi konduktor

oksida-logam yang dibentuk pada substrat aluminium darisebuah chip sensor dengan suatu pemanas terintegrasi. Pada saatgas yang dideteksi ditemukan, maka konduktifitas sensorberubah tergantung pada konsentrasi gas di udara. Suatu sirkitelektris sederhana dapat mengkonversi perubahan dalamkonduktifitas suatu sinyal keluaran sesuai dengan konsentrasigas tersebut.

TGS 2201 berisi dua elemen sensor yang tidak salingterhubung pada sebuah substrate dan menghasilkan keluaransinyal terpisah untuk merespon gas buang mesin diesel dan

* Mahasiswa Teknik Elektro UNDIP** Dosen Teknik Elektro UNDIP

mesin bensin. Fitur ini membuat TGS2201 adalah sensor idealuntuk aplikasi sistem kontrol damper (plat logam) otomatisuntuk ventilasi mobil.Gambar 2. menunjukkan struktur dan dimensi sensor tipe TGS22XX. Tabel 1. menunjukkan spesifikasi sensor TGS 2201.

Gambar 2. Struktur dan dimensi TGS 22XX.

Hambatan sensor (RS) dihitung dengan suatu nilai VRL, denganmenggunakan persamaan berikut :

LRL

RLCs x R

VVV

R

............................ ............... (1)

dimana :Vc = 7,0 ± 0,2 V DCPS = 15 mWVRL = Tegangan keluaran ukur diseberang RL

RL = Hambatan beban

2.3 Pengubah Analog ke Digital 0809 (ADC0809)

Gambar.3. Prinsip kerja secara umum dari rotary encoder

ADC 0809 merupakan IC pengubah tegangan analogmenjadi digital dengan masukan 8 kanal yang dapat dipilihmelalui penyandi alamat. ADC 0809 mempunyai ketelitiansebesar 1 bit LSB. Dalam melakukan konversi tegangan analogke digital, ADC 0809 menggunakan metode SAR (SuccessiveApproximation Register) dengan resolusi 8 bit dan waktukonversi 100 s. Bentuk fisik dari ADC0809 terlihat padaGambar 2.3.

2.4 Mikrokontroler AT89S51Mikrokontroler Atmel AT89S51 adalah mikrokontroler

yang mengkonsumsi daya rendah, CMOS 8-bit mikrokontrolerdengan 4 bytes in-system programmable Flash memory.Perangkat ini diproduksi Atmel dengan teknologi memori non-volatile kepadatan tinggi dan kompatibel dengan set instruksidan pin out standar industri 80C51. On-chip Flash mampumemprogram (in-system) ulang memori program atau denganmemory programmer non-volatile konvensional. Gambar 4.memperlihatkan konfigurasi pin mikrokontroler AT89S51.

Gambar 4. Konfigurasi pin AT89S51 (Dual In Line 40 pin ).

2.5 Bahasa Rakitan (Assembly)Bahasa rakitan (Assembly) memiliki hubungan yang

dekat dengan bahasa tingkat rendah, yaitu bahasa mesin(*.HEX). Kelebihan dari bahasa ini adalah kemampuan akses keperangkat keras yang relatif cepat daripada bahasa tingkat tinggi.Kelemahannya adalah terlalu rumit untuk menghitung denganvariabel yang sangat kompleks bila dibandingkan dengan bahasatingkat tinggi. Program ini ditulis menggunakan perangkat lunakteks editor seperti Notepad atau Editor DOS. Gambar 5menunjukkan bentuk program sumber Assembly yang umumdipakai.

Gambar 5. Bentuk program sumber Assembly secara umum.

2.6 M1632 module LCD 16 x 2 BarisM1632 merupakan modul dot-matrix tampilan kristal

cair (LCD) dengan tampilan 16 x 2 baris dengan konsumsidaya rendah. Modul dilengkapi dengan mikrokontroler yangdidesain khusus untuk mengendalikan LCD, sebuah panelkontras TN LCD yang tinggi dan suatu drive pengontrol CMOSLCD. Mikrokontroler sebagai pengendali LCD mempunyaisuatu pembentuk generator karakter ROM/RAM ( CGROM/RAM, Character Generator RAM/ROM) dan penampildata RAM (DDRAM, Display Data RAM). Semua fungsitampilan dikendalikan oleh instruksi dan modul yang mudahdihubungkan dengan suatu unit mikroprosesor/mikrokontroler.

Tabel 1 Spesifikasi Sensor TGS 2201

RS R/W E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

Vss

VccV-BL

V+BLVee

1

2

3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

15

16LC D M 1632

Gambar 6 memperlihatkan konfigurasi pin dari LCDM1632.

Gambar 6. Konfigurasi pin LCD M1632

2.7 Rangkaian InverterInverter dipakai untuk mengubah daya arus searah

menjadi daya arus bolak-balik yang tegangan dan frekuensinyadapat diatur. Tegangan bolak-balik yang dihasilkannyaberbentuk gelombang persegi dan pada pemakaian tertentudieprlukan filter untuk menghasilkan bentuk gelombang sinus.

Prinsip kerja inverter dapat dijelaskan sebagai berikut.Bila kedudukan S1 dan S2 pada A (Gambar 7.(a), bebanmendapatkan tegangan positif, sedangkan tegangan negativediperoleh ketika S1 dan S2 pada kedudukan B.

Gambar 7. Prinsip kerja Inverter (a) dengan saklar. (b) bentuk gelombang

keluaran

2.8 Microsoft Visual Basic 6Microsoft Visual Basic adalah bahasa pemograman

yang digunakan untuk membuat aplikasi Windows yangberbasis grafis (GUI – Graphical User Interface).

Visual Basic merupakan even-driven programming(pemograman terkendali kejadian) artinya program menunggusampai adanya respon dari pemakai berupa event/kejadiantertentu (tombol diklik, menu dipilih dan lain-lain). Ketikaevent terdeteksi, kode yang berhubungan dengan event(prosedur event) akan dijalankan. Gambar 8 menunjukkanantarmuka pengguna grafis Microsoft Visual Basic 6.

Gambar 8. Antarmuka Pengguna Grafis Visual Basic 6.

III. PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT

3.1 Pendeteksi Emisi Gas BuangSecara umum blok diagram rancangan alat adalah seperti

yang ditunjukkan pada Gambar 9. Alat yang dirancang akanmembentuk suatu sistem alat pendeteksi kebocoran emisi dalammobil dengan dukungan komunikasi serial. Dimana untuk 4jenis gas yang dideteksi menggunakan tampilan karakter LCD

dan tampilan grafis di komputer. Alat pendeteksi emisi gasbuang ini mengubah masukan tegangan analog dari rangkaianpengkondisi utama ke pulsa digital yang selanjutnya diolah olehmikrokontroler untuk ditampilkan secara langsung pada LCD 16karakter 2 baris disamping antarmuka komunikasi serial untukpengolahan data lebih lanjut di komputer (PC).

Gambar 9. Diagram kerja perangkat keras

Hambatan sensor (Rs) dihitung dengan mengukur nilaidari VRL dengan menggunakan formula yang ditunjukkan padapersamaan 2. Nilai Rs digunakan untuk mencari besarnya ppmsecara tidak langsung dengan membandingkan Rs dengan Royaitu pada sumbu Y kurva karakteristik sensitivitas gas buangmesin diesel (plotting grafik). Gambar 10. menjelaskan teknikplotting gas buang mesin diesel.

Gambar 10. Plotting gas buang mesin diesel

Sedangkan nilai Rs sulit dicari dengan penghitunganlangsung terhadap sirkit pengkondisi sensor pada saat terjadinyaperubahan masukan gas buang. Namun dengan melihatspesifikasi sensor akan didapatkan sensitifitas (perubahanperbandingan dari Rs).

5,2(udara)Rs

)2NOdarippm(0,3Rs ............................ ........................ (3)

Hasil pengukuran tegangan sensor didapatkan Vc = VH

= 6,88 V. RL(Diesel) = 200K. R0(Diesel) = 250K. Dan Rs (0,3ppm dari NO2) / R0 dengan spesifikasi final (plotting grafik)didapatkan 3,2.

LRL

RLCs Rx

VVV

R

200KxV

VV250K

RL

RLC

RLCRL VV1,25V

RLC V2,25V

3,2RR

0

S

800K250KΩx3,2R3,2R 0S

VVV

200K800K

RL

RLC

VV5 CRL

V376,15

6,88VVRL

Dari perhitungan diatas dapat diikuti untuk kadar ppmNOX pada titik hambatan sensor yang lain (Tabel 2).

Tabel 2. Hasil perhitungan VRL pada elemen 1.

Rs/Ro ppm VRL1,5 0,08 2,3930431,8 0,09 2,1169232,3 0,1 1,7754842,6 0,2 2,6209523,2 0,3 1,3763,8 0,4 1,1965224,6 0,5 1,0192595,4 0,6 0,8877426,6 0,7 0,7437847,8 0,8 0,649,2 0,9 0,550414 1 0,37189226 2 0,20537340 3 0,13490254 4 0,10043865 5 0,08364778 6 0,06984890 7 0,060617

104 8 0,052519116 9 0,047123130 10 0,04208

Dengan menggunakan analogi pada Elemen Sensor 1diatas dapat digunakan untuk mencari VRL untuk ElemenSensor 2. Namun tegangan VRL yang diatas jangkauan dariADC (yaitu >5VDC) harus dibagi dengan hambatan dengan total= RL Elemen 2.

3.2 Sistem Minimum Mikrokontroler AT89S51Dalam tugas akhir ini, penulis menggunakan sistem

minimum milik Innovative Electronics, yaitu DT-51 Low CostMicrosystem ver.2. Mikrokontroler didalam rangkaian DT-51-LC ini digunakan untuk membaca dan mengolah data yangmasuk melalui port masukan dan mengeluarkan data yang telahdiolah melalui port keluaran. Rangkaian sistem minimum DT-51-LC dan penggunaan tiap portnya ditunjukkan pada Gambar11.

Output/Port 0 :P0.0- P0.7

LCD

Output/Port 1 :P1.0- P1.7

Input /Port 2 :P2.0- P2.7

ADC0809

Output/Port 3 :P3.0- P3.1

AntarmukaRS232

Input /Port 3 :P3.2- P3.3

Output/Port 3 :P3.4- P3.7

AktifasiADC0809

MCU AT89S51

Gambar 11. Sistem minimum mikrokontroler AT89S51

IV. PENGUJIAN DAN ANALISIS

Detektor Emisi Gas Buang memiliki tampilan LCDM1632 bersifat berdiri sendiri, artinya tidak tergantung olehjalur komunikasi serial (RXD) yang diumpankan ke perangkatpendeteksi.

Lewat pengujian di Dinas Lalu Lintas dan AngkutanJalan (DLLAJ) propinsi Jawa Tengah, Penulis mencobamentera alat uji Tugas Akhir ini dengan Alat Uji Emisi milikDLLAJ Jawa Tengah tersebut.

Gambar 12. Alat Uji STARGAS 898 OTC

Gambar 13. Tampilan awal LCD M1632

Gambar 14. Tampilan LCD; Grup pertama (NOx dan CO)

Gambar 15. Tampilan LCD; Grup kedua (HC dan H2)

Pengujian dengan pembanding alat uji emisiSTARGAS 898 OTC ini dilakukan tanggal 29 Oktober 2005 dihalaman kantor DLLAJ Jawa Tengah. Dari hasil pengujiandidapatkan perbedaan terbesar antara perangkat denganSTARGAS yaitu pada polutan NOx sebesar 1,9 mg/m3 padakonsentrasi 10 ppm dengan menggunakan perhitungan konversi :

(ppm)NOx2,05(mg/m3)NO XX ............................ ...... (4.3)

Sedangkan untuk emisi gas buang mesin bensin, 3 polutan yangdiuji hanya dipilih satu yang sesuai, karena tidakmemungkinkannya perhitungan untuk diulang-ulang saatpengujian.

Tabel 3. Hasil pengujian perangkat dengan Alat Uji Emsi STARGAS 898 OTC

V. PENUTUP

5.1 KesimpulanBerdasarkan hasil percobaan, pengujian dan analisis yang

dilakukan didapatkan beberapa kesimpulan sebagai berikut:1. Sensor emisi berupa Figaro TGS2201 dapat bekerja dengan

baik hanya jika menggunakan rangkaian pengkondisi yangtelah diuraikan pada datasheet.

NO HCDatasheet Konversi DLLAJ Kesalahan Datasheet DLLAJ Kesalahan

4 ppm 8,04 mg/m3 8 mg/m3 0,04 mg/m3 200 ppm 217 ppm 17 ppm10 ppm 20,1 mg/m3 22 mg/m3 1,9 mg/m3 500 ppm 514 ppm 14 ppm

1000 ppm 1039 ppm 39 ppm

2. Alat pendeteksi emisi gas buang telah ditera oleh DLLAJdan memperoleh hasil kesalahan maksimum sebesar 24ppm pada 500 ppm polutan HC dan 39 ppm pada 1000ppm polutan HC dibandingkan dengan STARGAS 898OT.

3. Pada tegangan keluaran rangkaian pengkondisi utamaelemen 2 diluar jangkauan dari ADC0809 (+5V) sehinggaditambahkan pembagi tegangan dengan perbandingan1: 0,683.

4. Kesalahan pengubahan data dari analog ke digital olehADC0809 memiliki kesalahan maksimal sebesar ½ LSBdibandingkan perhitungan.

5. Pengubahan data paralel menjadi data serial UARTdilakukan oleh mikrokontroler dengan bitrate sebesar1200,48 bps, Mode 1 UART Serial 8 Bit (1 bit start ‘0”, 1bit stop ‘1’ dan 8 bit data).

6. Rangkaian inverter menggunakan prinsip MultivibratorAstabil dan memiliki frekuensi sebesar 96,59 Hz.

7. Tegangan keluaran pada rangkaian antarmuka serialRS232 sebesar 9,8 V untuk tegangan masukan 0 V dan-10 V untuk tegangan masukan 5 V

5.2 Saran1. Untuk menjaga validitas hasil keluaran perangkat detektor

perlu diadakan standardisasi secara berkala.2. Grafik pada Antarmuka Pengguna Grafis Visual Basic 6

agar terlihat lebih sesuai dengan grafik pada datasheetsensor, sebaiknya mempunyai karakteristik sumbu Y yanglogaritmis 10 (10log(n)).

DAFTAR PUSTAKA

[1] BPM Arends & H. Brenschot, Motor Bensin, Erlangga,Jakarta 1980.

[2] Kusumo, Ario S., Buku Latihan – Microsoft Visual Basic6.0, PT. Elexmedia Komputindo, Jakarta,2000.

[3] Nalwan, Paulus Andi, Panduan Praktis Teknik Antarmukadan Pemograman MikrokontrolerAT89C51 , PT. Elexmedia Komputindo,Jakarta 2003.

[4] Putra, Agfianto Eko, Belajar MikrokontrolerAT89C51/52/55 Teori dan Aplikasi, GayaMedia, Yogyakarta, 2002.

[5] Tocci, Ronald J, Digital System Principles andApplications – Fifth Edition. Prentice-HallInternational. Inc., New Jersey, 1991.

[6] Sasmito, Agus, Standardisasi Gas Buang PadaKendaraan Bermotor, Seminar Nasional -Penanggulangan Emisi Gas Buang,Polines, Semarang 2005.

[7] Singhal, Sudhir IC Engines & Combustion, Mc GrawHillPublishing Company Limited, New Delhi,1992.

[8] Sunardi, Sistem Pengaturan Intensitas Cahaya PadaIklim Buatan dalam Rumah Kaca. TugasAkhir, Teknik Elektro, UniversitasDiponegoro, 2005.

[9] Zuhal, Dasar Tenaga Listrik – Edisi Kedua, Bandung,1980

[10] Wasito, S, Vademakum Elektronika - Edisi Kedua, PT.Gramedia, Jakarta, 2001.

[11] .................., ADC0808/ADC0809 Datasheet,http://www.national.com, 2005.

[12] .................. , Aplikasi Sensor TGS 2201 SebagaiPendeteksi Gas Buang Mesin Bensin danDiesel, Komputek Edisi 464, PT. JawaMedia Komputama, Surabaya 2005.

[13] .................. , AT89S51 Datasheet, http://www.atmel.com,2005.

[14] .................. , DT-I/O Led Logic Tester A,http://www.innovativeelectronic.com.2004.

[15] .................. , DT-51 Low Cost Micro System ver. 2.0,http://www.innovative electronic.com ,2004.

[16] .................. , LCD 44780 4 bit – AVR.asm,http://www.delta-electronic.com, 2004.

[17] .................. , Lyquid Crystal Display Module M1632 UserManual, Seiko Instruments Inc., 1987.

[18] .................. , MAX232 Datasheet, http://www.maxim-ic.com, 2005.

[19] .................. , MSDN Library - January 2001 , MicrosoftCorporation, 2001.

[20] .................. , TGS2201 Datasheet,http://www.figarosensor.com, 2004.

[21] .................. , 100 Watt Inverter (SC 282) , Siemcor Product– Ronica, 2001.

[22] .................. , 8051 Cross Assembler User’s Manual,Metalink Corporation, Chandler, Arizona,1996.

Irfan Aulino Budi Satrio (L2F000609)lahir di Semarang, 22 Juni 1982.Menempuh pendidikan dasar di SDPedurungan IB Semarang lulus tahun1994, kemudian melanjutkan ke SLTPN2 Semarang lulus tahun 1997, dilanjutkanlagi di SMUN 3 Semarang lulus 2000,dan sampai saat ini masih menyelesaikanstudi S1 di Jurusan Teknik ElektroFakultas Teknik Universitas DiponegoroSemarang Konsentrasi Elektronika dan

Telekomunikasi. Penulis dapat dihubungi di alamat emailmaz_nn@yahoo.com.sg.

Menyetujui dan Mengesahkan,

Pembimbing I,

Adian Fatchur Rochim S.T., M.T.NIP. 132 205 680Tanggal. ……………….

Pembimbing II,

Trias Andromeda, S.T., M.T,NIP. 132 283 185Tanggal. ……………….