Upload
trinhhanh
View
227
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
i
i
SISTEM PENGONTROL LAJU ALIRAN PADA SYRINGE PUMP
MENGGUNAKAN MOTOR STEPPER BERBASIS ARDUINO
UNTUK APLIKASI ELECTROSPINNER
(Skripsi)
Oleh
Rani Anggriani
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2019
i
i
ABSTRAK
SISTEM PENGONTROL LAJU ALIRAN PADA SYRINGE PUMP
MENGGUNAKAN MOTOR STEPPER BERBASIS ARDUINO
UNTUK APLIKASI ELECTROSPINNER
Oleh
RANI ANGGRIANI
Telah dilakukan penelitian mengenai rancang bangun syringe pump menggunakan
motor stepper berbasis arduino. Metode yang digunakan pada penelitian ini untuk
pengaturan putaran motor stepper adalah metode full step. Alat dan bahan yang
digunakan adalah motor stepper 147HS4401, Arduino Uno, besi ulir, seven
segment, keypad 4x4, dan pelaratan penunjang lainnya. Prinsip kerja syringe
pump yaitu mendorong batang suntikan (pluger) yang kecepatannya telah
disesuaikan dengan nilai kecepatan laju aliran fluida (flow rate). Kecepatan laju
aliran diperoleh dengan mengatur waktu delay dari motor stepper. Syringe pump
yang telah dibuat bekerja pada rentang flow rate 0,10-12,00 ml/jam dengan
rentang volume 0,10–12,00 ml. Hasil pengujian nilai flow rate diverifikasi dengan
melihat jumlah volume fluida yang keluar menggunakan gelas ukur berskala 0,02
ml dan juga 0,50 ml. Berdasarkan hasil pengujian menunjukkan bahwa syringe
pump memiliki tingkat akurasi tinggi sebesar 95,56 % dengan nilai error 4,44%,
Kata kunci: syringe pump, flow rate, motor stepper, dan Arduino Uno
ii
ABSTRACT
FLOW RATE CONTROL SYSTEM ON SYRINGE PUMP USING AN
ARDUINO BASED ON STEPPER MOTOR FOR
ELECTROSPINNER APLICATION
By
RANI ANGGRIANI
In this reasearch, an automatic syringe pump was created using Arduino-based
stepper motors based on arduino. The method used in this study to regulate the
rotation of the stepper motor is a full step metho.The tools and materials used are
147HS4401 stepper motors, Arduino Uno, threaded iron, seven segment, keypad
4×4, and other tools supporting. The working principle of the syringe pump is to
push the injection stem (pluger) whose speed has been adjusted to the value of the
flow rate. The speed of the flow rate is obtained by adjusting the delay time of the
stepper motor. Syringe pump that has been made works in the flow rate range
from 0.10-12,00 ml / hour with a volume range of 0.10–12,00 ml. The test results
of the flow rate value are verified by looking at the volume of fluid coming out
using a 0.02 ml scale measuring cup and 0.50 ml. The results of the tests show
that the syringe pump has a high level of accuracy of 95.56% with an error value
of 4.44%.
Keyword: syringe pump, flow rate, stepper motor, and Arduino Uno
ii
ii
iii
iii
HALAMAN JUDU L
SISTEM PENGONTROL LAJU ALIRAN PADA SYRINGE PUMP
MENGGUNAKAN MOTOR STEPPER BERBASIS ARDUINO
UNTUK APLIKASI ELECTROSPINNER
Oleh
RANI ANGGRIANI
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar
SARJANA SAINS
Pada
Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2019
vii
v
RIWAYAT HIDUP
Wanita pada tahun 2002, dilanjutkan pada Sekolah Dasar Negeri 01 Abung
Surakarta, kemudian Sekolah Menengah Pertama Negeri 01 Abung Surakarta dan
Sekolah Menengah Atas Negeri 01 Tumijajar yang lulus pada tahun 2014.
Penulis diterima di Jurusan Fisika FMIPA Universitas Lampung pada tahun 2014
melalui jalur Seleksi Bersama Masuk Perguruan Tinggi Negeri (SBMPTN) tahun
2014. Selama menempuh pendidikan, penul is pernah menjadi asisten praktikum
elektronika dasar pada tahun 2016/2017penulis menyelesaikan Praktek Kerja
Lapangan (PKL) di RSUD Abdul Moeloek Bandar Lampung yang berjudul
“Prinsip Kerja Short Wave Diathermy (SWD) Pada Instalasi Rehabilitasi Medik
Di Rumah Sakit Umum Daerah (RSUD) Abdul Moeloek Bandar Lampung”.
Penulis juga melakukan pengabdian terhadap masyarakat dengan mengikuti
program Kuliah Kerja Nyata (KKN) Universitas Lampung tahun 2017 di desa
Durian, Kabupaten Pesawaran. Dalam bidang organinasi penulis dipercaya
menjadi anggota bidang Dana dan usaha HIMAFI FMIPA Unila (2016-2016).
Penulis bernama lengkap Rani Anggriani, dilahirkan pada
tanggal 15 November 1996 di Kotabumi. Penulis
merupakan anak kedua dari dua bersaudara dari pasangan
Bapak Drs. Suwaji dan Ibu Sriwati. Penulis telah
menempuh pendidikan di Taman Kanak-Kanak Dharma
Wanita
vii
viii
viii
PERSEMBAHAN
Dengan rasa syukur kepada Allah SWT, ku persembahkan karya kecil ini
kepada:
Kedua orang tuaku Bapak Drs. Suwaji dan Ibu Sriwati
Orang tua yang telah membesarkan, mendidik, mendoakanku, dan yang
selalu menjadi tujuan dan semangat hidup.
Kakakku Mira Anggraini dan Keluarga besar Nawawi Latif yang selalu
memberi dukungan dan doa sehingga penulis dapat menyelesaikan jenjang
pendidikan S1 Fisika FMIPA Unila.
Rekan-rekan seperjuangan Fisika FMIPA Unila 2014 serta Almamater
tercinta “Universitas Lampung”.
ix
ix
MOTTO
“Yakin dan percaya akan takdir yang ditentukkan oleh Allah, karena jalan
yang diberikkan-Nya adalah jalan terbaik yang dilukiskan untukmu.”
“Man Jadda Wajada”
x
x
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT, yang telah memberikan rahmat dan karunia-
Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul “Sistem
Pengontrol Laju Aliran pada Syringe Pump Menggunakan Motor Stepper
Berbasis Arduino untuk Aplikasi Electrospinner.” Tujuan penulisan laporan
tugas akhir ini yaitu sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar S1
Jurusan Fiska Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas
Lampung serta melatih berfikir cerdas dan kreatif dalam menulis karya ilmiah.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam laporan tugas akhir ini, oleh
karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun. Akhir kata,
semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi sesama.
Bandar Lampung, Januari 2019
Penulis
xi
xi
SANWACANA
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah
memberi hikmat, karunia serta rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan
skripsi yang berjudul “Sistem Pengontrol Laju Aliran pada Syringe Pump
Menggunakan Motor Stepper Berbasis Arduino untuk Aplikasi
Electrospinner”. Terwujudnya skripsi ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak.
Dengan segala kerendahan hati dan rasa hormat, penulis mengucapkan terima
kasih kepada:
1. Drs. Suwaji dan Sriwati selaku kedua orang tuaku yang telah mendidik,
membesarkan dari kecil, dan doa yang masih mengalir hingga saat ini.
2. Dr. Junaidi, S.Si., M.Si. selaku pembimbing pertama yang telah banyak
memberi motivasi, inspirasi, nasihat, serta ilmunya.
3. Arif Surtono, S.Si., M.Si., M.Sc selaku pembimbing kedua dan Kepala
Jurusan Fisika FMIPA yang telah memberikan masukan dan saran dalam
penulisan skripsi ini.
4. Prof. Warsito, S.Si., DEA., Ph.D selaku penguji dan Dekan FMIPA yang
telah memberikan banyak koreksi selama penulisan skripsi.
5. Para dosen Jurusan Fisika FMIPA yang telah memberikan banyak ilmu
selama penulis menempuh pendidikan di Universitas Lampung.
6. Para staf administrasi Jurusan Fisika FMIPA yang telah banyak membantu
penulis selama masa kuliah di Universitas Lampung.
xii
v
7. Sahabat-sahabat: Aftyah Sulistia, Hesti Wahyu Handani, Wulan Oktaviani,
Ketrin Chintya Riski, Latifah kamalia, dan Angga Wahyu Pratama yang telah
banyak memberikan dukungan, bantuan, dan motivasi selama masa
perkuliahan.
Serta semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian tugas akhir ini yang
tidak bisa penulis sebutkan saru persatu. Semoga Allah Swt membalas dengan hal
yang baik.
Bandar Lampung, 20 Januari 2019
Rani Anggriani
xii
xiii
xiii
DAFTAR ISI
ABSTRAK ................................................................................................... i
ABSTRACT ............................................................................................... ii
HALAMAN JUDUL .................................................................................. iii
HALAMAN PERSETUJUAN ................................................................. iv
HALAMAN PENGESAHAN .................................................................... v
PERNYATAAN ......................................................................................... vi
RIWAYAT HIDUP ................................................................................... vii
PERSEMBAHAN ....................................................................................... ix
MOTTO ...................................................................................................... x
KATA PENGANTAR ............................................................................... xi
SANWACANA .......................................................................................... xii
DAFTAR ISI ............................................................................................ xiii
DAFTAR GAMBAR ................................................................................ xvi
DAFTAR TABEL ................................................................................... xviii
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang .................................................................................. 1
B. Rumusan Masalah ............................................................................. 4
C. Batasan Masalah ............................................................................... 4
D. Tujuan Penelitian .............................................................................. 5
E. Manfaat Penelitian ............................................................................ 5
xi
xiv
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Penelitian Terkait .............................................................................. 6
B. Teori Dasar ........................................................................................ 9
1. Syringe Pump .............................................................................. 9
2. Mikrokontroler dan Arduino ...................................................... 10
3. Driver Motor Stepper ................................................................. 12
4. Motor Stepper ............................................................................ 14
5. Keypad 4x4 ................................................................................ 23
6. Seven Segment ............................................................................ 24
7. Electrospinning .......................................................................... 25
III. METODE PENELITIAN
A. Tempat dan Waktu Penelitian ......................................................... 27
B. Alat dan Bahan Penelitian ................................................................ 27
C. Prosedur Percobaan ......................................................................... 28
1. Diagram Alir Penelitian ............................................................. 29
2. Perancangan Perangkat Keras (Hardware) ................................ 30
3. Desain Layout Perancangan Syringe Pump ................................. 42
4. Perancangan Perangkat Lunak (Software) ................................. 44
D. Teknik Pengambilan Data .............................................................. 42
1. Pengambilan Data untuk Pengujian Akurasi ............................. 42
2. Pengambilan Data untuk Pengujian Presisi ............................... 43
3. Pengambilan Data untuk Pengujian Linearitas .......................... 43
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Realisasi Desain Syringe Pump ........................................................ 45
1. Perakitan Keseluruhan Bagian Syringe Pump ............................ 46
2. Analisis Mekanik ....................................................................... 48
3. Penggunaan Syringe Pump ......................................................... 51
B. Rangkaian Keseluruhan Syringe Pump ............................................. 52
1. Rangkaian Driver Motor Stepper ............................................... 53
2. Rangkaian Seven Segment .......................................................... 54
3. Rangkaian Keypad 4x4 .............................................................. 55
4. Rangkaian RTC .......................................................................... 56
5. Rangkaian Push Button .............................................................. 56
C. Analisis Perangkat Lunak ................................................................ 57
1. Program Saat Kode D ................................................................ 57
2. Program Saat Kode A ................................................................ 59
xii
3. Program Saat Kode B ................................................................. 61
4. Program Setting Delay ............................................................... 62
5. Program Menjalankan Motor Stepper ........................................ 62
D. Hasil Pengujian Syringe Pump dan Analisis Data ........................... 63
1. Pengambilan Hasil Uji Syringe Pump ........................................ 63
2. Pengambilan Data untuk Pengujian Akurasi .............................. 69
3. Pengambilan Data untuk Pengujian Nilai Presisi ....................... 74
V. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan ...................................................................................... 76
B. Saran ................................................................................................ 76
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xv
xi
xvi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Syringe Pump ............................................................................ 9
Gambar 2.2 Mikrokontroler ATM328P ....................................................... 11
Gambar 2.3 Arduino Uno ............................................................................ 11
Gambar 2.4 Sirkuit Rangkaian Driver Motor L298N ................................. 13
Gambar 2.5 Penampang Melintang dari Motor Stepper Tipe Variabel
Relucctance .............................................................................. 16
Gambar 2.6 Motor Stepper Tipe Permanent Magnet (PM) ......................... 17
Gambar 2.7 Penampang Melintang dari Motor Stepper Tipe Hybrid ......... 17
Gambar 2.8 Full-Step dan Half-Step ............................................................ 18
Gambar 2.9 (a) Mode Full-Step, (b) Mode Half –Step ................................ 19
Gambar 2.10 Kontrol Motor Stepper dengan H-Bridge .............................. 20
Gambar 2.11 Sirkuit Keypad 4x4 ................................................................ 23
Gambar 2.12 Sirkuit Rangkaian Seven Segment .......................................... 24
Gambar 3.1 Diagram Alir Keseluruhan ....................................................... 29
Gambar 3.2 Digram Blok Perancangan Sistem ........................................... 30
Gambar 3.3 Driver Motor Stepper L298N .................................................. 32
Gambar 3.4 Keypad 4x4 .............................................................................. 33
Gambar 3.5 (a) Modul MAX7219, (b) Seven Segment 4 Digit ................... 35
Gambar 3.6 Push Button .............................................................................. 36
xi
xvii
Gambar 3.7 Modul RTC DS3231 ................................................................ 37
Gambar 3.8 Rangkaian Keseluruhan Syringe Pump ................................... 39
Gambar 3.9 Rancangan Syringe Pump ........................................................ 40
Gambar 3.10 Rancangan Program Pengendali Mikrokontroler .................. 41
Gambar 3.11 Grafik Akurasi Volume Pengukuran Terhadap Volume
Sebenarnya ............................................................................ 43
Gambar 3.12 Grafik Linearitas Volume Terhadap Waktu .......................... 44
Gambar 4.1 Box Syringe Pump..................................................................... 45
Gambar 4.2 Bentuk Fisik Syringe Pump ...................................................... 46
Gambar 4.3 Syringe Pump Otomatis Berbasis Arduino Uno ....................... 47
Gambar 4.4 Sistem Mekanik Syringe Pump ................................................ 49
Gambar 4.5 Rangkaian Keseluruhan Syringe Pump ................................... 52
Gambar 4.6 Rangkaian Seven Segment ........................................................ 55
Gambar 4.7 Grafik Akurasi Volume Referensi Terhadap Volume
Pengukuran .............................................................................. 66
Gambar 4.8 Grafik Akurasi Volume Referensi Terhadap Volume
Pengukuran .............................................................................. 67
Gambar 4.9 (a) Perbandingan Ke-3 Hasil Pengujian pada Range 0,1-1
ml/jam, (b) Perbandingan Ke-3 Hasil Pengujian pada
Range 0,1-1 ml/jam ................................................................. 68
Gambar 4.10 Grafik Linearitas Flow Rate 0,6 ml/jam ................................. 70
Gambar 4.11 Grafik Linearitas Flow Rate 6 ml/jam .................................... 72
Gambar 4.12 Grafik Linearitas Flow Rate 12 ml/jam .................................. 73
xi
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Spesifikasi Arduino ..................................................................... 12
Tabel 3.1 Pengalamatan L289n .................................................................... 33
Tabel 3.2 Pengalamatan Keypad 4x4 ........................................................... 34
Tabel 3.3 Pengalamatan MAX7219 ............................................................. 35
Tabel 3.4 Pengalamatan Push Button ........................................................... 36
Tabel 3.5 Pengalamatan Modul RTC DS3231 .............................................. 38
Tabel 3.6 Data untuk Grafik Akurasi ........................................................... 42
Tabel 3.7 Data untuk Pengujian Presisi ........................................................ 43
Tabel 3.8 Data untuk Grafik Linearitas ........................................................ 44
Tabel 4.1 Bagian dan Fungsinya .................................................................. 47
Tabel 4.2 Bagian dan Fungsinya .................................................................. 49
Tabel 4.3 Hasil Pengujian Akurasi Syringe Pump ....................................... 64
Tabel 4.4 Hasil Pengujian Linearitas Flow Rate 0,6 ml/jam ....................... 70
Tabel 4.5 Hasil Pengujian Linearitas Flow Rate 6 ml/jam .......................... 71
Tabel 4.6 Hasil Pengujian Linearitas Flow Rate 12 ml/jam ........................ 72
Tabel 4.7 Hasil Pengujian Nilai Presisi Flow Rate 0,6 ml/jam ..................... 74
Tabel 4.8 Hasil Pengujian Nilai Presisi Flow Rate 12 ml/jam ...................... 74
xviii
ii
1
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Nanoteknologi merupakan ilmu pengetahuan dan teknologi untuk menyusun
satu persatu atom atau molekul sehingga tercipta dunia baru. Para ilmuan
nanoteknologi telah mendesain mesin nano yang dapat menyusun atom demi
atom atau molekul demi molekul menjadi suatu material (Rochman dan
Jumarman, 2008). Salah satu bidang nanoteknologi yang banyak
dikembangkan adalah pembuatan nanofiber. Nanofiber adalah serat yang
memiliki ukuran sangat kecil bahkan jauh lebih kecil dari ukuran rambut
manusia. Nanofiber mempunyai diameter kurang dari 100 nm. Nanofiber
dapat dibuat dengan cara electrospinning menggunakan alat electrospinner.
Nanofiber hasil elecrospinning memiliki karakteristik yang menarik yaitu (i)
memiliki luas permukaan yang lebih besar dari volume, (ii) konduktivitas,
dan (iii) memiliki sifat kimiawi. Electrospinning merupakan metode yang
lebih sederhana, mudah, dan efektif dalam pembuatan nanofiber. Pada
prinsipnya, electrospinning memanfaatkan gaya elektrostatik yang muncul
dari partikel bermuatan akibat adanya tegangan tinggi antar ujung jarung
tabung syringe dengan kolektror. Bagian utama dari alat electrospinner
2
adalah kolektor drum sebagai alat pemintal, sumber tegangan tinggi DC, dan
syringe pump yang berfungsi untuk mengatur laju aliran larutan polimer yang
akan dipancarkan ke kolektor (Muhaimin dkk., 2014).
Syringe pump berfungsi untuk mendorong batang alat suntik sehingga dapat
mengontrol laju aliran yang berskala mililiter sampai mikroliter dalam jangka
waktu tertentu secara berkala dengan ketelitian yang sangat tinggi. Syringe
pump selain digunakan untuk keperluan medis juga dapat digunakan dalam
bidang riset salah satunya adalah riset bidang nanoteknologi. Salah satu alat
yang menggunakan syringe pump adalah electrospinner.
Syringe pump menggunakan motor stepper dengan batang ulir sebagai
penggerak liniernya. Putaran motor stepper akan menghasilkan pergerakan
linier secara berkala dan dapat dikontrol kecepatannya serta memiliki resolusi
yang tinggi. Secara keseluruhan, sistem syringe pump terdiri dari suntikan,
motor stepper, sistem mekanik pompa, pengontrol mekanik pompa, dan
alarm. Sistem operasi syringe pump telah diprogram dengan pergerakan
motor, sehingga untuk mengatur laju alirannya dilakukan dengan mengatur
kecepatan gerak motor (Hikmah, 2012). Motor stepper adalah salah satu
jenis khusus dari motor DC yang dapat berputar pada sudut tertentu (0,9-90o)
pada langkah yang tetap. Motor stepper tidak memerlukan feedback dari
sensor posisi dan pengendaliannya dapat dilakukan secara open loop. Motor
stepper terdiri dari rotor yang berupa magnet permanen dan stator berupa
elektromagnetik. Posisi rotor tergantung pada kombinasi medan magnet yang
dihasilkan oleh stator.
3
Saidi dkk. (2010) sebelumnya telah melakukan riset mengenai rancang
bangun syringe pump elektrik. Desain pompa menggunakan aktuator tubular
linier yang merupakan komponen mekanik yang berfungsi sebagai pendorong
batang suntikan. Hasil uji coba syringe pump elektrik diperoleh nilai error di
bawah 10%. Efek panas yang ditimbulkan dari stator juga penting untuk
diperhatikan saat sistem sedang bekerja. Khan dkk. (2015) merancang
prototipe syringe pump dengan mikrokontroler AT89S52 sebagai pengendali
sistem. Sistem terdiri dari blok motor stepper, LCD, dan keypad. Hasil riset
membuktikan bahwa syringe pump memiliki ketelitian 0,10 ml. Selain itu
Hikmah (2012) juga melalukan riset mengenai rancang bangun syringe pump
yang dilengkapi dengan detektor oklusi (Penyumbatan). Pada perancangan ini
digunakan mikrokontroler ATmega8535 sebagai pengendali seluruh sistem
syringe pump. Hasil riset menunjukkan syringe pump bekerja pada volume 1-
50 ml, dengan tingkat ketelitian sebesar 1 ml/jam. Hasil ini menunjukan
bahwa syringe pump masih kurang tepat digunakan untuk keperluan bidang
mikro ataupun nano teknologi.
Berdasarkan pemaparan di atas, maka penelitian ini merujuk pada rancang
bangun syringe pump menggunakan motor stepper berbasis Arduino UNO
untuk mengatur laju aliran pada aplikasi electrospinner yang memiliki
resolusi/ketelitian sebesar 0,10 ml/jam yang dapat bekerja pada volume 0,10-
12,00 ml untuk keperluan bidang nanoteknologi pada alat electrospinner.
Metode penelitian ini terdiri dari beberapa langkah yaitu pembuatan
perangkat lunak dan perangkat keras syringe pump. Pembuatan perangkat
lunak dibuat dengan software Arduino IDE untuk pembuatan program dalam
4
menjalankan sistem dari syringe pump. Kemudian perangkat keras
diimplementasikan dengan komponen-komponen yang diperlukan untuk
membangun syringe pump itu sendiri dengan Arduino UNO sebagai otak dari
sistem dan motor stepper sebagai pendorong pluger (batang suntikan). Laju
aliran (flow rate) pada syringe pump dapat diatur dengan keypad 4x4 dan juga
dapat ditampilkan pada seven segment. Pengujian alat dilakukan dengan
mengukur volume output hasil pengukuran untuk dibandingkan dengan
volume seharusnya dengan gelas ukur sebagai alat verifikasi.
B. Rumusan Masalah
Rumusan masalah pada penelitian ini adalah:
1. Bagaimana mendesain box syringe pump menggunakan akrilik dengan
ketebalan 10 mm dan membuat sebuah rangkaian syringe pump berbasis
Arduino UNO, dengan seven segment sebagai display dan keypad 4x4
sebagai antarmuka masukkan nilai flow rate dan timer.
2. Bagaimana membuat sistem pengendali mikrokontroler pada syringe
pump otomatis.
3. Bagaimana mengetahui nilai laju cairan syringe pump pada rentang 0,01-
12,00 ml/jam yang bekerja pada volume 0,10–12,00 ml.
C. Batasan Masalah
Batasan masalah pada penelitian ini adalah:
1. Mendesain dan merealisasikan syringe pump menggunakan motor
stepper berbasis Arduino UNO.
2. syring pump dirancang dengan rentang pengaturan 0,10-12,00 ml/jam.
5
3. syringe pump dirancang memiliki resolusi 0,10 ml.
4. keypad 4x4 sebagai input kontrol nilai laju aliran cairan syringe pump.
5. Seven segment sebagai antarmuka yang memberikan informasi mengenai
cepat laju aliran dan lamanya alat bekerja.
D. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian adalah:
1. Membuat box syringe pump menggunakan akrilik dengan ketebalan 10
mm dilengkapi dengan seven segment sebagai display dan keypad 4x4
sebagai antarmuka memasukkan nilai flow rate dan timer.
2. Membuat sebuah sistem pengendali mikrokontroler pada syringe pump.
3. Mengetahui nilai laju cairan syringe pump pada rentang 0,10-12,00
ml/jam dengan ketelitian 0,10 ml.
E. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah:
1. Tersedianya syringe pump dengan tingkat resolusi 0,1 ml/jam untuk
aplikasi electrispinner
2. Pemenuhan kebutuhan kelengkapan alat dalam pembuatan
electrospinner.
6
II.TINJAUAN PUSTAKA
A. Penelitian Terkaiat
Rancang bangun syringe pump telah banyak dibuat oleh para peneliti dengan
berbagai macam variasi. Hikmah (2012) telah melakukan penelitian mengenai
rancang bangun syringe pump menggunakan mikrokontroler ATmega8535
yang dilengkapi dengan detektor oklusi. Oklusi merupakan penyumbatan
akibat penggumapalan darah dijarum suntikan yang menuju pembuluh darah
pasien, atau dapat disebabkan karena selang terjepit. Pada penelitian ini
digunakan load cell sebagai sensor untuk mendeteksi jika terjadi oklusi
selama pompa bekerja. Pergerakan motor merupakan kunci utama dari sistem
kerja syringe pump. Dengan adanya pergerakan motor akan menyebabkan ulir
maju sehingga pendorong suntikan (plunger) akan terdorong dan proses
injeksi larutan mulai terjadi.
Sistem syringe pump secara keseluruhan dibangun oleh sebuah motor, sebuah
plunger mekanik pompa, pengontrol mekanik pompa, dan juga dilengkapi
dengan alarm yang dikendalikan oleh mikrokontroler ATmega8535. Alur
kerja dari alat ini yaitu memulai dengan menyalakan alat, kemudian mengatur
volume dan juga flow rate (banyaknya fluida yang mengalir persatun waktu).
Setelah itu motor stepper berjalan sesuai dengan pengaturan volume dan flow
rate untuk mendeteksi apakah oklusi terjadi atau tidak, jika terjadi maka
7
alarm akan berbunyi. Alarm pada sistem syringe pump juga akan berbunyi
saat volume telah tercapai dan sistem berhenti bekerja.
Syringe pump yang dibuat dapat bekerja dengan baik pada volume 1-50 ml.
tingkat akurasi variable flow rate sebesar 98,92% dan nilai presisi sebesar
99,88%. Selain itu syringe pump yang dibuat juga mampu mendeteksi
terjadinya oklusi pada tekanan 10 mmHg. Persentase error dari sensor load
cell sebesar 8,40% dengan tingkat akurasi adalah 91,60%.
Selain itu Saidi dkk. (2010) juga melakukan penelitian mengenai pembuatan
desain syringe pump elektrik menggunakan aktuator tubular linier. Desain
pompa memungkinkan untuk menyuntikkan cairan dengan cara yang lambat
dan berkelanjutan untuk durasi yang lama dengan laju aliran yang dapat
disesuaikan. Penggunaan aktuator linear mampu mengembangkan gerakan
linear secara langsung dengan dinamis yang tinggi tanpa rotasi. Syringe pump
elektrik menggabungkan komponen mekanik, listrik dan elektronik. Bagian
mekanik didorong oleh aktuator tubular linier. Terdapat 4 fase stator dan
stator bergigi serta struktur plunger dengan lebar gigi dan slot yang sama.
Hasil dari pengujian alat ini diperoleh kesalahan keseluruhan sistem kurang
dari 10%.
Penelitian mengenai rancang bangun syringe pump juga dilakukan oleh Khan
dkk. (2015), mereka melakukan penelitian mengenai perancangan prototipe
syringe pump menggunakan mikrokontroler AT89S52 dengan laju aliran
rendah untuk volume kecil. Rancangan alat ini menggunakan mekanisme
timbal balik yang digerakkan oleh motor stepper yang dikontrol oleh
mikrokontroler AT89S52 yang berfungsi mengendalikan seluruh perangkat
8
lainnya seperti LCD, keypad, dan motor stepper. Perancangan hardware pada
penelitain ini terdiri dari blok keypad sebagai input, blok mikrokontroler
sebagai pengendali kemudian bagian output terdiri dari blok LCD, driver
motor stepper, dan blok motor stepper yang akan mendorong pluger. Hasil
dari pengujian prototipe syringe pump melalui survei klinis terbukti bahwa
alat ini mampu menghantarkan volume terendah sebesar 0,1 ml.
Pada penelitian ini penulis mencoba untuk membuat syringe pump berbasis
mikrokontroler Arduino UNO. Syringe pump berbasis Arduino UNO ini
dibangun dengan prinsip dorongan pada pluger (batang suntikan) oleh motor
stepper. Perangkat-perangkat utama dari rancangan penelitian ini adalah
Arduino UNO, driver motor stepper, motor stepper, keypad 4x4 yang
berperan sebagai input, seven segment yang berperan untuk memberikan
informasi mengenai laju aliran (flow rate) dan menampilkan timer.
Pembuatan perangkat lunak dilakukan dengan menggunakan software
Arduino IDE, kemudian seluruhan perangkat diimplementasikan sehingga
menjadi sebuah rangkaian syringe pump. Syringe pump ini dirancang agar
mampu meberikan tingkat laju aliran kecil yaitu 0,10 ml/jam sampai dengan
12 ml/jam yang diharapkan dapat digunakan dalam kepentingan medis
ataupun laboratorium khususnya electrospinner.
9
B. Teori Dasar
1. Syringe Pump
Penggunaan syringe pump untuk mengelola obat telah dipraktikkan selama
bertahun-tahun. Pada awal penemuan sistem ini melibatkan mekanisme jam
alarm sederhana dimana rotasi kumparan jam memutar sekrup yang secara
bertahap mendorong plunger suntikan, dengan memasang dua pegas baja
untuk mendorong plunger jarum suntik dengan kecepatan diatur oleh jam
alarm yang bekerja melalui sistem katrol. Flow rate merupakan laju aliran
volume per satuan waktu. Syringe pump diaplikasikan untuk pemberian
obat/cairan yang dilakukan terus-menerus dengan volume konstan. Gambar
2.1 merupakan salah satu contoh syringe pump (Hikmah, 2012).
Gambar 2.1. Syringe Pump (Anonim B, 2019)
Seiring dengan kemajuan dunia teknologi, umumnya syringe pump
menggunakan motor sebagai tenaga pendorong syringe berisi cairan yang
dikeluarkan melalui jarum. Sistem elektronik pada alat ini digunakan sebagai
10
pengontrol. Blok diagram dari syringe pump terdiri dari blok power supply
(pemberi tegangan), mikrokontroler (pengendali), sensor (pendeteksi cairan
menggunakan sistem optocoupler), motor (pendorong), dan display. Semua
komponen sesuai dengan jenis dari masing-masing merk syringe pump itu
sendiri. Sistem mekanik gerakan motor merupakan kunci utama sebagai
tenaga pendorong (Putra, 2012).
2. Mikrokontroler dan Arduino
Mikrokontroler dapat berfungsi sebagai pengontrol utama dalam sistem
elektronika digital. Dalam mikrokontroler sudah terdapat fitur memori, ADC,
komunikasi serial, ROM (Read Only Memory), timer, dan lain-lain.
Perimbangan dalam pemilihan penggunaan macam mikrokontroler
didasarkan pada ukuran memori mikrokontroler, fitur ADC, timer, dan
fasilitas komunikasi IIC, pengontrol utama akuisisi data, penampilan LCD,
kecepatan eksekusi instruksi, fasilitas single cycle hardware multiplier (untuk
aplikasi DSP (Digital Signal Processor)), dan dukungan software yang dapat
digunakan (Budiharto dan Sigit, 2010). Mikrokontroler arduino terdiri dari
beberapa board yang dapat digunakan sesuai kebutuhan, dan menggunakan
software open source yang dapat dijalankan pada Windows, Mac dan Linux.
11
Gambar 2.2. Mikrokontroler ATM328P (Fatoni, dkk., 2015)
Gambar 2.3. Arduino UNO (Anonim C, 2019)
Arduino UNO sebenarnya merupakan suatu papan elektronik yang
mengandung mikrokontroler ATmega 328p yang secara fungsional bertindak
seperti komputer. Tabel 2.1 menunjukkan spesifikasi dari arduino.
12
Tabel 2.1. Spesifikasi arduino
Mikrokontroler ATmega328P
Tegangan Operasi 5 V
Tegangan Masukan
(recommended)
7-12 V
Tegangan Masukan (limits) 6-20 V
Pin Digital I/O 14 (6 PWM)
Pin Analog 6
Arus DC per I/O tiap pin 40 mA
Arus DC port 3.3V 50 mA
Flash Memory 16 KB (ATmega168) or 32 KB
(ATmega 328) dengan 2 KB
dipakai oleh bootloader
SRAM 1 KB (ATmega 168) or 2 KB
(ATmega328P)
EEPROM 512 bytes (ATmega328P)
Kecepatan Prosesor 16 Hz
Mikrokontroler Arduino UNO memiliki 14 pin digital yaitu 6 pin diantaranya
dapat digunakan untuk PWM (Pulse Width Modulation) dan input/output.
Enam pin input analog, osilator 16MHz, koneksi USB, konektor input
tegangan, ICSP header dan tombol reset. SRAM (Static Random Access
Memory), merupakan jenis memori semikonduktor yang digunakan untuk
menyimpan setiap bit informasi selama tegangan yang diberikan tidak
terputus. EEPROM ( Electrically Erasable Programmable Read Only
Memory), adalah memori yang tetap menyimpan konfigurasi data meskipun
sumber daya telah terputus (Fatoni, dkk., 2015).
3. Driver Motor Stepper
Driver motor stepper digunakan sebagai pengendali dari motor stepper.
L298N merupakan suatu IC tipe H-Bridge yang banyak digunakan sebagai
driver motor stepper dengan kemampuan dapat mengendalikan beban
induktif seperti motor DC, motor stepper dan juga relay. Pada aplikasinya
13
dalam motor stepper L298N diguanakan sebagai driver motor stepper yang
berperan dalam mengendalikan kecepetan dan juga arah dari putaran motor.
L298N dapat digunakan untuk mengendalikan 2 buah motor yaitu bagian
output A dan B. Masing-masing bagian mengeluarkan arus maksimal 2 A.
Gambar 2.4. Sirkuit Rangkain Driver Motor L298N (Anonim A, 2018)
Sfesifikasi L298N:
1. Beroperasi hingga 46 volt,
2. Arus maksimal yang dikeluarkan mencapai 2 A tiap saluran,
3. Output dapat diparalelkan untuk driver mencapai 3 A,
4. Sambungan independen ground untuk masing-masing saluran
memungkinkan adanya current sensing,
5. L289N dapat mengendalikan 2 motor DC, pengaturan arah putaran
menggunakan jalur kontrol dan pengaturan kecepatan putaran motor
dikontrol dengan PWM,
14
6. Output dari dua motor dihubungkan secara paralel jika hanya
mengendalikan 1 motor saja agar memaksimalkan arus keluarannya
(Hamed, 2011),
7. Ringan, dan bermensi kecil,
8. Kemampuan arus keluaran 600 mA tiap masing-masing saluran, dan
9. Tahan terhadap noise ((Ingole, 2016).
4. Motor Stepper
Motor stepper bekerja dengan mengubah pulsa elektronik menjadi gerakan
mekanik diskrit. Motor stepper bergerak berdasarkan urutan pulsa yang
diberikan kepada motor oleh karena itu, agar motor stepper dapat bergerak
diperlukan pengendali motor stepper yang berfungsi untuk membangkitkan
pulsa-pulsa secara periodik. Keunggulan motor stepper dibandingkan dengan
penggunaan motor DC biasa antara lain adalah sebagai berikut:
a. Sudut rotasi motor proporsional dengan pulsa masukan sehingga lebih
mudah diatur,
b. Motor dapat langsung memberikan torsi penuh pada saat mulai bergerak,
c. Posisi dan pergerakan repetisinya dapat ditentukan secara presisi,
d. Memiliki respon yang sangat baik terhadap mulai, stop dan berbalik
(perputaran), dan
e. Murah dan banyak dijumpai dipasaransertadapat menghasilkan
perputaran yang lambat sehingga beban dapat dikopel langsung ke
porosnya.
15
Pada motor stepper umumnya tertulis spesifikasi Np (pulsa/rotasi), sedangkan
kecepatan pulsa diekspresikan sebagai rps (rotation/second) dan kecepatan
putar umumnya ditulis sebagai ω (rotation/minute atau rpm). Kecepatan putar
motor stepper (rpm) dapat diekspersikan menggunakan kecepatan pulsa (rps)
seperti pada Persamaan (2.1):
2
60
n
(2.1)
Torsi yang dapat dihasilkan oleh motor stepper dapat dihitung berdasarkan
perbandingan daya kerja motor terhadap kecepatan putarannya atau dapat
dirumuskan seperti pada Persamaan (2.2):
P
(2.2)
Untuk mengetahui beban maksimum yang dapat digerakkan oleh motor
stepper dapat diperoleh dengan menghitung torsi dengan menggunakan
rumus:
F L (2.3)
Keterangan:
𝜔 = Kecepatan putaran motor (rps)
n = Jumlah Putaran Motor (pulsa/ rotasi)
π = 3,14
τ = Torsi (N.m)
P = Daya Kerja Motor (Watt)
F = Gaya berat yang bekerja terhadap motor (Newton)
L = Panjang lengan yang bergerak pada motor (meter)
16
Motor stepper pada dasarnya terbagi menjadi 3 tipe yaitu:
a. Motor Stepper Tipe Variable Reluctance (VR)
Motor stepper VR dibangun dari sebuah rotor besi dengan beberapa
gerigi dengan lilitan stator. Motor Stepper tipe VR akan berputar saat
lilitan stator diberi tegangani oleh arus DC, kutub-kutub stator menjadi
termagnetisasi sehingga gigi-gigi rotor tertarik oleh kutub-kutub stator.
Berikut ini adalah penampang melintang dari motor stepper tipe variable
reluctance (VR).
Gambar 2.5. Penampang Melintang dari Motor Stepper Tipe
Variabel Reluctance (Prakasa, 2017)
b. Motor Stepper Tipe Permanent Magnet (PM)
Motor stepper jenis ini dibangun atas lapisan magnet permanen yang
diselang-seling dengan kutub yang berlawanan yang membentuk seperti
kaleng (perhatikan Gambar 2.6). Motor stepper tipe VR memiliki
derajat per-step antara 7,50 hingga 15
0 per langkah atau 48 hingga 24
langkah setiap satu putaran penuh motor stepper. Berikut ini adalah
ilustrasi sederhana dari motor stepper tipe permanent magnet:
17
Gambar 2.6. Motor Stepper Tipe Permanent Magnet (Prakasa, 2017)
c. Motor Stepper Tipe Hybrid (HB)
Motor tipe Hybrid memiliki derajar per-step antara 3,60 hingga 0,9
0 atau
100-400 langkah setiap putarannya. Struktur motor stepper tipe Hybrid
merupakan kombinasi motor stepper tipe VR dan PM. Motor stepper
jenis ini memiliki magnet permanen yang tersusun secara aksial pada
batang porosnya seperti motor tipe PM dan gigi-gigi seperti pada motor
tipe VR. Motor tipe ini paling banyak digunakan dalam berbagai aplikasi
karena memiliki resolusi derajat per-step yang kecil dan hasil kinerjanya
lebih baik karena dapat menanggung bebab yang lebih berat. Berikut ini
adalah penampang melintang dari motor stepper tipe hibrid:
Gambar 2.7. Penampang Melintang dari Motor Stepper
Tipe Hybrid (Prakasa, 2017)
18
Berdasarkan metode perancangan rangkaian pengendalinya, motor stepper
dapat dibagi menjadi jenis unipolar dan bipolar (Prakasa, 2017). Cara yang
baik untuk mengendalikan motor stepper adalah dengan mode gelombang,
mode full-step, mode half-step. Metode full step artinya motor berputar sesuai
spesifikasi derajat per-stepnya, sedangkan mode half step artinya motor
berputar setengah dari spesisifikasi derajat per-stepnya. Menggunakan mode
full-step motor bisa mencapai torsi yang lebih tinggi namun pada mode ini
pada motor terjadi getaran. Pada umumnya metode yang sering digunakan
untuk mengontrol adalah mode full-step atau half-step, cara pengendalian ini
sangat sederhana dan mudah direalisasikan untuk unit kontrol. Mode full-step
dan half-step ditunjukkan pada Gambar 2.8.
Gambar 2.8. Full-Step dan Half-Step (Virgala dkk., 2015)
A
P
B
A
B
1 2 3 4 5 6 7 8
1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8
19
Mode full-step dan mode half-step ditunjukkan dengan rotasi searah jarum
jam.
(a)
(b)
Gambar 2.9. (a) Mode Full-Step, (b) Mode Half-Step
(Virgala dkk., 2015)
Pada penelitian ini digunakan motor stepper jenis bipolar. Motor stepper
bipolar terdiri dari empat kabel dan dua gulungan, dan tidak memiliki kran
tengah. Keuntungan dari tidak memiliki keran tengah adalah arus bisa
melewati keseluruhan gulungan pada satu waktu, tidak hanya setengah dari
gulungan. Torsi yang dihasilkan sebanding dengan pembagian arus lilitan
terhadap jumlah putaran. Penggunaan motor stepper bipolar tidak boleh
tertukar antara polaritas positif dan negatifnya, agar arus koil dapat mengalir
ke-2 arah.
20
Gambar 2.10. Kontrol Motor Stepper dengan H-Bridge
(Virgala dkk., 2015)
Untuk mengubah polaritas voltase dapat dilakukan menggunakan jembatan
H (H-Bridge) yang ditunjukkan pada Gambar 2.10. Melalui pengalihan basis
transistor sesuai T1, T2, T3 dan T4, maka motor stepper dapat melakukan
rotasi (Virgala dkk., 2015).
Besarnya keakurasian alat dapat dihitung dengan rumus:
100%
100% (%)
sp s
s
N NError
N
Akurasi Error
Selain itu nilai presisi juga dapat dihitung dengan rumus:
2( )
1
ix xSD
n
(2.6)
100%SD
KVx
(2.7)
Keterangan:
Ns = Nilai sesungguhnya
spN = Nilai hasil pengukuran
(2.4)
(2.5)
21
SD = Standar Deviasi
KV = Koefisien Variasi
ix = Volume masing-masing pengukuran
x = Volume rata-rata
n = Jumlah uji yang dilakukan
Semakin besar nilai akurasi maka kinerja alat akan semakin baik, sebaliknya
semakin kecil nilai koefisien variasi maka kepresisian kerja alat akan semakin
besar (Hikmah, 2012). Pada syringe pump penting untuk mengetahui nilai
dari laju aliran tiap langkah (step). Penggunaan batang ulir yang terhubung
pada motor stepper berperan dalam mengendalikan dorongan batang suntikan
memiliki pitch ulir yang harus diketahui ukurannya karena tiap satu putaran
penuh motor stepper akan mendorong sejauh nilai pitch ulir tersebut.
Langkah yang diperlukan untuk satu putaran motor stepper juga harus
diketahui sehingga dari beberapa variabel tersebut dapat diketahui nilai laju
aliran tiap langkah motor stepper.
2
Vy
r (2.8)
Keterangan:
y = Pergeseran alat suntik (mm)
V = Volume cairan dalam tabung suntik (ml)
r = Jari – jari tabung suntikan (0,80 cm atau untuk tabung suntik 12 ml)
(Hikmah, 2012).
22
Contoh:
Pergeseran Alat Suntik untuk volume cairan 1 ml, sehingga dari Persamaan
(2.8) diperoleh:
2
1
3,14 0,8
mly
cm
0,5 cm 5 mmy
Jadi setiap penginjeksian sebanyak 1 ml cairan maka ulir bergeser sejauh 5
mm. sehingga satu pitch ulir (1 mm) akan menginjeksi cairan 0,2 ml. Untuk
memenuhi satu pitch ulir diperlukan 200 step dari motor stepper (satu putaran
penuh motor stepper), sehingga perbandingannya adalah:
1 mm = 0,2 ml = 200 step , berarti
0,1 ml = 100 step
1 ml = 1000 step
Flow rate merupakan volume aliran fluida per satuan waktu, melalui rumus
flow rate maka dapat dihitung delay (jeda) yang diperlukan untuk
pemrograman motor stepper agar flow rate sesuai dengan pengaturan.
ml
FR njam
(2.9)
Keterangan:
FR = Flow rate (ml/jam)
n = Variable flow rate
(Hikmah, 2012).
23
Persamaan (2.9) dapat diturunkan untuk mencari nilai delay dari setiap step
motor stepper.
1 1
3600 1000
3600000 1000
3600000
1000
3600 /
Jam n x ml
s n x step
ms n x step
msdelay
n x step
delay ms stepn
5. Keypad 4 x 4
Keypad adalah saklar-saklar push button yang disusun secara matriks yang
berfungsi untuk menginput data seperti, input pintu otomatis, input absensi,
input datalogger dan sebagainya. Keypad akan tersusun secara matrik dengan
kondisi satu kaki menjadi indeks kolom (C1), satu kaki menjadi indeks baris
(R1) dan satu kaki menjadi common (Maryandika, 2012). Keypad 4x4
tersusun dari 16 push button yang dirangkai secara matriks. Gambar 2.11
menunjukkan keypad 4x4 dan sirkuit rangkaiannya.
Gambar 2.11. Sirkuit Keypad 4x4 (Mailoa dkk., 2013)
(2.10)
24
6. Seven Segment
Seven segment terdiri dari 7 elemen yaitu 7 batang LED yang disusun
membentuk angka 8 dengan menggunakan huruf perwakilan a sampai dengan
g (dot matriks), yang dapat dikombinasi untuk menghasilkan representasi
sederhana untuk menampilkan suatu informasi. Pada beberapa 7 segment
LED terdapat segment tambahan yang digunakan untuk menunjukkan point
desimal (DP). Pada beberapa LED sebuah segitiga ekstra juga disertakan
untuk mengubah titik point desimal menjadi koma, selain itu hal ini juga
memungkinkan satu digit diletakkan terbalik bersama digit lain, segingga dua
titik desimal tampak seperti titik dua diantara angka.
Gambar 2.12.Sirkuit Rangkaian Seven Segment (Genevra, 2013)
Terdapat 2 jenis seven segment yaitu:
1. Common Anoda
Semua anoda dari 7 segmen LED disusun secar paralel kemudian
dihubungkan pada Vcc. Common anoda berada pada kondisi LOW karena
dihubungkan ke Vcc.
Common Catoda Common Anoda
25
2. Common Catoda
Pada Common Catoda semua katoda disatukan secara paralel dan
kemudian dihubungkan keground. Common katoda berada dalam
keadaan HIGH karena seluruh katoda dihubungkan ke ground
(Chrismarantika, 2013).
7. Electrospinning
Pada dasarnya pembuatan serat nano dapat dilakukan dengan beberapa
metode seperti teknik pemintalan serat multikomponen, melt blowing dan
electrospinning. Dari ketiga metode pembuatan serat tersebut, untuk saat ini
electrospinning merupakan teknik yang cukup sederhana namun mampu
menghasilkan serat nano dengan rentang ukuran paling kecil yakni 0,04 – 2
mikron. Electrospinning merupakan suatu proses pembuatan serat nano yang
efisien dengan memanfaatkan pengaruh medan listrik dalam menghasilkan
pancaran (jet) larutan atau lelehan polimer bermuatan listrik. Serat nano
polimer terbentuk karena pada proses tersebut terjadi penguapan pelarut
secara simultan. Pada prinsipnya mekanisme pembuatan serat dengan
electrospinning adalah dengan cara mendorong larutan polimer yang diberi
tegangan listrik tinggi menggunakan pompa syringe hingga membentuk
butir/tetes larutan pada ujung kapiler spiner. Butir/tetes larutan polimer yang
telah terinduksi muatan listrik tersebut di bawah pengaruh medan listrik akan
meloncat atau bergerak ke arah elektroda yang disertai dengan proses
penguapan pelarut polimer, sehingga yang tertinggal pada pelat pengumpul
(collecting plate) hanya serat polimernya saja. Serat nano dapat dihasilkan
dari berbagai jenis polimer baik polimer alam maupun polimer sintetis. Serat
26
nano berbahan polimer banyak digunakan karena memiliki sifat dan
karakteristik yang berbeda seperti, luas permukaanya yang tinggi, ukuran pori
yang kecil, dan memungkinkan untuk dibentuk struktur tiga dimensi. Dengan
struktur tiga dimensi serat nano berpotensi digunakan sebagai (i) media
filtrasi, (ii) serat optik, (iii) sistem penghantaran obat (drug delivery) dalam
dunia farmasi, (iv) tissue scaffolds dalam dunia medis, dan (v) pakaian/tekstil
pelindung (Judawisastra dkk., 2012).
27
III. METODE PENELITIAN
A. Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilakukan pada bulan Maret 2018 sampai dengan Oktober 2018
di Laboratorium Elektronika dasar Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung.
B. Alat dan Bahan Penelitian
Alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut.
1. Akrilik 10 mm berfungsi sebagai box syringe pump
2. Tabung suntik 12 ml berfungsi sebagai tempat cairan yang akan diuji laju
alirannya.
3. Motor stepper berfungsi sebagai penggerak yang akan mendorong batang
suntikan.
4. Seven segmen berfungsi sebagai display dari laju kecepatan laju aliran/
flow rate dan timer.
5. Mikrokontroler Arduino UNO berfungsi sebagai pengontrol dari seluruh
sistem syringe pump
6. Keypad 4x4 berfungsi sebagai antarmuka masukan besar nilai flow rate
dan timer yang diinginkan.
7. Solder dan timah untuk realisasi rangkaian.
28
8. Driver motor stepper berfungsi sebagai driver yang mengendalikan
kecepatan dan arah putaran dari motor stepper, dalam penelitian ini
digunakan L298N sebagai driver motor stepper.
9. RTC berfungsi menyimpan informasi jam terkini serta delay dari arduino
sesuai dengan detik dari jam.
10. MAX7219 berfungsi untuk membuat modul seven segment.
11. Batang besi berfungsi sebagai jalannya pendorong batang suntikan atau
berperan sebagai rel.
12. Besi ulir berfungsi sebagai media konversi gerakan memutar motor
stepper menjadi gerakan lurus.
13. Bearing berfungsi sebagai dudukan besi ulir dan besi polos.
14. Flexible coupling berfungsi sebagai penghubung motor stepper dengan
besi ulir.
15. Paket peralatan kerja yaitu,penyedot timah, tang, obeng, bor PCB, baut,
mur, dll.
16. Laptop/PC berfungsi sebagai komputasi melalui software Arduino dan
menyuntikkan program kedalam rangkaian arduino syringe pump serta
sebagai alat untuk pengerjaan laporan penelitian.
Perangkat lunak yang digunakan yaitu:
1. Arduino IDE digunakan untuk membuat kode program yang akan
dimasukkan kedalam Arduino UNO.
C. Prosedur Penelitian
Penelitian ini terbagi menjadi 3 tahap, yaitu:
1. Perancangan pembuatan perangkat keras (Hardware);
29
2. Perancangan pembuatan perangkat lunak (Software);
3. Pengujian Alat.
1. Diagram Alir Penelitian
Penelitian ini dilakukan dengan beberapa langkah untuk mencapai tujuan
dalam pembuatan alat, Gambar 3.1 menunjukkan langkah dalam penelitian
ini.
Gambar 3.1. Diagram Alir keseluruhan
30
Gambar 3.1 menunjukkan langkah-langkah yang akan dilakukan dalam
penelitian ini, peneliti akan dimulai pada tahap persiapan dengan mempelajari
konsep-konsep yang terkait dalam pembuatan syringe pump berbasis
Arduino UNO. Kemudian dilanjutkan dengan pembuatan perangkat keras
(hardware) dari sistem, selanjutkan peneliti akan membuat perangkat lunak
(software), pada tahap ini digunakan aplikasi Arduino IDE untuk pembuatan
kode program sehingga alat dapat bekerja. kemudian dilanjutkan pengujian
flow rate dan waktu. Setelah itu dilakukan pengambilan dan analisi data.
2. Perancangan Perangkat Keras (Hardware)
Tahap perancangan perangkat keras mengacu kepada penyusunan piranti-
piranti elektronika yang disusun menjadi satu kesatuan membentuk suatu
sistem yang akan direalisasikan menjadi sebuah alat yang diharapkan.
Gambar 3.2 menunjukkan secara umum rancangan sistem dalam bentuk
digram blok.
Gambar 3.2 Diagram Blok Perancangan Sistem
31
Perancangan perangkat keras dari sistem syringe pump secara keseluruhan
terlihat pada Gambar 3.2 yang terdiri dari blok catu daya, tombol push
button, mikrokontroler Arduino UNO, driver motor stepper, motor stepper,
keypad, RTC, dan seven segment yang memiliki fungsi masing-masing.
Berikut ini uraian mengenai alur kerja dari rancangan perangkat keras.
1. Sumber tegangan 12 Volt DC memberikan tegangan yang diperlukan
oleh Arduino UNO untuk bekerja dan juga mengalirkan tegangan pada
driver motor stepper.
2. Arduino akan mengatur seluruh proses kerja dari bagian sistem atau
berperan sebagai otak dari perangkat keras.
3. Masukan nilai flow rate dan timer melalui Keypad 4x4 akan dikirim dan
diproses oleh arduino untuk memberikan perintah kepada driver motor
stepper.
4. Push botton akan mengawali perintah yang diberikan setelah
memasukan nilai flow rate dan timer. start untuk menjalankan, stop
untuk menghentikan sejenak (pause), dan reset untuk mengatur ulang
semua perintah.
5. Driver motor stepper yang digunakan pada penelitian ini adalah L298N.
L298N akan mengatur putaran motor sesuai dengan perintah yang
diberikan dari arduino yaitu mengenai pengaturan flowrate dan timer.
6. Motor stepper akan berputar kemudian akan mendorong batang ulir
hingga tabung suntikan mengeluarkan cairan yang ada didalamnya.
Dalam penelitian ini digunakan motor stepper 17HS4401.
32
7. Seven segment dipasang pada modul MAX7219 akan menampilkan
informasi mengenai besarnya flow rate dan juga timer yang telah
disetting.
8. RTC digunakan untuk menyimpan data waktu secara real time pada
syringe pump.
Berikut ini adalah penjelasan dari masing-masing bagian rancangan perangkat
keras.
1. Perancangan Rangkaian Driver Motor Stepper
Pada penelitian ini L298N diguanakn sebagai driver motor stepper yang
berfungsi untuk mengendali kecepatan dan juga arah putaran dari motor
stepper. Pada rangkaian driver motor stepper digunakan 8 buah dioda
yaitu dioda IN5401 yang memiliki arus sebesar 3 Ampare dan tegangan
maksimal 100 V yang berfungsi untuk mengamankan motor jika terjadi
lonjakan arus yang disebabkan oleh induksi lilitan motor. Gambar 3.3
menunjukkan rangkaian dari L298N.
Gambar 3.3 Driver Motor stepper L298N
33
Tabel 3.1 menunjukkan pengalamatan pin-pin L298N kekaki-kaki Arduino
UNO dalam pembuatan rangkaian.
Tabel 3.1. Pengalamatan L298N
Pin L298N Pengalamatan L298N
Pada Arduino UNO
Enable A D5
Enable B D6
Input 1 D8
Input 2 D9
Input 3 D10
Input 4 D11
5 V 5 V
GND GND
Vs 12 V
Motor A Kabel Hijau Motor
Stepper
Motor A Kabel Merah Motor
Stepper
Motor B Kabel Kuning Motor
Stepper
Motor B Kabel Biru Motor Stepper
2. Perancangan Rangkaian Input Keypad
Pada perancangan rangkaian ini digunakan keypad 4x4 sebagai antarmuka
untuk input nilai flow rate, serta beberapa tombol lainnya digunakan sebagai
fungsi start dan stop. Gambar 3.4 menunjukkan rangkaian keypad 4x4.
Gambar 3.4 Keypad 4x4
34
Tabel 3.2 menunjukkan pengalamatan pin-pin keypad pada arduino dalam
pembuatan rangkaian Syringe Pump.
Tabel 3.2. Pengalamatan Keypad 4x4
Pin Keypad 4x4 Pengalamatan Pin
Keypad 4x4 ke
Arduino UNO
C1 D2
C2 D3
C3 D4
C4 D7
R1 D12
R2 D13
R3 A4
R4 A5
3. Perancangan Rangkaian Seven Segment
Seven segmen merupakan suatu segmen-segmen yang digunakan untuk
menampilkan angka maupun bilangan desimal. Pada penelitian ini
diguanakn 2 buah seven segmen 4 digit. Pengalamatan seven segment
dengan Arduino UNO secara langsung akan sangat menggunakan banyak
pin-pin arduino, untuk mengatasi hal tersebut maka diguanakan MAX7219
sebagai modul dari seven segment sehingga memudahkan penghubungan
keArduino UNO. Satu modul MAX7219 dapat dipakai untuk 2 buah seven
segment 4 digit. Pada pembuatan rangkaian pengalamatan modul
MAX7219 pada arduino ditunjukkan pada Tabel 3.3
35
Tabel 3.3 Pengalamatan MAX7219
Pin MAX7219 Pengalamatan MAX7219
pada Arduino UNO
VCC 5v
GND GND
DOUT A1
LODA A3
CLK A2
(a)
(b)
Gambar 3.5. (a) Modul MAX7219, (b) Seven Segment 4 Digit
4. Perancangan Rangkaian Push Botton
Push botton berperan sebagai tombol start, stop, dan reset seperti dijelaskan
pada BAB III sub bab C bagian perancangan Hardware poin ke-4. Selain itu
saat alat dinyalakan lalu diperintakan fungsi D yaitu dengan menekan
tombol D pada keypad maka push botton start dan stop akan berganti
fungsi. Tombol start berfungsi memundurkan pendorong batang suntikan
36
secara cepat dan tombol stop berfungsi untuk memajukan pendorong batang
suntikan secara cepat saat perintah fungsi D. Hal ini berguna untuk
memudahkan dalam pemasangan dan pelepasan tabung suntikan pada
dudukannya, selain itu hal ini digunakan untuk mengatur posisi pendorong
saat akan memulai syringe pump secara otomatis. Kemudian tekan tombol
reset untuk mengembalikan fungsi awal. Ketika dalam fungsi normal
tombol start (hijau) berfungsi untuk memulai kerja syringe pump saat
varibel nilai flow rate dan timer telah diinput. Tombol stop (merah)
berfungsi seperti tombol pause, dan reset (kuning) untuk mengembalikan
syringe pump kefungsi awal. Gambar 3.6 menunjukkan push botton.
Gambar 3.6 Push Botton
Tabel 3.4 menunjukkan pengalamatan kaki-kaki push button ke pin
Arduino UNO pada pembuatan rangkaian.
Tabel 3.4 Pengalamatan Push Button
Push
Button
Pengalamatan ke
Arduino UNO
Hijau
GND
D0
Kuning
GND
Reset
Merah
GND
A0
37
5. Perancangan Rangakaian RTC
Real Time Clock (RTC) merupakan sebuah chip yang mampu menjalankan
fungsi waktu dan kalender dengan akurat serta mampu meyimpan data
waktu tersebut secara real time. RTC juga dapat digunakan untuk
menyimpan informasi jam terikini yang selalu up to date meskipun kondisi
suatu alat yang terdapat RTC tersebut dalam keadaan tidak menyala. Hal ini
karena RTC dilengkapi dengan baterai yang berperan sebagai supplier daya
pada chip. Pada penelitian ini digunakan modul RTC DS 3231 guna
menyempurnakan keakurasian timer dari syringe pump. Gambar 3.7
menunjukkan modul RTC yang digunakan pada penelitian ini.
Gambar 3.7 Modul RTC DS3231
Tabel 3.5 menunjukkan pengalamatan kaki-kaki modul RTC ke pin
Arduino UNO.
38
Tabel 3.5. Pengalamatan Modul RTC DS3231
Pin Modul RTC
DS3231
Pengalamatan Modul RTC
DS3231 ke Arduino UNO
SCL A5
SDA A4
VCC 5V
GND GND
6. Perancangan Rangkaian Arduino UNO
Arduino UNO digunakan sebagai rangkaian pengontrol dari seluruh sistem
syringe pump yang akan mengolah data masukan dan keluaran pada setiap
pinnya, pengontrolan tersebut dilakukan melalui pengaktifan masing-masing
pin pada arduino, pin-pin tersebut bekerja sesuai dengan program yang
disuntikan pada arduino yang dibuat menggunakan perangkat lunak Arduino
IDE. Gambar 3.8 menunjukkan seluruh rangkaian dari syringe pump yang
terdiri dari Arduino UNO, rangkaian L298N, rangkaian keypad 4x4 dan
rangkaian seven segment .
39
Gambar 3.8 Rangkaian Keseluruhan Syringe Pump
3. Design Layout Perancangan Syringe Pump
Desain tata letak dari perancangan syringe pump ini tersusun dari beberapa
bagian yaitu:
1. Tabung suntik 12 ml
2. Ulir pendorong tabung suntik merupakan suatu rel yang terdiri dari 2 besi
sebagai relnya dan batang ulir pendorong suntikan dibagian tengah yang
terhubung langsung dengan motor stepper.
3. Dudukan tabung suntikan yang terbuat dari bahan akrilik dengan tebal 10
mm, bagian depan terdapat antarmuka keypad dan seven segmen.
40
Bentuk fisik dari rancangan syringe pump secara keseluruhan pada penelitian
ini ditunjukkan pada Gambar 3.9
Gambar 3.9 Rancangan Syringe Pump.
Keterangan dari Gambar 3.9:
1. Tabung Suntik
2. Dudukan tabuk suntik
3. Motor stepper
4. Keypad 4x4
5. Seven Segmen
6. Pendorong Batang Suntikan
7. Rel Besi
7 5 2 4
3
6
1
41
4. Perancangan Perangkat Lunak (Software)
Perancangan software pada penelitian ini digunakan aplikasi Arduino IDE.
Gambar 3.10 menunjukkan diagram alir program yang dibuat.
Gambar 3.10 Rancangan Program Pengontrol Syringe Pump
42
Perancangan software meliputi masukan nilai flow rate dan timer
menggunakan keypad 4x4, pengaturan putaran motor stepper, program untuk
menampilkan flow rate dan timer pada seven segment, dan tombol push
button (start, stop, dan reset). Setelah semua perancangan perangkat software
selesai dibuat maka langkah selanjutnya yaitu memasukkan seluruh program
tersebut pada arduino yang digunakan.
D. Teknik Pengambilan Data
Pengambilan data dilakukan untuk menguji kinerja syringe pump yang dibuat.
Dalam pengambilan data digunakan gelas ukur 1 ml dengan skala 0,1 ml dan
juga gelas ukur 25 ml dengan sakla 0,5 ml guna mengetahui volume cairan
yang keluar dari suntikan dalam pengujian flow rate.
1. Pengambilan Data untuk Pengujian Akurasi
Tabel 3.6 menunjukkan data yang akan diambil untuk pengujian keakurasian
dari syringe pump.
Tabel 3.6. Data untuk Grafik Akurasi
No Flow Rate
Setting
(ml/jam)
Waktu
Setting
(Menit)
Volume
Sebenarnya
(ml)
Volume
Pengukuran
(ml)
Error
(%)
Data yang diperoleh dapat dibuat menjadi grafik perbandingan dengan sumbu
duoble Y. Gambar 3.11 menunjukan rancangan grafik akurasi syringe pump.
43
Gambar 3.11 Garfik Akurasi Volume Pengukuran
Terhadap Volume Sebenarnya
2. Pengambilan Data untuk Pengujian Presisi
Tabel 3.7 menunjukkan data yang akan diambil untuk pengujian nilai presisi
dari syringe pump. Pengambilan data dilakukan perulangan sebanyak 5 kali
dengan kondisi yang sama pada tiap variable yang diuji.
Tabel 3.7. Data untuk Pengujian Presisi
No Flow Rate Setting
(ml/jam)
Waktu Setting
(Menit)
Volume Terukur
(ml)
3. Pengambilan Data untuk Grafik Linearitas
Tabel 3.8 menunjukkan data yang akan diambil untuk pengujian keliaritasan
dari syringe pump yang dibuat. Pengambilan data dilakukan tiap 5 menit
sekali selama waktu 1 jam.
44
Tabel 3.8. Data untuk Grafik Linearitas
No Flow Rate
Setting
(ml/jam)
Waktu
Ke-
(menit)
Volume
Terukur
(ml)
Data yang diperoleh dapat dibuat menjadi grafik perbandingan dengan sumbu
duoble Y. Gambar 3.12 menunjukan rancangan grafik linearitas syringe
pump.
Gambar 3.12 Grafik Linearitas Volume Terhadap Waktu
76
V. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Berdasarkan hasil implementasi dan analisis data hasil pengujian pada
syringe pump otomatis berbasis Arduino UNO diperoleh kesimpulan sebagai
berikut:
1. Box Syringe pump terbuat dari akrilik 10 mm berbentuk persegi panjang,
dan menggunakan besi-besi yang terpasang pada box sebagai jalannya
pendorong batang suntikan. Syring Pump dilengkapi dengan seven
segment sebagai display dan keypad 4x4 sebagai inputan nilai flow rate
dan timer .
2. Syringe pump berbasis mikrokontroler Arduino UNO telah berhasil dibuat
dan dapat bekerja secara baik. Syringe pump ini dapat bekerja pada rentang
volume 0,10-12,00 ml dengan resolusi flow rate terendah 0,10 ml/jam
dengan nilai error kurang dari 5%.
3. Tingkat akurasi kerja syringe pump otomatis yang dibuat adalah sebesar
95,56%.
B. Saran
Berdasarkan hasil implementasi rancangan pada BAB III, berikut ini terdapat
beberapa saran yang dapat dipertimbangkan untuk penyempurnaan penelitian
lebih lanjut:
77
1. Dalam pengembangan berikutnya diharapkan perancangan mekanik pada
bagian pendorong batang suntikan lebih presisi lagi agar tidak
mengganggu jalannya pendorong saat bekerja dengan flow rate yang
rendah. Akan lebih baik jika pada lubang bagian besi polos diberikan
bearing tipe KFL.
2. Perancangan ulang dudukan suntikan agar memudahkan dalam melepas
dan memasang tabung suntik. Serta pengembangan ukuran variasi alat
suntik dengan volume yang lebih besar lagi.
3. Membuat sistem kendali syringe pump menjadi close loop dengan
penambahan sensor flow rate.
4. Penambahan sensor pendeteksi yang mengeluarkan bunyi sebagai sirine
jika syringe pump telah berhenti bekerja.
DAFTAR PUSTAKA
Anonimous A. 2018. Working With L298N DC Motor. http://fritzing.org
/projects/working-with-L298N-dc-motor-driver. Diakses pada 18 Februari
2018. Pukul 12.54 WIB.
Anonimous B. 2019. Microfluidic Dual Programmable Syringe Pump 11 Pico
Plus Elite. https://darwin-microfluidics.com/products/microfluidic-dual-
programmable-pump-11-pico-plus-elite-syringe-pump-harvard-apparatus.
Diakses pada 19 Januari 2019. Pukul 09.10 WIB.
Anonimous C. 2019. Rangkaian Programmer pada Arduino UNO dan Nano.
https://elektrologi.iptek.web.id/rangkaian-programmer-pada-arduino-unodan -
nano/. Diakses pada 19 Januari 2019. Pukul 09.26 WIB.
Budhiarto, W. dan Firmansyah, S. 2010. Elektronika Digital dan Mikroprosesor.
2010. ANDI. Jakarata.
Chrismarantika, C. 2013. Simulasi Sistem Antrian Loket Berbasis Mikrokontroler
ATmega8535 dan ATmega8. Skripsi, Fakultas Sarjana Sains dan Teknologi.
Universitas Sanata Darma. Yogyakarta.
Fatoni, A., Nugroho, D. D., dan Irawan, A. 2015. Rancang Bangun Alat
Pembelajaran Microcontroller Berbasis ATmega 328 Di Universitas Serang
Raya. Jurnal Prosisko Vol. 2. No. 1. Hal. 10-18.
Genevra, E. C., Ikechukwu, O. P., Samuel, M. E., dan Godwill, U. N. 2013. An
Effective Approach ti Designing Seven Segment Static Display Systems With
Complete Character Representation. Journal of Engineering and Science
Vol.3. Issue 12. Hal. 45-49.
Hamed, B. 2011. Design and Implementation of Stair Climbing Robot for Rescue
Application. Journal of Computer and Electrical Engineering, Vol. 3. No. 3.
Hal. 461-468.
Hikmah, N. F. 2012. Rancang bangun Syringe Pump Berbasis Mikrokontroler
ATmega8535 Dilengkapi Okulasi. Tugas Akhir, Program sarjana Fakultas
Sains dan Teknologi. Universitas Airlangga. Surabaya.
Ingole, M. A. N. 2016. Arduino based Solar Tracking System. International
Conference on Science and Technology for Suistainable Development. ISSN:
2348-8549. Hal. 61-66.
Judawisastra, H., Wiwin, W., dan Ramadhianti, P. A. 2012. Pembuatan Serat
Nano Kitosan Tanpa Beads Melalui Penambahan PVA dan HDA. Jurnal
Ilmiah Arena Tekstil. Vol.27. No.2. Hal. 63-70.
Jung, B., Kwang, S. S., Suk, J. K., Kiyoung, L., Suyong, H., Hyounsoon, S. 2016.
Efficacy Evaluation of Syringe Pump Developed for Continous Drug
Infusion. J Dent Anesth Pain Med. Vol. 4. No.16. Hal 303-307.
Khan, M. A., Mazhar, O., dan Tehami, S. 2015. Design Of Microcontroller based
Syringe Pump with Variabel and Low Delivery Rates for The Administration
os Small Volumes. International Symposium for Design and Technology
Packaging. IEEE 978-1-5090-0332-7.
Mailoa, R., Sugeng, D. R., dan Wahyu, H. 2013. Sistem Pengaman Pintu dengan
Kunci Digital Berbasis Mikrokontroler ATmega16 dan IC Suara ISD 2590
Dilengkapi Tampilan LCD. Jurnal Infotekmesin. Vol. 6. Hal. 7-15.
Maryandika, A. I. 2012. Sistem Proteksi Brankas Berpassword Menggunakan
Magnetic Doorlock Sebagai Penggerak Doorstrike Berbasis Mikrokontroller.
Tugas Akhir, Program Diploma III Fakultas Teknik. Universitas Negeri
Semarang. Semarang.
Muhaimin, M., Astuti, W. D., Sosiati, H. dan Triyana, K. 2014. Fabrikasi Nano
Fiber Komposit Nanoselulosa/PVA dengan Metode Electrospinning.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI. ISSN 0853-0823. Hal. 62-65.
Putra, Y. N. 2012. Laboratorium Klinik Sehat. http://sahatiintramedika.blogspot
.co.id/2012/11/syringe-pump.html. Diakses pada 07 Februari 2018. Pukul
12.18 WIB.
Prakasa, G. N. 2017. Prototipe Kunci Pintu Menggunakan Motor Stepper Berbasis
Arduino Mega 2560 Dengan Perintah Suara Pada Android. Tugas Akhir,
Program sarjana Fakultas Teknik. Universitas Lampung. Bandar Lampung.
Rochman, N. T. dan Jumarman. 2008. Peluang Ddn Strategi Pengembangan
Nanoteknologi Di Indonesia. Jurnal Riset Industri Vol.2. No.1. Hal. 56-63.
Saidi, I., Lilia, E. A. O., Mohamed, B. 2010. Design of an Electricial Syringe
Pump Using a Liniear Tubular Step Actuator. Journal of Sciences and
Technique of Automatic Control & Computer Engineering. Vol. 4. No. 2.
Hal. 1388-1401.
Virgala, I., Michal, K., Alexander, G., dan Tomas, L. 2015. Control Of Stepper
Motor by Microcontroller. Juornal Of Automation and Control, Vol. 3. No.3.
Hal. 131-134.