6
BAB II
LANDASAN TEORI
Pada bab ini akan dibahas tentang Mikrokontroller, Arduino, ESP8266,
Sensor tekanan BMP180, komponen-komponen elektronik, Web server, Manometer
(Water Column) dan Biogas. Semua pebahasan tersebut berguna dalam menunjang
sistem yang akan dibuat, sehingga sistem dapat berjalan sesuai yang diharapkan.
2.1 Mikrokontroller
2.1.1 Definisi Mikrokontroller
Mikrokontroler adalah sebuah sistem komputer fungsional dalam sebuah
chip. Didalamnya terkandung sebuah inti prosesor, memori (sejumlah kecil RAM,
memori program, atau keduanya), dan perlengkapan input-output.
Gambar 2.1 Perbandingan Komputer PC dan Mikrokontroler
Ada banyak jenis mikrokontroler yang masing masing memiliki keluarga
atau series sendiri-sendiri. Secara garis besar pengelompokan keluarga
mikrokontroler ditentukan oleh perusahaan sesuai dengan spesifikasi terutama
kompabilitas dalam hal pemrograman. Jadi lebih mudahnya mikrokontroler punya
kesamaan dalam hal arsitektur. Yang membedakan secara fisik misalnya jumlah
pin, dan fitur-fiturnya seperti ukuran kapasitas memori program dam memori data,
jumlah timer, jumlah interupsi, dan lain-lain.[4]
Komputer PC Mikroprosesor
(CPU)
Memori
(RAM)
Memori
(ROM)
Piranti
I/O
Bus Data Bus Alamat
Mikrokontroler
Single Chip
Memori
(RAM)
Memori
(ROM)
Mikroprosesor
Piranti I/O
7
2.1.2 Jenis-jenis Mikrokontroler
Secara teknis ada 2 macam mikrokontroler, pembagian ini didasarkan
kompleksitas intruksi-intruksi yang dapat diterapkan pada mikrokontroler. Yaitu
RISC dan CISC yang masing-masing mempunyai keturunan dan keluarga sendiri.
RISC : Reduced Instruction Set Computer, Instruksi yang dimiliki terbatas, tetapi
memiliki fasilitas yang lebih banyak.
CISC : Complex Instruction Set Computer, Instruksi bisa dikatakan lebih
lengkap tapi dengan fasilitas secukupnya.
Berikut ini adalah contoh beberapa keluarga mikrokontroller:
Keluarga MCS-48 (Intel)
Keluarga MCS-51 (Intel)
Keluarga AT89 (Atmel, Arsitektur Intel 8051)
Keluarga AT90, ATtiny, ATmega (Atmel, arsitektur AVR)
Keluarga MC68HC05 (Motorola)
Keluarga MC68HC08 (Motorola)
Keluarga MC68HC11 (Motorola)
Keluarga PIC 8 (Microchip)
Keluarga Z80 (Zilog)
2.1.3 Arduino
Arduino adalah kit elektronik atau papan rangkaian elektronik open source
yang di dalamnya terdapat komponen utama, yaitu sebuah chip mikrokontroler
dengan jenis AVR dari perusaan Atmel. Mikrokontroler itu sendiri adalah chip atau
IC (Integrated Circuit) yang bisa diprogram menggunakan komputer. Tujuan
menanamkan program pada mikrokontroler adalah agar rangkaian elektronik dapat
membaca input, memproses input tersebut dan kemudian menghasilkan output
sesuai yang diinginkan. jadi mikrokontroler bertugas sebagai ‘otak’ yang
mengendalikan input, proses dan output sebuah rangkaian elektronik.[5]
Secara umum, Arduino terdiri dari dua bagian, yaitu:
1. Hardware berupa papan I/O yang open source.
8
2. Software Arduino yang juga open source, meliputi software Arduino IDE untuk
menulis program dan driver untuk koneksi dengan komputer.
2.1.3.1 Jenis-jenis Perangkat Keras Arduino (Arduino Hardware)
Bermacam-macam bentuk dan jenis papan Arduino sesuai dengan
peruntukannya, juga terdapat modul siap pakai (shield) dan aksesoris seperti USB
adapter dan sebagainya. Berikut jenis-jenis papan Arduino yang ada dipasaran :
Arduino Uno berbasis ATmega328
Arduino Leonardo berbasis ATmega32u4
Arduino Mega 2560 berbasis ATmega2560
Arduino Due berbasis Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3 CPU
Arduino Ethernet berbasis ATmega328
Arduino Mega ADK berbasis MAX3421eIC
Arduino Micro berbasis ATmega32u4
Arduino Fio berbasis ATmega328P
Arduino Pro berbasis ATmega168/ATmega328
Arduino Ethernet Shield
Arduino Wifi Shield
Arduino Wireless SD Shield
Arduino Motor Shield
Arduino Proto Shield
Dan Aksesoris seperti USB/Serial Light Adapter dan Mini USB/SerialAdapter.
Arduino Nano adalah salah satu papan pengembangan mikrokontroler
yang berukuran kecil lengkap dan mendukung penggunaan breadboard. Arduino
nano diciptakan dengan basis mikrokontroler ATmega328 (untuk versi 3.x) dan
ATmega 168 (untuk versi 2.x). Arduino nano kurang lebih memiliki fungsi sama
dengan Arduino Duemilanove, tetapi dalam paket yang berbeda Arduino Nano
tidak menyertakan colokan DC berjenis Barrel Jack, dan dihubungkan kekomputer
menggunakan port USB Mini-B.
9
Gambar 2.2 Arduino Nano tampak depan dan belakang
Tabel 2.1 Ringkasan Arduino Nano
Mikrokontroler Atmel ATmega168 atau ATmega328
Tegangan Operasi 5V
Input Voltage (disarankan) 7-12V
Input Voltage (limit) 6-20V
Pin Digital I/O 14 (6 pin digunakan sebagai output PWM)
Pins Input Analog 8
Arus DC per pin I/O 40 mA
Flash Memory 16KB (ATmega168) atau 32KB (ATmega328)
2KB digunakan oleh Bootloader
SRAM 1 KB (ATmega168) atau 2 KB (ATmega328)
EEPROM 512 byte (ATmega168) atau 1KB (ATmega328)
Clock Speed 16 MHz
Ukuran 1.85cm x 4.3cm
2.1.3.2 Perangkat Lunak Arduino (Arduino Software)
Arduino dikatakan sebagai sebuah platform dari physical computing yang
bersifat open source. Maksud dari platform bahwa Arduino bukan hanya sebagai
alat pengembang, tetapi ia adalah kombinasi dari hardware, bahasa pemrograman
dan Integrated Development Environment (IDE) yang canggih. IDE adalah
sebuah software yang sangat berperan untuk menulis program, meng-compile
menjadi kode biner dan meng-upload ke dalam memory microcontroller. Software
Arduino dapat di install di beberapa Operating system diantaranya: Windows, Mac
OS, dan Linux.
10
Gambar 2.3 Arduino Integrated Development Environment
Secara umum, struktur program pada Arduino dibagi menjadi dua bagian
yaitu setup dan loop.
Bagian setup adalah bagian yang merupakan area menempatkan kode-
kode inisialisasi sistem sebelum masuk ke dalam bagian loop (body). Secara
prinsip, setup merupakan bagian yang dieksekusi hanya sekali yaitu pada program
dimulai (start). Sedangkan bagian loop adalah bagian yang merupakan inti utama
dari program Arduino. Dan bagian ini yang dieksekusi secara terus menerus.
Gambar 2.4 Struktur IDE
2.1.4 ESP8266
Modul WiFi ESP8266 adalah sebuah modul yang terintegrasi dengan
protocol TCP/IP yang dapat memberikan akses dari mikrokontroler melalui
jaringan WiFi. ESP8266 mampu mengirim semua fungsi dari prossesor aplikasi
lain.
11
Gambar 2.5 ESP8266 Modul Wifi
Setiap modul deprogram dengan perintah set firmware, jadi hanya
menghubungkan modul ke perangkat Arduino kita sudah bisa mendapatkan fasilitas
WiFi untuk pengiriman data dll. Karna modul ini dapat di integrasikan dengan
sensor ataupun perangkat khusus lainnya.[6]
Tabel 2.2 Ringkasan Modul ESP8266
802.11 b/g/n
Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP
Integrated TCP/IP protocol stack
Integrated TR switch, balun, LNA, power amplifier and
matching network
Integrated PLLs, regulators, DCXO and power management
units
+19.5dBm output power in 802.11b mode
Power down leakage current of <10uA
1MB Flash Memory
Integrated low power 32-bit CPU could be used as application
processor
SDIO 1.1 / 2.0, SPI, UART
STBC, 1×1 MIMO, 2×1 MIMO
A-MPDU & A-MSDU aggregation & 0.4ms guard interval
Wake up and transmit packets in < 2ms
Standby power consumption of < 1.0mW (DTIM3)
2.1.5 Sensor BMP180
Selain Modul ESP8266, Arduino dilengkapi beberapa sensor untuk
membantu proyek lebih efektif dan lebih menarik. Banyak yang bisa kita lakukan
dengan sensor yang tersedia di toko-toko mikrokontroller contohnya alat pemadam
api, alat pendeteksi asap, alat penyiram tanaman, pendeteksi jarak dan masih
banyak lagi.[7]
12
Pada tugas akhir ini penulis menggunakan sensor tekanan rendah dengan
type BMP180. Sensor tekanan BMP180 merupakan generasi penerus dari BMP085,
dimana merupakan sensor digital dengan kekuatan ultra – rendah yang mampu di
optimalkan di beberapa perangkat termasuk perangkat ponsel pintar, PDA, GPS,
Navigasi, dan Peralatan outdoor. Dengan tingkat kebisingan rendah hanya 0.25m
di waktu konversi cepat menawarkan kinerja yang unggul. Antarmuka I2C (Wire)
memudahkan integrasi ke mikrokontroller. BMP180 didasarkan pada teknologi
piezo resistif untuk EMC ketahanan, akurasi tinggi dan linieritas yang baik untuk
stabilitas jangka panjang.[8]
Gambar 2.6 Presure sensor BMP180
Tabel 2.3 Datasheet BMP180
Pressure range: 300 ... 1100hPa (+9000m ... -500m relating to sea level)
Supply voltage: 1.8 ... 3.6V (VDD)
1.62V ... 3.6V (VDDIO)
Package: LGA package with metal lid
Small footprint: 3.6mm x 3.8mm
Super-flat: 0.93mm height
Low power: 5µA at 1 sample / sec. in standard mode
Low noise: 0.06hPa (0.5m) in ultra low power mode
0.02hPa (0.17m) advanced resolution mode
- Temperature measurement included
- I2C interface
- Fully calibrated
- Pb-free, halogen-free and RoHS compliant,
- MSL 1
2.2 Komponen-Komponen Elektronika
2.2.1 Resistor
13
Resistor adalah sebagai pengatur dalam membatasi jumlah arus yang
mengalir dalam suatu rangkaian. Dengan adanya resistor menyebabkan arus listrik
dapat disalurkan sesuai dengan kebutuhan. Berikut adalah simbol resistor dalam
bentuk gambar ynag sering digunakan dalam suatu desain rangkaian elektronika.
Gambar 2.7 Simbol Resistor
Resistor dalam suatu teori dan penulisan formula yang berhubungan
dengan resistor disimbolkan dengan huruf “R”. Kemudian pada desain skema
elektronika resistor tetap disimbolkan dengan huruf “R”, resistor variabel
disimbolkan dengan huruf “VR” dan untuk resistor jenis potensiometer ada yang
disimbolkan dengan huruf “VR” dan “POT”.
Kemudian berdasarkan nilai resistansinya resistor dibedakan menjadi 2
jenis yaitu resistor tetap (Fixed Resistor) dan resistor tidak tetap (Variable Resistor).
2.2.2 Resistor Tetap (Fixed Resistor)
Resistor tetap merupakan resistor yang nilai resistansinya tidap dapat
diubah atau tetap. Resistor jenis ini biasa digunakan dalam rangkaian elektronika
sebagai pembatas arus dalam suatu rangkaian elektronika. Resistor tetap dapat kita
temui dalam beberpa jenis, seperti:
Metal Film Resistor
Metal Oxide Resistor
Carbon Film Resistor
Ceramic Encased Wirewound
14
Economy Wirewound
Zero Ohm Jumper Wire
S I P Resistor Network
2.2.3 Resistor Tidak Tetap (Variable Resistor)
Resistor tidak tetap atau variable resistor terdiridari 2 tipe yaitu:
Pontensiometer, tipe variable resistor yang dapat diatur nilai resistansinya
secara langsung karena telah dilengkapi dengan tuas kontrol. Potensiometer terdiri
dari 2 jenis yaitu Potensiometer Linier dan Potensiometer Logaritmis.
Trimer Potensiometer, yaitu tipe variable resistor yang membutuhkan alat
bantu (obeng) dalam mengatur nilai resistansinya. Pada umumnya resistor jenis ini
disebut dengan istilah “Trimer Potensiometer atau VR”.
Thermistor, yaitu tipe resistor variable yangnilairesistansinya akan berubah
mengikuti suhu disekitar resistor. Thermistor terdiri dari 2 jenis yaitu NTC dan
PTC. Untuk lebih detilnya thermistor akan dibahas dalam artikel yang lain.
LDR (Light Depending Resistor), yaitu tipe resistor variabel yang nilai
resistansinya akan berubah mengikuti cahaya yang diterima oleh LDR tersebut.
2.2.4 Kapasitor
Perangkat komponen elektronika yang berfungsi untuk menyimpan
muatan listrik dan terdiri dari dua konduktor yang dipisahkan oleh bahan penyekat
(dielektrik) pada tiap konduktor atau yang disebut keping. Kapasitor biasanya
disebut dengan sebutan kondensator yang merupakan komponen listrik dibuat
sedemikian rupa sehingga mampu menyimpan muatan listrik.
Gambar 2.8 Kapasitor
15
2.3 Web server
Web server adalah suatu sistem perangkat lunak yang dirancang untuk
mendukung interoperabilitas dan interaksi antar sistem pada suatu jaringan. Web
server digunakan sebagai suatu fasilitas yang disediakan oleh suatu web site untuk
menyediakan layanan (dalam bentuk informasi) kepada sistem lain, sehingga sistem
lain dapat berinteraksi dengan sistem tersebut melalui layanan-layanan (service)
yang disediakan oleh suatu sistem yang menyediakan web server. Web server
menyimpan data informasi dalam format XML, sehingga data ini dapat diakses oleh
sistem lain walaupun berbeda platform, sistem operasi, maupun bahasa
compiler.[9]
Gambar 2.9 Pengiriman Data
2.4 Manometer (Water Column)
Manometer adalah alat yang berfungsiuntuk mengukur tekanan udara
dalam ruang tertutup baik berupa udara maupung gas dan uap. Satuan dari
manometer biasanya berupa psi (Pound/square inch), psf (pound/square foot),
mmHg (millimeter of mercury), inHg (inch of mercury), bar, atm (atmosphere),
N/m^2 (pascal). Banyak teknik telah dikembangkan untuk pengukuran tekanan.
Salah satunya manometer digital.
Gambar 2.10 Manometer (Water Column)
Wifi
16
2.4.1 Jenis – jenis Manometer
Manometer Zat Cair
Manometer zat cair merupakan manometer jenis terbuka. Pada manometer
zat cair terdapat pipa U yang memiliki satu tabung terbuka dan satu tabung tertutup.
Cairan dalam tabung dapat berupa air raksa, alkohol, ataupun air. Prinsip
pengukuran tekanan udara dalam tabung manometer adalah dengan mengukur
selisih ketinggian fluida dalam pipa. Jika tekanan gas dalam tabung lebih besar dari
tekanan udara luar maka tinggi permukaan zat cair dalam tabung terbuka lebih
tinggi daripada tinggi permukaan zat cair dalam tabung yang tertutup.[10]
Gambar 2.11 Manometer Cair
Besar tekanan dalam tabung manometer dirumuskan:
Pgas = Pluar + h
Jika tekanan udara dalam tabung tertutup lebih kecil dibanding tekanan
udara luar maka tinggi permukaan zat cair dalam tabung terbuka lebih rendah
dibandingkan dengan tinggi permukaan zat cair dalam tabung tertutup.
Tekanan udara dalam tabung tersebut dinyatakan:
Pgas = Pluar – h
Umumnya cairan yang digunakan pada manometer zat cair adalah air raksa
sehingga satuan h adalah cm, mengingat tekanan udara luar diasumsikan 76 cmHg.
Manometer Logam
Untuk tekanan udara yang tinggi, seperti pengukuran tekanan udara pada
ban mobil, tekanan gas, dan tekanan tungku pemanas digunakan manometer
logam.
17
Manometer ini digunakan karena tekanan udara yang diukur sangat besar
sehingga tidak mungkin menggunakan manometer zat cair.
Manometer logam ada beberapa macam, antara lain:
a. Manometer Bourdon.
b. Manometer Schaffer dan Boudenberg.
c. Manometer pegas.
Gambar 2.12 Manometer Logam
2.5 Biogas
2.5.1 Pengertian Biogas
Biogas merupakan gas yang mudah terbakar (flamable) yang dihasilkan
dari proses fermentasi bahan-bahan organik oleh bakteri-bakteri anaerob yang
berasal dari limbah rumah tangga, kotoran hewan (sapi, ayam, babi) dan sampah
organik. Selain itu juga sangat mungkin menyatukan saluran kamarmandi/WC
kedalam sistem biogas, di daerah industri pemrosesan makanan seperti tempe, tahu
ikan pindang atau brem bisa menyatukan saluran limbahnya kedalam sistem biogas
sehingga limbah industri tersebut tidak mencemari lingkungan disekitarnya karna
bahan industry diatas berasal dari bahan organik homogen yang sangat
mempengaruhi sistem biogas disamping parameter lain seperti temperature
digester, pH, tekanan, dan kelembapan. Biogas sama dengan gas yang mudah
terbakar lainnya, pembakaran biogas melalui pencampuran oksigen. Nilai kalori
dari 1 meter kubik biogas sekitar 6000 watt jam yang setara dengan setengah liter
minyak diesel. Oleh karena itu biogas sangat cocok sebagai bahan bakar alternatif
ramah lingkungan pengganti minyak tanah, LPG, butana, batubara maupun bahan-
bahan lain yang berasal dari fosil.[11]
18
2.5.2 Pembentukan Biogas
Komponen biogas yang paling penting adalah gas methan, selain itu juga
gas-gas lain yang dihasilkan dalam ruangan yang disebut disgester. Biogas yang
dihasilkan oleh biodigester sebagian besar terdiri dari 54% - 70% metana (CH4),
27% - 45 % karbondioksida (CO2), 0% - 1% hidrogen (H2), 0,1% oksigen (O2),
dan 0% - 3% hidrogen sulfida (H2S).
Biogas dapat dihasilkan pada hari ke 4-5 sesudah biodigester terisi penuh,
dan mencapai puncaknya pada hari ke 20-25. Akan tetapi perlu juga
dipertimbangkan ketinggian lokasi pembuatannya karena pada suhu dingin
biasanya bakteri lambat berproses sehingga biogas yang dihasilkan mungkin lebih
lama.
Ada tiga kelompok bakteri yang berperan dalam proses pembentukan biogas:
1. Kelompok bakteri fermentatif, yaitu : Steptococci, Bacteriodes, dan beberapa
jenis Enterobactericeae.
2. Kelompok bakteri asetogenik, yaitu Desulfovibrio.
3. Kelompok bakteri metana, yaitu Mathanobacterium, Mathanobacillus,
Methanosacaria, dan Methanococcus.
Sedangkan terkait dengan temperatur, secara umum ada 3 rentang
temperatur yang disenangi oleh bakteri, yaitu:
1. Psicrophilic (suhu 4° - 20° C), biasanya untuk negara- negara subtropics atau
beriklim dingin.
2. Mesophilic (suhu 20° - 40° C).
3. Thermophilic (suhu 40° - 60° C), hanya untuk men-digesti material, bukan untuk
menghasilkan biogas.
Dengan demikian, untuk negara tropis seperti Indonesia, digunakan
unheated digester (digester tanpa pemanasan) pada kondisi temperature tanah 20°
- 30° C.
Jenis Gas Volume (%)
Metana (CH4) 40-70
Karbondioksida (CO2) 30-60
Hidrogen (H2) 0-1
Hidrogen Sulfida (H2S) 0-3