19
BAB III
PERANCANGAN SISTEM
Bab ini menguraikan perancangan mekanik, perangkat elektronik dan
perangkat lunak untuk membangun Pematrian komponen SMD dengan menggunakan
conveyor untuk indutri kecil dengan sistem yang ditunjukkan pada gambar Blok
diagram. Perancangan mekanik membahas tentang keseluruhan dari kerangka alat,
letak komponen elektronik, serta sistem kerja conveyor. Perancangan elektronik
membahas alat atau komponen yang digunakan, sedangkan perancangan perangkat
lunak berupa baris-baris program yang diunduhkan pada mikrokontroler
3.1. Rancangan Mekanik
Pada bagian ini adalah hal yang paling utama dalam sistem pematrian ini
karena rancangan menyangkut konveyor yang akan memuat PCB untuk dipatri
oleh pemanas. Rancangan ini terdiri dari sebuah konveyor dengan motor sebagai
penggerak utama seperti ditunjukkan pada Gambar 3.1:
Gambar 3.1. Kerangka keseluruhan.
20
Secara garis besar dapat digambarkan bahwa motor akan menggerakkan
pulley yang diletakkan menempel dengan motor yang keduanya dihubungkan
dengan roda gigi dengan perbandingan 1:1. Pulley yang digunakan berjumlah 4
dan agar berjalan bersama maka dihubungkan dengan 2 shaft sejajar. Di antara 2
shaft tersebut digunakan tali yang dihubungkan pada nampan conveyor yang
seperti pada Gambar 3.1 dan akan menempel di atas empat buah roda yang
berjalan pada sebuah rel. Adapun motor yang digunakan adalah motor 24VDC.
Ditunjukkan pula pada gambar 3.1 bahwa bahwa nampan conveyor akan
membawa PCB untuk dilewatkan pada pemanas keramik untuk melakukan
proses pematrian. Di antara tiang penyangga pemanas terdapat sensor
photointerrupter yang digunakan untuk pembatas gerakan saat melakukan proses
pematrian. Setelah selesai proses maka nampan akan kembali ketempat semula
untuk melakukan proses pematrian yang terakhir yaitu pendinginan.
3.2. Rancangan Elektronik
3.2.1. Modul Pengontrol Suhu
Modul ini terdiri dari dua komponen utama yaitu sensor termokopel
dan penguat tegangan. Adapun penggunaan termokopel adalah untuk
mengetahui suhu yang dihasilkan oleh pemanas dan suhu yang ada pada
nampan conveyor yang memuat PCB yang akan dipatri. Tujuannya agar
suhu yang ada pada saat pematrian dapat diatur sesuai dengan kebutuhan.
Oleh karena perubahan tegangan pada keluaran dari termokopel sangat
kecil untuk dibaca oleh pin ADC pada mikrokontroler, maka diperlukan
penguat tegangan yang menghubungkan antara termokopel dan
mikrokontroler
3.2.4.1 Termokopel
Untuk kepentingan pemantauan suhu pada sistem
pematrian ini dibutuhkan sensor suhu presisi yang dapat bekerja
pada suhu yang cukup tinggi. Termokopel digunakan sebagai
sensor suhu karena mampu bekerja pada suhu yang cukup
ekstrim (berkisar antara -400°C sampai 1300°C) selain itu harga
sensor ini relatif terjangkau.
21
Untuk pemilihan termokopel pada alat ini dipakai Tipe K
(Chromel (Ni-Cr alloy)/Alumel (Ni-Al alloy)). Dikarenakan
termokopel jenis ini tersedia untuk rentang suhu −200°C hingga
+1200°C. Karena range suhunya sesuai dengan spesifikasi pada
alat yang dibuat lebih mudah dicari di pasaran.
Gambar 3.2. Termokopel tipe K.
Karena tegangan keluaran termokopel tipe K terlalu kecil
untuk digunakan oleh pin ADC pada mikrokontroler jenis Tipe K
ini harus diberi penguatan tegangan untuk menghubungkan
dengan mikrokontroler.
3.2.1.2 Penguat AD595
Gambar 3.3. Penguat AD595.
Penguat ini adalah sebuah penguat khusus untuk sensor
termokopel dimana tegangan yang dikeluarkan sekitar 41µV/°C
dari sensor dikuatkan oleh IC ini menjadi 10 mV/°C dengan
penguatan tersebuat maka perubahan tegangan keluaran akan
dapat dibaca pin ADC yang terdapat pada mikrokontroler
(ATMega 32).
22
Gambar 3.4. Konfigurasi pin dari AD 595
Karena suhu yang diukur merupakan suhu di atas 0° C, maka
digunakan catu daya tunggal dengan untai sebagai berikut:
Gambar 3.5. Untai penguat catu daya tunggal AD 595.
3.2.2. Rangkaian Pengendali Utama
3.2.2.1 Board ATMega32
Modul ini adalah modul pengendali utama yang
mengendalikan seluruh kerja sistem pada alat yang dibuat dengan
memproses masukan dari sensor-sensor yang akan digunakan
untuk mengubah gerakkan conveyor serta untuk mengaktifkan
relay yang akan mensaklarkan pemanas. Pada alat yang dibuat ini
digunakan board mikrokontroler ATMega 32 yang mempunyai
23
pin ADC yang digunakan untuk membaca sensor termokopel.
a. b.
Gambar 3.6.(a) Board ATMega32, (b) Pin pada ATMega 32.
Gambar 3.6(a) adalah gambar fisik dari board yang
digunakan sedangkan pada Gambar 3.6(b) adalah gambar
pemetaan pin dari chip ATMega 32 dengan konfigurasi pin yang
digunakan seperti pada Tabel 3.1 dan untai seperti pada Gambar
3.7
Gambar 3.7. Untai rangkaian keseluruhan.
24
Tabel 3.1. Konfigurasi Pin
No Nama Port Fungsi
1. PB0 Data RS display LCD
2. PB2 Data E display LCD
3. PB4 Data display LCD
4. PB5 Data display LCD
5. PB6 Data display LCD
6. PB7 Data display LCD
7. PC2 Data Input1 Driver Motor
8. PC4 Data Input2 Driver Motor
9. PC3 Data Input Photo Interupter
10. PC5 Data Input Photo Interupter
11. PC6 Data Input Photo Interupter
12. PA0 Data Input AD595
13. PA1 Data Input AD595
14. PA7 Data SSR
15. PD1 Tombol
16. PD2 Tombol
17. PD3 Tombol
18. PD5 Data Enable Driver Motor
19 PA5 Kipas DC
Dari Tabel 3.1 board mikro akan mengendalikan driver
motor, menerima masukkan dari photointerrupter, sensor
termokopel serta masukkan dari pengguna alat melalui
tombol dan menampilkan menu serta suhu lewat LCD 16×2
dan juga mengendalikan pemanas lewat Solid State Relay.
25
3.2.2.2. LCD 16×2
Modul yang digunakan adalah LCD16×2 yang berarti
dapat menampilkan 16 karakter dan berisi 2 barisan tampilan
berikut gambar dari rangkaian LCD seperti ditunjukkan pada
Gambar 3.8.
Gambar 3.8 Konfigurasi Pin pada LCD.
Adapun kegunaan LCD adalah sebagai penampil menu,
ukuran dan proses pematrian yang sedang dikerjakan, dengan
LCD ini maka operator memilih ukuran PCB yang akan
dikerjakan dan dapat mengetahui dan memilih apakah mesin
sudah siap untuk mengerjakan kembali atau mesin dimatikan
3.2.2.3. Tombol
Tombol ini digunakan untuk memasukkan menu ukuran
yang tertampil di LCD. Selain itu juga untuk memulai
melakukan proses pematrian adapun rangkaiannya
menggunakan rangkaian pulldown seperti pada Gambar 3.9
Gambar 3.9. Rangkaian pulldown
26
Untai ini dibuat untuk mengatasi nilai ambang pada
pembacaan nilai oleh mikrokontroler terhadap kondisi saklar
pada saat ditekan atau tidak. Cara kerjanya adalah saat saklar
open nilai yang dibaca oleh pin mikrokontroler adalah Low ≈
GND dan saat close atau ditekan maka pembacaan oleh pin
mikrokontroler adalah High ≈ VCC
3.2. 3 . Rangkaian Motor
3.2.3.1. Motor DC 24V
Gambar 3.10. Motor DC
Motor ini berfungsi sebagai penggerak utama yang
digunakan untuk menggerakkan conveyor dengan spesifikasi
Tegangan maksimal = 24V
Arus maksimal = 3A
Motor ini akan menggerakkan conveyor dengan cepat
lambat diatur agar sesuai dengan grafik langkah-langkah
pematrian. Adapun untuk mengatur cepat lambat dari kecepatan
motor digunakan PWM yang diatur oleh mikrokontroler.
27
3.2.3.2. Driver motor L298
Gambar 3.11. Modul driver motor L298.
Dikarenakan adanya pengaturan PWM untuk
menggerakan motor maka diperlukan driver untuk men-drive
cepat lambat motor sesuai dengan lebar pulsa yang dikirimkan
oleh mikrokontroler.
Gamba 3.12. Pulse Width Modulator.
Untuk menghitung duty cycle sebuah sinyal PWM digunakan
rumus: = ×100%....................................(3.2.1.2.1)= + ...............................................(3.2.1.2.2)
Dari Persamaan 3.2.1.2.1 dan 3.2.1.2.2 maka didapat= ×100%..............................(3.2.1.2.3)
Pada perancangan ini digunakan timer counter 8 bit
sehingga nilai PWM maksimal dengan duty cycle 100%
memiliki nilai OCR 255, (Output Compare Register) OCR
28
merupakan nilai pembanding timer counter agar mengeluarkan
sinyal PWM. Misalkan diinginkan PWM dengan duty cycle 50%
maka dapat duraikan sebagai berikut ini :
Input driver motor 18 Volt
maka dapat dirumuskan 50% ×255 = 127
Maka tegangan keluaran adalah 50% ×18= 9 volt
Untuk modul L298 yang dipakai rangkaian yang dipakai sebagai
berikut
Gambar 3.14 untai L298
L298 memiliki dua buah rangkaian H-Bridge di dalamnya,
sehingga dapat digunakan untuk men-drive dua buah motor DC.
Masing-masing dapat mengantarkan arus hingga 2A. Namun,
dalam penggunaannya, L298 dapat digunakan secara paralel,
sehingga kemampuan menghantarkan arusnya menjadi 4A.
Dengan tegangan operasi sebesar 46 V
3.2.3.3. Photo Interuppter
Rangkaian ini berisi sensor Photointerupter yang
difungsikan sebagai pembatas gerakan conveyor.
Gambar 3.15 fisik dari sensor photointerrupter
Pada saat alat melakukan proses pematrian yaitu preheat,
29
heating dan soldering digunakan juga untuk melakukan counter
langkah-langkah tersebut dan pada saat proses pematrian yaitu
pendinginan digunakan sebagai penanda dari tempat
pendinginan. Adapun untai photointerrupter ditunjukkan seperti
pada gambar 3.16.
Gambar 3.16 Rangkaian photointeruppter.
Cara kerja pada Gambar 3.16 adalah dimana pada kaki
1dan 2 ditengah-tengahnya dihalangi dari kaki 3 dan 4 atau
terhalang suatu benda maka cahaya dari led tidak sampai ke kaki
basis antara kaki 4 dan 3 dan tegangan dari VCC akan langsung
mengalir pada output dan output akan bernilai high dan memberi
masukkan pada mikrokontroler.
3.2. 4 Rangkaian Pemanas
3.2.4.1 Pemanas keramik
Untuk memenuhi target pematrian yaitu suhu soldering
sekitar 260 °C maka dipilih ceramic infrared heater seperti
pada Gambar 3.17
Gambar 3.17 Ceramic Infrared Heater.
Spesifikasi pemanas adalah sebagai berikut
30
1. Dimensi lebar 6 cm dan panjang 23 cm
2. Menggunakan catu daya 220VAC 50 Hz
3. Temperatur maksimum 800°C
4. Daya keluaran maksimum 1000 Watt
3.2.4.2 Solid State Relay (SSR)
Pemanas tersebut agar dapat disaklarkan oleh mikrokontroler
maka digunakan Solid State Relay (SSR) sebagai komponen
pensaklaran. Komponen SSR yang digunakan pada alat ini
adalah jenis KSD225AC3 buatan Cosmo Electronic dengan
spesifikasi:
1. Input 5-12 VDC
2. Load 25 A, 250 VAC
3. Tegangan Drop Out 1VDC
Gambar 3.18 Gambar fisik dari SSR.
Untuk rangkaiannya seperti ditunjukkan pada Gambar 3.19
Gambar 3.19 Untai Solid State Relay.
Dari untai pada Gambar 3.18 mikrokontroler akan
memberikan tegangan sebesar 5 volt menggunakan pin A7.
Setelah dipicu, SSR akan aktif maka pemanas keramik akan
31
disaklarkan untuk kondisi menyala sampai batas suhu yang
digunakan untuk pematrian. Adapun resistor 330Ω di rangkai
sebagai pengaman agar arus yang masuk ke mikrokontroler
tidak terlalu besar jika terjadi feedback current
3.2. 5 Modul Pendingin
Modul pendingin ini berisi dari rangkaian berikut ini
Gambar 3.20 Rangkaian saklar pendingin.
Rangkaian ini berfungsi untuk melakukan proses pematrian terakhir
yaitu pendinginan menggunakan kipas DC 12 volt biasa dan disaklarkan
oleh mikrokontroler untuk menyalakan dan mematikan kipas.
3.3. Rancangan Perangkat Lunak
Perancangan perangkat pada alat ini menggunakan chip ATMega dan
diprogram menggunakan Arduino Ide. Untuk penggunaan perangkat lunak pada
alat ini maka mikrokontroler diprogram untuk dapat mengendalikan pemanas,
untuk menggerakkan conveyor, serta mengendalikan sensor-sensor yang
menunjang sistem
32
3.3.1 Diagram Alir Sistem perangkat Lunak
Gambar 3.21. Diagram alir sistem perangkat lunak.
33
Langkah kerja perangkat lunak dari diagram alir yang ada pada
Gambar 3.21 yaitu pertama adalah penyalaan sumber tegangan baik dari
power supply maupun dari sumber tegangan AC 220V-50 Hz. Setelah
semua menyala maka termokopel yang berada pada pemanas keramik
akan melakukan monitoring apakah suhu pada pemanas sudah mencapai
suhu yang diinginkan yaitu 350°C pada permukaan pemanas. Adapun
panas pada permukaan pemanas dijaga suhunya dari 390°C - 410°C saat
alat menyala. Apabila permukaan pemanas sudah mencapai suhu yang
diinginkan yaitu 350°C maka akan tertampil menu ukuran pada LCD.
Ukuran tersebut berfungsi untuk membedakan cepat lambat gerakan
pada motor yang disetting dengan PWM. Setelah menu ukuran pada
LCD telah diisi oleh operator maka ditekan menu “yes” yang tertampil
pada LCD maka mulailah proses pematrian dari preheating lalu heating
dan akhirnya soldering setelah selesai proses maka conveyor akan
menuju ke modul pendingin berupa kipas untuk melakukan proses
pendinginan. Dimana sebagai monitoring dari suhu konveyor dipasang
sebuah termokopel. Dari termokopel inilah diketahui apakah suhu pada
conveyor sudah sesuai dengan suhu yang diinginkan yaitu dibawah 30°C.
Jika suhu sudah berada dibawah 30°C maka kipas akan dimatikan dan
pada monitor LCD akan tertampil menu lanjutkan untuk memulai lagi
proses pematrian atau selesai untuk mengakhiri pematrian dan
mematikan semua sistem.