rancang bangun densitometer digital berbasis...

SEMINAR NASIONAL II

SDM TEKNOLOGI NUKLIR

YOGY AKARTA, 21-22 DESEMBER 2006ISSN 1978-0176

RANCANG BANGUN DENSITOMETER DIGITALBERBASIS MIKROKONTROLER

*JOKO SUNARDI, **NUGROHO TRI SANYOTO, *THERESIA LESTARI*Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BATAN

Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 YKBB Yogyakarta 55281Telepon 0274-484085,489716, Faksimili 0274-489715

**Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATANJl. Babarsari Kotak Pos 6101/YKBB,Yogyakarta 55281 Telp. (0274) 488435

[email protected]

Abstrak

RANCANG BANGUN DENSITOMETER PORTABLE DIGITAL MODEL TC52. Telah dibuat suatuperangkat pendukung radiografi dengan tujuan untuk mengukur densitas suatu film. Perangkat keras terdiridari fototransistor sebagai sensor cahaya, rangkaian pengkondisi sinyal, rangkaian pengubah tegangananalog ke digital, dan rangkaian sistem mikrokontroler AT89C52. Fototransistor dipasang pada pengkondisisinyal inverting sehingga tegangan keluaran berbanding lurns dengan intensitas cahaya yang masuk danberbanding terbalik dengan densitas film. ADC 0804 digunakan untuk mengubah tegangan analog menjadidigital dan mikrokontroler AT89C52 digunakan sebagai pengendali. Data hasil pengukuran akanditampilkan dan diolah menjadi nilai densitas. Hasil pengujian Densitometer Portabel Digital Model TC 52ini memperlihatkan kesalahan rata-rata sebesar 5,37%.

Kata kunci : densitometer,fototransistor

Abstract

SRUCTURAL DESIGN OF PORTABLE DIGITAL DENSITOMETER MODEL TC52. A complementequipment of radiography has been made to measure the density of radiographical film. The hardwareconsists of light sensor phototransistor, signal conditioning circuit, analog to digital converter circuit(ADC), and AT89C52 microcontroller. The software is developed using software BASCOM Phototransistoris installed on inverting signal conditioning circuit so that output voltage is directly proportional to inputlight intensity is in converse to film density. ADC-0804 is used to convert voltage from analog to digital andAT 89C52 microcontroller is used to control the process. The measurement data will be displayed andprocessed automatically as density value. This test of Portable Digital Densitometer Model TC52 gives as itsresult an Average of error 5,37%.

Key word: Densitometre, fototransistor

PENDAHULUAN

Salah satu aplikasi teknologi nukliruntuk bidang industri adalah penerapan uji takrusak (non destructive test). Beberapa macammetode pengujian tak merusak ini antara lainpenetrant test, magnetic test, ultrasonic test,eddy current test dan radiography test.

Uji tak rusak dengan metoderadiography test adalah suatu cara untukmenganalisis cacat suatu bahan baik berupa

lasan (welding), maupun hasil cetakan, denganmemanfaatkan sifat-sifat khusus sumber radiasi.Salah satu sifat radiasi adalah kemampuanmenembus speciment (bahan atau material)sehingga pengujian yang dilakukan tidakmengubah atau tidak merusak bahan yang diujidan hasil pengujiannya dapat direkam sebagaidokumen dalam bentuk film. Hasil rekamandapat ditentukan dalam bentuk, ukuran danlokasi cacat. Hal ini merupakan salah satu

Joko Sunardi dkk 257Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BA TAN

keuntungan dari metode test radiografi.Sumber radiasi yang biasa dipakai antara lainisotop Iridium -197, Cobalt-60, pesawat sinarX, dan lain-lain.

Hasil pengujian metode test radiografiadalah berupa film. Film tersebut terbuat daribahan selulosa yang dilapisi dengan emulsi(AgBr). Dari hasil penyinaran benda uji, padafilm tersebut akan tergambar bayangan daribenda atau speciment.

Film hasil radiografi dapat diterimasebagai alat uji tak rusak apabila memilikikualitas yang baik serta bebas dari cacat film.Untuk itu perlu diketahui parameter-parameteryang berkaitan dengan kualitas radiografi danfaktor-faktor yang mempengaruhinya sertakondisi-kondisi yang dianjurkan untukmendapatkan film yang bebas dari cacat. Filmhasil radiografi dikatakan memiliki kualitasbaik apabila memenuhi empat parameter, yaitudensitas yang cukup, distorsi yang minimal,definisi yang tajam, dan kontras yang tinggi.

Secara kualitatif densitas film radiografimenunjukkan tingkat kehitaman film setelahdiproses. Film dengan tingkat kehitaman lebihgelap dikatakan memiliki densitas yang lebihtinggi. Tingkat kehitaman film (densitas) dapatdiukur dengan film pembanding ataumenggunakan alat ukur elekronik yang disebutdensitometer (Pelatihan radiografi BAT AN2001).

LANDA SAN TEaR!

Untuk melakukan pengukuran densitasfilm hasil radiografi, digunakan densitometer,Film Step Wedge, dan alat bantu pencahayaan.Densitometer adalah alat untuk mengukurtingkat kehitaman film hasil radiografi. FilmStep Wedge adalah film standar yang berisirekaman benda uji dengan tingkat ketebalanfilm yang berbeda-beda. Alat bantupencahayaan adalah sumber penerangan yangmempunyai penyebaran cahaya merata disepanjang permukaan temp at pembacaan film

(Pusdiklat, 2001, BAT AN)Densitometer berfungsi untuk mengukur

tingkat kehitaman film hasil radiografi dengancara mengambil data densitas selama selangwaktu tertentu yang kemudian diproses dalamsistem mikrokontroler dan ditampilkan dalamLCD.

SEMINAR NASIONAL IISDM TEKNOLOGI NUKLIR

YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER2006ISSN 1978-0176

Komponen utama penyusun alat iniadalah rangkaian sensor cahaya, rangkaianpenguatan, rangkaian pengkonversi tegangananalog menjadi digital (ADC), rangkaiankendali utama untuk mengontrol pengambilandata densitas serta rangkaian penampil LCD.

Prinsip kerj a alat ini adalah sebagaiberikut sensor cahaya melakukan pengukurantingkat kehitaman film dan mengubahnyamenjadi tegangan, tegangan keluaran darisensor kemudian dikondisikan denganpengkondisi sinyal yaitu rangkaian penguatinverting. Setelah diperkuat, sinyal inidikonversi menjadi digital oleh ADC 8 bit.Mikrokontroler sebagai kendali utama akanmemproses data digital tersebut lebih lanjutyang kemudian akan ditampilkan padarangkaian LCD. Rancangan alat yang dibuatsecara blok diagram seperti pada Gambar 1dibawah ini .

Gambar 1. Perancangan Perangkat Keras SistemSecara Blok Diagram

PERANCANGANPERANGKATKERAS

(HADRWARE)

Amplifier Operasional (Op-Amp)

Operational Amplifier (Op-Amp) ataubiasa disebut Pengkondisi sinyal adalah perantisolid-state yang mampu mengindera danmemperkuat sinyal masukan baik DC maupunAC (Huges 1990), agar diperoleh sinyalkeluaran sesuai dengan jangkauan yangdikehendaki, yang dapat diolah selanjutnya olehrangkaian pengolah sinyal misalnya ADC. Padaperancangan densitometer digunakan rangkaianpengkondisi sinyal seperti Gambar 2 yangmerupakan rangkaian penguat inverting.

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BATAN 258 Joko Sunardi dkk



R2

--+i

R1

ein • II

j--+

Gambar 2. Rangkaian Penguat Inverting padaFototransistor

eo

dalam jangkauan ini diwakili oleh bilangan

biner yang sarna, maka akan terdapatketidakpastian konversi sebesar ± LSB untuk

setiap pengubahan. Masalah ini dapat dikurangi

dengan menambah jumlah bit pada outputpengubah. Output maksimal suatu ADC tidak

berada pada nilai FS akan tetapi pada 7/8 FS.

Misalkan sebuah ADC 3 bit idealnya akan

mempunyai LSB sebesar 1/8 FS. Jangkauan

input akan dikuantisasikan pada delapantingkatan dari 0 sampai 7/8 kali FS. Lebih

jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3.

Analisis perhitungannya adalah :il = i2 = 0 akibatnya iR1 = iR2 (1)

VR1 = VR2

RI R2

-e· e_'_n = _0 ~ penguatan

RI R2

(Av) = ~=-~ein RI

Untuk rangkaian ini, sinyal keluaranberbeda phasa 1800 dari sinyal masukan.Rangkaian ini memungkinkan didapatpenguatan (Av) dari 0 sampai --.

Analog Digital Converter (ADC)

Salah satu komponen penting dalam sistem

akuisisi data adalah pengubah besaran analog

ke digital atau disebut juga ADC (Analog toDigital Converter). Pengubah ini akan

mengubah besaran-besaran analog menjadi

bilangan-bilangan digital sehingga bisa diprosesdengan mikrokontroler.

Kuanlitas penting dalam ADC adalah

rentang tegangan terkecil yang tidak dapatmengubah hasil konversi. Rentang tegangan ini

sering disebut dengan minimal RepresentableVoltage (MRV) atau LSB.

Diketahui LSB menunjukan nilai analogdari suatu Least Significant Bit (LSB), dan FS(Full Scale) adalah nilai maksimum dari

tegangan refernsi. Karena semua tegangan

Hasil konversi ADC diolah ke dalam

mikrokontroler untuk dibaca dan ditampilkanpada LCD.

Terdapat berbagai cara mengubah sinyalanalog ke digital, dalam pekerjaan ini dipakaimetode beruntun atau succesive approximation.Karena ADC dengan jenis ini sudah banyakdipasaran dalam bentuk chip sehinggamempermudah pemakaian. Metode ini didasaripada pendekatan sinyal input dengan kode binerdan kemudian berturut-turut memperbaikipendekatan ini untuk setiap bit pada kodesampai didapatkan yang paling baik. Untukmenyimpan kode biner pada setiap tahapandigunakan Succesive Approximation Register(SAR), (Sukarman.et aI, 2005)

Besaran jangkauan tegangan dan bit yangdigunakan (resolusi 8 bit) menentukan seberapakecil perubahan tegangan yang mampudideteksi. Tingkat ketelitian dapat ditunjukandengan persamaan:

T· k k 1" jangkauan teganganmg at ete lhan = --------resolusi

e -ein=eo-eRI R2

e+ di-ground-kan, makae- = e+ = 0

karena

(2)

output

: : : .· : ..· .· .: : : :· ...: : : ,

liS liS 3/8 4/8 5/8

input analog

Gambar 3. Lineritas ADC

7/8 FS

Joko Sunardi dkk 259Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN

Liquid Crystal Display (LCD)

LCD (Liquid Crystal Display) merupakansuatu modul display. LCD tersusun dari dotmatrix LCD controller, segment driver, sertapanel LCD. Kontroler LCD telah terintegrasidengan RAM/ROM pembangkit karakter atauCGRAM (character generator RAM) danRAM data display atau DDRAM (display dataRAM). Semua fungsi display dikendalikan olehinstruksi-instruksi sehingga dapat denganmudah dihubungkan dengan mikrokontroler.

Sensor Cahaya

Sensor cahaya yang digunakanfototransistor L14GI, akan memberikantegangan keluaran, sedangkan tegangan tersebutakan berbanding terbalik dengan densitas film.Idealnya, pada kondisi sangat terang densitasyang terukur adalah 4, sedangkan pada kondisi


YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006ISSN 1978-0176

gelap adalah O. Pada rangkaian sensor Gambar4 diperlukan rangkaian pengkondisi sinyal agardiperoleh tegangan keluaran sesuai denganyang diharapkan yaitu bisa menunjukan nilaidensitas 4 pada kondisi gelap dan densitas 0pada kondisi terang(lampu). Namun, padapengujian sensor tanpa signal conditioningdiperoleh data yaitu pada densitas 0 keluarantegangannya adalah 1,789 volt.

Dari rangkaian Gambar 4 diperoleh Vout

= Rf x If. Dari rangkaian pada Gambar 5didapatkan sinyal pada kondisi densitas 4sebanding dengan tegangan 3,996 volt.Berdasarkan hasil yang diperoleh daripengukuran per step, kemudian dibuat grafik.Persamaan yang diperoleh digunakan sebagaiacuan pengkonversi tegangan ke digital probeseperti ditampilkan pada Gambar 5.

Gambar4. RangkaianSensordanPengkondisiSinyal

Gambar5. KonstruksiProbeDensitometer

Keterangaan gambar:1. jendela2. sensor cahaya fototransistor3. penyekat cahaya4. rangkaian penguat sinyal kondisioning

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 260

5. ground6. kabel7. probe silinder

Joko Sunardi dkk

SEMINAR NASIONAL IISDM TEKNOLOGI NUKLIRYOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006ISSN 1978-0176

Rangkaian Mikrokontroler A T89C52

Perancangan sistem kendali padapenelitian ini menggunakan mikrokontolerAT89C52. Untuk dapat mengendalikan suatusistem, mikrokontroler ini hams dilengkapidengan komponen dasar seperti sumber clockdan rangkaian reset.

Sumber clock diperoleh denganmemasang penghasil detak, yaitu crystaldengan frekuensi detak sebesar 12 MHz dankapasitor sebesar 30 pF yang dihubungkandengan pin XTAL 1 dan XTAL2 darimikrokontroler. Dengan frekuensi crystaltersebut, akan dikeluarkan (12 x 6/12) machine

cycle dengan kata lain satu machine cyclememakan waktu 1 mikrodetik.

Rangkaian reset berfungsi sebagaipereset program dalam mikrokontroler,diperoleh dengan cara menghubungkan pinreset dari pin mikrokontroler (pin 9) denganlogika 1 atau 5 volt. Namun pada kenyataannya,pin reset ini tidak langsung dihubungkandengan tegangan 5 volt, melainkan diberikapasitor untuk memberikan reset pada saatawal mikrokontroler dinyalakan. Rangkaian ininantinya akan disebut ranngkaian minimumsistem atau single chip AT89C52. Adapunrangkaian selengkapnya dapat dilihat padaGambar 6.

'" '"

.f~FP"PO'"

P"POI

.l.. XT~LI

P"PO,

.»p,,~

?"~,..""PI<PO'

p" ~~I"P"'"P"PO,

30pF

....,"" I"",. •.."

~~~:.

""

TO ~~I",..""Z\"'VI""',

""" '"."' ...

."" I10

TXDro .IDe'~ PSE>"

AT89C52

~I",.,,,

L.!...J J~.ot

~TOrt"',.,•1

..:..-.,.,,,

I'"

±I"

vcc",",

Gambar 6. Rangkaian Minimum AT89C52

TATA KERJA DAN PERCOBAAN

Bahan dan peralatan

Bahan dan peraatan yang digunakanadalah PCB dan Komponen Elektronik,Soldering iron , Multimeter dan Toolset,

Funtiun Gwenerator, Osciloscope Cs 1570 A 30mHz Trio, DC Power Supply

Proses Pelaksanaan

Proses pelaksaaan meliputi; tahap perancangan,tahap kontruksi, tahap pengujian sepertidiagram alir pada Gambar 6.

Joko Sunardi dkk 261Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir- BATAN

Diagram Alir Perancangan PerangkatLunak

2000

1800~ 1600

1 1400i uoo..,. moo~ 800c:" 600

J 400

leeo

o



~ T~gmgan!ernb,(milivclt)

ftjm5t~p

ADCDatal= -x5

255

Kcnversi densitlls

~t( ~eie~ai)

Gambar 6. Flowchart Program Utama

PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN

Gambar 7. Hubungan Tegangan dan DensitasStandar

Dari Gambar 7 terlihat bahwa keluaran

sensor kecil, maka diperlukan pengkondisisinyal. Dari referensi yang diperoleh (Hogenboom, Data Sheet BookJ) untukpengkondisi sinyal pada rangkaian sensorcahaya sebaiknya menggunakan rangkaianpenguat seperti terlihat pada Gambar 4.

Pengujian Rangkaian Pengkondisi SinyaI

Pengujian dilakukan dengan mengukurdensitas keluaran dari rangkaian pengkondisisinyal pada tiap perubahan tingkat densitasfilm. Densitas yang digunakan mulai daridensitas 0 dinaikkan setahap derni setahapsampai densitas maximum (yang terukurdensitas 4) dengan menggunakan persamaan

Vout = RF x IF, diketahui padajika RF =4,7M , IF = 0,85 /lA sedangkan hasil Vout yangterukur pada saat kondisi cahaya yangmengenai fototransistor pada kondisipenerangan maximum densitometer yang dibuatadalah 3,996 volt sedangkan jika pada kondisigelap Vout yang terukur = 0 volt. Setelahpengujian dilakukan, diperoleh hasil sepertipada Gambar 8

4.5

4

Gambar 8. Grafik Hubungan Tegangan Vout

Rangkaian Pengkondisi Sinyal dan Densitas

Pengujian SensorPengujian sensor dilakukan dengan cara

menguji hasil keluaran dari rangkaian sebelumdiberikan pengkondisi sinyal. Gambarrangkaian dapat dilihat pada Gambar 4

Diketahui RL = IMO, V= 5 V. Dari hasilkeluaran sensor diperoleh tegangan keluaranpad a kondisi lampu terang sebesar 1,789 volt.Dari hasil tersebut terlihat bahwa keluaran dari

hasil sensor kecil. Data selanjutnya dapat dilihatpada Gambar 7.

3,5

2 3

densibs

4 5

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BA TAN 262 Joko Sunardi dkk



Berdasarkan Gambar 8 apabila teganganmakin besar maka densitas makin kecil hal initemyata telah sesuai dengan teori yaitu bahwadensitas berbanding terbalik dengan tegangan

Pengujian Densitometer Model TC 52Dibandingkan Dengan Densitometer Standar

Pengujian ini dilakukan untukmengetahui apakah nilai densitas hasilpengukuran alat ini telah sesuai dengan densitassebenamya yang diukur. MenggunakanDensitometer merk Victroeen model 07-444sebagai alat pembanding. Pengujian dilakukandengan mengamati densitas yang tertera padadisplay LCD dari alat dan dibandingkan dengandensitas yang terukur pada alat pembanding.Hasil pengamatan ini ditunjukan pada Tabel I,contoh hasil perhitungan dan perhitungan yanglain seperti contoh serta dimasukkan dalamtabel :

Contoh perhitungan :Valat- Vstd

Persentase kesalahan =-----XI00%Vstd

_1,23 -1,21 XlOO%1.21

=1,65%

Dari Tabel I dapat dilihat bahwa persentasekesalahan masih dibawah rata-rata < 10 % dan

pada kondisi gelap densitometer hasilrancangan ini menunjukkan hasil pengukuranmaksimum 3,64 dibandingkan dengandensitometer standar yang dapat menghasilkanpengukuran 4, hal ini menunjukkan kwalitasdari sensor yang baik dibandingkan sensor yangada pada densitometer standar.

Tabel 1. Hasil Pengukuran Densitometer Standar dengan Densitometer Model TC 52

desitometer

film nodensitometer model TC2rata-rata% kesalahan

standardlampu

000000,00%

1

1,211,231,231,231,231,65%

2

1,531,571,571,571,572,61%

3

1,681,641,711,711,690,40%

4

1,681,711,711,711,711,79%

5

0,980,970,970,970,971,02%

6

1,981,941,861,861,894,71%

7

2,182,302,302,52,378,56%

8

2,142,212,212,212,213,27%

9

2,352,32,32,32,302,13%

10

2,52,612,612,612,612,61

gelap

43,643,643,493,593,57

Joko Sunardi dkk 263Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN

Gambar 9. Grafik Hubungan Densitas DensitometerStandard dan Densitometer Model TC 52

densitometer std

y = 0,9462x - 0,3415

R2 = 0,9225

4

3,5N 3

I()()... 2,5(ij-g

2E 1,5... $ 1

~E 0,5

,£'0 °

t:QI"'C -0,5

-1

2 3 4 5



2. Bagaimana tingkat kesalahan sampai 8% ?(Aliq Zuhdi, STTN)

3. Batas-batas penggunaanya (range) ?(Mulyono, Bapeten)

Jawaban

1. Belum dicoba. Mungkin bisa yaitu denganprinsip pengukuran intensitas cahaya yangdilemahkan oleh kain tersebut.

2. hal ini merupakan kondisi optimal clarisensor yang memberikan kesalahan terkecil8%. Dengan sensor yang lebih baik makatingkat kesalahan dapat diperkecil.

3. Batas range 0-10 densitas

Saran

KESIMPULAN

Dari hasil perancangan dan pengujiansensor dan ADC dapat ditarik kesimpulansebagai berikut:1. Telah dapat dibuat 1 buah Densitometer

Portabel untuk mengukur densitas filmhasil radiografi.

2. Hasil pengujian komparasi densitometermodel TC 52 dengan densitometer merkVictroeen Model 07-444 memperlihatkanpenyimpangan rata-rata sebesar 5,37%.

3. Densitas akan berbading terbalik dengantegangan

DAFT AR PUST AKA

1. Pusat Pendidikan dan Pelatihan BATAN, DiklatRadiografi Levell, Jakarta 2001.

2. http://www.atmel.com. Datasheet microcontollerAT89C52, diakses 3 Ju1i2006

3. HOGENBOOM, P, Data Sheet 3, PT Elex MediaKomputindo, Jakarta

4. httv://w'.vw.datasheetarchive.com/, Data sheetADC 0804, diakses 28 Juni 2006

5. http://www.datasheetarchive.coml. Data sheetLMI08, diakse 22 Juni 2006

6. http://www.fairchi1dsemi.com. Hermetic SiliconFototransistor diakses 21 Juni 2006

TANYAJAWAB

Pertanyaan

1. Bisakah untuk mengukur densitas kain ?

Hasil penelitian ini merupakanpenyambungan dari hasil yang sudah adasehingga bisa dilakukan perbandingan denganalat yang ada. (molyono, Bapeten)

Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BA TAN 264 Joko Sunardi dkk

rancang bangun densitometer digital berbasis...

Documents