High Level Design

BLOCK DIAGRAM RANGKAIAN

Gambar 3 : Block Diagram TDS Meter

 

 

Solution to be measured, adalah larutan yang akan diukur kadar TDS-nya

Sensor yang digunakan pada rangkaian ini adalah 2 probe biasa dengan jarak 1 cm yang fungsinya untuk mendapatkan nilai konduktansi suatu larutan.

Signal Processing, adalah rangkaian yang berfungsi untuk : pertama, memberikan sumber tegangan AC konstan pada probe agar pada larutan dapat terjadi aliran arus (sehingga dapat terukur konduktansi atau resistansinya). Fungsi kedua adalah untuk mengkonversi nilai konduktansi menjadi tegangan.

MicroController, digunakan untuk mengubah nilai tegangan (Analog) yang dihasilkan Signal Processing menjadi nilai bit-bit (Digital) dan mengkonversinya menjadi satuan TDS atau PPM.

LCD (Liquid Crystal Display), digunakan untuk menampilkan output dari MicroController sehingga dapat dibaca oleh user.

 

(Sumber tegangan yang digunakan pada rangkaian ini adalah +12V dan -12V)

 

 

Wien Bridge Oscilator

 

 

Gambar 4 : Wien Bridge Oscilator

 

Osilator Jembatan Wien (Wien Bridge Oscilator) biasa digunakan untuk membangkitkan frekuensi tanpa memerlukan sinyal input, dengan jangkauan frekuensi dari 5 Hz sampai kira-kira 1 MHz. Osilator ini menggunakan umpan balik negative dan umpan balik positif. Umpan balik positif di feed back melalui jaringan lead lag ke input non inverting, sedangkan umpan balik negative melalui pembagi tegangan ke input inverting.

 

Syarat yang harus dipenuhi untuk membangun rangkaian osilator jembatan wien ini adalah penentuan besarnya Resistor dan Kapasitor penentu frekuensi output. Harga dari R2 harus sama dengan R3, dan C1 harus sama dengan C2. Untuk selanjutnya kita sebut komponen penentu frekuensi ini masing-masing dengan R dan C.

 

Untuk rangkaian ini besarnya R dan C diatur sedemikian rupa sehingga frekuensi outputnya minimal sebesar 1 KHz. Sebab bila kurang dari 1 KHz maka akan menyebabkan rangkaian menjadi tidak stabil, akibatnya pembacaan menjadi tidak akurat dan terpengaruh waktu.

 

Untuk membentuk gelombang sinus yang benar-benar mulus, maka setiap kali pengukuran maka harus dipastikan variable resistor R4 dalam keadaan nol, kemudian sedikit semi sedikit diputar sehingga penguatannya = 1 dan amplitudo menjadi constant.

Zener yang digunakan adalah Zener 5,1 Volt. Vout yang keluar dari pin 1 IC Op-amp ini akan menghasilkan tegangan kurang lebih 20 Vpp.

 

Adapun frekuensi output dari rangkaian Osilator Jembatan Wien ini ditentukan dengan rumus sbb :

 

f. out = 1 / (2 phi R C)

= 1 / [2 (3,14) (1 x 10³) (0,03 x 10^-6)]

= 1 / [0,1884 x 10^-3]

= 5,3 KHz

 

 

Gambar 5 : Simulasi frek. output yang digenerate Wien Bridge Osc

Pada software MultiSim 2001

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Non Inverting Amp

 

 

Gambar 6 : Penguat Tak Membalik

 

Output yang berasal dari Osilator Jembatan Wien (yang telah dijelaskan sebelumnya) akan menjadi input untuk rangkaian Penguat Tak Membalik setelah sebelumnya masuk ke pembagi tegangan R6 dan R7. Tegangan input non inverting ini didapat dari tegangan R7. Yang besarnya dapat ditentukan dengan rumus pembagi tegangan :

 

VR7 = [R7 / (R6 + R7)] * Vin

= [1 x 10³ / (1 x 10³ + 1 x 10⁵)] * 20

= [1 x 10³ / (1,01 x 10⁵)] * 20

= 0,009009.. * 20

= 0,198 V ≈ 0,2 V

 

Penguatan rangkaian Penguat Tak Membalik ini ditentukan oleh 2 resistor, yaitu resistor pada input inverting (Rin) dan resistor feedback (Rf). Pada rangkaian diatas, Rin didapat dari larutan yang diukur. Sederhananya (seperti yang sudah dijelaskan pada bagian sebelumnya), bahwa pada setiap larutan akan terdapat konduktansi. Dan jika ada konduktansi tentu akan ada Resistansi, karena resistansi adalah invers dari konduktansi.

 

R = 1 / G begitu pula sebaliknya G = 1 / R

 

Rumus penguatannya adalah : Av = (Rf / Rin) + 1

Vout = Av * Vin (pada input non inverting, dalam hal ini sama dengan VR7)

 

AC (Alternate Current) Signal to DC (Direct Current) Signal Converter

 

 

Gambar 7 : AC to DC converter

 

Output yang dihasilkan oleh rangkaian sebelumnya (Penguat Tak Membalik) adalah sinyal sinusoida (AC). Seperti kita maklumi bersama, bahwa pengolahan sinyal menggunakan sinyal sinusioda adalah sulit dilakukan. Lebih mudah bagi kita untuk memproses sinyal digital. Sehingga mudah usntuk melakukan modifikasi ataupun yang lainnya. Maka untuk memenuhi hal tersebut, terlebih dahulu kita harus mengubah sinyal sinusoida (AC) yang merupakan output dari rangkaian penguat tak membalik menjadi sinyal DC murni agar bisa diproses oleh microcontroller.

 

Op-Amp U1C digunakan sebagai buffer agar rangkaian tidak mempengaruhi sinyal input. Sebab dengan rangkaian ini akan didapatkan impedansi input yang tinggi, dan sebaliknya impedansi output yang sangat rendah.

 

Dioda bridge digunakan untuk memisahkan sinyal positif (AC) dan sinyal negatifnya. Kedua sinyal ini masing-masing akan masuk ke input non inverting dan input inverting setelah sebelumnya di-regulasi oleh rangkaian regulator sederhana R11 dan C3.

 

Output akan keluar pada pin 14 dengan bentuk sinyal DC murni yang besar range dan offset-nya masing-masing diatur oleh variable resistor R9 dan R13.

ADC (Analog to Digital Converter)

 

Analog to Digital Converter yang digunakan sudah built in pada IC Microkontroller ATMega8535. ADC (Analog to Digital Converter) adalah sebuah interface yang dapat mengubah tegangan analog menjadi pulsa digital. Pada ADC 8 bit, rentang output yang dihasilkan adalah 2 pangkat 8 = 256. Tentunya untuk ADC 10 bit seperti yang built in pada microcontroller AVR ATMega8535 ini lebih besar lagi yaitu 2 pangkat 10 = 1024. Adapun rumus untuk menentukan hasil konversi ADC adalah sebagai berikut

 

Konversi_ADC = (vin/vref) * 1024

 

Pada rangkaian ini akan dibuat range pengukuran TDS mulai dari 0 ppm sampai dengan 2000 ppm. Tegangan referensi yang akan digunakan sebesar 4V. Jadi jika input ADC bernilai 4V maka maka akan setara dengan nilai 2000 ppm. Sehingga kenaikan TDS/PPM per 1 bitnya adalah sebesar :

 

Step_TDS = range / total bit = 2000 / 1024 = 1,953125

 

Misal, ketika tegangan Vin = 2V, maka untuk mengkonversinya ke PPM :

PPM = Step_TDS * Konversi_ADC

= 1,953125 * [(Vin/Vref) * 1024]

= 1,953125 * [(2/4) * 1024]

= 1,953125 * 512

= 1000

 

Walaupun pada microcontroller ATMega8535 ini sudah terdapat 8 channel ADC, namun pada rangkaian ini hanya akan digunakan 1 channel saja, yaitu PA0 (pin 40).

 

Pin 32 (AREF) terhubung dengan sebuah variable resistor R22 untuk meng-adjust tegangan Vref. Tegangan pada R22 ini harus dipastikan mencapai angka 4 Volt tepat agar pembacaan lebih akurat.