Dispenser Otomatis
MODUL 4
Dispenser Otomatis
1. Pendahuluan[Kembali]
Teknologi otomatisasi semakin penting untuk menunjang kenyamanan dan efisiensi dalam kehidupan sehari-hari. Salah satu penerapan yang sangat berguna adalah pada dispenser air otomatis. Dispenser konvensional yang dioperasikan secara manual kerap tidak higienis karena harus menyentuh tuas, serta tidak memberikan indikasi saat air di galon hampir habis, sehingga pengguna bisa tiba-tiba kehabisan air.
Untuk menjawab kebutuhan tersebut, dirancang sistem dispenser otomatis berbasis dua sensor yaitu sensor infrared digital dan sensor water level analog. Sensor infrared digital berfungsi mendeteksi keberadaan gelas di bawah keran. Saat gelas terdeteksi, sensor digital ini menghasilkan sinyal logika tinggi yang langsung memicu kontrol keluaran pompa atau katup solenoid untuk mengeluarkan air tanpa kontak langsung. Logika sensor infrared ini bekerja secara cepat dan stabil untuk mendeteksi objek.
Sementara itu, sensor water level menggunakan rangkaian analog yang memonitor ketinggian air dalam galon. Sensor ini memberikan output tegangan analog yang merepresentasikan level air. Tegangan ini kemudian diproses oleh komparator LM393 atau op-amp TL082 sebagai rangkaian pembanding untuk menentukan apakah level air telah berada di bawah ambang batas minimal yang ditentukan. Ketika level air rendah, keluaran komparator akan mengaktifkan LED dan buzzer sebagai alarm peringatan bahwa stok air sudah menipis dan perlu segera diisi ulang.
Output dari sensor infrared yang bersifat digital langsung mengendalikan transistor atau driver untuk mengaktifkan pompa air, sedangkan output dari sensor water level analog melalui rangkaian pembanding memberikan sinyal peringatan visual dan suara. Kombinasi ini membuat sistem mudah dioperasikan dan hemat biaya tanpa harus memakai mikrokontroler.
Pendekatan dua sensor dengan tipe sinyal berbeda, digital untuk keberadaan gelas dan analog untuk level air memungkinkan sistem bekerja efisien dan responsif. Pemakaian komparator LM393 dan op-amp TL082 juga mempermudah proses pengolahan sinyal analog, serta menambah kestabilan dan akurasi sistem.
Dengan desain sistem ini, dispenser otomatis menjadi lebih higienis, praktis, dan informatif. Pengguna dapat mengambil air tanpa kontak langsung dan selalu mendapat peringatan dini jika air hampir habis. Sistem ini juga menjadi media pembelajaran yang efektif untuk memahami integrasi sensor digital dan analog dalam aplikasi otomatisasi sederhana.
2. Tujuan[Kembali]
Merancang sistem dispenser otomatis yang dapat mengeluarkan air secara mandiri dengan deteksi keberadaan gelas menggunakan sensor infrared digital.
Mengembangkan rangkaian pengendali berbasis komparator LM393 atau op-amp TL082, transistor, dan relay untuk mengatur kerja pompa air serta indikator LED dan buzzer peringatan level air rendah secara otomatis sesuai sinyal sensor.
Menghasilkan sistem dispenser otomatis yang higienis, efisien, dan informatif, sehingga mampu meningkatkan kenyamanan pengguna sekaligus menghemat konsumsi air dan menjaga keamanan perangkat dari kerusakan akibat kehabisan air.
3. Alat dan Bahan [Kembali]
A. Alat
1. Solder
2. Adaptor 12V
3. Tang
4. Obeng
5. Tespen
6. Tenol
7. Mini Drill 12V
B. Bahan
7. Operational Amplifier TL082
8. Relay 5V
9. Galon 19L
10. Resistor
11. Comparator LM393
12. PCB Prototype
13. Terminal PCB
14. Baut & Mur
15. Selang Putih
16. Konektor
17. Buzzer
18. Kabel Jumper
19. Potensiometer
20. Pompa 12V
21. Kardus
22. Lakban Hitam
23. Double Tape
4. Dasar Teori [Kembali]
A. Sensor IR Digital dengan Konfigurasi Op-Amp Buffer (Voltage Follower)
1. Prinsip Kerja Sensor Infrared
Sensor infrared (IR) pada dispenser otomatis bekerja dengan prinsip pendeteksian keberadaan gelas menggunakan cahaya inframerah serta penguat penyangga (voltage buffer) untuk menstabilkan sinyal keluarannya. Sensor ini umumnya memakai modul pemancar–penerima bertipe pemantulan (reflective sensor), yang terdiri dari dua bagian utama:
- Pemancar (IR LED) yang memancarkan cahaya inframerah secara terus-menerus ke area tempat gelas diletakkan.
- Penerima (fotodioda atau fototransistor) yang mendeteksi kembali pantulan cahaya inframerah dari permukaan gelas.
Sebaliknya, ketika gelas diletakkan di depan sensor, cahaya inframerah akan dipantulkan ke arah fotodioda/fototransistor. Pantulan ini menyebabkan arus pada penerima meningkat, sehingga tegangan keluarannya berubah ke kondisi lain (misalnya HIGH), menandakan bahwa gelas terdeteksi.
Pada rangkaian ini, output dari sensor IR sering dilewatkan ke voltage buffer (misalnya menggunakan op-amp konfigurasi follower atau transistor penguat). Fungsi voltage buffer adalah:
- menstabilkan tegangan sinyal sensor,
- mencegah beban berikutnya menarik arus dari sensor secara langsung,
- memastikan output tetap bersih dan tidak terpengaruh noise.
Singkatnya:
Tidak ada gelas → pantulan IR sangat kecil → output sensor LOW → pompa mati.
Ada gelas → pantulan IR besar → output sensor HIGH → buffer menguatkan → pompa menyala, air keluar otomatis.
2. Fungsi Op-Amp sebagai Buffer / Voltage Follower
Pada rangkaian dispenser otomatis yang menggunakan sensor infrared (IR), sinyal keluaran sensor umumnya memiliki arus yang sangat kecil dan mudah mengalami penurunan tegangan ketika harus menggerakkan beban berikutnya, seperti driver relay, transistor, atau input mikrokontroler. Untuk mengatasi hal ini, digunakan operational amplifier (Op-Amp) dalam konfigurasi voltage follower, yang juga dikenal sebagai buffer amplifier.
Dalam konfigurasi voltage follower, output Op-Amp dihubungkan langsung ke input inverting (–), sedangkan sinyal dari sensor IR masuk ke input non-inverting (+). Dengan rangkaian ini, Op-Amp bekerja sedemikian rupa sehingga tegangan keluaran selalu sama dengan tegangan masukannya, tetapi dengan kemampuan arus (current drive) yang jauh lebih besar.
Pada prototype dengan tegangan suplai 12 V, Op-Amp bekerja di dalam batas tegangan tersebut sehingga dapat menghasilkan output yang stabil dan sesuai dengan level logika yang dibutuhkan oleh rangkaian berikutnya.
Fungsi utama Op-Amp sebagai buffer pada sistem dispenser ini adalah:
- Menjaga tegangan sinyal sensor tetap stabil
Output sensor IR tidak dibebani secara langsung oleh rangkaian kontrol, sehingga tegangan deteksi (HIGH/LOW) tetap akurat meskipun terdapat perubahan beban pada output. - Meningkatkan kemampuan arus untuk menggerakkan beban berikutnya
Sensor IR biasanya hanya mampu memberikan arus yang sangat kecil. Dengan buffer, output menjadi kuat dan mampu mengendalikan tahap berikutnya, seperti transistor driver relay atau solenoid valve. - Mencegah gangguan balik (back-feeding)
Tanpa buffer, rangkaian beban seperti coil relay dapat menghasilkan noise yang kembali ke sensor dan menyebabkan deteksi salah. Op-Amp memisahkan (isolasi impedansi) sensor dari beban tersebut. - Memperhalus sinyal IR yang fluktuatif
Output sensor sering berubah-ubah karena pantulan cahaya. Op-Amp dalam konfigurasi follower membantu menghasilkan tegangan output yang lebih “bersih” dan tidak mudah drop, terutama ketika mendeteksi gelas secara konsisten.
Secara keseluruhan, penggunaan Op-Amp sebagai voltage follower memastikan bahwa sinyal “ada gelas” → HIGH tetap kuat, stabil, dan aman untuk mengaktifkan driver pompa atau solenoid yang bekerja pada 12 V.
- Gelas diletakkan di bawah keran → sensor IR memantulkan cahaya → output sensor menjadi HIGH.
- Sinyal HIGH masuk ke Op-Amp yang berfungsi sebagai buffer → sinyal diperkuat dan distabilkan (tetap HIGH dan tidak drop).
- Output buffer kemudian diteruskan ke transistor driver → transistor aktif → mengaktifkan relay atau solenoid valve.
- Relay/solenoid valve membuka jalur air → pompa atau katup bekerja → air mulai mengalir ke dalam gelas.
- Jika gelas diambil atau tidak ada objek → pantulan IR hilang → sensor kembali LOW → sinyal buffer LOW.
- Transistor menjadi nonaktif → relay/solenoid valve mati → aliran air berhenti secara otomatis.
B. Water Sensor Analog dengan Konfigurasi Op-Amp Non-Inverting
Sensor water analog bekerja berdasarkan perubahan resistansi ketika air menyentuh probe logam yang terdapat pada sensor. Semakin tinggi permukaan air, semakin banyak bagian probe yang terendam, sehingga resistansinya menurun dan menghasilkan tegangan output analog yang lebih besar.
Pada sistem dispenser galon:
- Ketika air masih tinggi, banyak probe yang terendam → resistansi kecil → tegangan keluaran sensor tinggi (HIGH analog).
- Ketika air menipis, hanya sedikit probe yang terendam → resistansi besar → tegangan keluaran sensor turun (LOW analog).
Nilai tegangan inilah yang menjadi indikator seberapa banyak air galon yang tersisa. Output analog sensor kemudian masuk ke rangkaian komparator (LM393) untuk diproses menjadi sinyal digital HIGH/LOW.
LM393 digunakan sebagai komparator untuk membandingkan tegangan dari sensor water dengan tegangan referensi yang diatur menggunakan potensiometer.
Pada konfigurasi non-inverting:
- Input non-inverting (+) = tegangan dari sensor water
- Input inverting (–) = tegangan referensi dari potensiometer
- Output LM393 akan HIGH atau LOW sesuai mana yang lebih besar.
Cara kerjanya:
- Jika tegangan sensor lebih besar daripada tegangan referensi (air masih cukup tinggi):
→ Output LM393 LOW (tidak memicu buzzer/LED) - Jika tegangan sensor lebih kecil dari tegangan referensi (air mulai menipis):
→ Output LM393 HIGH
→ Menandakan level air rendah.
Kelebihan penggunaan LM393:
- Membuat sinyal sensor menjadi digital (0 atau 1), sehingga lebih mudah menggerakkan buzzer, LED, atau driver pompa.
- Potensiometer berfungsi untuk mengatur ambang batas level air (threshold).
- LM393 memiliki output open-collector sehingga aman dihubungkan ke rangkaian 5V dari DC-DC converter.
Dalam sistemmu:
- Adaptor 12V digunakan untuk pompa,
- Tegangan diturunkan menjadi 5V untuk LM393, buzzer, LED, dan water sensor.
- Air masih banyak → probe sensor terendam → tegangan sensor tinggi.
- Tegangan sensor masuk ke LM393 (non-inverting) → dibandingkan dengan tegangan referensi potensiometer.
- Jika tegangan sensor lebih tinggi dari threshold → output LM393 LOW → buzzer mati, LED merah mati.
- Air mulai habis → probe makin tidak terendam → tegangan sensor turun.
- Ketika tegangan sensor turun melewati nilai referensi → LM393 output HIGH.
- Output HIGH → mengaktifkan buzzer + LED merah → menandakan air galon sudah pada ambang batas bawah.
- Jika digunakan pompa 12V, sistem dapat dihentikan otomatis (opsional) agar pompa tidak bekerja tanpa air.
C. Transistor D882
Transistor adalah sebuah komponen di dalam elektronika yang diciptakan dari bahan-bahan semikonduktor dan memiliki tiga buah kaki. Masing-masing kaki disebut sebagai basis, kolektor, dan emitor.
- Emitor (E) memiliki fungsi untuk menghasilkan elektron atau muatan negatif.
- Kolektor (C) berperan sebagai saluran bagi muatan negatif untuk keluar dari dalam transistor.
- Basis (B) berguna untuk mengatur arah gerak muatan negatif yang keluar dari transistor melalui kolektor.
Transistor Bipolar terdiri dari dua jenis yaitu Transistor NPN dan Transistor PNP.
- Transistor NPN adalah transistor bipolar yang menggunakan arus listrik kecil dan tegangan positif pada terminal Basis untuk mengendalikan aliran arus dan tegangan yang lebih besar dari Kolektor ke Emitor.
- Transistor PNP adalah transistor bipolar yang menggunakan arus listrik kecil dan tegangan negatif pada terminal Basis untuk mengendalikan aliran arus dan tegangan yang lebih besar dari Emitor ke Kolektor.
Rumus:
Konfigurasi transistor bipolar :
Cara mengukur transistor bipolar
- Karakteristik input:
Transistor adalah komponen aktif yang menggunakan aliran electron sebagai prinsip kerjanya didalam bahan. Sebuah transistor memiliki tiga daerah doped yaitu daerah emitter, daerah basis dan daerah disebut kolektor. Transistor ada dua jenis yaitu NPN dan PNP. Transistor memiliki dua sambungan: satu antara emitter dan basis, dan yang lain antara kolektor dan basis. Karena itu, sebuah transistor seperti dua buah dioda yang saling bertolak belakang yaitu dioda emitter-basis, atau disingkat dengan emitter dioda dan dioda kolektor-basis, atau disingkat dengan dioda kolektor.
Bagian emitter-basis dari transistor merupakan dioda, maka apabila dioda emitter-basis dibias maju maka kita mengharapkan akan melihat grafik arus terhadap tegangan dioda biasa. Saat tegangan dioda emitter-basis lebih kecil dari potensial barriernya, maka arus basis (Ib) akan kecil. Ketika tegangan dioda melebihi potensial barriernya, arus basis (Ib) akan naik secara cepat.
- Karakteristik output:
Sebuah transistor memiliki empat daerah operasi yang berbeda yaitu daerah aktif, daerah saturasi, daerah cutoff, dan daerah breakdown. Jika transistor digunakan sebagai penguat, transistor bekerja pada daerah aktif. Jika transistor digunakan pada rangkaian digital, transistor biasanya beroperasi pada daerah saturasi dan cutoff. Daerah breakdown biasanya dihindari karena resiko transistor menjadi hancur terlalu besar.
Gelombang I/O Transistor
D. Relay
Relay adalah saklar listrik yang dikendalikan secara elektronik. Di dalam relay terdapat kumparan elektromagnet yang akan menarik atau melepas kontak mekanik ketika dialiri arus listrik. Kontak inilah yang digunakan untuk menghubungkan atau memutus arus tegangan tinggi/muatan besar (misalnya pompa 12V), sementara rangkaian kontrol hanya menggunakan arus kecil (misalnya sinyal dari Op-Amp atau LM393). Relay berfungsi sebagai penghubung antara rangkaian logika (5V) dengan beban yang lebih besar (pompa 12V).
Relay pada dispenser (umumnya relay 5V atau 12V) memiliki beberapa bagian penting:
a. Coil / Kumparan
- Bagian yang menghasilkan gaya magnet ketika diberi arus.
- Ketika coil aktif, kontak mekanik di dalam relay berpindah posisi.
b. Kontak Mekanik
Terdiri dari:
- COM (Common) → titik pusat penghubung.
- NO (Normally Open) → posisi awal terbuka, baru terhubung ketika coil aktif.
- NC (Normally Closed) → posisi awal tertutup, akan terbuka ketika coil aktif.
Untuk dispenser otomatis, biasanya menggunakan jalur COM–NO untuk menyalakan pompa ketika sensor mendeteksi gelas.
c. Armature
- Logam bergerak yang tertarik oleh magnet ketika coil dialiri arus.
- Fungsinya memindahkan kontak dari NO ke COM.
d. Spring (Pegas)
- Mengembalikan armature ke posisi awal saat coil tidak aktif.
e. Flyback Diode (pada modul relay)
- Melindungi rangkaian kontrol dari lonjakan tegangan induksi ketika coil dimatikan.
f. Driver Transistor (pada modul relay)
- Memperkuat arus, karena sinyal dari sensor/Op-Amp tidak cukup untuk menggerakkan coil langsung.
Pada dispenser otomatis, relay dipakai untuk mengaktifkan pompa air 12V ketika sensor IR mendeteksi gelas. Berikut alur lengkapnya:
Ketika Gelas Terdeteksi (Sensor IR → HIGH)
- Sensor IR memantulkan cahaya → output HIGH.
- Sinyal HIGH masuk ke Op-Amp buffer → sinyal stabil dan kuat.
- Output buffer → masuk ke transistor driver / modul relay.
- Transistor mengalirkan arus ke coil relay → coil aktif.
- Medan magnet menarik armature → kontak NO dan COM terhubung.
- Tegangan 12V mengalir ke pompa.
- Pompa menyala → air keluar otomatis ke gelas.
- Sensor IR LOW → buffer LOW.
- Transistor driver mati → coil relay tidak aktif.
- Armature kembali ke posisi awal oleh pegas.
- Kontak NO kembali terbuka.
- Aliran 12V ke pompa terputus.
- Pompa mati → air berhenti mengalir.
Komentar
Posting Komentar