PRATIKUM UC&UP
MODUL 4
SISTEM DETEKSI KEBAKARAN DAN KEBOCORAN GAS LPG DI DAPUR MBG PAUH
Program Makan Bergizi Gratis (MBG) merupakan program pemerintah yang bertujuan untuk meningkatkan gizi masyarakat, khususnya anak sekolah, melalui penyediaan makanan secara rutin dan dalam skala besar. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, dapur-dapur MBG, termasuk yang berada di Kecamatan Pauh, dituntut untuk beroperasi setiap hari dengan intensitas tinggi, mulai dari proses memasak dalam jumlah besar hingga penggunaan peralatan dapur seperti kompor gas, tungku, dan peralatan listrik secara terus-menerus.
Tingginya intensitas penggunaan peralatan tersebut menimbulkan risiko bahaya yang cukup signifikan, terutama risiko kebakaran dan kebocoran gas LPG. Penggunaan kompor gas dalam jumlah banyak dengan waktu pengoperasian yang lama dapat meningkatkan potensi kebocoran pada sambungan regulator atau selang gas. Selain itu, ruang dapur yang padat aktivitas sering membuat petugas kurang menyadari adanya kebocoran gas atau awal mula kebakaran karena fokus pada pekerjaan memasak. Di sisi lain, minimnya sistem peringatan dini (early warning system) pada dapur skala menengah seperti dapur MBG menyebabkan deteksi bahaya masih mengandalkan kewaspadaan manual petugas, yang tentunya memiliki keterbatasan.
Apabila terjadi insiden kebakaran atau kebocoran gas, dampak yang ditimbulkan dapat sangat besar, baik berupa kerugian materi seperti peralatan dapur, bahan baku, dan bangunan, terganggunya distribusi makanan bergizi kepada penerima manfaat, maupun risiko cedera hingga korban jiwa bagi petugas dapur. Mengingat dapur MBG melibatkan banyak orang dan beroperasi secara rutin dalam jangka panjang, maka diperlukan sebuah sistem yang mampu mendeteksi secara dini adanya potensi kebakaran melalui sensor asap atau api, serta kebocoran gas melalui sensor gas, dan memberikan peringatan secepat mungkin kepada petugas. Dengan adanya sistem deteksi ini, potensi bahaya dapat diketahui sejak awal sebelum berkembang menjadi insiden yang lebih besar, sehingga keselamatan petugas, kelangsungan operasional dapur, dan keberlanjutan program MBG di Kecamatan Pauh dapat lebih terjamin.
Berdasarkan latar belakang tersebut, penulis tertarik untuk merancang dan mengimplementasikan Sistem Deteksi Kebakaran dan Kebocoran Gas di Dapur MBG pada daerah Kecamatan Pauh sebagai upaya preventif dalam meningkatkan keselamatan kerja dan mendukung kelancaran operasional dapur penyedia Makan Bergizi Gratis.
1. Mendeteksi kenaikan suhu abnormal di area dapur sebagai indikasi awal potensi kebakaran dengan menggunakan sensor suhu NTC, sehingga perubahan temperatur dapat dipantau secara kontinu.
2. Mendeteksi kebocoran gas LPG dan gas mudah terbakar di udara menggunakan sensor gas MQ-2 untuk mengetahui adanya konsentrasi gas berbahaya sebelum terjadi ledakan atau kebakaran.
3. Mengidentifikasi keberadaan nyala api secara langsung di area dapur menggunakan flame sensor sebagai pendeteksi utama terjadinya kebakaran.
4. Menggabungkan data dari sensor NTC, MQ-2, dan flame sensor untuk menentukan kondisi dapur secara aman, waspada, atau berbahaya berdasarkan logika kendali sistem.
5. Memberikan peringatan suara secara otomatis menggunakan buzzer ketika sistem mendeteksi kebocoran gas, suhu berlebih, atau adanya api.
6. Menampilkan informasi status sensor dan kondisi dapur secara real-time pada LCD 16x2, sehingga pengguna dapat mengetahui keadaan sistem dengan mudah.
7. Menguji dan memvalidasi kinerja sensor serta logika kendali sistem melalui simulasi menggunakan Proteus sebelum diterapkan pada perangkat keras sebenarnya.
3. 1 Alat
3.1.1 Multimeter
Multimeter adalah alat ukur elektronik yang digunakan untuk mengukur berbagai parameter listrik, seperti tegangan, arus, dan resistansi. Alat ini sangat umum digunakan dalam bidang kelistrikan dan elektronika untuk keperluan pengujian, perawatan, dan analisis rangkaian. Multimeter tersedia dalam dua bentuk utama, yaitu multimeter analog dan multimeter digital, yang masing-masing memiliki karakteristik dan keunggulan tersendiri.
Fungsi utama multimeter adalah untuk mengukur tegangan listrik, baik tegangan searah (DC) maupun tegangan bolak-balik (AC). Rentang pengukuran tegangan yang dimiliki multimeter umumnya dimulai dari satuan milivolt hingga ratusan volt. Selain itu, multimeter juga digunakan untuk mengukur arus listrik yang mengalir dalam suatu rangkaian, baik arus DC maupun AC, dengan rentang pengukuran mulai dari mikroampere hingga ampere. Pada pengukuran arus, multimeter harus dihubungkan secara seri dengan rangkaian agar arus dapat mengalir melalui alat ukur tersebut. Multimeter juga berfungsi untuk mengukur resistansi atau hambatan suatu komponen atau rangkaian listrik dengan satuan ohm, yang rentang nilainya dapat mencapai megaohm.
Selain fungsi dasar tersebut, beberapa multimeter modern dilengkapi dengan fitur pengukuran tambahan, seperti pengukuran kapasitansi, frekuensi, dan suhu, serta fasilitas untuk melakukan uji dioda dan uji kontinuitas. Fitur-fitur ini menjadikan multimeter sebagai alat ukur yang multifungsi dan sangat membantu dalam proses analisis serta perbaikan rangkaian elektronika.
Berdasarkan jenisnya, multimeter analog menggunakan jarum penunjuk yang bergerak pada skala untuk menunjukkan hasil pengukuran. Keunggulan multimeter analog terletak pada kemampuannya dalam menampilkan perubahan sinyal secara cepat dan tidak memerlukan sumber daya baterai saat mengukur tegangan dan arus. Namun, tingkat akurasi multimeter analog relatif lebih rendah dan pembacaan hasilnya kurang praktis dibandingkan dengan multimeter digital. Sebaliknya, multimeter digital menampilkan hasil pengukuran dalam bentuk angka pada layar LCD, sehingga lebih mudah dibaca dan memiliki tingkat akurasi yang lebih tinggi. Multimeter digital umumnya membutuhkan baterai untuk semua jenis pengukuran, namun menawarkan kemudahan penggunaan serta fitur tambahan seperti auto-ranging, yang secara otomatis memilih rentang pengukuran yang sesuai sehingga mengurangi risiko kesalahan dan kerusakan alat.
Dalam penggunaannya, multimeter diawali dengan pemasangan kabel probe, di mana probe hitam dihubungkan ke terminal COM dan probe merah ke terminal sesuai jenis pengukuran yang dilakukan. Untuk mengukur tegangan, multimeter disambungkan secara paralel dengan rangkaian atau sumber tegangan, sedangkan untuk mengukur arus, multimeter harus disambungkan secara seri dengan rangkaian. Pada pengukuran resistansi, rangkaian harus dalam kondisi tidak terhubung dengan sumber listrik agar hasil pengukuran akurat dan aman. Dengan prosedur penggunaan yang benar, multimeter dapat menjadi alat ukur yang sangat andal dalam mendukung pekerjaan di bidang kelistrikan dan elektronika.
Gambar 2. Solder
Solder adalah alat yang digunakan untuk menggabungkan komponen elektronik atau logam dengan cara memanaskan dan melelehkan bahan solder sehingga mampu merekatkan bagian-bagian yang akan disambung. Dalam proses penyolderan, solder terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu besi solder, timah solder, dan flux. Besi solder atau soldering iron merupakan alat yang dipanaskan menggunakan energi listrik dan berfungsi untuk melelehkan timah solder. Ujung besi solder, yang dikenal sebagai mata solder, terbuat dari logam tahan panas dan dirancang agar mampu menghantarkan panas secara efisien ke area penyolderan.
Timah solder adalah paduan logam yang digunakan sebagai bahan pengikat dalam proses penyolderan. Secara tradisional, timah solder terbuat dari campuran timah dan timbal, namun seiring meningkatnya kesadaran terhadap kesehatan dan lingkungan, kini banyak digunakan timah solder bebas timbal yang lebih ramah lingkungan. Timah solder umumnya memiliki inti flux di dalamnya. Flux merupakan zat kimia yang berfungsi untuk membersihkan lapisan oksida pada permukaan logam yang akan disolder, sehingga proses pelekatan menjadi lebih baik dan menghasilkan sambungan yang kuat serta tahan lama.
Proses penyolderan diawali dengan memanaskan besi solder hingga mencapai suhu yang cukup untuk melelehkan timah solder. Setelah suhu tercapai, ujung mata solder ditempelkan pada titik sambungan komponen, kemudian timah solder diberikan hingga meleleh dan mengalir menutupi serta mengikat kedua permukaan yang disambung. Penting untuk memastikan bahwa komponen dan jalur logam yang disolder mendapatkan panas yang cukup agar sambungan yang dihasilkan kuat dan tidak terjadi cold joint, yaitu sambungan yang kurang sempurna dan dapat menyebabkan gangguan atau kegagalan pada rangkaian listrik.
3.1.3 Adaptor
Gambar 3. Baterai
Adaptor adalah perangkat elektronik yang berfungsi untuk mengubah tegangan listrik AC (arus bolak-balik) dari sumber listrik utama menjadi tegangan DC (arus searah) dengan nilai yang lebih rendah dan sesuai dengan kebutuhan perangkat elektronik. Di dalam adaptor terdapat beberapa komponen utama, seperti transformator yang berfungsi menurunkan tegangan, rangkaian penyearah untuk mengubah tegangan AC menjadi DC, serta kapasitor dan regulator yang berperan dalam menghaluskan dan menstabilkan tegangan keluaran. Ketika adaptor dihubungkan ke stop kontak dan disambungkan ke perangkat, adaptor akan menyuplai daya listrik yang aman dan stabil sehingga perangkat dapat beroperasi atau melakukan proses pengisian daya dengan baik.
Adaptor banyak digunakan pada berbagai perangkat elektronik yang memerlukan daya rendah hingga menengah, seperti rangkaian mikrokontroler, peralatan rumah tangga elektronik, dan perangkat komunikasi. Meskipun memiliki fungsi dasar yang sama, adaptor tersedia dalam berbagai ukuran, bentuk, serta jenis konektor keluaran yang disesuaikan dengan kebutuhan masing-masing perangkat. Keberadaan adaptor sangat penting karena berfungsi melindungi perangkat elektronik dari kerusakan yang dapat disebabkan oleh tegangan yang tidak sesuai atau tidak stabil, sekaligus memastikan kinerja perangkat tetap optimal.
Adaptor yang digunakan dalam sistem ini memiliki spesifikasi tegangan masukan AC 100–240 V dengan frekuensi 50/60 Hz, serta tegangan keluaran DC sebesar 9 V dengan arus maksimum 2 A, sehingga mampu menyediakan daya yang cukup dan stabil untuk mendukung kerja rangkaian elektronik yang digunakan.
3.1.4 Bread Board
Gambar 4. Breadboard
Breadboard adalah perangkat yang digunakan untuk merancang dan merakit rangkaian elektronik sementara atau prototipe tanpa memerlukan proses penyolderan. Alat ini berupa papan berlubang yang di dalamnya terdapat jalur koneksi listrik tersembunyi, sehingga memungkinkan komponen elektronik seperti resistor, kapasitor, transistor, dan IC dipasang serta dihubungkan dengan mudah. Secara umum, breadboard terdiri dari dua bagian utama, yaitu bagian tengah yang berfungsi sebagai tempat pemasangan komponen, serta bagian samping yang biasanya digunakan sebagai jalur distribusi catu daya positif dan negatif.
Penggunaan breadboard sangat membantu pada tahap pengembangan dan pengujian rangkaian karena pengguna dapat dengan cepat melakukan perubahan, perbaikan, atau penyesuaian desain rangkaian tanpa harus merusak komponen. Hal ini menjadikan breadboard sebagai alat yang praktis dan efisien untuk eksperimen serta pembelajaran elektronika. Breadboard tersedia dalam berbagai ukuran, sehingga memberikan fleksibilitas bagi pengguna dalam membuat prototipe rangkaian elektronik untuk berbagai jenis dan skala proyek.
3.1.5 Jumper
Gambar 5. Kabel Jumper
Kabel jumper adalah kabel berukuran kecil yang digunakan untuk menghubungkan berbagai komponen elektronik pada papan sirkuit atau breadboard. Kabel ini umumnya memiliki konektor di kedua ujungnya, baik berupa konektor male (jantan) maupun female (betina). Kabel jumper berperan penting dalam proses perancangan, perakitan, dan pengujian rangkaian elektronik karena memungkinkan pembuatan koneksi sementara tanpa harus melakukan penyolderan, sehingga rangkaian dapat dengan mudah dimodifikasi atau diperbaiki.
Berdasarkan jenis konektornya, kabel jumper terbagi menjadi beberapa jenis. Kabel jumper male-to-male (M–M) memiliki konektor male di kedua ujungnya dan biasanya digunakan untuk menghubungkan dua titik pada breadboard atau menghubungkan breadboard dengan pin header pada mikrokontroler atau modul. Kabel jumper male-to-female (M–F) memiliki satu ujung male dan satu ujung female, yang umumnya digunakan untuk menghubungkan pin header pada mikrokontroler atau modul dengan perangkat lain yang memiliki konektor male. Sementara itu, kabel jumper female-to-female (F–F) memiliki konektor female di kedua ujungnya dan sering digunakan untuk menghubungkan dua perangkat yang sama-sama memiliki konektor male, seperti menghubungkan modul sensor dengan mikrokontroler. Dengan berbagai jenis tersebut, kabel jumper memberikan fleksibilitas tinggi dalam perakitan dan pengujian rangkaian elektronik.
3.1.6 ST-LINK
ST-LINK STM32 adalah perangkat programmer dan debugger yang digunakan untuk melakukan pemrograman serta proses debugging pada mikrokontroler STM32. Alat ini berfungsi sebagai penghubung antara komputer dan papan pengembangan STM32, sehingga pengguna dapat mengunggah (upload) program ke dalam mikrokontroler serta memantau dan menganalisis kinerja program secara langsung. ST-LINK bekerja melalui antarmuka komunikasi seperti SWD (Serial Wire Debug) atau JTAG, yang memungkinkan akses ke memori dan register internal mikrokontroler.
ST-LINK biasanya digunakan bersama perangkat lunak pengembangan seperti STM32CubeIDE atau software pemrograman lainnya yang mendukung mikrokontroler STM32. Melalui ST-LINK, pengguna dapat melakukan berbagai proses penting, seperti mengunduh program ke dalam flash memory, menjalankan dan menghentikan program, melakukan step-by-step debugging, serta memantau variabel dan kondisi sistem secara real-time. Selain itu, ST-LINK juga dapat digunakan untuk memperbarui firmware atau melakukan penghapusan (erase) memori mikrokontroler.
Keberadaan ST-LINK sangat penting dalam pengembangan sistem berbasis STM32 karena memberikan kemudahan dan keandalan dalam proses pemrograman dan pengujian. Dengan menggunakan ST-LINK, kesalahan pada program dapat dideteksi dan diperbaiki dengan lebih cepat, sehingga mempercepat proses pengembangan dan meningkatkan keakuratan serta kestabilan sistem yang dirancang.
3.1.7 DC Jack
DC Jack adalah komponen konektor listrik yang digunakan sebagai titik masuk catu daya arus searah (DC) ke dalam suatu rangkaian atau perangkat elektronik. Komponen ini berfungsi sebagai penghubung antara adaptor atau sumber daya eksternal dengan rangkaian internal, sehingga tegangan DC dapat disalurkan secara aman dan stabil. DC Jack umumnya dipasang pada papan rangkaian cetak (PCB) dan dirancang agar mudah digunakan serta mampu menahan koneksi listrik dengan baik.
DC Jack biasanya memiliki beberapa terminal, seperti terminal positif, negatif (ground), dan pada beberapa tipe dilengkapi dengan terminal tambahan untuk fungsi pemutus otomatis ketika adaptor tidak terhubung. Bentuk dan ukuran DC Jack dapat bervariasi, tergantung pada jenis konektor adaptor yang digunakan. Penggunaan DC Jack sangat penting dalam sistem elektronik karena membantu menjaga keandalan suplai daya, meminimalkan risiko sambungan longgar, serta melindungi rangkaian dari kesalahan pemasangan sumber daya.
3.2 Komponen
Keluarga mikrokontroler STM32F103xx merupakan bagian dari kategori performance line dengan kepadatan menengah yang menggunakan inti Arm® Cortex®-M3 32-bit RISC berkinerja tinggi dan beroperasi pada frekuensi hingga 72 MHz. Mikrokontroler ini dilengkapi dengan memori tertanam berkecepatan tinggi, yaitu Flash memory hingga 128 KB dan SRAM hingga 20 KB, serta berbagai peripheral dan antarmuka I/O yang terhubung melalui dua bus APB (Advanced Peripheral Bus). Selain itu, perangkat ini memiliki dua modul ADC 12-bit, tiga timer umum 16-bit serta satu timer PWM, dan berbagai antarmuka komunikasi seperti I2C, SPI, USART, USB, dan CAN yang mendukung kebutuhan sistem embedded yang kompleks.
Mikrokontroler STM32F103xx bekerja dengan rentang tegangan suplai 2,0 hingga 3,6 V dan tersedia dalam rentang suhu operasi –40 hingga +85 °C, serta versi dengan rentang suhu diperluas hingga –40 hingga +105 °C. Untuk mendukung efisiensi daya, mikrokontroler ini juga menyediakan berbagai mode hemat energi yang memungkinkan perancangan sistem dengan konsumsi daya rendah. Perangkat ini tersedia dalam beberapa pilihan kemasan mulai dari 36 pin hingga 100 pin, di mana setiap varian dapat memiliki konfigurasi peripheral yang berbeda sesuai kebutuhan aplikasi.
Dengan fitur-fitur tersebut, keluarga mikrokontroler STM32F103xx sangat cocok digunakan dalam berbagai bidang aplikasi, seperti penggerak motor (motor drive), sistem kontrol industri, peralatan medis dan perangkat portabel, perangkat periferal komputer dan game, sistem GPS, PLC (Programmable Logic Controller), inverter, printer, scanner, sistem alarm, video interkom, serta sistem HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning).
3.2.2 Flame Sensor
Sensor api adalah fototransistor NPN silicon berkecepatan tinggi dalam kemasan standar 5mm. Prinsip kerjanya memanfaatkan sensitivitas komponen terhadap radiasi inframerah lapisan epoksi hitam pada badan sensor menjadi filter alami yang hanya meloloskan cahaya inframerah (panjang gelombang puncak 940 nm, rentang 760–1100 nm).
Ketika api atau sumber cahaya inframerah terdeteksi, radiasi yang diterima menyebabkan arus kolektor meningkat secara proporsional. Semakin kuat irradiance yang diterima, semakin besar arus kolektor (Ic). Tegangan kerja maksimum kolektor-emiter (VCEO) adalah 30V dengan arus kolektor maksimum 20 mA, dan disipasi daya maksimum 75 mW pada suhu ruang 25°C. Sensor ini beroperasi pada rentang suhu −25°C hingga +85°C.
Spesifikasi
Waktu pemanasan awal (preheat) minimal 48 jam diperlukan agar sensor mencapai kestabilan. Sensor ini memiliki umur pakai hingga 10 tahun dalam kondisi normal.
Catatan penting: Sensor MQ-2 wajib dihindarkan dari paparan uap silikon organik, gas korosif tinggi (H₂S, SOₓ, Cl₂, HCl), garam alkali, halogen, dan air karena semua zat tersebut dapat menurunkan sensitivitas secara permanen atau irreversible.
Spesifikasi :
3.2.4. NTC Sensor
NTC (Negative Temperature Coefficient) adalah termistor semikonduktor yang resistansinya menurun secara eksponensial seiring kenaikan suhu. Sensor Danfoss NTC 100K memiliki resistansi nominal 100.000 Ω (100 kΩ) pada suhu 25°C dan konstanta B (0/100) sebesar 4.036 K.
Hubungan resistansi–suhu mengikuti persamaan Steinhart-Hart atau pendekatan β-equation:
R(T) = R₀ · e^(B · (1/T − 1/T₀))
di mana T adalah suhu dalam Kelvin dan R₀ adalah resistansi pada suhu referensi T₀ (25°C = 298,15 K). Sebagai contoh praktis: pada 0°C resistansinya 334.000 Ω, pada 50°C turun menjadi 35.270 Ω, dan pada 100°C menjadi hanya 6.369 Ω.
Sensor ini dikemas dalam tabung tembaga C105 berdiameter 8 mm, berperingkat IP68 (kedap air penuh), dengan rentang suhu operasi −40°C hingga +200°C. Toleransi akurasi pengukuran adalah ±1°C untuk suhu −40°C hingga 90°C, ±2,5°C hingga 150°C, dan ±3,5°C hingga 200°C.
Spesifikasi
.jpeg)
Sistem Deteksi Kebakaran dan Kebocoran Gas LPG di Dapur MBG Pauh dirancang sebagai solusi teknologi terapan untuk meningkatkan keselamatan pada area dapur yang memiliki risiko tinggi terhadap kebocoran gas dan kebakaran. Lingkungan dapur umumnya memiliki aktivitas penggunaan LPG yang intens, sehingga potensi terjadinya kebocoran gas, kenaikan suhu berlebih, maupun munculnya api dapat terjadi sewaktu-waktu. Kondisi ini menjadi lebih berbahaya apabila tidak terdeteksi secara dini, karena gas yang terakumulasi dalam ruangan dapat memicu kebakaran atau ledakan.
Melalui pendekatan early warning system, sistem ini mengintegrasikan beberapa sensor, yaitu sensor gas MQ-2 untuk mendeteksi kebocoran gas LPG, sensor suhu NTC untuk memantau perubahan suhu abnormal, serta flame sensor untuk mendeteksi keberadaan api secara langsung. Seluruh data dari sensor tersebut diolah menggunakan mikrokontroler STM32 Blue Pill sebagai pusat kendali utama untuk menentukan kondisi lingkungan secara real-time.
Ketika terdeteksi kondisi tidak normal, sistem akan memberikan peringatan secara otomatis melalui buzzer sebagai alarm suara, serta LED indikator sebagai penanda visual kondisi aman, waspada, atau bahaya. Selain itu, informasi hasil pembacaan sensor juga ditampilkan pada LCD 16x2 agar pengguna dapat memantau kondisi sistem dengan mudah dan cepat.
Dengan adanya sistem ini, diharapkan proses deteksi dini kebocoran gas dan kebakaran dapat dilakukan secara otomatis, sehingga mampu meningkatkan keselamatan pengguna di dapur MBG Pauh serta meminimalisir risiko kecelakaan akibat LPG.
4.1 STM32 Blue Pill STM32F103C8T6
Pusat pemrosesan data pada sistem ini mengandalkan STM32 Blue Pill berbasis IC STM32F103C8T6 yang berfungsi sebagai pengendali utama dalam mengolah seluruh input sensor serta mengatur output sistem. Mikrokontroler ini menerima data dari sensor gas MQ-2 untuk mendeteksi kebocoran LPG, sensor suhu NTC untuk memantau perubahan temperatur lingkungan, serta flame sensor untuk mendeteksi keberadaan api secara langsung di area dapur. Seluruh data tersebut kemudian diproses secara real-time untuk menentukan kondisi sistem apakah berada dalam keadaan aman, waspada, atau bahaya.
Hasil pemrosesan data oleh mikrokontroler digunakan untuk mengendalikan perangkat output berupa LED indikator sebagai penanda status sistem, buzzer sebagai alarm peringatan ketika terjadi kondisi berbahaya, serta LCD 16x2 yang menampilkan informasi kondisi sensor dan status sistem secara keseluruhan. Dengan demikian, sistem mampu memberikan respons otomatis terhadap perubahan kondisi lingkungan di dapur MBG Pauh.
Kemampuan pembacaan analog pada STM32F103C8T6 didukung oleh fitur ADC internal 12-bit, yang menghasilkan nilai digital dengan rentang 0 hingga 4095. Nilai ini merepresentasikan hasil konversi dari tegangan analog yang diterima oleh mikrokontroler, sehingga memungkinkan pembacaan data sensor secara lebih presisi dan stabil dalam proses pengolahan sistem deteksi kebakaran dan kebocoran gas LPG.
Sensor MQ-2 merupakan komponen semikonduktor oksida logam (Metal Oxide Semiconductor) yang digunakan untuk mendeteksi keberadaan gas mudah terbakar seperti LPG, propana, butana, metana, hidrogen, serta asap (smoke) di udara bebas. Prinsip kerja sensor ini memanfaatkan material sensitif berupa timah dioksida (SnO₂) yang memiliki konduktivitas rendah pada kondisi udara bersih. Di dalam sensor terdapat elemen pemanas (heater) yang berfungsi menjaga suhu permukaan material agar reaksi kimia dapat berlangsung secara optimal.
Ketika sensor MQ-2 terpapar oleh gas mudah terbakar seperti LPG, terjadi proses reaksi kimia yang menyebabkan peningkatan elektron bebas pada permukaan sensor. Hal ini mengakibatkan nilai resistansi internal sensor (Rs) menurun, dan perubahan resistansi tersebut kemudian dikonversi menjadi perubahan tegangan analog melalui rangkaian pembagi tegangan. Tegangan keluaran inilah yang kemudian dibaca oleh pin ADC pada mikrokontroler STM32 Blue Pill untuk dianalisis sebagai indikasi adanya kebocoran gas.
Karakteristik performa sensor MQ-2 dapat dianalisis melalui kurva sensitivitas yang disediakan oleh pabrikan dalam datasheet, biasanya ditampilkan dalam skala logaritmik. Grafik tersebut menunjukkan hubungan antara konsentrasi gas dalam satuan part per million (ppm) pada sumbu-X dan rasio resistansi (Rs/Ro) pada sumbu-Y, di mana Ro merupakan nilai resistansi sensor pada kondisi udara bersih. Dari kurva karakteristik tersebut terlihat bahwa sensor MQ-2 memiliki respons yang cukup tinggi terhadap gas LPG dibandingkan beberapa gas lain, sehingga menjadikannya cocok digunakan sebagai sensor pendeteksi kebocoran gas dalam sistem keamanan dapur berbasis mikrokontroler.
Waktu pemanasan awal (preheat) minimal 48 jam diperlukan agar sensor mencapai kestabilan. Sensor ini memiliki umur pakai hingga 10 tahun dalam kondisi normal.
Catatan penting: Sensor MQ-2 wajib dihindarkan dari paparan uap silikon organik, gas korosif tinggi (H₂S, SOₓ, Cl₂, HCl), garam alkali, halogen, dan air karena semua zat tersebut dapat menurunkan sensitivitas secara permanen atau irreversible.
Hubungan logaritmik terbalik antara konsentrasi gas dan resistansi sensor pada sensor MQ-2 berpengaruh langsung terhadap mekanisme deteksi yang diterapkan dalam program mikrokontroler. Semakin tinggi konsentrasi gas LPG di udara, maka nilai resistansi sensor (Rs) akan semakin menurun, sehingga rasio Rs/Ro juga ikut turun. Sebaliknya, ketika kondisi lingkungan berada pada keadaan normal atau udara bersih (fresh air), nilai Rs berada pada kondisi maksimum, sehingga rasio Rs/Ro berada pada nilai tertinggi dan menjadi acuan kondisi aman pada sistem.
Dalam sistem ini, hubungan matematis antara resistansi sensor (Rs), hambatan beban (RL), dan tegangan keluaran analog (Vout) dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:
Rs = ((Vcc − Vout) / Vout) × RL
Sedangkan tegangan keluaran analog (Vout) yang dibaca oleh ADC 12-bit STM32F103C8T6 dihitung berdasarkan nilai digital ADC dengan tegangan referensi 3,3 V, menggunakan persamaan:
Vout = (Nilai_ADC × 3,3) / 4095
Dalam perancangan sistem deteksi kebakaran dan kebocoran gas LPG di dapur MBG Pauh, pendekatan ini digunakan untuk menentukan nilai ambang (threshold) sebagai batas kondisi berbahaya. Ketika nilai pembacaan sensor MQ-2 meningkat hingga melewati batas yang telah ditentukan, sistem akan mengklasifikasikan kondisi sebagai indikasi kebocoran gas.
Sebagai contoh, ketika tegangan keluaran sensor mendekati atau melebihi batas kritis tertentu (misalnya setara dengan Nilai_ADC ≥ 2457 atau sekitar 2,0–3,0 V tergantung kalibrasi sistem), mikrokontroler STM32 secara otomatis mengidentifikasi adanya potensi kebocoran gas berbahaya. Kondisi ini kemudian memicu sistem untuk mengaktifkan buzzer sebagai alarm peringatan, LED indikator sebagai penanda status bahaya, serta menampilkan informasi peringatan pada LCD 16x2.
Dengan demikian, sistem mampu melakukan deteksi dan respon secara otomatis berdasarkan perubahan nilai analog dari sensor gas MQ-2 secara real-time.
Ketika nilai rasio Rs/Ro pada sensor MQ-2 mengalami penurunan hingga mencapai nilai tertentu, hal ini menunjukkan adanya peningkatan konsentrasi gas LPG di lingkungan. Berdasarkan karakteristik kurva sensitivitas pada datasheet MQ-2, kondisi tersebut dapat diinterpretasikan sebagai indikasi awal adanya kebocoran gas dengan konsentrasi pada kisaran tertentu sesuai hasil kalibrasi sistem.
Nilai pembacaan ini masih dapat dikategorikan sebagai tahap peringatan dini (early warning), di mana sistem belum memasuki kondisi kritis namun sudah menunjukkan adanya potensi bahaya. Berdasarkan standar keselamatan industri seperti OSHA (Occupational Safety and Health Administration), batas Lower Explosive Limit (LEL) untuk LPG (butana/propana) berada pada kisaran sekitar 1,8%–2% volume udara, yang setara kurang lebih 18.000–20.000 ppm tergantung jenis gasnya.
Pada sistem ini, alarm dirancang untuk aktif pada konsentrasi yang jauh lebih rendah dari batas LEL tersebut, yaitu pada kisaran 0,15%–0,2% volume udara, sehingga sistem bekerja sebagai early warning system yang memberikan peringatan lebih awal sebelum kondisi mencapai tingkat berbahaya.
Ketika kondisi tersebut terdeteksi oleh STM32 Blue Pill, sistem akan secara otomatis mengaktifkan buzzer sebagai alarm peringatan, menyalakan LED indikator sebagai penanda status bahaya, serta menampilkan informasi kondisi pada LCD 16x2. Selain itu, jika sistem dilengkapi aktuator tambahan seperti kipas exhaust, maka perangkat tersebut dapat diaktifkan untuk membantu mengurangi konsentrasi gas di udara dengan mengalirkan udara keluar dari area dapur, sehingga risiko akumulasi gas dan potensi ledakan dapat diminimalkan secara aktif.
Sensor flame merupakan komponen pendeteksi api yang bekerja berdasarkan prinsip deteksi radiasi cahaya inframerah (Infrared/IR) yang dipancarkan oleh nyala api, khususnya dari proses pembakaran gas hidrokarbon seperti LPG. Sensor ini menggunakan elemen utama berupa fotodioda atau fototransistor yang memiliki sensitivitas tinggi terhadap cahaya pada panjang gelombang sekitar 760 nm hingga 1100 nm (near-infrared) dengan sudut deteksi tertentu. Sinyal yang diterima oleh fotodioda kemudian diproses oleh rangkaian komparator (umumnya LM393) pada modul sensor, sehingga menghasilkan keluaran berupa sinyal digital HIGH atau LOW berdasarkan nilai ambang (threshold) yang dapat diatur melalui potensiometer (trimpot).
Dalam implementasi pada sistem ini, sensor flame dikonfigurasi sebagai input pada mikrokontroler STM32 Blue Pill, di mana logika pembacaan disesuaikan dengan karakteristik output sensor. Pada kondisi normal tanpa adanya api, sensor tidak menerima radiasi IR yang cukup sehingga keluaran modul berada pada kondisi HIGH (logika 1). Sebaliknya, ketika terdeteksi adanya api, intensitas radiasi inframerah meningkat sehingga output sensor berubah menjadi LOW (logika 0) yang kemudian dibaca oleh mikrokontroler sebagai sinyal aktif (active low).
Sinyal dari sensor flame tersebut kemudian diproses oleh STM32 bersama data dari sensor gas MQ-2 dan sensor suhu NTC untuk menentukan kondisi lingkungan di dapur MBG Pauh. Ketika kondisi api terdeteksi, sistem akan secara otomatis mengubah status menjadi kondisi bahaya dan mengaktifkan buzzer sebagai alarm peringatan, menyalakan LED indikator merah sebagai penanda kondisi darurat, serta menampilkan informasi peringatan pada LCD 16x2.
Untuk menjaga kestabilan pembacaan, pin input pada STM32 dikonfigurasi dengan mode pull-up internal (GPIO_PULLUP) sehingga mencegah kondisi floating yang dapat menyebabkan pembacaan tidak stabil. Sensor flame memiliki keunggulan berupa respon yang sangat cepat terhadap keberadaan api, sehingga cocok digunakan dalam sistem deteksi kebakaran real-time. Namun, sensor ini juga memiliki keterbatasan karena dapat mengalami gangguan pembacaan (false trigger) jika terpapar sumber inframerah lain seperti cahaya matahari langsung atau lampu pijar, sehingga penempatan sensor harus diatur sedemikian rupa agar tidak mudah terpengaruh oleh lingkungan luar.
Sensor api adalah fototransistor NPN silicon berkecepatan tinggi dalam kemasan standar 5mm. Prinsip kerjanya memanfaatkan sensitivitas komponen terhadap radiasi inframerah lapisan epoksi hitam pada badan sensor menjadi filter alami yang hanya meloloskan cahaya inframerah (panjang gelombang puncak 940 nm, rentang 760–1100 nm).
Ketika api atau sumber cahaya inframerah terdeteksi, radiasi yang diterima menyebabkan arus kolektor meningkat secara proporsional. Semakin kuat irradiance yang diterima, semakin besar arus kolektor (Ic). Tegangan kerja maksimum kolektor-emiter (VCEO) adalah 30V dengan arus kolektor maksimum 20 mA, dan disipasi daya maksimum 75 mW pada suhu ruang 25°C. Sensor ini beroperasi pada rentang suhu −25°C hingga +85°C.
Grafik Respon Sensor
NTC (Negative Temperature Coefficient) adalah termistor semikonduktor yang resistansinya menurun secara eksponensial seiring kenaikan suhu. Sensor Danfoss NTC 100K memiliki resistansi nominal 100.000 Ω (100 kΩ) pada suhu 25°C dan konstanta B (0/100) sebesar 4.036 K.
Hubungan resistansi–suhu mengikuti persamaan Steinhart-Hart atau pendekatan β-equation:
R(T) = R₀ · e^(B · (1/T − 1/T₀))
di mana T adalah suhu dalam Kelvin dan R₀ adalah resistansi pada suhu referensi T₀ (25°C = 298,15 K). Sebagai contoh praktis: pada 0°C resistansinya 334.000 Ω, pada 50°C turun menjadi 35.270 Ω, dan pada 100°C menjadi hanya 6.369 Ω.
Sensor ini dikemas dalam tabung tembaga C105 berdiameter 8 mm, berperingkat IP68 (kedap air penuh), dengan rentang suhu operasi −40°C hingga +200°C. Toleransi akurasi pengukuran adalah ±1°C untuk suhu −40°C hingga 90°C, ±2,5°C hingga 150°C, dan ±3,5°C hingga 200°C.
Grafik Respon Sensor :
LCD 16x2 I2C digunakan sebagai media tampilan untuk menampilkan informasi hasil pembacaan sensor serta status kondisi sistem secara real-time. LCD ini mampu menampilkan dua baris karakter sehingga cocok untuk menampilkan data sederhana namun informatif, seperti nilai sensor gas MQ-2, suhu dari sensor NTC, serta status deteksi api dari flame sensor. Selain itu, LCD juga digunakan untuk menampilkan kondisi sistem secara keseluruhan, seperti kondisi aman, waspada, atau bahaya, sehingga pengguna dapat dengan mudah memahami keadaan sistem tanpa harus melihat proses pembacaan sensor secara langsung.
Penggunaan komunikasi I2C (Inter-Integrated Circuit) pada LCD bertujuan untuk menghemat penggunaan pin pada mikrokontroler STM32 Blue Pill, sehingga sistem menjadi lebih efisien dan sederhana dalam perancangan hardware.
LED digunakan sebagai indikator visual untuk menunjukkan kondisi sistem secara sederhana dan cepat. Pada sistem ini hanya digunakan satu LED berwarna merah sebagai indikator utama kondisi bahaya.
LED merah akan menyala ketika sistem mendeteksi kondisi tidak normal, seperti kebocoran gas LPG dari sensor MQ-2, kenaikan suhu abnormal dari sensor NTC, atau terdeteksinya api oleh flame sensor. Ketika salah satu atau kombinasi kondisi tersebut terjadi dan melewati ambang batas yang telah ditentukan, sistem akan mengaktifkan LED merah sebagai tanda peringatan.
Selain LED, sistem juga dilengkapi dengan buzzer sebagai alarm suara serta tampilan informasi pada LCD 16x2 untuk memberikan peringatan tambahan kepada pengguna. Penggunaan satu LED merah ini bertujuan untuk menyederhanakan indikator visual namun tetap efektif dalam menunjukkan kondisi darurat pada sistem.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar