Modul 4 - Sistem Monitoring dan Deteksi Kebocoran LPG pada Dapur Hunian Sementara

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Judul

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Percobaan

Percobaan ... 

1. Laporan Akhir Project

MODUL 4

1. Judul[Kembali]

Sistem Monitoring dan Deteksi Kebocoran LPG pada Dapur Hunian Sementara

    Gas LPG merupakan sumber energi utama masyarakat Indonesia, namun penggunaannya di hunian sementara (huntara) pasca-bencana memiliki risiko kebakaran yang sangat tinggi. Karakteristik huntara yang berukuran sempit (kurang dari 10 m²), bermaterial ringan (kayu atau triplek), dan memiliki ventilasi buruk membuat gas yang bocor sangat cepat terakumulasi hingga mencapai batas ledakan (LEL 1,8%). Masalah ini diperparah oleh keterbatasan manusia yang tidak mampu mendeteksi kebocoran kecil di bawah $500\text{ ppm}$ hanya dengan indra penciuman, serta diperbanyak oleh faktor kelalaian teknis seperti kerusakan selang atau regulator. Tanpa adanya sistem peringatan dini, percikan api sekecil apa pun dapat memicu ledakan fatal secara tiba-tiba.

    Sebagai solusi atas permasalahan tersebut, dirancang sebuah Prototype Sistem Monitoring dan Deteksi Kebocoran LPG pada Dapur Hunian Sementara berbasis mikrokontroler STM32 Blue Pill. Sistem ini mengintegrasikan tiga sensor utama, yaitu sensor MQ-6 untuk mendeteksi kebocoran gas, flame sensor untuk mendeteksi aktivitas api, dan sensor tekanan XGZP647A untuk memantau tekanan gas LPG. Informasi kondisi lingkungan ini ditampilkan secara real-time melalui layar OLED dan didukung oleh indikator visual berupa LED tiga warna (merah untuk gas, kuning untuk api, biru untuk tekanan) serta buzzer sebagai alarm suara ketika kondisi dapur berada pada kategori tidak aman. Selain itu, sistem ini dilengkapi aktuator otomatis berupa exhaust fan yang akan langsung aktif untuk membuang gas berbahaya ke luar jendela saat kebocoran terdeteksi.

    Dibandingkan dengan metode konvensional yang bergantung pada pengamatan manusia, sistem otomatis ini menawarkan akurasi, keberlanjutan, dan responsivitas yang jauh lebih tinggi. Integrasi multi-sensor ini tidak hanya memberikan perlindungan komprehensif terhadap ancaman kebakaran, tetapi juga berfungsi sebagai media edukasi teknologi terapan bagi penghuni huntara mengenai pentingnya menjaga parameter lingkungan yang sehat. Melalui pengembangan prototype ini, diharapkan masyarakat di masa pemulihan pasca-bencana dapat memperoleh manfaat ganda berupa peningkatan kenyamanan, kesehatan lingkungan, serta jaminan keselamatan jiwa yang lebih baik.

2. Tujuan[Kembali]

1. Meningkatkan keselamatan dapur hunian sementara dari risiko kebakaran gas LPG secara otomatis.
2. Mendeteksi konsentrasi kebocoran gas di udara menggunakan sensor MQ-6.
3. Memantau tekanan gas LPG dan menganalisis laju penurunan tekanan (rate-of-change) melalui sensor MPX4250.
4. Mengidentifikasi keberadaan api di area dapur menggunakan flame sensor.
5. Mengotomatisasi penanganan bahaya dengan mengaktifkan exhaust fan dan alarm buzzer.
6. Memberikan indikasi visual melalui LED tiga warna dan menampilkan status data pada LCD 16x2.
7. Memvalidasi algoritma filter dan logika kendali STM32 Blue Pill melalui simulasi Proteus.

3. Alat dan Bahan[Kembali]

3.1. Alat

3.1.1 Multimeter

Gambar 1. Digital Multimeter

    Multimeter adalah alat ukur elektronik yang digunakan untuk mengukur berbagai parameter listrik seperti tegangan (volt), arus (ampere), dan resistansi (ohm). Multimeter dapat berbentuk digital maupun analog. Berikut merupakan fungsi dari multimeter:

1. Mengukur Tegangan (Voltage), Multimeter dapat mengukur tegangan listrik dalam rangkaian, baik tegangan searah (DC) maupun tegangan bolak-balik (AC). Rentang pengukuran tegangan biasanya berkisar dari milivolt (mV) hingga ratusan volt (V).
2. Mengukur Arus (Current), Multimeter dapat mengukur aliran arus listrik dalam rangkaian. Multimeter digital dapat mengukur arus DC dan AC dengan rentang dari mikroampere (µA) hingga ampere (A). Untuk mengukur arus, multimeter harus disambungkan secara seri dengan rangkaian.
3. Mengukur Resistansi (Resistance), Multimeter dapat mengukur hambatan dalam komponen atau rangkaian. Satuan resistansi adalah ohm (Ω), dengan rentang pengukuran dari ohm hingga megaohm (MΩ).
4. Pengukuran Tambahan: Beberapa multimeter dilengkapi dengan fitur tambahan seperti pengukuran kapasitansi (farad), frekuensi (hertz), suhu (derajat Celsius atau Fahrenheit), serta tes dioda dan kontinuitas.

    Multimeter terbagi menjadi dua jenis utama, yaitu analog dan digital. Multimeter analog menggunakan jarum yang bergerak pada skala untuk menunjukkan nilai pengukuran. Kelebihannya termasuk kemampuan menunjukkan perubahan cepat dalam sinyal dan tidak memerlukan baterai untuk mengukur tegangan dan arus. Namun, multimeter analog cenderung kurang akurat dan lebih sulit dibaca dibandingkan dengan multimeter digital.
    Sebaliknya, multimeter digital menampilkan hasil pengukuran dalam bentuk angka pada layar LCD, menawarkan kemudahan baca dan akurasi yang lebih tinggi. Multimeter digital sering dilengkapi dengan fitur tambahan seperti pengukuran kapasitansi, frekuensi, dan suhu. Meskipun biasanya lebih mahal dan membutuhkan baterai untuk semua jenis pengukuran, multimeter digital menyediakan keunggulan dalam kemudahan penggunaan dan keakuratan. Fitur auto-ranging pada multimeter digital juga menambah kepraktisan, dengan secara otomatis memilih rentang pengukuran yang sesuai, sehingga mengurangi risiko kesalahan pengukuran dan kerusakan alat. Berikut ini merupakan cara menggunakan multimeter:

• Pilih Mode Pengukuran:

    Langkah pertama dalam menggunakan multimeter adalah menentukan jenis pengukuran yang ingin dilakukan. Setel sakelar pada multimeter ke mode pengukuran yang diinginkan, apakah itu tegangan (volt), arus (ampere), atau resistansi (ohm). Pemilihan mode yang tepat sangat penting untuk mendapatkan hasil pengukuran yang akurat dan mencegah kerusakan pada multimeter.

• Hubungkan Probes:

    Setelah mode pengukuran dipilih, langkah berikutnya adalah menghubungkan probe. Sambungkan probe merah ke terminal positif pada multimeter dan probe hitam ke terminal negatif. Kemudian, tempatkan ujung probe pada titik-titik yang akan diukur dalam rangkaian. Pastikan sambungan dilakukan dengan benar untuk menghindari kesalahan pengukuran dan untuk melindungi pengguna dari potensi bahaya listrik.

• Baca Nilai:

    Setelah probes terhubung dengan benar, hasil pengukuran akan ditampilkan pada multimeter. Pada multimeter digital (DMM), nilai pengukuran akan muncul dalam bentuk angka pada layar LCD, yang memberikan pembacaan yang jelas dan akurat. Pada multimeter analog, hasil pengukuran akan ditunjukkan oleh jarum yang bergerak pada skala. Penting untuk membaca nilai dengan cermat dan memastikan jarum atau angka berada dalam rentang yang benar sesuai dengan pengaturan mode pengukuran yang telah dipilih.

3.1.2 Solder

Gambar 2. Solder

    Solder adalah alat yang digunakan untuk menggabungkan komponen elektronik atau logam dengan cara memanaskan dan melelehkan bahan solder sehingga dapat mengikat komponen yang akan disambung. Solder terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu besi solder, timah solder, dan flux. Besi solder, atau soldering iron, adalah alat yang dipanaskan listrik untuk melelehkan timah solder. Ujung besi solder, yang disebut mata solder, terbuat dari logam tahan panas dan dirancang untuk mentransfer panas secara efisien ke titik penyolderan.

    Timah solder adalah paduan logam yang digunakan sebagai bahan pengikat dalam penyolderan. Timah solder tradisional terdiri dari campuran timah dan timbal, namun dengan meningkatnya kesadaran akan isu kesehatan dan lingkungan, kini banyak digunakan timah solder bebas timbal yang lebih aman. Timah solder biasanya memiliki inti yang berisi flux, yaitu zat kimia yang membantu menghilangkan oksida dari permukaan logam yang akan disolder, sehingga meningkatkan ikatan logam yang kuat dan tahan lama.

    Proses penyolderan dimulai dengan memanaskan besi solder hingga mencapai suhu yang cukup untuk melelehkan timah solder. Setelah besi solder panas, ujung mata solder ditempatkan pada titik sambungan, lalu timah solder diaplikasikan ke titik tersebut hingga meleleh dan mengalir mengikat komponen yang disambung. Penting untuk memastikan bahwa kedua permukaan yang disambung cukup panas untuk memastikan sambungan yang kuat dan mencegah sambungan yang dingin (cold joint), yang dapat menyebabkan kegagalan sambungan listrik.

3.1.3 Adaptor

Gambar 3. Baterai

    Adaptor  adalah perangkat elektronik yang berfungsi mengubah tegangan listrik AC (arus bolak-balik) dari sumber listrik utama menjadi tegangan DC (arus searah) yang lebih rendah. Adaptor ini terdiri dari komponen internal seperti transformator untuk menurunkan tegangan, penyearah untuk mengubah AC menjadi DC, dan kapasitor serta regulator untuk menghaluskan dan menstabilkan tegangan keluaran. Saat adaptor dicolokkan ke stop kontak dan dihubungkan ke perangkat, ia menyediakan daya listrik yang sesuai untuk mengoperasikan atau mengisi ulang perangkat tersebut. Adaptor umumnya digunakan untuk berbagai perangkat elektronik yang membutuhkan daya rendah hingga menengah. Meskipun fungsi utamanya sama, adaptor dapat memiliki berbagai ukuran dan bentuk konektor keluaran yang berbeda, disesuaikan dengan kebutuhan perangkat yang akan dihubungkan. Adaptor ini krusial dalam menyediakan daya yang aman dan stabil, melindungi perangkat elektronik dari kerusakan akibat tegangan yang tidak sesuai.

Spesifikasi:
Input: AC100-240V 50/60Hz
Output: DC 9V 2A

3.1.4 PCB (Printed Circuit Board)

Gambar 4. PCB

    PCB (Printed Circuit Board) adalah papan sirkuit yang digunakan untuk menghubungkan dan mendukung komponen elektronik secara permanen dalam suatu rangkaian. Berbeda dengan breadboard, PCB dibuat dengan jalur konduktor dari tembaga yang tercetak di atas substrat isolator, biasanya berbahan fiberglass atau resin, sehingga memungkinkan hubungan listrik yang lebih stabil dan presisi. PCB umumnya dibuat menggunakan desain khusus yang disesuaikan dengan fungsi rangkaian, dan dapat memiliki satu lapisan (single layer), dua lapisan (double layer), atau bahkan beberapa lapisan (multilayer) untuk rangkaian yang kompleks. Komponen elektronik seperti resistor, kapasitor, IC, dan konektor dipasang pada papan ini dan disolder untuk menciptakan hubungan listrik yang kuat dan tahan lama. PCB banyak digunakan dalam perangkat elektronik komersial maupun proyek DIY tingkat lanjut karena memberikan keandalan, ketahanan, serta kemampuan untuk diproduksi massal.

3.1.5. Breadboard

Gambar 4. Breadboard

    Breadboard adalah perangkat yang digunakan untuk membuat rangkaian elektronik sementara dan prototipe tanpa perlu menyolder komponen. Alat ini terdiri dari papan dengan lubang-lubang kecil yang terhubung secara elektrik, memungkinkan pengguna untuk memasukkan dan menghubungkan komponen seperti resistor, kapasitor, transistor, dan IC dengan mudah. Breadboard memiliki dua bagian utama: bagian tengah yang digunakan untuk menempatkan komponen, dan bagian samping yang biasanya digunakan untuk distribusi daya. Alat ini sangat berguna dalam tahap pengembangan dan pengujian karena memungkinkan modifikasi dan perbaikan rangkaian dengan cepat dan efisien. Breadboard hadir dalam berbagai ukuran, memungkinkan fleksibilitas dalam pembuatan prototipe untuk berbagai proyek elektronik.

3.1.6 Kabel Jumper

Gambar 5. Kabel Jumper

    Kabel jumper adalah kabel kecil yang digunakan untuk menghubungkan komponen-komponen elektronik pada sebuah papan sirkuit atau breadboard. Kabel ini memiliki konektor di kedua ujungnya, yang dapat berupa male (jantan) atau female (betina). Kabel jumper sangat penting dalam perancangan dan pengujian sirkuit elektronik karena memudahkan pembuatan koneksi sementara tanpa perlu menyolder komponen. Jenis-jenis kabel jumper meliputi:

1. Kabel Jumper Male-to-Male (M-M): Kabel ini memiliki konektor male di kedua ujungnya. Digunakan untuk menghubungkan dua titik pada breadboard atau menghubungkan titik pada breadboard dengan pin header pada mikrokontroler atau modul.
2. Kabel Jumper Male-to-Female (M-F): Kabel ini memiliki konektor male di satu ujung dan konektor female di ujung lainnya. Biasanya digunakan untuk menghubungkan pin header pada mikrokontroler atau modul dengan perangkat yang memiliki konektor male.
3. Kabel Jumper Female-to-Female (F-F): Kabel ini memiliki konektor female di kedua ujungnya. Umumnya digunakan untuk menghubungkan dua perangkat yang memiliki konektor male, seperti menghubungkan modul sensor dengan mikrokontroler.

3.2 Komponen

3.2.1 Mikrokontroler

  Gambar 6. STM32

    Keluarga mikrokontroler STM32F103xx kategori performance line berkepadatan menengah mencakup inti Arm® Cortex®-M3 32-bit RISC berkinerja tinggi yang beroperasi pada frekuensi 72 MHz, memori tertanam berkecepatan tinggi (Flash memory hingga 128 KB dan SRAM hingga 20 KB), serta berbagai macam peripheral I/O dan antarmuka yang terhubung ke dua bus APB. Semua perangkat dalam keluarga ini menyediakan dua konverter analog-ke-digital (ADC) 12-bit, tiga timer umum 16-bit ditambah satu timer PWM, serta antarmuka komunikasi standar dan lanjutan: hingga dua I2C dan SPI, tiga USART, USB, serta CAN.

    Perangkat ini bekerja dengan sumber daya 2,0 hingga 3,6 V. Tersedia dalam rentang suhu –40 hingga +85 °C dan juga rentang suhu diperluas dari –40 hingga +105 °C. Sejumlah besar mode penghemat daya tersedia untuk membantu merancang aplikasi hemat energi.

    Keluarga STM32F103xx dalam kategori performance line dengan kepadatan menengah tersedia dalam enam jenis kemasan berbeda: mulai dari 36 pin hingga 100 pin. Bergantung pada perangkat yang dipilih, fitur peripheral yang disertakan akan berbeda-beda. Deskripsi di atas memberikan gambaran menyeluruh mengenai rangkaian peripheral yang tersedia dalam keluarga mikrokontroler ini.

    Fitur-fitur tersebut menjadikan keluarga mikrokontroler STM32F103xx cocok digunakan untuk berbagai aplikasi seperti penggerak motor (motor drives), kontrol aplikasi, peralatan medis dan portabel, peripheral PC dan game, platform GPS, aplikasi industri, PLC (Programmable Logic Controller), inverter, printer, scanner, sistem alarm, video interkom, serta HVAC (pemanas, ventilasi, dan pendingin).

spesifikasi :

3.2.2 MQ-6 Gas Sensor

Gambar 7. Sensor MQ-6

    MQ-6 adalah sensor gas semikonduktor yang dirancang khusus untuk mendeteksi gas LPG (Liquefied Petroleum Gas), Iso-Butane, Propane, dan gas combustible lainnya dengan sensitivitas sangat tinggi. Sensor ini merupakan bagian dari seri MQ gas sensor yang diproduksi oleh Hangzhou Winsen Electronics Technology Co., Ltd., sebuah perusahaan teknologi sensor terkemuka di Hangzhou, China. MQ-6 masuk dalam kategori sensor Metal Oxide Semiconductor (MOS) atau semikonduktor oksida logam, yang bekerja berdasarkan prinsip perubahan konduktivitas listrik material semikonduktor ketika berkontak dengan gas target. Material sensing utama yang digunakan adalah titanium dioxide (TiO₂) atau zinc oxide (ZnO), yang memiliki sifat konduktivitas berubah secara signifikan ketika terpapar gas LPG dalam konsentrasi tertentu.

    Sensor MQ-6 memiliki berbagai keunggulan yang membuatnya sangat cocok untuk sistem deteksi kebocoran LPG pada dapur hunian sementara. Keunggulan utama meliputi sensitivitas sangat tinggi terhadap LPG dengan faktor 0.95, response time cepat kurang dari 10 detik untuk deteksi dini, jarak deteksi terjauh 30 cm yang cukup untuk ruang dapur, dan low false alarm karena sensitivitas rendah terhadap alkohol dan asap rokok. Drive circuit yang sangat sederhana hanya memerlukan supply 5V, load resistance 20KΩ, dan ADC mikrokontroler membuat implementasi menjadi mudah dan murah. Harga sensor yang sangat terjangkau sekitar Rp 25.000 membuat sistem deteksi dapat diakses oleh masyarakat hunian sementara dengan keterbatasan ekonomi. Sensor juga kompatibel dengan berbagai mikrokontroler dan memiliki durabilitas tinggi dengan steel mesh stainless steel 304 sebagai pelindung dari debu dan kontaminan fisik.

Spesifikasi MQ-6 Sensor:

• Jenis gas yang dideteksi: LPG, Iso-Butana, Propana
• Rentang pengukuran: 200 - 10.000 ppm
• Voltage supply (Vc & Vh): 5V ± 0,1V AC/DC
• Resistansi load (RL): 20 KΩ
• Resistansi heater (Rh): 33Ω ± 5%
• Resistansi sensing (Rs) pada 1000 ppm: 10 - 60 KΩ
• Suhu operasi: -10°C hingga 50°C
• Kelembapan relatif: < 95% RH
• Konsentrasi oksigen minimum: > 2%
• Waktu respons (T90): < 10 detik
• Waktu recover: < 30 detik
• Waktu preheat: > 24 jam (wajib sebelum penggunaan pertama)
• Suhu sensing: 300 - 400°C
• Resolusi: ~100 ppm

Daya: < 750 mW

 3.2.3  Flame Sensor

Gambar 8. Flame Sensor

    Flame sensor merupakan sensor yang dirancang khusus untuk mendeteksi adanya api atau sumber cahaya inframerah dari kebakaran dengan sensitivitas tinggi. Sensor ini menggunakan teknologi photodiode inframerah yang memiliki sensitivitas terhadap panjang gelombang cahaya api antara 760 nm hingga 1100 nm, yang merupakan spektrum cahaya inframerah yang dipancarkan oleh api. Flame sensor sangat cocok untuk sistem deteksi kebocoran LPG pada dapur hunian sementara karena dapat mendeteksi api yang timbul akibat kebocoran gas sebelum kebakaran meluas, sehingga memberikan peringatan dini untuk evakuasi dan tindakan pencegahan lebih lanjut.

    Cara kerja flame sensor didasarkan pada prinsip deteksi cahaya inframerah yang dipancarkan oleh api. Ketika api terbentuk, api akan memancarkan cahaya dalam spektrum inframerah dengan panjang gelombang 760-1100 nm. Photodiode inframerah di dalam sensor akan mendeteksi cahaya inframerah ini dan mengubahnya menjadi sinyal listrik yang kemudian diolah oleh circuit Comparator untuk menghasilkan output digital. Jika sensor mendeteksi adanya cahaya inframerah dari api, output akan berubah dari LOW (0V) menjadi HIGH (5V), yang kemudian dapat dibaca oleh mikrokontroler untuk mengaktifkan alarm dan tindakan otomatis seperti exhaust fan untuk membuang gas menumpuk.

• Jenis sensor: Phototransistor inframerah YG1006
• Spektrum deteksi: 760 nm hingga 1100 nm (cahaya inframerah dari api)
• Voltage operasi: 3,3V hingga 5V DC
• Current operasi: 15 mA
• Chip Comparator: LM393
• Output: Digital (D0) dan Analog (A0)
• Sudut deteksi: 0° hingga 60 derajat
• Jarak deteksi: Api kecil: hingga 100 cm (80 cm), Api besar: hingga 750 cm (7,5 m)
• Response time: < 100 mikrosecond (deteksi sangat cepat)
• Sensitivitas: Dapat diatur dengan potentiometer
• Temperature operasi: -25°C hingga 85°C
• Temperature penyimpanan: -30°C hingga 100°C
• Photosensitivity: Tinggi terhadap spektrum api
• Accuracy:Dapat diatur dengan potentiometer

3.2.4 Pressure Sensor ( XGZP647A )

Gambar 9. Pressure Sensor

 adalah variasi dari seri sensor tekanan yang lebih umum 

3.2.8 Resistor

Gambar 10. Resistor 

    Resistor adalah komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk menghambat aliran arus listrik dalam suatu rangkaian. Dengan mengatur besarnya hambatan, resistor dapat digunakan untuk mengontrol tegangan dan arus sesuai kebutuhan rangkaian. Resistor umumnya tersedia dalam berbagai nilai hambatan yang dinyatakan dalam satuan ohm (Ω), dan nilainya dapat dibaca melalui kode warna pada tubuh resistor atau melalui label pada resistor SMD. Bentuk fisik resistor bervariasi tergantung jenisnya, seperti resistor karbon, film logam, dan resistor variabel. Selain itu, resistor juga memiliki spesifikasi daya yang dinyatakan dalam watt (W), yang menunjukkan kemampuannya dalam menahan panas akibat aliran arus listrik. Ukuran fisik resistor biasanya kecil sehingga mudah dipasang pada berbagai jenis papan rangkaian, baik untuk proyek elektronika sederhana maupun perangkat elektronik kompleks.

Spesifikasi :

Resistance (ohms)          : 10K, 500K

Power (Watts)                 : 0.25W, 1/4W

Tolerance                        : -+ 5%

Packaging                       : Bulk

Composition                    : Carbon Film

Temperature Coefficient  : 350 ppm/C

Lead free status              : Lead free

RoHS status                    : RoHS Compliant

4. Dasar Teori[Kembali]

    Sistem Monitoring dan Deteksi Kebocoran LPG pada Dapur Hunian Sementara dirancang sebagai solusi teknologi terapan untuk memitigasi risiko kebakaran akibat keterbatasan indra penciuman manusia di lingkungan pengungsian pasca-bencana. Dapur pada hunian sementara umumnya memiliki karakteristik ruang yang sempit, bermaterial ringan, dan berventilasi buruk, sehingga akumulasi gas sekecil apa pun berpotensi mencapai batas ledakan dalam waktu singkat. Melalui pendekatan early warning system, sistem ini mengintegrasikan mikrokontroler sebagai pusat kendali otomatis untuk memantau parameter lingkungan secara real-time. Keberadaan sistem ini tidak hanya mempercepat respons evakuasi melalui alarm suara (buzzer) dan indikator visual (LED), tetapi juga mampu melakukan tindakan preventif mandiri dengan mengaktifkan kipas pembuangan (exhaust fan) untuk mengurai konsentrasi gas berbahaya sebelum terjadi ledakan.

4.1 STM32 Blue Pill STM32F103C8T6

    Pusat pemrosesan data pada sistem ini mengandalkan STM32 Blue Pill berbasis IC STM32F103C8T6 yang berfungsi mengolah input sensor dan mengendalikan output berupa LED, LCD, serta buzzer. Dalam aplikasi monitoring drainase, mikrokontroler ini membaca tiga jenis parameter: sensor hujan (via pin analog/digital), tingkat ketinggian air dari sensor VL53L0X (via protokol I2C), dan debit aliran air dari sensor YF-S201 (via perhitungan pulsa digital). Data yang telah terhimpun kemudian dianalisis untuk menentukan status drainase sekaligus mengaktifkan indikator eksternal.

Kemampuan pembacaan analog pada STM32F103C8T6 didukung oleh fitur ADC internal 12-bit yang menghasilkan output digital dengan skala rentang 0 sampai 4095. Hubungan linear antara tegangan masukan analog terhadap nilai digital ADC tersebut dinyatakan dalam persamaan berikut:

4.2 Sensor MQ-6

    Sensor MQ-6 merupakan komponen semikonduktor oksida logam (Metal Oxide Semiconductor) yang dirancang khusus untuk mendeteksi keberadaan gas LPG (Liquefied Petroleum Gas), iso-butana, dan propana di udara bebas. Prinsip kerja sensor ini mengandalkan material sensitif berupa timah dioksida (SnO2) yang memiliki konduktivitas rendah saat berada di lingkungan udara bersih. Ketika komponen heater internal memanaskan sensor dan permukaan materialnya terpapar oleh gas pereduksi seperti LPG, terjadi peningkatan kerapatan donor elektron. Proses kimiawi tersebut mengakibatkan nilai resistansi internal sensor (Rs) menurun secara signifikan, yang mana perubahan resistansi ini dikonversi menjadi tegangan keluaran analog melalui rangkaian pembagi tegangan untuk kemudian dibaca oleh pin ADC mikrokontroler.

    Karakteristik performa sensor ini dapat dianalisis melalui kurva sensitivitas standar pabrikan yang disajikan dalam skala logaritmik, seperti yang ditunjukkan pada gambar datasheet. Grafik tersebut memetakan hubungan antara konsentrasi gas dalam satuan part per million (ppm) pada sumbu-X terhadap rasio resistansi (Rs/Ro) pada sumbu-Y, di mana Ro merupakan nilai resistansi sensor pada udara bersih. Melalui grafik karakteristiknya, terlihat jelas bahwa kurva gas LPG menempati posisi paling bawah dengan tingkat kemiringan (slope) yang tajam dibandingkan gas lain seperti metana (CH4), hidrogen (H2), karbon monoksida (CO), maupun alkohol. Hal ini membuktikan bahwa sensor MQ-6 memiliki selektivitas dan tingkat kepekaan yang sangat tinggi terhadap molekul gas LPG.

Gambar 11. Grafik Output Pada Sensor MQ-6

    Hubungan logaritmik terbalik antara konsentrasi gas dan resistansi sensor berimplikasi langsung pada mekanisme deteksi di dalam program. Peningkatan kepekatan gas dari rentang 200 ppm hingga 10000 ppm akan terus menekan nilai rasio Rs/Ro ke tingkat yang lebih rendah. Sebaliknya, ketika kondisi lingkungan berada pada status udara normal (Fresh Air), nilai resistansi sensor (Rs) berada pada titik maksimumnya sehingga garis grafik udara bersih stabil di posisi paling atas. Hubungan matematis untuk menentukan nilai resistansi sensor (Rs) terhadap hambatan beban (RL) dan tegangan output ADC (Vout) dapat dituliskan sebagai berikut:

Rs = ((Vcc - Vout) / Vout) * RL

    Sedangkan untuk konversi nilai tegangan analog (Vout) dari nilai digital ADC 12-bit pada STM32 dengan tegangan referensi (Vref) sebesar 3.3V dihitung dengan rumus:

Vout = (Nilai_ADC * 3.3) / 4095

    Dalam perancangan sistem monitoring, kurva pendekatan ini digunakan untuk menentukan batas ambang kritis melalui garis horizontal. Saat akumulasi gas di dapur huntara meningkat hingga membuat nilai pembacaan tegangan analog melewati batas ambang 3V atau setara dengan Nilai_ADC >= 2457, mikrokontroler secara otomatis mengidentifikasinya sebagai kebocoran gas berbahaya dan seketika mengaktifkan seluruh alarm keselamatan.

 

Gambar 12. Grafik Perbandingan Nilai RS/RO

    Ketika nilai Rs/Ro = 0,66, berdasarkan kurva sensitivitas datasheet MQ-6, konsentrasi gas LPG yang terdeteksi berada di kisaran 1.500 hingga 2.000 ppm.

    Nilai ini tergolong aman sebagai titik peringatan dini. OSHA (Occupational Safety and Health Administration) menetapkan batas ledakan terendah (Lower Explosive Limit / LEL) untuk gas LPG sekitar 1,9% di udara, yang setara dengan 19.000 ppm untuk butana. Sementara sistem ini mengaktifkan alarm pada kisaran 0,15% hingga 0,2% di udara  jauh di bawah LEL.

    Dengan menerapkan konsep early warning system pada rentang ini, sistem memberikan waktu yang cukup bagi penghuni untuk melakukan evakuasi sebelum konsentrasi gas mendekati 18.000 ppm. Kipas yang aktif secara otomatis saat alarm berbunyi juga membantu mengalirkan udara terperangkap keluar dari dapur, sehingga risiko ledakan dapat dicegah secara aktif.

4.3 Sensor Flame

    Sensor api yang digunakan dalam sistem keamanan pintar ini bekerja dengan cara mendeteksi keberadaan api melalui pancaran radiasi cahaya inframerah (Infrared/IR) yang dihasilkan oleh lidah api, khususnya dari hasil pembakaran gas hidrokarbon seperti LPG. Komponen utama pada modul sensor ini adalah sebuah fotodioda atau fototransistor yang dirancang sangat sensitif terhadap cahaya pada panjang gelombang antara 760 nm hingga 1100 nm (Near-Infrared) dengan sudut deteksi sekitar 60 derajat. Sinyal analog yang ditangkap oleh fotodioda kemudian diproses oleh IC komparator (umumnya LM393) di dalam modul untuk diubah menjadi sinyal digital HIGH atau LOW, di mana batas sensitivitas deteksinya (threshold) dapat diatur secara manual melalui komponen potensiometer (trimpot).

    Dalam implementasi perangkat keras dan kode program STM32 ini, sensor dikonfigurasi dengan logika Active Low (Aktif Rendah) pada pin PA1. Pada kondisi standby atau saat tidak ada api, fotodioda tidak menerima radiasi IR yang cukup sehingga komparator mengeluarkan tegangan tinggi mendekati VCC (Logika 1 / HIGH) yang membuat sistem membaca situasi dalam keadaan aman. Sebaliknya, ketika ada api yang memancar, hambatan pada fotodioda akan turun drastis dan memicu komparator untuk menjatuhkan tegangan keluaran ke Ground (Logika 0 / LOW). Kondisi LOW inilah yang dibaca oleh pin PA1 sebagai sinyal GPIO_PIN_RESET, yang kemudian diterjemahkan oleh program untuk mengubah status flame_detected menjadi 1 (True) guna mengaktifkan alarm kebakaran.

    Untuk menjaga stabilitas pembacaan sinyal dari sensor, pin PA1 pada mikrokontroler STM32 dikonfigurasi menggunakan fitur Pull-Up internal (GPIO_PULLUP). Konfigurasi ini berfungsi untuk menarik tegangan pin ke kondisi mantap HIGH saat sensor berada dalam fase transisi atau ketika tidak ada sinyal kuat, sehingga mencegah terjadinya kondisi mengambang (floating) yang bisa mengacaukan logika program. Dari segi karakteristik operasional, sensor api berbasis IR ini memiliki keunggulan berupa respons yang sangat cepat (dalam hitungan mikrodetik) sehingga ideal untuk sistem pemutus darurat. Namun, sistem ini juga memiliki kelemahan terhadap risiko false alarm karena fotodioda dapat terpengaruh oleh sumber inframerah lain seperti lampu pijar atau cahaya matahari langsung, sehingga penempatan fisik sensor di area kompor harus terlindung dari paparan cahaya luar secara langsung.

4.4 Sensor MPX4250

    Sensor MPX4250 merupakan sensor tekanan silikon piezoresistif monolitik yang dirancang untuk mengukur tekanan absolut udara atau gas (Absolute Pressure). Di dalam Sistem Monitoring dan Deteksi Kebocoran LPG pada Dapur Hunian Sementara, sensor ini ditempatkan pada jalur tabung atau regulator untuk memantau sisa volume gas serta mendeteksi kebocoran halus melalui perubahan tekanan gas. Elemen sensor ini mengintegrasikan strain gauge piezoresistif tingkat lanjut dengan jaringan resistor tipis di atas chip silikon untuk menghasilkan sinyal keluaran analog yang sangat stabil. Perubahan tekanan mekanis dari gas LPG akan diubah secara linear menjadi sinyal tegangan analog kontinu (Vout) yang berkisar antara 0.2V hingga 4.9V, sebanding dengan rentang kapasitas deteksi sensor dari 20 kPa hingga 250 kPa.

Gambar 14. Grafik Output MPX4250

    Karakteristik performa sensor ini ditunjukkan pada grafik "Output versus Absolute Pressure" di atas, yang menggambarkan fungsi transfer linear antara tekanan mekanis pada sumbu-X (Pressure in kPa) terhadap tegangan keluaran pada sumbu-Y (Output dalam Volts). Pada grafik tersebut terdapat tiga garis kurva, yaitu MIN, TYP (Typical), dan MAX, yang menunjukkan batas toleransi akurasi pembacaan sensor sebesar kurang lebih 10% akibat pengaruh suhu lingkungan kerja dari 0 hingga 85 derajat Celsius. Secara matematis, fungsi transfer utama (Typical) yang mengikat hubungan antara tegangan keluaran sensor terhadap tekanan input dan tegangan sumber (Vs) mengacu pada rumus dari datasheet berikut:

Vout = Vs * (0.00369 * P + 0.04)

    Berdasarkan rumus tersebut, dengan tegangan suplai standar (Vs) sebesar 5.0V, diperoleh titik landmark penting pada grafik. Pada tekanan minimum absolut 20 kPa, sensor akan menghasilkan tegangan keluaran sekitar 0.57V, sedangkan pada kapasitas penuh 250 kPa, tegangan keluaran analog mencapai puncaknya di kisaran 4.8V hingga 4.9V.

    Dalam implementasi sistem kendali STM32 Blue Pill, karakteristik linear ini dimanfaatkan untuk mengonversi pembacaan nilai digital ADC menjadi parameter tekanan riil dengan tingkat kepresisian satu angka desimal. Karena batas maksimum input pin ADC STM32 adalah 3.3V sedangkan output sensor dapat mencapai 4.9V, sistem wajib dilengkapi rangkaian pembagi tegangan (voltage divider) menggunakan resistor R1 = 1.8k dan R2 = 3.3k dengan rasio penurunan 0.647, sehingga tegangan output maksimal sensor aman di level 3.17V. Setelah melewati pembagi tegangan, konversi matematika untuk mendapatkan nilai tegangan sensor aktual dalam satuan milivolt (Vout_sensor_mV) dari nilai digital ADC 12-bit (rentang 0-4095) dituliskan dengan rumus:

Vout_sensor_mV = (Nilai_ADC * 5000) / 4095

    Dari hasil tegangan sensor tersebut, nilai tekanan riil gas dalam skala perkalian 10 (P_x10) guna memunculkan nilai desimal di LCD tanpa variabel float dapat dihitung melalui penyederhanaan fungsi transfer grafik menjadi rumus sebagai berikut:

P_x10 = (Vout_sensor_mV - 200) / 20

    Nilai hasil konversi ini dipantau secara berkala setiap 1 detik oleh program menggunakan algoritma Rate-of-Change. Dengan membandingkan nilai tekanan saat ini terhadap data detik sebelumnya, penurunan tekanan akibat kebocoran gas dapat dideteksi secara dinamis. Jika terjadi penurunan tekanan yang drastis melebihi ambang batas kebocoran (Nilai_Delta_ADC >= 246 atau setara laju drop >= 6% per detik), mikrokontroler akan langsung mengubah status sistem menjadi LEAK, mengaktifkan LED Biru beserta alarm buzzer, dan menampilkan visualisasi peringatan "DROP RATE" pada layar LCD 16x2.

4.5 LCD 16x2 I2C

    LCD 16x2 I2C digunakan untuk menampilkan informasi hasil pembacaan sensor dan status sistem. LCD ini dapat menampilkan dua baris karakter, sehingga sesuai untuk menampilkan data sederhana seperti status tekanan gas, status kebocoran gas dan percikan api. 

4.6 LED Indikator

    LED digunakan sebagai indikator visual untuk menunjukkan kondisi sistem. Sistem menggunakan tiga warna LED, yaitu biru, kuning, dan merah. LED merah menunjukkan kondisi bahwa terdapat kebocoran gas di udara, LED kuning menunjukkan munculnya api pada kompor dan terjadi kebakaran dan LED biru menunjukan bahwa terjadi penurunan tekanan gas yang abnormal dalam kurun waktu tertentu.  

    Penggunaan LED bertujuan agar status sistem dapat diketahui secara cepat tanpa harus membaca nilai sensor secara detail pada LCD. Pembagian status LED dapat dilihat pada Tabel 

Tabel 2. Indikator LED pada sistem

5. Percobaan[Kembali]