Sistem Akuisisi Data Mesin Uji Puntir  Berbasis Arduino Uno dan Microsoft Visual C#
Faizal Kurniawan*, Fajar Anggara **
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana Jalan Raya Meruya Selatan No. 01, Kembangan, Jakarta Barat 11650, Jakarta, Indonesia. *E-mail: kurniawanfaizal04@gmail.com, **E-mail: fjranggara91@gmail.com

## Abstract
Mechanical  testing  of  materials  in  steel  is  needed  in  the  industry  to  find  out  the  specifications  and properties of the steel used. One test to determine the mechanical properties and characteristics of the material is by using the torsion testing method. In order to get accurate and precision torsion testing data,  a  data  acquisition  system  is  needed  to  record  the  data.  In  this  research,  the  data  acquisition system is created using software that can display realtime graphs of shear stress, shear strain, torque, and  torsional  angles.  Input  from  this  data  acquisition  system  uses  a  load  cell  sensor  and  a  rotary encoder that will record the weight and angle of rotation. The sensor will be calibrated to determine the precision value of its use. The data obtained by the sensor is then processed using the Arduino Uno R3  microcontroller  and  processed  in  Microsoft  Visual  C  #  to  display  the  data,  the  output  data  of software will be save as in * .csv and * .png formats. Calibration test results show that the twisting test data acquisition system has an accuracy of rotary encoder reading of 0.15˚ with the equation function y = 0.15x and the accuracy of the load cell reading of 0.002 kg or 2 g, with the equation function y = 10.426x  -  0.0011  with  a  confidence  level  of  99.97%.  Torsion  testing  on  specimen  with  this  software was carried out on ST37 material with the same dimensions and the specimens tested amounted to 3 pcs, resulting in a stable trend graph data.
Keywords: torsion test; data acquisition system; Arduino Uno R; load cell; rotary encoder

## Abstrak
Pengujian mekanik material pada baja sangat dibutuhkan di industri untuk mengetahui spesifikasi dan sifat dari baja yang digunakan. Salah satu pengujian untuk mengetahui sifat mekanik dan karakteristik dari  material  yaitu  dengan  menggunakan  metode  pengujian  puntir.  Supaya  mendapatkan  data pengujian  puntir  yang  akurat  dan  presisi  maka  diperlukan  suatu  sistem  akuisisi  data  untuk  merekam dan mencatat datanya. Dalam penelitian ini, sistem akuisisi data dibuat menggunakan perangkat lunak yang dapat menampilkan secara realtime grafik data tegangan geser, regangan geser, torsi, serta sudut puntirnya.  Masukan  dari  sistem  akuisisi  data  ini  menggunakan  sensor load  cell dan rotary  encoder yang akan mencatat berat dan sudut putarnya. Sensor tersebut akan dikalibrasi untuk mengetahui nilai kepresisian  dari  penggunaannya.  Data  yang  didapat  oleh  sensor  selanjutnya  diproses  dengan menggunakan  mikrokontroler  Arduino  Uno  R3  dan  diolah  pada  Microsoft  Visual  C#  untuk ditampilkan datanya, output data pada perangkat lunak disimpan dengan format *.csv dan *.png. Hasil pengujian  kalibrasi  menunjukan  bahwa  sistem  akuisisi  data  uji  puntir  ini  memiliki  ketelitian pembacaan rotary encoder sebesar 0,15˚ dengan fungsi persamaan y = 0,15x dan ketelitian pembacaan load  cell sebesar  0,002  kg  atau  2  g,  dengan  fungsi  persamaan  y  =  10,426x  -  0,0011  dengan  tingkat keyakinan  99,97%.  Pengujian  puntir  spesimen  dengan  perangkat  lunak  ini  dilakukan  pada  material ST37  dengan  dimensi  yang  sama  dan  spesimen  yang  diuji  berjumlah  3  pcs  menghasilkan trendline grafik data yang stabil.
Kata kunci: pengujian puntir; sistem akuisisi data; Arduino Uno R3; load cell ; rotary encoder

## 1. Pendahuluan
Pengujian  mekanik  memainkan  peran  penting  dalam  menemukan  sifat-sifat  dasar  material  baja,  dan  dapat digunakan  untuk  menemukan  material  baru,  maka  dari  itu  penting  untuk  mengetahui  kekuatan  dan  kekakuan  suatu material  dalam  menahan  beban.  Jumlah  eksperimen  telah  banyak  dilakukan  oleh  para  insinyur  untuk  menguji  suatu material baja, material tersebut diantaranya mengalami beban tarik, tekan, bengkok dan puntir [1].
Salah  satu  pengujian  yang  dapat  dilakukan  yaitu  pengujian  puntir.  Pengujian  ini  dilakukan  untuk  mengetahui kekuatan  puntir  dari  material  yang  bersangkutan.  Beberapa  data  yang  didapatkan  dari  pengujian  ini  adalah  tegangan geser, modulus elastis, momen  puntir, dll [2]. Pengujian ini dapat dilakukan pada poros roda, poros silinder, balok, dll. Pengujian  puntir  paling  sering  digunakan  pada  poros  silinder  dengan  memberi  torsi  pada  sumbu  longitudinal.  Kurva tegangan  geser  versus  regangan  geser  dapat  ditentukan  dari  simultan  pengukuran  torsi  dan  sudut  puntir  selama pengujian [3].
Mesin uji puntir membutuhkan suatu sistem akuisisi data untuk mendapatkan hasil  pembacaan data yang akurat. Sistem  akuisisi  data  dapat  didefinisikan  sebagai  suatu  sistem  yang  berfungsi  untuk  mengambil,  mengumpulkan  dan menyiapkan  data  hingga  memprosesnya  untuk  menghasilkan  data  yang  dikehendaki.  Jenis  serta  metode  yang  dipilih pada umumnya bertujuan untuk menyederhanakan setiap langkah yang dilaksanakan pada keseluruhan proses [4].
Pengaplikasian sistem akuisisi data dapat dikendalikan oleh program perangkat lunak yang menggunakan berbagai bahasa  pemrograman  seperti  C,  C#,  Visual  Basic,  Fortran,  Java,  Lisp,  dan  LabVIEW.  Penggunaan  program  tersebut dapat  berguna  untuk  memudahkan  dalam  mengolah  dan  menampilkan  data  [5].  Sistem  akuisisi  data  membutuhkan piranti-piranti  sensor  untuk  mengkonversi  variable-variabel  fisik  menjadi  variable  tegangan  listrik  [6].  Sensor  yang digunakan  dalam  sistem  akuisisi  data  penelitian  ini  yaitu rotary  encoder untuk  mencatat  sudut  puntir  dan load  cell untuk mencatat gaya yang selanjutnya dirubah menjadi nilai torsi.
Rotary  encoder merupakan  alat  pengukur  sudut  yang  digunakan  dalam  banyak  aplikasi  di  industri  seperti mengukur  kecepatan  dan  posisi  sudut  motor  atau  untuk  mendeteksi  sudut  setir  suatu  kendaraan.  Sinyal  dari rotary encoder berupa sinyal digital sehingga pembacaan dapat sangat akurat [7]. Encoder ini perlu dilakukan kalibrasi untuk mengetahui tingkat ketelitian pembacaannya dan keakuratannya.
Load  Cell merupakan  alat  yang  telah  lama  digunakan  untuk  mengukur  gaya  dan  torsi,  sensor load  cell sangat akurat  dan  dapat  diandalkan  ketika  dirancang  dan  diterapkan  dengan  benar.  Pada load  cell terdapat  elemen  foil  tipis yang disebut  dengan strain gauge . Strain gauge tersebut  yang berfungsi sebagai resistansi  bila terjadi deformasi pada load  cell .  semakin  besar  deformasi  maka  semakin  besar  hambatannya,  dengan  perbedaan  hambatan  tersebut  maka tegangan  yang  keluar  akan  berubah-ubah,  sehingga  tegangan  tersebut  dapat  dikonversikan  menjadi  sebuah  nilai  gaya [8].
Hubungan antara torsi (T) dan sudut puntir ( 𝜽 ) dari silinder pejal dapat dirumuskan [9].
𝑻 𝜽 = 𝑮𝑱 𝑳 (1)
𝑻 = 𝑭 × 𝒓 (2)
Dimana G adalah modulus geser dari material, J adalah momen inersia polar.  Tegangan geser maksimum ( 𝝉 𝒎𝒂𝒙 ) yang terjadi pada permukaan luar dapat dihitung.
𝝉 𝒎𝒂𝒙 = 𝑻𝒓 𝑱 (3)
Dimana,
𝑱 = 𝝅𝑫 𝟒 𝟑𝟐 (4)
Regangan geser ( 𝜸 ) pada pengujian torsi dapat dihitung dengan persamaan berikut [10].
𝜸 = 𝜽𝒓 𝑳 (5)
Dimana:
T = torsi (N/m)
𝜽 = sudut puntir (rad) L = panjang specimen (m) F = gaya (N) r = jari-jari silinder (m) D = diameter silinder (m) 𝝉 𝒎𝒂𝒙 = tegangan geser maksimum (Pa)
𝜸 = regangan geser (rad)
Tujuan  dari  penelitian  ini  yaitu  menghasilkan  piranti  sistem  akuisisi  data  untuk  mesin  uji  puntir  yang  dapat menampilkan  data  secara realtime dan  akurat,  sehingga  dapat  bermanfaat  bagi  industri  guna  meningkatkan  kualitas suatu material, serta dapat juga digunakan sebagai media pembelajaran bagi mahasiswa.
Metode penelitian dalam penelitian ini menggunakan diagram alir pada gambar 1.
Gambar 1. Diagram alir penelitian

## 2.1 Alat dan Bahan
Bahan spesimen yang digunakan dalam uji puntir ini untuk mengetahui kestabilan dari pembacaan data yaitu material ST37. Ukuran spesimen berdasarkan standar ASTM E-143 dapat dilihat pada gambar 2a.
Gambar 2. Dimensi spesimen (a) dan spesimen uji puntir (b)
Gambar  2b  merupakan  spesimen  yang  telah  dibuat  dengan  jumlah  3  batang  untuk  dilakukan  pengujian  puntir. Kerangka mesin uji puntir tanpa sensor juga dibutuhkan untuk berlangsungnya pengujian dan penelitian ini.
Alat dan spesifikasi yang digunakan untuk penelitian ini dapat dilihat pada tabel 1.
(a)
(b)
Tabel 1. Alat untuk sistem akuisisi data
No Alat Spesifikasi dan keterangan 1 Personal Computer  Asus X450JN
 Intel(R)  Core(TM)  i7-4710HQ  CPU  @  2.50GHz  (8  CPUs), ~2.5GHz, RAM 8 GB
2 Arduino Uno R3  Terdapat  pin  5V  dan  Gnd  untuk  menyuplai  tegangan  ke komponen lain  14 pin digital, 5 pin analog 3 Load Cell  Tegangan kerja 5V sampai 12 V
 Tipe S dengan Kapasitas 500 kg  Ukuran 76,2 mm x 50,8 mm x 25,4 mm 4 Rotary EncoderIncremental  Tegangan kerja 5V sampai 24 V
 Diameter shaft 6 mm
 resolusi 600 pulsa / putaran
5 Amplifier HX711  Tegangan kerja 5V
 Akurasi 24-bit ADC 6 Power Supply  Tegangan kerja 9,6V
 Arus 1,5 A 7 Kabel Jumper  Memiliki panjang 200 mm
 Sebagai penyambung tegangan antar komponen 8 Multimeter  Pembacaan secara digital
 Sebagai pengukur tegangan, arus, dan hambatan komponen
9 Pemberat Kalibrasi
 Berat 0,5 kg, 1 kg, 1,5 kg, 2kg, dan 2,5 kg

## 2.2 Konsep Sistem Akuisisi Data
Gambar 3. Diagram blok sistem
Pada  gambar  3  menunjukan  diagram  blok  sistem  akuisisi  data  yang  dibuat,  pada  bagian input merupakan  data awal yang diterima oleh sensor rotary encoder dan load cell . Sensor rotary encoder akan mengirim data berupa pulsa ketika  melakukan  putaran  pada  porosnya,  pulsa  ini  berupa  sinyal  digital  sehingga  pembacaannya  akan  lebih  akurat. Sedangkan load  cell akan  mengirimkan  data  berupa  nilai  tegangan  yang  dikeluarkan  ketika  terdapat  sebuah  beban, tegangan tersebut memiliki nilai yang sangat kecil sehingga untuk pengiriman data ke bagian proses diperlukan sebuah penguat  dan  konverter  dengan  menggunakan  ADC  ( Analog  to  Digital  Converter )  yang  akan  mengkonversi  sinyal analog menjadi digital dan memperkuat sinyalnya menjadi data yang lebih besar.
Blok  selanjutnya  yaitu  bagian  proses,  bagian  proses  ini  menggunakan  mikrokontroler  Arduino  Uno  R3  yang merupakan sebuah otak untuk mendapatkan nilai masukan yang didapat dari rotary encoder dan load cell . Arduno ini digunakan untuk mengolah data sensor, mengkalibrasi, dan membuat data yang lebih presisi.
Bagian Output atau keluaran merupakan hasil dari data yang diolah oleh arduino, keluaran yang digunakan yaitu menggunakan  PC  ( Personal  Computer ),  dimana  PC  akan  menghitung  dan  mengkonversi  satuan  menggunakan pemrograman  Microsoft  Visual  C#  yang  menghasilkan  data  serta  grafik-grafik realtime dari  pengujian  puntir  yang dilakukan.  Selain  keluaran  berupa  data  dan  grafik  dari software , output dapat  disimpan  dalam  format  *.csv  ( Comma Separated Values ) yang dapat dibuka dengan Microsoft Excel.

## 2.3 Perancangan Sistem Kontrol
Perancangan sistem kontrol ini meliputi tata letak dari sensor yang digunakan serta rangkaian elektriknya.
Gambar 4. Penempatan rotary encoder (a) dan penempatan load cell (b)
Pada  gambar  4a  sensor rotary  encoder diletakan  dibelakang gearbox yang  dihubungkan  dengan  poros gearbox, ketika poros gearbox berputar rotary encoder akan berputar mengikutinya, sehingga sudut puntir dapat dibaca melalui rotary encoder tersebut.
Gambar 4b menunjukan letak  dari load cell yang memiliki jarak 80 mm dari  center poros putar, sehingga untuk mendapatkan nilai torsi maka dapat dihitung dengan persamaan (2).
𝑻 = 𝑭 × 𝒓
𝑻 = 𝑭 × 𝟎, 𝟎𝟖𝒎

## 𝑻 = 𝟎, 𝟎𝟖𝑭
Gambar 4c merupakan kerangka alat uji puntir yang telah dipasang dengan sensor dan bagian mekanik yang lain seperti gearbox , cekam, kopling, bantalan,  tuas dan kerangkanya.
Gambar 5. Rangkaian sistem kontrol
Rangkaian  elektrik  untuk  sistem  kontrol  ini  dapat  dilihat  pada  gambar  5,  pada  rangkaian  tersebut  arduino membutuhkan tegangan dari power supply .

## 2.4 Pembuatan Tampilan Muka Perangkat Lunak
Tampilan  muka  untuk  uji  puntir  dibuat  menggunakan software Microsoft  Visual  Studio  2015  dengan  bahasa pemrograman  Visual  C#,  tampilan  muka  pengujian  puntir  ini  menampilkan  data  grafik  tegangan  geser  vs  regangan geser,  torsi  vs  sudut  puntir,  dan  nilai  masing-masing  parameter  tersebut  secara realtime .  Nilai  tersebut  didapat berdasarkan perhitungan komputer yang telah terprogram dengan persamaan (2), (3), (4), dan (5). Aplikasi yang dibuat ini  membutuhkan  masukan  parameter  dari  dimensi  spesimen  yang  diisi  pada  kolom  di  bawahnya.  Terdapat  tombol mulai,  berhenti, reset ,  dan  simpan  untuk  menjalankannya,  serta  terdapat  waktu  yang  mencatat  lama  pengujian  puntir dilakukan.
Gambar 6. Tampilan perangkat lunak
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Pengujian Sensor Rotary Encoder
(a) (b) (c)
Rotary encoder ini memiliki 2 keluaran sinyal A dan B, dengan adanya keluaran 2 sinyal tersebut maka resolusi dapat ditingkatkan dengan memanfaatkan peluang kemungkinan sinyal 1 dan 0 yang keluar dari data A dan B. Resolusi dapat ditingkatkan hingga 4x dari nilai spesifikasi, sehingga pulsa yang didapat dari pembacaan dapat mencapai  2400 pulsa  dalam  satu  putaran.  Setelah  mengetahui  resolusi  dari rotary  encoder maka  dapat  menentukan  ketelitian  sudut putar dari rotary encoder tersebut, Ketelitian = 360 ˚/2400 = 0,15 ˚. Berdasarkan perhitungan didapat ketelitian sudut putar 0,15˚ dari setiap pulsa yang diterima.
Gambar 7. Grafik pengujian rotary encoder
Pada grafik gambar 7 menunjukan nilai R2 = 1 yang artinya grafik tersebut menyatakan bahwa pulsa yang keluar dari rotary encoder berbanding lurus dengan penambahan sudut putarnya. Koefisien determinasi tersebut bisa bernilai 1 karena keluaran dari encoder berupa sinyal digital sehingga dapat dibaca secara pasti. Pada grafik juga terdapat fungsi y = 0,15x yang artinya dalam setiap satu pulsa encoder menghasilkan perubahan sudut sebesar 0,15˚, nilai tersebut sesuai dengan  perhitungan  ketelitian  dari encoder ,  sehingga  program  yang  digunakan  sudah  sesuai  dengan  perhitungan manual. Program yang digunakan tidak membatasi penambahan sudut putaran dari encoder , sehingga encoder memiliki pembacaan jumlah sudut putar yang tidak terbatas.

## 3.2 Kalibrasi Sensor Load Cell
Load  cell dikalibrasi  dengan  cara  memberikan  beban  pemberat  secara  berurutan  dari  0,5  kg  sampai  2,5  kg,  dan dilakukan pengukuran tegangan pada setiap pemberat yang diletakan.

## Gambar 8. Grafik pengujian load cell
Pada  grafik  gambar  8  menunjukan  nilai  R2  =  0,9997  yang  artinya  grafik  tersebut  menyatakan  bahwa  tegangan yang keluar dari load cell berbanding lurus dengan penambahan beratnya dengan keyakinan sebesar 99,97%. Koefisien determinasi tersebut bila mendekati nilai 1 maka tingkat keakuratannya akan semakin tinggi. Pada grafik juga terdapat fungsi y = 10,426x-0,0011, yang artinya tegangan dan berat memiliki hubungan sesuai dengan fungsi tersebut.
Amplifier HX711 yang merupakan ADC memiliki akurasi sebesar 24-bit dan arduino memiliki keluaran tegangan sebesar  5V  maka  tingkat  pembacaan  ADC  sebesar  5/224  =  5/16777216  =  2,98023x10 -7 V  atau  2,98023  x  10 -4 mV. Berdasarkan  perhitungan  tersebut  maka  perubahan  1  bit  pada  ADC  terjadi  ketika  perubahan  tegangan  sebesar 2,98023x10 -4 mV, bila nilai tersebut dianggap sebagai x dan dimasukan kedalam fungsi y maka akan mendapatkan nilai ketelitian pembacaan dari load cell . y = 10,426x – 0,0011 y = 10,426 (2, 98023x10 -4 ) – 0,0011 y = 0,0031 – 0,0011 y = 0,002 Berdasarkan perhitungan tersebut didapat nilai y = 0,002 maka ketelitian dari pembacaan load cell adalah 0,002 kg atau 2 g. Ketelitian tersebut sudah sangat layak untuk digunakan dalam akuisisi data mesin uji puntir ini.
3.3 Pengujian Spesimen
Gambar 9. Grafik tegangan geser vs regangan geser (a) dan grafik torsi vs sudut puntir (b)
Berdasarkan hasil pengujian puntir pada 3 spesimen tersebut yang dipuntir hingga patah, grafik tegangan geser vs regangan geser dan torsi vs sudut memiliki trendline yang relatif sama yang artinya pembacaan data yang dikirimkan dari load cell dan rotary encoder sudah stabil.
Tabel 2. Hasil pengujian puntir spesimen dari perangkat lunak yang dibuat
Tabel 2 merupakan hasil nilai dari pembacaan software, dari tabel tersebut terlihat pengujian puntir dengan ukuran dan  material  spesimen  yang  sama,  pembacaan  data  tegangan  geser,  regangan  geser,  torsi,  dan  sudut  puntir maksimumnya  memiliki perbedaan nilai  yang  tidak  jauh antar  setiap  spesimennya,  sedangkan  untuk  waktu  pengujian terdapat perbedaan karena pengaruh dari kecepatan putar tuasnya antara pengujian spesimen 1, 2, dan 3.

## 4. Kesimpulan
Dari  hasil  dan  analisa  pengujian  yang  telah  dilakukan,  maka  dapat  disimpulkan  bahwa:  pada  pengambilan  data sensor rotary  encoder nilai  sudut  terkecil  atau  ketelitian  yang  dapat  dibaca  oleh  arduino  yaitu  0,15˚,  serta  pada pengujian load  cell didapatkan  fungsi  kalibrasi  yaitu  y  =  10,426x  -  0,0011  dan  ketelitian  pembacaan  dari load  cell sebesar 0,002 kg atau 2 g. Hasil pengujian ketiga spesimen ST37 dengan dimensi yang sama, menghasilkan data grafik pembacaan yang stabil. Hasil rata-rata dari pengujian spesimen ini diperoleh data tegangan geser maksimumnya 523,5 MPa,  regangan  geser  maksimumnya  0,92537  rad,  torsi  maksimumnya  52,6  N.m,  sudut  puntirnya  18,50748  rad,  dan waktu pengujian hingga patah 362,3 detik

## Daftar Pustaka
[1]   Patil, R. D., Gore, P. N., 2013, “Review the Effect of Specimen Geometry on Torsion Test Results”, Int. J. Innov. Res. Sci. Eng. Techonology (IJIRSET) , 2(12): 7567-7574.
[2]  Jokosiswowo,  Sarjito,  2009,  “Analisa  Kekuatan  Puntir,  Lentur  Putar  dan  Kekerasan  Baja  ST60  untuk  Poros Propeller Setelah diQuenching”, Rotasi , 11(2).
[3]  Bressan,  J.  D.,  Unfer,  R.  K.,  2006,  “Construction  and  Validation  Tests  of  a  Torsion  Test  Machine”, Journal  of Materials Processing Technology, 179: 23-29.
[4]  Nagara,  N.,  Yazid,  P.  I.,  2012,  “Perangkat  Lunak  Sistem  Akuisisi  Data  Menggunakan  Delphi”, Jurnal  Otomasi Kontrol dan Instrumentasi , 4(1).
[5]  Jaidka,  P., et  al ,  2014,  “Precise  Mass  Measurement  Using  Data  Acquisition  System”, Int.  J.  of  Sci.  Eng. Techonology Res. (IJSETR) , 3(6): 1740-1743.
[6]  Nasrullah,  E.,  Raharjo,  Y.,  2009,  “Rancang  Bangun  Alat  Pemantau  Kualitas  Udara  Sekitar  Berbasis Mikrokontroler  AVR  ATMega  8  Dengan  Penampil  Dot  Matrix”, Electrician  Jurnal  Rekayasa  dan  Teknologi Elektro , 3:1-9.
[7]  Chen,  Yi-Chen, et  al ,  2018,  “High-Precision  Digital  Rotary  Encoder  Based  on  Dot-Matix  Gratings”, IEEE Photonics Journal , 10(2).
[8]  Muller, Ivan, et al , 2010, “Load cells in force sensing analysis - Theory and a novel application”, IEEE Instrument and Measurement Magazine , 13(1): 15-19
[9]  Khokhar, A. M., (2011), “The Evaluation of Shear Properties of Timber Beams Using Torsion Test Method”, PhD Thesis, School of Engineering and the Built Environment, Edinburgh Napier University.
[10]  Yang, Z. X., et al , 2008, “Interpretation of torsional shear results for nonlinear stress–strain relationship”, Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech. , 32: 1247–1266.
No. Spesimen Tegangan Geser Maksimum [Mpa] Regangan Geser Maksimum [rad] Torsi Maksimum [N.m] Sudut Puntir Maksimum [rad] Waktu [s] Spesimen 1 534,1 0,94562 53,67 18,91240 388 Spesimen 2 524,05 0,91237 52,66 18,24743 371 Spesimen 3 512,34 0,91813 51,48 18,36262 328 Rata-Rata 523,5 0,92537 52,6 18,50748 362,3
(a)
(b)