Robot Penyapu Lantai

BAB III
PERANCANGAN SISTEM
Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan sistem dan realisasi
perangkat keras, konstruksi fisik dan perangkat lunak dari setiap modul yang
mendukung alat secara keseluruhan. Secara lengkap, alat yang dirancang dan
direalisasikan dapat dilihat pada Gambar 2.1. Perancangan perangkat keras
meliputi mekanik dan elektronik, sedangkan perancangan perangkat lunak berupa
baris-baris program yang diunduhkan pada mikrokontroler.
3.1
Cara Kerja Sistem
Robot penyapu lantai ini dirancang mempunyai 2 (dua) mode penggunaan,
yaitu mode acak dan zig-zag.
3.1.1 Mode Acak
Pada mode ini, robot penyapu lantai akan bergerak secara acak atau
secara bebas. Pada saat robot penyapu ini dijalankan robot berjalan maju
kedepan. Pada saat sensor ultrasonik bagian depan mendeteksi adanya objek
penghalang maka akan berbelok dengan sudut  125
0
ke arah kiri atau ke
arah kanan secara bergantian seperti terlihat pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1Arah Belok Robot Pada Sensor Penghalang Depan Dengan
Sudut  125 0
Jika sensor ultrasonik yang terdapat di bagian bawah robot pada saat
mendeteksi adanya tebing robot akan mundur sejauh 10 cm dan berbelok
9
10
dengan sudut  125 0 kearah kiri atau ke arah kanan secara bergantian seperti
terlihat pada Gambar 3.2.
Gambar 3.2 Arah Belok Robot Pada Sensor Tebing DenganSudut  125 0
Sensor ultrasonik yang terdapat pada bagian depankiri dan depankanan
robot pada saat mendeteksi adanya halangan secara berturut-turut akan
berputar kearah kanan atau kiri dengan sudut  60 0 , seperti terlihat pada
Gambar 3.3.
Gambar 3.3 Arah Belok Robot Pada Sensor Penghalang Depan Kanan dan
Depan KiriDenganSudut  60 0
Sedangkan sensor yang terdapat pada sisikiri dan sisi kanan robot akan
berputar kekanan atau ke kiri dengan sudut  30 0 , seperti terlihat pada
Gambar 3.4.
11
Gambar 3.4 Arah Belok Robot Pada Sensor Penghalang Sisi Kanan dan
Sisi Kiri Dengan Sudut  30 0
3.1.2 Mode Zig – Zag
Mode ini robot penyapu lantai akan bergerak secara zig-zag atau secara
beraturan. Pada saat robot penyapu ini dijalankan, robot berjalan maju
kedepan. Pada saat sensor ultrasonik sisi depan mendeteksi adanya objek
penghalang di depan, maka akan berbelok dengan sudut  180
0
ke arah kiri
atauke arah kanan secara bergantian seperti terlihat pada Gambar 3.5.
Gambar 3.5Arah Belok Robot Pada Sensor Penghalang Depan Dengan
Sudut  180 0
Jika sensor ultrasonik yang terdapat di bagian bawah robot pada saat
mendeteksi adanya tebing, robot akan mundur sejauh 10 cm dan berbelok
dengan sudut  180
0
ke arah kiri atau ke arah kanan.
12
Gambar 3.6 Arah Belok Robot Pada Sensor Tebing DenganSudut  180
0
Sensor ultrasonik yang terdapat pada bagian depan kiri dan depan kanan
robot pada saat mendeteksi adanya objek penghalang secara berturut-turut
akan berputar kearah kanan atau kiri dengan sudut  60 0 , seperti pada
Gambar 3.3.
Sedangkan jika sensor yang terdapat pada kiri dan kanan mendeteksi
adanya objek penghalang robot akan berputar ke kanan atauke kiri dengan
sudut  30 0 , seperti pada Gambar 3.4.
3.2
Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras
Perancangan perangkat keras untuk bangun robot penyapu lantai adalah
dengan membuat untai masing-masing dari bagian sistem
dan rancangan
konstruksi fisik.Perangkat keras yang dirancang dan direalisasikan pada alat ini
terdiri dari mikrokontroler sebagai pengendali utama, push buttonsebagai
masukan mode kerja robot, driver L298sebagai driver motor, sensor ultarasonik
SRF04 sebagai pendeteksi objek penghalang dan tebing dan kompas digital
CMPS10 sebagai penunjuk arah.
Kontruksi fisik yang dirancang dan direalisasikan pada alat ini terdiri dari
roda, sikat samping sisi kanan dan sisi kiri, sikat bagian tengah dan tangki
penampung sampah.
13
3.2.1 Push Button
Modul push button yang digunakan adalah aktif low (pull up). Bentuk
dari push button ditunjukkan oleh Gambar 3.7.
V1
5V
R1
10K
Mikrokon
Button
Gambar 3.7 UntaiPush Button
Untai push button terdiri dari sebuah resistor yang diseri dengan
sebuah tombol normally-opened (NO). Resistor berfungsi sebagai beban
yang mencegah terjadinya hubung-singkat ketika tombol ditekan. Nilai
resistor yang digunakan dalam level teganganTTL adalah 10 Ω.[1]
Terlihat jelas seperti Gambar 3.7 jika push button tidak ditekan maka
pada input mikrokontrolernya bernilai 1, namun jika push button ditekan
maka pada input mikrokontroler bernilai 0.
3.2.2 Mikrokontroler
Alat yang dirancang menggunakan mikrokontroler keluarga AVR
jenis ATmega32a sebagai pengendali utama. Pada perancangan ini masukan
mode kerja melalui push button, sensor ultrasonik (SRF04) dan kompas
digital (CMPS10) sedangkan output berupa driver motor .
Konfigurasi penggunaan pin/port mikrokontroler ATmega32a dapat
dilihat dalam Tabel 3.2 dan skema dari board mikrokontroler dapat dilihat
pada Gambar 3.8.
14
Tabel 3.1 Konfigurasi Penggunaan PIN/PORT Mikrokontroler ATmega32a
Nomor Pin
Nama
Fungsi
33 – 40
PA7 – PA0
LCD
1– 6
PB0 – PB7
SRF04
22,23& 28,29
PC0,PC1 & PC6,PC7
SRF04
14 – 17
PD0 – PD3
DRIVER MOTOR
18,19
PD4,PD5
PUSH BUTTON
20,21
PD6,PD7
CMPS10
Gambar 3.8Skema Dari Board Mikrokontroler
15
3.2.3 Modul Sensor Ultrasonik (SRF04)
Sensor ultrasonik digunakan untuk mendeteksi dan mengukur jarak
sensor terhadap objek penghalang yang berada di depan sensor. Alasan
pemilihan menggunakan sensor ultrasonik adalah karena tidak terpengaruhi
oleh warna halangan maupun intensitas cahaya di sekelilingnya. Sensor
ultrasonik bekerja pada frekuensi sekitar 40kHz.[3]
Sensor ultrasonik yang digunakan adalah Devantech SRF04 yang
mempunyai spesifikasi, yaitu tegangan catu daya 5 volt kompatibel dengan
TTL, konsumsi arus rata-rata 30 mA dan 50 mA maksimal, frekuensi kerja
40kHz, jangkauan 3 cm minimal dan 3 m maksimal, masukan trigger
minimal 10us level TTL, pulsa echo – sinyal level TTL positif dengan lebar
proposrsional terhadap jarak,[3] dimensi kompak (24mm(p) x 20mm(d) x
17mm(t)
Gambar 3.9 Bentuk fisik dari Sensor Ultrasonik (SRF04)
Prinsip kerja SRF04 adalah transmitter memancarkan seberkas sinyal
ultrasonik (40kHz) yang bebentuk pulsatik, jika di depan SRF04 ada objek
padat maka receiver akan menerima pantulan sinyal ultrasonik tersebut.
Receiver akan membaca lebar pulsa (dalam bentukPWM) yang dipantulkan
objek dan selisih waktu pemancaran. Dengan pengukuran tersebut, jarak
objek di depan sensor dapat diketahui.[3]Untuk lebih jelasnya perhatikan
Gambar 3.10.
Untuk mengaktifkan SRF04, mikrokontroler harus mengirimkan pulsa
positif minimal 10us melalui pin trigger, maka SRF04 akan mengeluarkan
sinyal ultrasonik sebesar 8 cycle dan selanjutnya SRF04 akan memberikan
16
pulsa 100us-18ms pada outputnya tergantung pada informasi jarak pantulan
objek yang diterima. [3]
Gambar 3.10 Diagram Waktu Sensor Ultrasonik[3]
Dalam menentukan jarak robot terhadap objek penghalang menggunakan
rumus:
Dv
t
2
(3.1)
Dimana :
D = Jarak (m)
v = Kecepatan suara 340 m/s
t = Waktu pantulan (s)
Untuk mengetahuikecepatan suara terhadap perubahan waktu digunakan
rumus:[2]
t  t2  t1
(3.2)
Gambar 3.11 Cara Kerja Pemancar dan Penerima Sensor Ultrasonik
(SRF04)[2]
17
3.2.4 Modul Driver Motor
Modul ini memiliki komponen utama sebuah chip driver motor DC
servo yang dapat dengan mudah dikendalikan dari mikrokontroler secara
langsung. Modul yang ditunjukkan pada Gambar 3.12 menggunakan
kan motor DC sampai
menggerakkan
ICdriver L298 yang memiliki kemampuan mengg
dengan 4 amper dan tegangan maksimum 40 volt DC untuk satu kanalnya.[3]
Gambar 3.12 Bentuk Fisik Modul Driver Motor (L298)
Spesifikasi
Spesifikasi:
1) TeganganOperasi
TeganganOperasi: 5-46V
2) Total Arus DC yang mampu dilewatkan sampai dengan 4
ampere
mpere.
kerja:500mA
3) Arus kerja
4) Ukuran
Ukuran:: 49.0mm(X) x 45.4mm(Y) x 1.9mm(Z)
18
Tabel 3.2 Keterangan Pin Driver Motor
Namapin
Keterangan Pin
GND
Tegangan Sumber (-) IC / Ground
VCC
Tegangan Sumber IC (+)
VS
Tegangan Sumber Motor
IN1
Input-1 (termasuk bagian 1 IC)
IN2
Input-2 (termasuk bagian 1 IC)
IN3
Input-3 (termasuk bagian 2 IC)
IN4
Input-4 (termasuk bagian 2 IC)
OUT_1
Output -1 (termasuk Bagian 1 IC)
OUT_2
Output -2 (termasuk Bagian 1 IC)
OUT_3
Output -3 (termasuk Bagian 2 IC)
OUT_4
Output -4 (termasuk Bagian 2 IC)
Gambar 3.13 Ilustrasi Pengendalian Arah Putar Motor DC
Gambar 3.13menunjukkan bahwa dengan membalik polaritas sumber maka
arah putaran akan berlawanan arah dengan sebelumnya. Ini berlaku untuk
motor DC.[3]
Input untuk motor servo kanan adalah input 1,2. Pengendalian arah
putarnya pada Tabel 3.4.
19
Tabel 3.3 Sistem Pengendalian Driver Motor
Input
Enable =H
Function
Input 1 = H
Maju
Input 2 = L
Input 1 = L
Mundur
Input 2 = H
Enable=L
Input 1 = Input 2
Motor Berhenti Cepat
Input 1 = x
Motor Bebas
Input 2 = x
dan
Berhenti
H=high L=low
X = sembarang
Vin2
VCC
Vin1
R1
R3
Q1
D2
D1
Q3
M1
R4
R2
D3
Q2
Vo2
D4
Q4
Vo1
Gambar 3.14 UntaiDriver Motor Dengan H-BRIDGE
Cara Kerja:
1) Jika Vinput1 diberi logika ‘1’ (5 volt) dan Vinput2 diberi logika ‘0’
(dibawah 1 volt) maka Q1 dan Q4 akan aktif/ saturasi, Q2 dan Q3 akan
off / cut off. Hal ini menyebabkan Vo1 bernilai sebesar Vmotor dan
Vo2ground / 0 volt.[3]
2) Jika Vinput1 diberi logika ‘0’ (dibawah 1 volt) dan Vinput2 diberi
logika ‘1’ (5 volt) maka Q1 dan Q4 akan off / cut off, Q2 dan Q3 akan
aktif / saturasi. Hal ini menyebabkan Vo1 bernilai ground / 0 volt dan
Vo2 sebesar Vmotor (berlawanan arah dengan kondisi nomor 1)[3]
20
3) Jika Vinput1 diberi logika ‘1’ (5 volt) dan Vinput2 diberi logika ‘1’ (5
volt) maka Q1 dan Q4 akan aktif/ saturasi, Q2 dan Q3 akan aktif /
saturasi juga. Hal ini menyebabkan hubungan singkat atau short karena
Vmotor dan ground terhubung. Kondisi ini terlarang, jadi harus
dihindari saat pemograman.[3]
3.2.5 Kompas Digital (CMPS10)
Sensor CMPS10 terdiri dari magnetometer 3-axis dan accelerometer 3axis serta mengunakan prosesor 16-bit, CMPS10 telah dirancang untuk
mengurangi kesalahan yang disebabkan oleh miringnya PCB. CMPS10
menghasilkan hasil nilai keluaran dari 0-3599 mewakili 0-359.9 atau 0
sampai 255. Sedangkan CMPS10 membutuhkan power supply pada
tegangan 3,3 - 5V dan arus minimal 25mA. Untuk mengakses sensor
CMPS10 ada 3 cara yaitu dengan antarmuka serial, antarmuka I2C atau
output PWM.[5]
Gambar 3.15 Bentuk Fisik Dari Sensor Kompas Digital (CMPS10)
Pada CMPS10 ini cara mengaksesnya dengan mengunakaninterface
I2C pada PORTD.6 untuk pin SDA dan PORTD.7 untuk pin SCL untuk
mengetahui nilai keluaran dari kompas digital dan menentukan kutub pada
setiap mata angin yang ada dengan mengunakan pemograman bahasa C
dengan compiler Codevision AVR[5]
21
3.2.6 Catu Daya
Baterai merupakan sumber daya utama untuk seluruh untai pada Robot
penyapu lantai. Baterai yang digunakan adalah Lipo Zippy 7,4 volt dengan
arus kerja 6000mAh. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.17. Baterai
tersebut disusun secara paralel sebanyak 2 (dua) buah, sehingga
mendapatkan arus kerja 12.000mAh.
Gambar 3.16Bentuk Fisik BateraiLipo Zippy 6000mA. 7,4V
Gambar 3.17 Untai Regulator Tegangan 5 volt
Pada keluaran (Output) dari baterai dibagi menjadi beberapa bagian.
Sebagai sumber tegangan SRF04, CMPS10 dan mikrokontroler, yang
membutuhkan sumber tegangan kerja 5 volt DC menggunakan regulator
tegangan LM 7805 seperti pada Gambar 3.17. Sedangkan sumber tegangan
untuk motor DC pada motor vacuum, sikat tengah, sikat samping kanan kiri
dan roda penggerak menggunakan tegangan sumber sebesar 7,4 volt.
22
3.3
Perancangan Perangkat Lunak
start
Acak
No
No
Ada
Halangan
Sisi Kanan
?
N0
Ada
Halangan
Sisi Dkanan
?
Yes
Yes
Putar Kiri 30
Putar Kiri 60
Yes
No
Ada
Halangan
Sisi Kiri
?
No
Ada
Halangan
Sisi DKiri
?
Yes
Yes
Putar Kanan
30
Putar Kanan
60
No
Yes
Yes
Yes
Zig-Zag
Prosedur
Maju
Prosedur
Maju
Ada
Halangan
Depan
?
Ada
Halangan
Depan
?
Yes
Yes
Prosedur
Belok Kanan
120
Prosedur
Belok Kanan
180
No
No
Ada
Halangan
Kanan
?
Ada
Halangan
Kanan
?
No
No
Ada
Halangan
Depan
?
No
Pilihan
?
Yes
Yes
Prosedur
Belok Kiri
180
Ada
Halangan
Kiri
?
No
Ada
Halangan
Depan
?
Yes
Ada
Halangan
Sisi Dkanan
?
No
Ada
Halangan
Depan
?
Yes
Yes
Prosedur
Belok Kiri 120
Prosedur
Belok Kiri 180
Prosedur Mundur
Prosedur Mundur
Ada
Halangan
Bawah
?
Ada
Halangan
Bawah
?
No
No
Prosedur Mundur
Prosedur Mundur
Belok Kiri 120
Belok Kiri 180
Ada
Halangan
Bawah
?
Ada
Halangan
Bawah
?
No
No
Prosedur Mundur
Prosedur Mundur
Belok Kanan 120
Belok Kanan 180
END
END
Ada
Halangan
Sisi Kanan
?
Yes
Yes
Putar Kiri 60
Putar Kiri 30
Ada
Halangan
Depan
?
Prosedur
Belok Kiri
120
Ada
Halangan
Kiri
?
No
No
No
Yes
Ada
Halangan
Sisi DKiri
?
No
Ada
Halangan
Sisi Kiri
?
Yes
Yes
Putar Kanan
60
Putar Kanan
30
Gambar 3.18 Diagram Alir Perangkat Lunak
No
Yes
Yes
No
23
3.3.1 Penjelasan Diagram Alir
1. Pada
saat
sistem
diaktifkan,
maka
mikrokontroler
akan
mengaktifkan pilihan mode.
2. Terdapat 2 modepilihan penggunaan.
a) Mode acak
1) Pada saat push button mode acakditekan maka robot akan
bekerja maju kedepan sambil melakukan proses menyapu.
2) Pada saat sensor depan mendeteksi adanya halangan maka
akan berbelok dengan sudut ∠120 .
3) Pada saat sensor depan kiri dan depan kanan mendeteksi
adanya halangan maka robot akan berputar denan sudut
∠60 .
4) Pada saat sensor sisi kiri dan sisi kanan mendeteksi adanya
halangan maka robot akan berputar dengan sudut ∠30 .
5) Pada saat sensor bawah mendeteksi adanya tebing, maka
robot akan mundur dan berbelok ke kiri atau ke kanan
dengan sudut∠120 .
b) ModeZig – zag
1) Pada saat push button mode zig - zag ditekan maka robot
akan bekerja maju kedepan sambil melakukan proses
menyapu.
2) Pada saat sensor depan mendeteksi adanya halangan maka
akan berbelok dengan sudut ∠180 .
3) Pada saat sensor depan kiridan depan kanan mendeteksi
adanya halangan maka robot akan berputar dengan
sudut∠60 .
4) Pada saat sensor sisi kiri dan sisi kanan mendeteksi adanya
halangan maka robot akan berputar dengan sudut∠30 .
5) Pada saat sensor bawah mendeteksi adanya tebing, maka
robot akan mundur dan berbelok ke kiri atau ke kanan
dengan sudut ∠180
24
3.4
Konstruksi Fisik
Konstruksi fisik dari badan robot penyapu lantai ini menggunakan
akrilik 3mm,menjadi dasar tumpuan dari elektronik dan software. Kostruksi
fisik utama robot penyapu laintai adalah bagian roda, penyapu samping,
penyapu tengah, tangki penampung sampah dan kipas vacuum robot.
3.4.1 Roda
Konstruksi roda menggunakan akrilik dengan tebal 3mm, ada pun
diameter lingkaran roda 5,1 cm dan tebal dari roda 1,5 cm. Roda dari robot
terletak disamping kanan bawah dan kiri bawah robot.
(a)
(b)
(c)
Gambar 3.19Bentuk Fisek Dari Roda Penggerak
(a). Tebal Roda. (b). Diameter Roda. (c). Penempatan Roda Pada Robot.
3.4.2 Penyapu Sisi Kanan dan Sisi Kiri
Kontruksi penyapu yang terletak pada bagian bawah dari robot yang
menyerupai sebuah baling - baling, penyapu menggunakan senar pancing
yang dijadikan satu. Penyapu ini berfungsi sebagai pengumpul debu, yang
mana penyapu kanan berputar searah jarum jam dan penyapu kiri akan
25
berputar berlawanan arah putar jarum jam. Diameter dari penyapu adalah 13
cm dan jari – jari dari penyapu 6,5 cm.
(a)
(b)
Gambar 3.20 Bentuk Fisik Penyapu Samping
(a) Penyapu samping. (b) Penempatan Penyapu Pada Robot
3.4.3 Penyapu Tengah
Konstruksi penyapu tengah berbentuk roll yang berfungsi sebagai
penyapu. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.22. Penyapu tengah juga
berfungsi sebagai pengangkat debu atau sampah ke atas sambil di sedot oleh
vacuum.
Penyapu tengah mempunyai panjang 12,2 cm dan diameter 2,7 cm.
Penyapu di hubungkan dengan motor penggerak menggunakan slat belt.
Sedangkan pengerak dari penyapu ini menggunakan motor dc seperti pada
Gambar 3.24 (a).
3.4.4 Penampung Sampah
Kostruksi tangki penampung seperti pada Gambar 3.24 terletak di
bagian tengah dari robot penyapu lantai, yang berfungsi sabagai penampung
debu. Tangki memiliki filteryang berfungsi sebagai penyaring debu agar
tidak keluar dari tangki pada saat di hisapvacuum. Filter diletakkan pada
bagian belakang tangki atau di depan kipas vacuum.
26
Gambar 3.21 Bentuk Fisik Penyapu Tenganh
(a)
(b)
Gambar 3.22 Pemasangan (a)Belt dan (b) Penyapu Tengah Pada Robot
(a)
(b)
Gambar 3.23 Bentuk FisikTangki Penampung
(a) Tangki. (b) Filter Sampah dan Debu
Dimensi dari tangki sampah panjang 12 cm, tinggi 9 cm dan lebar 9,7
cm. Dimensi filter debu dan sampah panjang 5,5 cm dan diameter 6,5 cm.
27
3.4.5 Kipas Vacuum
Kontruksi kipas vacuum yang terletak di bagian belakang tengah, yang
berfungsi sebagai penghisapdebu.Tampak pada Gambar 3.24 di mana bentuk
fisik dari kipas vacuum yang digunakan pada robot penyapu lantai ini.
Dimensi dari kipas vacuum diameter kipas 8,8 cm, diameter dari
lubang 3,7 cm dan tebal dari kipas 3,5 cm
(a)
(b)
Gambar 3.24 Bentuk Fisik Dari Kipas Vacuum.
(a) Tampak Belakang. (b) Tampak Depan.
28
3.4.6 Hasil Perancangan
Gambar 3.25, 3.26, 3.27 dan 3.28 menunjukkan hasil dari keseluruhan
kontruksi atau perancangan dari tiap – tiap bagian dari rangkaian elektronik
dan bentuk fisik dari Robot Penyapu Lantai ini.
Gambar 3.25 Robot Tampak Belakang
Gambar 3.26 Robot Tampak Depan
29
Gambar 3.27 Robot Tampak Samping Kanan
Gambar 3.28 Robot Tampak Bawah