pengolahan sinyal termal dengan sensor untuk pengaturan sistim

PENGOLAHAN SINYAL TERMAL DENGAN SENSOR UNTUK
PENGATURAN SISTIM ELEKTRIK
ANWAR MUJADIN 1)
ARY SYAHRIAR 2)
1) Staff Lab Elektro Universitas Al Azhar Indonesia
2) Dosen Program Studi Teknik Elektro Universitas Al Azhar Indonesia
[email protected]
Abstraksi
Sistim penghematan energi listrik dan sekaligus sebagai proteksi sebuah gedung masih belum populer
saat ini, pada tulisan ini akan diterangkan bagaimana Phyroelectric sensor bekerja, bagaimana cara
mengidentifikasi manusia dalam ruangan (human tracking) dan teknik menyadap modulasi remote
kontrol untuk pengaturan Air Conditioner (AC).
Kata kunci : Phyroelectric Sensor, human tracking, remote control spy.
I.
Pendahuluan
Sejak diberlakukanya kenaikan Tarif Dasar
Listrik (TDL) oleh pemerintah dua tahun yang
lalu, masyarakat mulai berbondong-bondong
menghemat energi yang satu ini, banyak cara yang
dilakukan misalnya dengan memasang capacitor
bank atau dengan cara yang sederhana yaitu
dengan mematihidupkan peralatan pada jam tidak
diperlukan, dengan mengadopsi teknologi murah
dibuatkan alat pengendali otomatis untuk
pengaturan AC split ruangan.
Alat ini menggunakan Mikrokontroler AVR
ATMega8535 dan Phyroelectric PIR325 thermal
sensor sebagai pengendali utama dengan bahasan:
1. Pengidentifikasian dan analisa secara teoritis
terhadap
parameter-parameter
yang
mempengaruhi coverage energy pada sensor
phyroelectric sebagai pengindra termal
manusia. Kerapatan termal manusia dalam
ruangan akan didefinisikan kemudian diproses
oleh mikrokontroler untuk mengatur suhu
ruangan (AC) yang sesuai dengan kerapatan
manusia di dalam ruangan tersebut.
2. Membuat sampling dan menganalisa signal
modulasi remote AC. Untuk menghemat
penyimpanan data signal modulasi, data akan
di decode dan di simpanpan dalam permanen
memori. Signal kontrol yang dikirim ke AC
harus di encode dan di modulasi dengan teknik
routing code modulasi, dimana frekuensi
carrier harus cocok dengan remote AC aslinya.
II. Defenisi Dari Infra Merah
Bila sebuah object dipanasi maka akan
menyebarkan energi pada gelombang cahaya infra
merah (hot spectrum area). Semua objek pada
suhu kamar menyebarkan energi pada spectrum
cahaya infra merah, juga pada pada object yang
didinginkan. Lebih tinggi suhu dari satu objek,
maka lebih tinggi pula energi radiasi spektral
(emittance). Pada suhu kamar terjadi emittance
puncak pada panjang gelombang 10 µm. Matahari
mempunyai suhu sebesar 59000 K dengan puncak
emittance pada panjang gelombang 0.53 µm
memancarkan energy ultra violet berada jauh di
luar daerah Infra merah [1].
IIa. Deteksi energi dan photon infra merah
Ada dua cara fundamental dalam
mendeteksi Infra Merah, yaitu dengan mendeteksi
energi dan foton. Detektor Energi merespon
perubahan suhu akibat perubahan radiasi infra
merah lewat perubahan sifat material. Sedangkan
e-Indonesia Initiative 2008 (eII2007)
Konferensi Teknologi Informasi dan Komunikasi untuk Indonesia
21-23 Mei 2008, Jakarta
detektor foton mendeteksi perubahan elektrik
pembawa (carrier) lewat interaksi photon-photon
dan loncatan elektron. Contoh sensor energi infra
merah banyak macam diantaranya: thermocouples,
phyroelektrik, and termistor dan bimetal.
Sedangkan contoh dari sensor photon adalah:
Photovoltaic, Photoconductive, Extrinsic, dan
Photo-emissive [1].
Gambar 1 dibawah ini memperlihatkan Energi
radiasi spektral versus panjang gelombang
Pada Gambar 3. diperlihatkan berbagai
macam jenis phyroelektric dengan filter jendela
yang bervariasi dalam kemasan Transistor Outline
5 (TO5)
Gambar 3. Phyroelectric sensor dalam berbagai
jenis jendela filter
di representasikan sebagai arus yang
Bila
melewati sensor akibat fluktuasi radiasi suhu
menyebabkan perubahan suhu Tp maka:
IIc. Lensa Fresnel
Gambar 1. Energi radiasi spektral versus panjang
gelombang
Lensa Fresnel adalah sebuah lensa plano
convex (plat) yang sudah di tipiskan, lensa Fresnel
jenis FL65 dibuat dari suatu bahan yang bisa
menyerap dan memfokuskan radiasi infra merah
suhu badan manusia dengan jangkauan dari 8
sampai 14 µm. Gambar 4 memperlihatkan lensa
Fresnel.
IIb. Deteksi energi dan photon infra merah
Sensor pyroelectric dibuat dari satu bahan
crystalline yang menghasilkan satu muatan
elektrik permukaan ketika disinari radiasi infra
merah (panas). Dalam sensor ini terpasang satu,
dua atau empat element crystalline. Elemen sensor
sangat sensitif terhadap jangkauan lebar radiasi
sehingga diperlukan sebuah filter jendela untuk
membatasi incoming radiasi. Bentuk sensor
phyroelectric dan simbol diperlihatkan pada
Gambar 2 dibawah ini:
(a)
(b)
(c)
Gambar 4. (a) lensa presnel tampak samping, (b)
lensa presnel tampak depan (c) penempatan lensa
presnel dengan sensor IId. Rangkaian Penguat Phyroelectric
Sinyal output dari phyroelectric akan
dikuatkan dengan menggunakan 2 tingkat band
pass filter OPrational AMPlifier (OPAMP) yang
ditunjukan pada Gambar 5 dibawah ini [4]:
Gambar 2 Bentuk dan simbol phyroelectric sensor.
e-Indonesia Initiative 2008 (eII2007)
Konferensi Teknologi Informasi dan Komunikasi untuk Indonesia
21-23 Mei 2008, Jakarta
Pada penguatan pertama dan penguatan kedua
mempunyai konfigurasi band pass filter yang sama
sehingga, setiap cutt off frekuensi dapat di hitung
dari penguatan pertama dengan persamaan
matematis :
Gambar 5. Rangkaian penguat dua tingkat
bandpass filter
Penguat tingkat pertama IC5D, dibentuk dari
non inverting OPAMP sehingga di dapat
persamaan matematis:
VOut1
= (1+(R49+R50)/R48)
= (1+2.106/51.103) = 40,2 kali
(1)
Penguat tingkat kedua IC5C, dibentuk dari
penguat inverting OPAMP sehingga sinyal ouput
akan terbalik 1800 dari sinyal inputnya, karena
rangkaian menggunakan OPAMP dengan catu
daya tunggal maka untuk menghindari output
terpotong pada transisi negatif perlu tegangan bias
sebesar ½ VCC di pin non inverting OPAMP [4].
persamaan matematis penguatan inverting
menjadi:
VOut2 = ((P3+R55)/R21)
= (2.106/51.103) = 39,2 kali
Sehingga total penguatan menjadi :
= VOut1.VOut2
VOut
= 40,2 . 39,2 = 1576 kali
(4)
foH = 1/(2π.C34.(R49+R50))
= 1/(2 x 3,14 x 0.01 x 10-6 x 2 x 106)
= 1/ (6.28 x 2.10-2) = 7,96 Hz.
(5)
IIe. Rangkaian Komparator
Setelah melalui penguatan dan filter,
tegangan output akan masuk kedalam rangkaian
komparator, rangkaian ini mendeteksi input [5]
tegangan diatas dan di bawah level tegangan yang
telah di set seperti yang terlihat pada Gambar 7.
Dibawah ini :
(2)
(3)
Band Pass Filter (BPF) dirancang hanya untuk
mendeteksi
pergerakan suhu manusia, pada
respon antara low cutt off frekuensi (foL) dan high
cut off frekuensi (foH) [5], seperti yang terlihat
pada Gambar 6.
Gambar 6. Bandpass filter amplifier
foL = 1/(2π.C33.(R48))
= 1/(2 x 3.14 x 10.10-6 x 51.103)
= 1/(6.28x 51.10-2) = 0.31 Hz
Gambar 7. Rangkaian Komparator
Pada OPAMP IC5a, tegangan +3.3V
referensi diletakan pada input positif terminal
sehingga kalau tegangan listrik dari input negatif
terminal adalah kurang dari +3.3V, maka keluaran
adalah taraf tinggi (VCC) dan ketika tegangan
listrik dari input negatif terminal menjadi lebih
dari + 3.3V, keluaran menjadi taraf rendah (0
Volt).
Pada OPAMP IC5b, tegangan +1.7V
rferensi diletakan pada input negatif terminal
sehingga kalau tegangan listrik dari input positif
terminal lebih dari +1.7V, maka keluaran adalah
e-Indonesia Initiative 2008 (eII2007)
Konferensi Teknologi Informasi dan Komunikasi untuk Indonesia
21-23 Mei 2008, Jakarta
taraf tinggi (VCC) dan ketika ketika tegangan
listrik dari input positif terminal menjadi kurang
dari + 1.7 V, keluaran menjadi taraf rendah (0
Volt).
Time diagram dari input dan output dari
komparator seperti yang ditunjukan dalam
Gambar 8 dibawah ini .
dan logic ’1’ seperti yang tertera pada Gambar 10
dibawah ini [6]:
Gambar 10 Pembagian waktu logic ‘0’ dan ‘1’
remote kontrol
Setiap remote kontrol AC mempunyai kontrol
perintah dengan deretan logika seperti tertera pada
Gambar 11. dibawah ini :
Gambar 8 Time diagram input dan output
rangkaian komparator
Ilustrasi bagaimana sensor phyroelectrik
mendeteksi sumber panas akan diperlihatkan pada
Gambar 9 dibawah ini:
Gambar 11 Deretan logika perintah sebuah remote
AC
Dari gambar terlihat dari satu paket kontrol
memilki 3 bit lead in, 1bit start pulse, 6 bit
address, 8 bit control bits, 3bit led out sehingga
total menjadi 20 bit. Deretan kode terus akan
dipancarkan secara interval kontinu sampai keypad
remote AC dilepas oleh pengguna [6].
IIIa. Sampling modulasi remote kontrol
Dengan mengacu pada Gambar 2.25 akan
dilakukan penyadapan sinyal modulasi dengan
teknik sampling dari Preliminary pulse sampai
Stop pulse. Kecepatan frekuensi sampling sebesar
10µS oleh Mikrokontroler dengan timing
menggunakan internal prescaler (timer) sehingga
didapatkan data coding baru yang akan di simpan
dalam memori, teknik sampling ini akan di
jelaskan pada Gambar 12 di bawah ini:
Gambar 9 Ilustrasi pendeteksian sumber panas
oleh sensor PIR325
III. REMOTE KONTROL
Pada sebuah remote kontrol terdapat LED
infra merah yang akan memancarkan cahaya
(photon) yang dipancarkan dengan waktu yang
sangat pendek dan kontinyu, untuk menghemat
waktu pancar maka digunakan teknik modulasi
dengan metode time division antra logic ’0’ dan
Gambar 12 Sampling data dengan 10µS
Dari Gambar 12 diatas untuk logika ’0’ akan
menggunakan 10 bit memori, sedangkan untuk
logika ‘1’ menggunakan 20 bit memori.
e-Indonesia Initiative 2008 (eII2007)
Konferensi Teknologi Informasi dan Komunikasi untuk Indonesia
21-23 Mei 2008, Jakarta
•
IV. SENSOR SUHU RUANGAN
Suhu dalam ruangan yang telah dikendalikan
oleh mikrokontroler, akan dicek kebenaranya oleh
sebuah sensor suhu sebagai bahan umpan balik
pengendalian.
IC LM35 adalah sebuah sensor suhu pada
temperature kamar -55oC-150oC, outputnya berupa
tegangan linear sebesar 10mV sebanding dengan
kenaikan 0,25oC. sensor ini menggunkan arus
kerja sebesar 60uA pada tegangan 5V dengan self
heating (pemanasan sendiri) sebesar 0,08oC. IC ini
tidak memerlukan kalibrasi luar dengan kemasan
TO-92 paket transistor. Gambar 13 diperlihatkan
rangkaian sensor suhu LM35.
•
•
Phyroelectrik sensor PIR325 sangat sensitif
terhadap perubahan fluktuasi tegangan dc
supply (ripple) dan memerlukan grounding
yang bagus, sehingga pada proses pembuatan
PCB, track PCB dibagian ini harus perlu
diperhatikan inpendansinya.
Kapasitor by pass filter 100nF harus diletakan
sedekat mungin dengan semua pin positip
komponen aktif seperti transistor atau
Integrated Circuit (IC). Untuk menghindari
pengaruh fluktuasi tengan supply yang datang
secara tiba-tiba.
Sensor suhu ruangan LM35 harus diletakan
jauh dari rangkaian utama terutama dengan
bagian power supply dan penguat yang mudah
mengeluarkan panas.
VI. DAFTAR PUSTAKA
[1] www.cctv-information.co.uk/
What is Infrared Radiation ?
[2] www.disp.duke.edu/publications/Shankar.pdf
Human-tracking systems using pyroelectric
Infrared sensor.
Gambar 13 Sensor suhu dengan bypass filter.
Satu port ADC ATMega8535 memiliki resolusi
pembacaan 10bit sehingga memiliki kemampuan
pembacaan sebesar :
10 bit ADC = 210 = 1024 step pembacaan
(6)
Bila referensi ADC pada tegangan 2,5V (di set di
internal mikrokontroler) maka:
Resolusi = 2,5V/1024 step = 2,5 mV
(7)
Kalau aktifasi AC ruangan berkisar antara -16oC21oC maka total step pembacaan:
(((21-16)+1/0,25)x10mV) / resolusi =
240mV/2,5mV= 96 step
(8)
V. KESIMPULAN
•
Sampling time berbanding terbalik dengan
ruang coding, semakin kecil sampling time
maka semakin besar ruang coding, begitu juga
sebaliknya.
[3] www.glolab.com/focusdevices/focus.html
Focusing devices for pyroelectric infrared
Sensors
[4] www.glolab.com/pirparts/infrared.html
How Infrared motion detector work
[5] GLOLAB Corporation
PIR325 phyroelectric datasheet,2003, 1-12
[6] www.interq.or.jp/japan/se-inoue/e_pyro1.htm
Circuit explanation for the infrared sensor
[7] www.sbprojects.com/knowledge/ir/itt.htm
Knowledge base remote control protocol
[8] Malvino dan Hanapi Gunawan
Pinsip-Prinsip Elektronika, edisi kedua
Erlangga Jakarta, 1984, 171-192
e-Indonesia Initiative 2008 (eII2007)
Konferensi Teknologi Informasi dan Komunikasi untuk Indonesia
21-23 Mei 2008, Jakarta