Alat Ukur Intensitas Cahaya dan Suara Portabel

BAB III
Perancangan dan Realisasi
3.1. Perancangan Perangkat Keras
Pada skripsi ini akan dirancang suatu alat yang dapat berfungsi untuk mengukur
intensitas cahaya dan suara. Alat yang direalisasikan terdiri dari alat ukur intensitas
cahaya dan suara dengan ATMega8535 yang terhubung dengan sensor LDR dan
mikrofon.
Cara kerja alat ukur intensitas cahaya dan suara adalah sebagai berikut:
Saat user menghidupkan alat ukur, user dapat langsung mengukur intensitas
cahaya dan suara. Dalam pengukuran intensitas cahaya, saat alat diaktifkan maka
sensor LDR akan menangkap setiap perubahan intensitas cahaya. Data dari
pengkondisi sensor LDR dikirimkan ke mikrokontroler untuk dihitung dan ditampilkan
di seven segment.
Dalam pengukuran intensitas suara, mikrofon akan menangkap setiap perubahan
intensitas suara. User dapat memilih tapis pembobot yang diinginkan, yaitu tapis
pembobot A atau C. Setiap hasil pengukuran akan disimpan di dalam media
penyimpan (MMC).
3.2. Realisasi Perangkat Keras
Perancangan dan realisasi pada perangkat keras dibagi dalam beberapa bagian,
yaitu:
1. Untai pengkondisi sinyal LDR
2. Untai pengkondisi sinyal mikrofon
3. Untai tapis pembobot A dan C
21
4. Untai True RMS to DC Converter
5. Untai Mikrokontroler AVR ATMega8535
6. Untai Media Penyimpan (MMC)
7. Untai Media Penampil
3.2.1. Untai Pengkondisi Sinyal LDR
Modul pengukuran intensitas cahaya terdiri dari LDR sebagai sensor cahaya,
rangkaian pengkondisi sinyal menggunakan prinsip pembagi tegangan, serta
menggunakan IC Opamp CA3140 sebagai penguat tak membalik (non inverting).
5V
100k 40%
9V
R1
100k
R3
330
A
+
_ADC(0)
CA3140
LDR
R2
10k
Gambar 3.1. Pengkondisi sinyal LDR
Saat kondisi cahaya minimum, LDR memiliki hambatan yang sangat tinggi
sehingga jika diukur pada titik A tegangan yang dihasilkan sangat besar mencapai
≈Vcc. Ketika kondisi cahaya semakin terang, hambatan LDR akan turun dan
tegangan akan semakin kecil.
Penguat tak membalik berfungsi menguatkan tegangan dari LDR. Dalam
pengukuran pada titik A tegangan yang dihasilkan 0,04 – 4,8 volt sesuai dengan
perubahan cahaya yang diterima LDR. Dalam kondisi gelap, tegangan tidak
mencapai 5 volt, sehingga diperlukan penguatan agar tegangan mencapai 5 volt.
22
3.2.2. Untai Pengkondisi Sinyal Mikrofon
Pengukuran intensitas suara menggunakan mikrofon, karena tegangan
keluaran mikrofon sangat kecil (orde mikrovolt sampai milivolt) maka dibutuhkan
rangkaian pengondisi sinyal mikrofon dengan penguat operasi seperti pada gambar
3.2.
R7
100k
+5V
inp_mic
R9
100k
+5V
R1
100kC1
R2
0.1uF 10k
+
U1
TL072
+5V
C2 R8
10uF 10k
+
U2
TL072
output
+5V
R3
10k
R4
10k
+5V
R5
10k
R6
10k
Gambar 3.2. Pengkondisi Sinyal Mikrofon
Mikrofon kondenser mendapat bias arus dari R1. Impedansi mikrofon
kondenser sebesar 2200 Ω sehingga arus untuk mencatu mikrofon yaitu:
Imikrofon =
VCC
 2200
R1
Imikrofon =
5
 2200 = 0,4 mA
10k
..........................3.1
Sebuah kapasitor (C1) sebagai kapasitor kopling yang diperlukan untuk
menahan sinyal DC dan meneruskan sinyal AC. Dalam menentukan nilai C1 dengan
frekuensi digunakan persamaan berikut ini:
fC 
1
2 * R1 * C1
16 Hz =
..........................3.2
1
, maka C1 = 0,1 µF
2 *100k * C1
23
Penguatan dari untai inverting amplifier pada gambar 3.2 adalah 100 kali dari
penguatan tegangan tiap opamp sebesar 10 kali.
Av1 
Rf 100k
Rf 100k

 10, Av 2 

 10, Avt  Av1 * Av 2  100
Ri
10k
Ri 10k
3.2.3. Untai Tapis Pembobot A
Tapis pembobot A direalisasikan dengan menggunakan opamp TL084,
konfigurasi penguatnya menggunakan JFET (Junction Field Effect Transistor)
memiliki impedansi masukan tinggi, dan laju lantingannya tinggi (high slew rate)
yaitu kemampuan penguat dalam mengikuti kondisi masukan. Catu daya opamp ini
menggunakan catu daya tunggal sebesar 5 volt dengan memberikan biasing DC
pada masukan noninverting sebesar 2,5 Volt dengan pembagian tegangan dengan
resistor R1 dan R9. Opamp difungsikan sebagai penguat AC sinyal kecil dengan
memberikan kapasitor penggandeng (coupling) yang mempunyai sifat menghambat
nilai DC dan hanya meneruskan nilai AC. Untai tapis pembobot A ditunjukkan pada
gambar 3.3. berikut ini.
5V
R7
100k
input
C3
R8
10uF 100k
+
UB
TL072
R11
100k 47%
C1 R1 C2
10uF 300 220nF
C5
330nF
R4
10k
C7
47nF
C8
10uF
R10
10k
+
U1A
TL072
output
5V
C4
27nF
R6
10k
R2
1k8
R3
1k8
C6
1.8nF
R9
100k
R5
10k
Gambar 3.3. Untai tapis pembobot A
Opamp pertama dikonfigurasikan sebagai penguat inverting dengan penguatan
sebesar -1 kali yaitu AV1 =
 R10
 100k
=
= -1 kali. Pada opamp kedua juga
R8
100k
24
dikonfigurasikan sebagai penguat inverting dengan penguatan ditentukan oleh R11
dan R7. R11 dgunakan sebuah trimmer potensiometer untuk mengatur penguatan satu
(0 dB) saat frekuensi 1 KHz. Inti dari tapis pembobot A adalah jaringan R-C pada
keluaran opamp pertama sampai dengan masukan opamp kedua. Gambar 3.4
menunjukkan hasil simulasi dengan Circuit Maker 2000.
Gambar 3.4. Simulasi tapis pembobot A
3.2.4. Untai Tapis Pembobot C
Tapis pembobot C direalisasikan dengan penguat operasional dan merupakan
tapis lolos pita (bandpass filter). Perancangan tapis pembobot C menggunakan 2
penguat operasional, pada bagian tapis lolos tinggi (highpass filter) memiliki
frekuensi penggal di 31,5 Hz dan pada bagian tapis lolos rendah (lowpass filter)
memiliki frekuensi penggal di 8000 Hz. Untai tapis lolos tinggi ditunjukkan pada
gambar 3.5.
25
R7
150k
input
5V
C3
R8
0.033uF150k
+
UB
TL072
output
5V
R6
10k
R5
10k
Gambar 3.5. Untai Tapis Lolos Tinggi
Frekuensi penggal untuk tapis lolos tinggi dapat dihitung dengan rumus tapis
orde 1, yaitu:
Frekuensi penggal =
1
1
=
 32,15Hz
2R8 C 3 2 * 150k * 0.033u
Untai tapis lolos rendah ditunjukkan pada gambar 3.6.
C2
120pF
R2
150k
input
5V
C1
R1
0.1uF 150k
+
U1
TL072
output
5V
R3
10k
R4
10k
Gambar 3.6 Untai Tapis Lolos Rendah
Frekuensi penggal untuk tapis lolos tinggi dapat dihitung dengan rumus tapis
orde 1, yaitu:
26
Frekuensi penggal =
1
1
=
 8841Hz
2R2 C 2 2 * 150k * 120 p
Untuk memperoleh tanggapan frekuensi yang diinginkan yaitu memiliki
frekuensi penggal bawah di 31,5 Hz dan frekuensi penggal atas di 8000 Hz maka
kedua buah penguat operasional ini dihubungkan secara seri (cascade).
3.2.5. Untai True RMS to DC Converter
True RMS to DC Converter berfungsi untuk mendapatkan nilai magnitudo
dari sinyal AC dengan menggunakan IC MX536AKN. IC MX536AKN
dioperasikan dengan menggunakan mode single supply, dengan tegangan masukan
maksimum ± 25V dan akurasi ketelitian sebesar ± 2%.
Berikut skematik rangkaian IC MX536AKN:
VCC
JP2
1
2
Header 2
U1
12
13
2
JP1
2
1
C1
INPUT
1
Cap2
10uF
Pin IN
7
8
VCC
R2
Res1
20K
10
R3
Res1
10K
VCC
NC
NC
NC
V+
Buf OUT
IN
Buf IN
Iout
COMMON
dB
Cav
RL
NC
V-
14
JP3
1
2
6
5
4
9
11
Cav
Cap Pol1
1uF
R1
Res1
10K
Pin OUT
3
MX536AKN
Gambar 3.7. Rangkaian True RMS to DC Converter – MX536AKN
3.2.6. Untai Mikrokontroler ATMega8535
Mikrokontroler
digunakan
sebagai
pengendali
utama
sistem
secara
keseluruhan yang terhubung dengan modul mikrofon, modul LDR, modul MMC,
penampil seven segment.
27
Konfigrasi untai mikrokontroler ditunjukkan pada Gambar 3.8 berikut ini:
Mikrokontroler
JP1
5V
GND
GND
/CS
SI
SO
SCK
R1
Res1
1K
Rst
S1
SW-PB
7 segment
1
Y1
XTAL2
XTAL1
C4
Cap2
100pF
2
8
7
6
5
4
3
2
1
1
2
3
4
5
6
7
8
14
15
16
17
18
19
20
21
Rst 9
XTAL
C1
Cap2
100pF
8
7
6
5
4
MOSI
3
MISO
2
SCK
1
C2
Cap2
100pF
XTAL212
XTAL113
PB0 (XCK/T0)
PB1 (T1)
PB2 (AIN0/INT2)
PB3 (AIN1/OC0)
PB4 (SS)
PB5 (MOSI)
PB6 (MISO)
PB7 (SCK)
PA0 (ADC0)
PA1 (ADC1)
PA2 (ADC2)
PA3 (ADC3)
PA4 (ADC4)
PA5 (ADC5)
PA6 (ADC6)
PA7 (ADC7)
PD0 (RXD)
PD1 (TXD)
PD2 (INT0)
PD3 (INT1)
PD4 (OC1B)
PD5 (OC1A)
PD6 (ICP)
PD7 (OC2)
PC0 (SCL)
PC1 (SDA)
PC2
PC3
PC4
PC5
PC6 (TOSC1)
PC7 (TOSC2)
RESET
XTAL2
XTAL1
VCC
AVCC
AREF
GND
GND
40
39
38
37
36
35
34
33
1
2
3
4
5
6
7
8
22
23
24
25
26
27
28
29
Mikrofon
LDR
Selektor 1
Selektor 2
Selektor 3
Selektor 4
Selektor 5
Selektor 6
Header 8
5V
10
30
32
C3
31
11
Cap2
100pF
ATmega8535-16PC
Gambar 3.8. Untai Mikrokotroler ATMega 8535
Konfigurasi pin pada mikrokontroler adalah sebagai berikut :
1.
PORTA.0 sebagai masukan ADC dari modul LDR
2.
PORTA.1 sebagai masukan ADC dari modul mikrofon
3.
PORTA.2- PORTA.7 digunakan sebagai selektor untuk mengendalikan seven
segment
4.
PORTB.2 – PORTB.7 terhubung dengan modul MMC
5.
PORTD.0 – PORTD.7 sebagai pengendali data untuk seven segment
6.
Pin 12 dan pin 13 digunakan sebagai masukan untai osilator kristal
7.
Pin 31 dan pin 11 dihubungkan dengan ground
8.
Pin 9 dihubungkan dengan untai reset
9.
Pin 10 dihubungkan dengan catu daya +5 VDC
28
3.2.7. Untai Media Penyimpan (MMC)
Penyimpanan data nilai hasil dari pengukuran intensitas cahaya dan suara,
dilakukan dengan menggunakan media penyimpan (MMC). Hal ini bertujuan agar
bisa melihat kembali hasil pengukuran yang telah dilakukan.
Berikut gambar SD Card/MMC:
Gambar 3.9. Konfigurasi Pin SD Card
1.
Pin 1 = CS = Chip Select
2.
Pin 2 = DI = Data Input
3.
Pin 3 = Vss = Ground
4.
Pin 4 = Vcc
5.
Pin 5 = SCLK = Serial Clock
6.
Pin 6 = Vss2 = Ground
7.
Pin 7 = DO = Data Output
8.
Pin 8 = DAT1
9.
Pin 9 = DAT2
29
Berikut ini merupakan rangkaian modul media penyimpan (MMC),
ditunjukkan pada gambar 3.10:
R1
JP1
7
6
5
4
3
2
1
PORTB_6
GND
PORTB_7
3.3V
GND
PORTB_5
PORTB_4
JP2
2
1
Header 2
D Zener
GND
GND
R2
JP3
MMC to uC
PORTB_6
Res1
100 D1
7
6
5
4
3
2
1
DO
GND
CLK
3.3V
GND
DI
CS
PORTB_7
Res1
100
D2
3.3V
GND
Q1
NPN
D Zener
DS1
R5
MMC Pin
Res1
4K7
3.3V
LED0
R3
PORTB_5
Res1
100
D3
GND
D Zener
R4
PORTB_4
Res1
100
D4
GND
D Zener
Gambar 3.10. Modul Rangkaian MMC
Menyimpan data pengukuran pada MMC harus melalui beberapa tahap
sebelum bisa di copy ke dalam file dan disimpan d MMC. Proses pembuatan sebuah
file harus sesuai dengan format tipe MMC (FAT). Dalam mengisi file dengan data,
harus diperhatikan yaitu pembacaan besar alamat file yang telah dibuat. Hal ini
untuk menghindari penyimpanan data yang bertumpuk pada baris yang sama di
dalam file tersebut.
3.2.8. Untai Media Penampil
Media penampil ini menampilkan hasil pengukuran intensitas cahaya dan
suara menggunakan seven segment 2x3 digit, maka diperlukan IC dekoder 7447
untuk mengendalikannya.
30
Konfigurasi dari untai modul media penampil ditunjukkan pada gambar 3.11
berikut ini:
D1
R1
7
6
4
2
1
9
10
5
Res1
330
R2
Res1
330
R3
U1
4
5
3
JP2
PortD.0 7
PortD.1 1
PortD.2 2
PortD.3 6
4
3
2
1
Pin Nilai S
8
BI/RBO
RBI
LT
VCC
a
b
c
d
e
f
g
A
B
C
D
GND
5V
16
13
12
11
10
9
15
14
Res1
330
R4
7
6
4
2
1
9
10
5
Res1
330
R6
Res1
330
R7
VCC
PORTA.0
PORTA.1
PORTA.2
PORTA.3
PORTA.4
PORTA.5
GND
2
1
2
1
Header 2
Header 2
1
2
3
4
5
6
7
6
4
2
1
9
10
5
Pin digit
R8
Res1
330
R9
Res1
330
R10
U2
4
5
3
7
1
2
6
8
BI/RBO
RBI
LT
a
b
c
d
e
f
g
A
B
C
D
GND
DM7447AN
JP1
4
3
2
1
Pin Nilai Lux
PortD.4
PortD.5
PortD.6
PortD.7
VCC
5V
16
13
12
11
10
9
15
14
Res1
330
R11
Res1
330
R12
Res1
330
R13
Res1
330
R14
Res1
330
3 PORTA.0
8
a
b
c
d
e
f
g
DP
A
A
3 PORTA.1
8
Dpy Blue-CA
D3
JP5
VCC
A
A
Dpy Blue-CA
D2
Res1
330
R5
Res1
330
DM7447AN
a
b
c
d
e
f
g
DP
a
b
c
d
e
f
g
DP
A
A
3 PORTA.2
8
Dpy Blue-CA
D4
7
6
4
2
1
9
10
5
a
b
c
d
e
f
g
DP
A
A
3 PORTA.3
8
Dpy Blue-CA
D5
7
6
4
2
1
9
10
5
a
b
c
d
e
f
g
DP
A
A
3 PORTA.4
8
Dpy Blue-CA
D6
7
6
4
2
1
9
10
5
a
b
c
d
e
f
g
DP
A
A
3 PORTA.5
8
Dpy Blue-CA
Gambar 3.11. Modul Rangkaian Seven Segment
31
3.2.9. Diagram Alir Pengukuran Intensitas Cahaya
Mulai
Timer 1 detik
Baca
data_ADC(0)
Konversi nilai bit
ke lux
Tampilkan hasil
pengukuran
Tidak
Turn Off ?
Ya
Selesai
Gambar 3.12. Diagram Alir Pengukuran Intensitas Cahaya
3.2.10. Diagram Alir Pengukuran Intensitas Suara
Mulai
Timer 1 detik
Baca data_adc(1)
Konversi nilai bit
ke desibel
Tampilkan hasil
pengukuran
Tidak
Turn Off ?
Ya
Selesai
Gambar 3.13. Diagram Alir Pengukuran Intensitas Suara
32
3.2.11. Diagram Alir Penyimpanan Data ke MMC
Mulai
Inisialisasi FAT
Salin data_adc ke
buffer
Timer 1 detik
Tulis buffer ke file
tidak
Turn Off ?
ya
Selesai
Gambar 3.14. Diagram Alir Penyimpanan Data Ke MMC
33