pengisi baterai otomatis dengan menggunakan solar cell

KENDALI KERAN OTOMATIS PADA TOILET PRIA DENGAN SENSOR PIR ( PASSIVE INFRARED )
Elias Gabriel Sakliressy
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Gunadarma, Margonda Raya 100 Depok 16424 telp
(021) 78881112, 7863788
Tanggal Pembuatan : 16 Februari 2010
Alat kendali keran otomatis ini dibuat dengan memanfaatkan sensor Passive Infrared (PIR) sebagai pusat
pengendalinya dan pendeteksi obyek berupa anggota tubuh manusia. Sensor PIR ini akan mengirimkan instruksi ke
Relay untuk menggerakkan keran solenoid
yang berfungsi sebagai katup aliran air.[1]
Hasil a n a l i s a menunjukkan bahwa sensor PIR (Passive Infrared) pada alat ini dapat mendeteksi obyek
dalam jarak maksimum 150 cm meter. Ketika sensor PIR menerima radiasi dari obyek, maka keran solenoide
membuka katub untuk mengalirkan air.
Dengan adanya kendali keran otomatis yang dimanfaatkan dalam toilet pria dapat mempermudah manusia
karena dapat dikerjakan oleh sebuah alat elektronik yang berupa sensor dan sebuah pengontrol.
1. PENDAHULUAN
Kemajuan teknologi pada jaman ini sangat
meningkat pesat. Terutama pada teknologi yang
menggunakan kendali otomatis. Dengan adanya
kendali otomatis ini maka peran kerja dari manusia
sedikit berkurang atau sama sekali tidak ada seorang
pun yang melakukan atau mengendalikan proses kerja
alat tersebut. Pekerjaan tersebut dapat digantikan oleh
sebuah alat elektronik yang berupa sensor dan
sebuah pengontrol. Sensor merupakan suatu hal yang
wajib atau sangat dibutuhkan dalam suatu sistem.
Pada umumnya kita membutuhkan sensor
pada suatu rangkaian digital. Pada saat sensor bekerja
maka suatu rangkaian digital akan bekerja sesuai
dengan keinginan kita dan sesuai dengan karakteristik
dari sensor tersebut
Untuk alasan kemudahan dan praktis dalam
penggunaannya kita memerlukan alat otomatis yang
dapat membantu kita dalam kehidupan kita seharihari. Alat yang dibuat ini akan memanfaatkan suhu
dan gerak yang dapat menentukan aktif atau tidaknya
alat tersebut. Dalam hal ini, akan digunakan suatau
sensor yaitu sensor PIR yang berfungsi sebagai sensor
suhu dan gerak tubuh yang kemudian akan diteruskan
ke rangkaian.
Aplikasi yang dimaksud bertujuan untuk
mempermudah penggunaan tenaga manusia yaitu
tanpa harus memutar atau menekan keran, dalam
aplikasi ini digunakan suatu indikator keran secara
otomatis menggunakan sensor PIR dan keran air
otomatis. Proses kendali otomatis ini di tuangkan
dalam aplikasi Kendali keran otomatis pada toilet pria
dengan sensor PIR (Passive Infrared ).
Bisa dipastikan pemanasan global memang
tidak bisa dihindari, tapi para manusia bisa
meminimalisir dampak yang sudah terjadi, dan
2. LANDASAN TEORI[2]
PIR (Passive Infrared Receiver) merupakan
sebuah sensor berbasiskan infrared. Akan tetapi, tidak
seperti sensor infrared kebanyakan yang terdiri dari
IR LED dan fototransisitor. PIR tidak memancarkan
apapun seperti IR LED. Sesuai dengan namanya
‘Passive’, sensor ini hanya merespon energi dari
pancaran sinar inframerah pasif yang dimiliki oleh
setiap benda yang bias dideteksi oleh sensor ini
biasanya tubuh manusia.
Di dalam sensor PIR ini terdapat bagianbagian yang mempunyai perannya masing-masing
yaitu Fresnel Lens, IR Filter, Pyroelectric Sensor,
Amplifier dan Comparator. Seperti pada Gambar 2.1 :
Gambar 2.1. Skema blok diagram Sensor PIR.
Sensor PIR bekerja dengan menangkap
energi panas yang dihasilkan dari pancaran sinar
inframerah pasif yang dimiliki setiap benda dengan
suhu benda diatas nol mutlak. Seperti tubuh manusia
yang memiliki suhu tubuh kira-kira 32°C, yang
merupakan suhu panas yang khas yang terdapat pada
lingkungan. Pancaran sinar inframerah inilah yang
kemudian ditangkap oleh Pyroeletric sensor yang
merupakan inti dari sensor PIR, sehingga
menyebabkan Pyroelectric sensor yang terdiri dari
gallium nitride, caesium nitrat dan litium tantalite
menghasilkan arus listrik karena pancaran sinar
inframerah pasif ini membawa energi panas.
Prosesnya hampir sama seperti arus listrik yang
terbentuk ketika sinar matahari mengenai solar cell.
Sensor PIR hanya bereaksi pada tubuh
manusia saja. Hal ini disebabkan karena IR Filter
yang menyaring panjang gelombang sinar infra merah
pasif. IR Filter dimodul sensor PIR ini mampu
menyaring panjang gelombang sinar inframerah pasif
antara 8 sampai 14 µm, sehingga panjang gelombang
yang dihasilkan dari tubuh manusia yang berkisar
antara 9 sampai 10 µm ini saja yang dapat dideteksi
oleh sensor. Ketika seseorang berjalan melewati
sensor, sensor akan menangkap pancaran sinar
inframerah pasif yang dipancarkan oleh tubuh
manusia yang memiliki suhu yang berbeda dari
lingkungan
sehingga
menyebabkan
material
pyroelectric bereaksi menghasilkan arus listrik karena
adanya energy panas yang dibawa oleh sinar
inframerah pasif tersebut. Kemudian sebuah sirkuit
amplifier yang ada menguatkan arus tersebut yang
kemudian dibandingkan oleh comparator sehingga
menghasilkan output.
Gambar 2.10 Keran Selonoid
Aplikasi standar dari keran selonoid biasanya
menghendaki bahwa keran dipasang pada selang kecil
yang menghubungkan air masuk dan air keluar.
3. PERANCANGAN ALAT
Perancangan alat ini hanya meliputi
perangkat keras. Gambar 3.2 menunjukkan gambar
rangkaian dari sistem yang dirancang. Sistem
tersebut terdiri dari sensor
PIR, rangkaian
relay dan keran / motor.
Keran Selenoid / Motor
Keran ini akan dihubungkan ke sumber arus
DC dengan besar tegangan 12 Volt. Kondisi
Normally Closed yaitu pada posisi tertutup pada saat
keran tidak bertegangan dan katup akan terbuka pada
saat keran diberikan tegangan. Pada keran terdapat
dua buah terminal yang disambung ke sumber
tegangan dan relay. Keran solenoid adalah kombinasi
dari dua dasar unit fungsional antara lain :
1. Solenoid (electromagnet) dengan inti atau
plungernya.
2.
Badan keran yang berisi lubang, tempat
piringan atau stop kontak ditempatkan untuk
menghalangi atau mengalirkan aliran air.
Aliran melalui lubang mulut keran akan
terbuka atau tertutup tegantung keran tersebut diberi
tegangan atau tidak diberi tegangan. Apabila
kumparan diberi energi, inti besi akan ditarik ke
dalam kumparan solenoid untuk membuka keran.
Pegas atau per yang terdapat pada pangkal inti besi
akan mengembalikan keran pada posisi semula, yaitu
tertutup apabila arus berhenti
Gambar 3.2. Rangkaian Keseluruhan Kendali
Keran Otomatis
Gambar 3.5. berikut adalah gambar blok
rangkaian dari Operational Amplifier (Op-Amp).
Op-Amp pada gambar tersebut berfungsi sebagai
penguat tegangan dari sensor yang dikeluarkan di
kaki source dari sensor. Karena tegangan output dari
sensor sangat kecil, maka perlu penguat beberapa kali
agar rangkaian sensor dapat bekerja.
Ø
hfe atau ß nya adalah 250
Gambar 3.4 Rangkaian Output
Blok output sensor PIR memiliki cara kerja
sebagai berikut : bila tegangan input yang masuk
adalah high sebesar 5 V, yang berasal dari rangkaian
sensor PIR untuk mengaktifkan transistor pada
rangkaian penggerak relay output dan melalui resistor
10 kΩ atau Rb. Besarnya arus basis yang masuk ke
transistor BD 139 adalah :
Gambar 3.3 Rangkaian Kontrol dengan Op-Amp
IC LM324 merupakan IC Operational
Amplifier, IC ini mempunyai 4 buah op-amp yang
berfungsi sebagai comparator. IC ini mempunyai
tegangan kerja antara +5 V sampai +15V untuk
+Vcc dan -5V sampai -15V untuk -Vcc.
Pada rangkaian di atas, dimana pada IC1A
berfungsi sebagai penguat dari output yang diberikan
oleh sensor kemudian pada keluaran kaki 1 dari IC1A
memberikan tegangan melalui R5 dan C4 terhadap
inverting amplifier pada IC1B melalui kaki 6 dari IC
LM324.
Pada rangkaian di atas C5 dan R8 berfungsi
sebagai filter tegangan dari kaki inverting IC1B
terhadap output dari IC1B. R8 berfungsi sebagai filter
untuk mambatasi tegangan yang masuk dari inverting
terhadap output dari IC1B yang dimana komparator
pada IC1B berfungsi untuk menurunkan tegangan
sampai setengah dari inputan. Dari keluaran pada IC
1B menuju ke inputan dari IC1C dan IC1D yang
berfungsi sebagai output.
Relay
Untuk blok output ini menggunakan
transistor dengan tipe BD 139. Transistor ini
mempunyai karakteristik di antaranya sebagai berikut
:
Ø Tegangan basis-kolektor maksimalnya
adalah 45V
Ø Tegangan kolektor-emitor maksimalnya
adalah 25V
Ø Arus kolektor cut off adalah 0,1 µA
Ic =
Vcc
Rc
Dimana : Vbb
Vcc
Vbe
Re
relay
Rb
= 5V
= 12 V
= 0,7 V untuk transistor silikon
= 125Ω hambatan dalam pada
= 0,5KΩ
Ib = 0,43 mA
Ic =
5V
125
Icsat = 40mA
Pada rangkaian ini dipasang relay yang
memiliki hambatan dalam sebesar 125Ω
dan
transistor BD 139 memiliki βdc =250, maka untuk
membuat transistor berada dalam keadaan jenuh (
saturasi ) dibutuhkan arus basis minimal sebesar :
berfungsi dengan baik. Adapun uji coba alat ini
dibagi menjadi beberapa bagian untuk memudahkan
pengambilan data antara lain : uji coba catu daya dan
uji coba rangkaian sensor PIR.
4.1.
Uji Coba Rangkaian Catu Daya
Ibmin = 0.13mA
Jadi arus basis minimal yang dibutuhkan
untuk membuat transistor berada dalam keadaan
saturasi adalah sebesar 0.13mA, sedangkan arus basis
yang mengalir pada rangkaian ini telah melampaui
nilai tersebut yaitu sebesar 0,43 mA. Dari perhitungan
di atas didapatkan bahwa IB > IB ( sat ), maka arus IB
akan membuat transistor BD 139 dalam keadaan
saturasi, tegangan pada kolektor-emiter (VCE)
mendekati nol. Arus akan mengalir menuju relay
yang akan menyebabkan keran terbuka. Relay ini
menggunakan supply tegangan 12 Volt DC.
Blok relay ini juga berfungsi untuk
mengaktifkan keran air otomatis yaitu untuk menutup
dan membuka keran. Fungsi utamanya adalah cara
membuka dan menutup kembali keran air.
Kondisi awal dari sensor PIR adalah kondisi
low, menyebabkan transistor BD 139 berada pada
kondisi cut off
dan dioda 1N4001 pada kondisi
reverse. Sehingga relay tidak akan aktif atau normaly
open. Kondisi keran akan tetap menutup, dikarenakan
saklar relay terbuka.
Jika kondisi dari sensor PIR adalah kondisi
high maka keran terbuka. Hal ini menyebabkan
transistor BD139 pada kondisi saturasi. Kondisi ini
membuat relay akan aktif atau normaly closed. Saklar
relay jalur positif 5V akan mengalir diteruskan ke
keran otomatis.
Fungsi dioda 1N4001 adalah sebagai
pengaman untuk mencegah kick back, yaitu transient
yang terjadi pada coil relay (beban induktif) saat relay
dimatikan. Hal ini dapat dijelaskan menurut
persamaan :
V=
L
Gambar 4.1. Titik Pengambilan Data Tegangan
(V) Pada Catu Daya
•
Tujuan :
1. Untuk mengetahui bentuk gelombang yang
dihasilkan dari masing – masing titik uji :
• Titik A yaitu keluaran gelombang
dari trafo
• Titik B yaitu keluaran gelombang
dari dioda
• Titik C dan titik D untuk
mengetahui keluaran gelombang
dari kapasitor.
2. Untuk mengetahui tegangan keluaran yang
dihasilkan catu daya ( Titik C dan Titik D ).
•
Alat yang digunakan :
1. Alat ukur Osciloscope
2. Alat ukur Multimeter digital
•
Hasil pengujian :
a. Hasil uji pada titik A dengan alat ukur
osciloscope
di
dt
Bila terjadi perubahan arus yang cukup besar
dalam satuan waktu yang sangat cepat (dt = 0) maka
tegangan balik ini menjadi sangat besar, dan dapat
mengakibatkan kerusakan pada transistor atau
menahan tegangan balik dari relay dari kondisi aktif
ke kondisi tidak aktif.
Gambar 4.2 Bentuk Gelombang Titik A output
dari trafo
4. UJI COBA
4.1
Uji coba kendali keran otomatis dengan
sensor PIR ini bertujuan untuk mengetahui alat ini
Gambar 4.2 pengukuran keluaran trafo
berupa gelombang AC yaitu pada titik A. Didapat
pengukuran frekuensi sebesar 50 Hz, didapat dari
persamaan berikut :
5 Volt/Div
Time/Div = 5 ms
Perioda (T) = 4 Div
berada atau mendekati tegangan puncak dari IC 7812
yaitu sebesar 12 Volt.
d. Hasil uji titik D menggunakan oscilloscope
b. Hasil uji titik B pada trafo menggunakan
oscilloscope
5 Volt/Div
Time/Div = 2ms
Gambar 4.5 Bentuk gelombang Titik D, setelah
melewati Kapasitor dan IC 7805
Pada titik D terlihat gelombang 5 V DC. Besarnya
tegangan puncak dari IC 7805 sebesar ± 5 Volt.
Tabel 4.1 Hasil Uji Coba Catu Daya
0.1 Volt/Div
Time/Div = 5 ms
Gambar 4.3 Bentuk Gelombang Titik B, setelah
melewati dioda
Gambar 4.3 pengukuran catu daya pada titik
B pada output Dioda. Hanya mengukur besarnya
ripple.
c. Hasil uji titik C pada trafo menggunakan
oscilloscope
Tegangan
B (V)
Tegangan
A (V)
11,89
4,97
Uji coba Rangkaian Sensor PIR
Pengujian yang dilakukan berupa pengujian
sensor PIR yang akan dibandingkan dengan datasheet
yang dimiliki oleh sensor PIR tersebut. Adapun
pengujian dilakukan sebagai berikut :
5 Volt/Div Time/Div = 2 ms
Gambar 4.4 Bentuk Gelombang Pada Titik C
Pada titik C setelah melewati kapasitor dan IC 7812
didapat bentuk gelombang horizontal
karena
kapasitor berfungsi sebagai filter yang akan
memperlemah ripple . tegangan keluaran akan tetap
Gambar 4.6 Rangkaian Sensor PIR
•
•
•
Tabel 4.2 Pengukuran Tegangan
Inverting, Noninverting dan Keluaran
Komparator
Tujuan :
• Menunjukkan cara kerja Op-Amp, dimana
dengan adanya perbedaan tegangan pada
terminal negatif dan terminal positif akan
menyebabkan tegangan keluaran berada
dalam keadaan saturasi, yaitu + Vsat sama
dengan
+ 90% Vcc.
• Mengetahui aktif atau tidaknya keluaran
pada rangkaian sensor.
Langkah Pengujian :
1. Memberi tegangan pada rangkaian sensor
sebesar 5 Volt dari catu daya.
2. Mengukur masing-masing titik uji secara
bergantian dengan Multimeter Digital
- Mengukur besar tegangan pada Titik A,
Titik B dan Titik C secara bergantian.
Perhatikan polaritas pada terminal OpAmp (positif atau negatif).
- Mengambil data pengamatan dan
membandingkan tegangan pada Titik B
dan Titik C untuk mengetahui tegangan
keluaran komparator pada
Titik D.
3. Mengulangi langkah diatas dengan merubah
jarak ( 10 cm – 200 cm).
4. Mematikan catu daya.
Hasil Pengujian :
Tabel 4.2 adalah pengukuran tegangan
Inverting dan NonInverting Op-Amp, pada saat obyek
terdeteksi dan pada saat objek tak terdeteksi serta
tegangan keluaran komparator yang dihasilkan dari
IC Op-Amp 324. Dapat dilihat dimana terjadi
perbandingan tegangan antara terminal Inverting dan
NonInverting
dari
Op-Amp
yang
dapat
mempengaruhi output dari alat pendeteksi gerak ini,
dimana tegangan pada NonInverting lebih besar dari
tegangan Inverting Op-Amp maka tegangan pada
output akan lebih besar, akan tetapi jika tegangan
pada NonInverting lebih kecil dari tegangan pada
Inverting Op-Amp maka tegangan pada output akan
lebih negatif atau lebih kecil.
No
Jarak
Tegangan
(V)
Inverting
Tegangan
(V)
NonInverting
Tegangan(V)
keluaran
Komparator
Keterangan
Sensor
1
10 cm
1.5
4.4
4.89
Aktif High
2
20 cm
1.5
4.4
4.89
Aktif High
3
30 cm
1.5
4.4
4.86
Aktif High
4
40 cm
1.5
4.4
4.85
Aktif High
5
50 cm
1.5
4.4
4.8
Aktif High
6
60 cm
1.5
4.4
4.78
Aktif High
7
70 cm
1.5
4.4
4.73
Aktif High
8
80 cm
1.5
4.4
4.59
Aktif High
9
90 cm
1.4
4.3
4.26
Aktif High
10
100 cm
1.4
4.3
3.7
Aktif High
11
110 cm
1.4
4.3
3.33
Aktif High
12
120 cm
1.4
4.3
2.96
Aktif High
13
130 cm
1.4
4.3
2.63
Aktif High
14
140 cm
1.4
4.3
1.74
Aktif High
15
150 cm
1.4
4.3
1.2
Aktif High
16
160 cm
2
0.25
0.25
Aktif Low
17
170 cm
2
0.25
0.23
Aktif Low
18
180 cm
2
0.25
0.20
Aktif Low
19
190 cm
2
0.25
0.15
Aktif Low
20
200 cm
2
0.25
0.1
Aktif Low
Uji coba Pengaruh jarak obyek dan lamanya
waktu Sensor PIR bekerja.
Tegangan output pada Op-Amp bergantung
pada ada atau tidaknya obyek yang terdeteksi oleh
sensor PIR, dapat dilihat tabel 4.3
•
Tabel 4.3 Hasil pengukuran pengaruh jarak obyek
terhadap sensor PIR dan waktu kerja sensor PIR
No
Jarak
Tegangan
(V)
Keterang
an
Sensor
1
10 cm
4.89
Aktif High
2
20 cm
4.89
Aktif High
3
30 cm
4.86
Aktif High
4
40 cm
4.85
Aktif High
5
50 cm
4.8
Aktif High
6
60 cm
4.78
Aktif High
7
70 cm
4.73
Aktif High
8
80 cm
4.59
Aktif High
9
90 cm
4.26
Aktif High
3.7
Aktif High
3.33
Aktif High
2.96
Aktif High
2.63
Aktif High
1.74
Aktif High
1.2
Aktif High
10
11
12
13
14
15
100
cm
110
cm
120
cm
130
cm
140
cm
150
cm
Keterangan obyek
Mendeteksi obyek
Mendeteksi obyek
Mendeteksi obyek
Mendeteksi obyek
Mendeteksi obyek
Mendeteksi obyek
Mendeteksi obyek
Mendeteksi obyek
Mendeteksi obyek
Mendeteksi obyek
Mendeteksi obyek
Mendeteksi obyek
Mendeteksi obyek
Mendeteksi obyek
Mendeteksi obyek
Ket.
waktu
35 detik
35 detik
34 detik
35 detik
35 detik
33 detik
34 detik
33 detik
34 detik
35 detik
5.
Kesimpulan
Rangkaian ini bekerja dengan cara
mendeteksi obyek berupa suhu dan gerak
tubuh manusia dengan jarak maksimal
mendeteksi obyek sejauh 150 cm.
• Setelah Rangkaian Sensor PIR mendeteksi
Obyek, Keran Otomatis akan mengeluarkan
air selama ± 35 detik.
• Berdasarkan percobaan, alat ini sudah
berjalan dengan baik sesuai dengan apa yang
telah dibuat.
• Air sudah mengalir pada saat sensor
mendeteksi obyek, seharusnya air akan keluar
setelah obyek tidak terdeteksi lagi oleh sensor (
saat orang meninggalkan ) toilet. Alat ini juga
masih kurang efisiensi dalam hal penggunaan
air yaitu pemborosan air masih terjadi pada
penggunaan keran otomatis ini.
•
5.2
Saran
Untuk lebih baiknya lagi alat ini ditambah
dengan Rangkaian Mikrokontroler sebagai pengatur
waktu, agar keluarnya air dari keran otomatis dapat
diatur waktunya.
34 detik
35 detik
33 detik
33 detik
35 detik
DAFTAR PUSTAKA
ICOpAmp,http://www.alldatasheet.com/view.jsp?sear
chword=LM324
--,
Komponen
–
komponen
elektronika,
http://www.fairchildsemi.com. Juli 2009.
--,
Sensor
PIR,
http://www.glolab.com/pirparts/infrared.html,
Juli,
2009
Carr, JJ,1993, Sensor And Circuits : Sensor,
Tranduser, and supporting circuits, PTR Prentice
Hall, New Jersey.
16
160
cm
0.25
Aktif Low
Tidak mendeteksi
obyek
0 detik
17
170
cm
0.23
Aktif Low
Tidak mendeteksi
obyek
0 detik
18
180
cm
0.20
Aktif Low
Tidak mendeteksi
obyek
0 detik
Gerbang Logika,http:/id.wikipedia.org/wiki /Gerbang
logika, Agustus 2009
19
190
cm
0.15
Aktif Low
Tidak mendeteksi
obyek
0 detik
20
200
cm
0.1
Aktif Low
Tidak mendeteksi
obyek
Mike Tooley, BA , “Rangkaian Elektronik Prinsip
dan Aplikasi”, Erlangga, 2002.
0 detik
Malvino, Joko Santoso, “Prinsip – prinsip
Elektronika”, Salemba Teknik, 2004.
Soepono Soeparlan, Umar Yahdi, “Teknik
Rangkaian Listrik”, Jilid 1, Gunadarma, Jakarta
1995.
Wasito S, “Vademekum Elektronika” PT. Gramedia
Pustaka Utama, Jakarta, 2004