BAB III PERANCANGAN SISTEM

32 BAB III
PERANCANGAN SISTEM
3.1.
Gambaran Umum
Pada bab ini akan dibahas mengenai perencanaan perangkat keras
(hardware) dan perangkat lunak (Software). Pembahasan perangkat keras meliputi
perancangan mekanik alat dan modul elektronik sedangkan perancangan
perangkat lunak meliputi perancangan pemrograman bahasa C dengan kompiler
bawaan modul arduino.
Perencanaan perangkat keras terdiri dari perencanaan desain mekanis dan
elektronik yang mendukung alat pengukur level tanki air dengan sensor
ultrasonik.
Sedangkan perancangan perangkat lunak meliputi pembuatan program yang akan
di upload ke dalam board arduino.
32 33 3.1.1
Diagram Blok
Secara umum diagram blok perancangan alat pengukur level tanki air ini
adalah :
LCD ARDUINO SENSOR
TANKI AIR ULTRASONIK RELAY POMPA AIR Gambar 3.1. Diagram Blok
1. LCD berfungsi untuk menampilkan level ketinggian air.
2. Arduino merupakan pusat kendali dari seluruh rangkaian.
Dimana arduino akan mengambil data yang dikirimkan oleh Sensor
Ultrasonik kemudian membandingkannya dengan nilai yang benar dan
ditampilkan oleh
air.
LCD, kemudian mengendalikan pengisian tangki
34 3. Relay berfungsi untuk menghidup atau mematikan pompa air yang
dikendalikan mikrokontroler.
4. Pompa Air berfungsi untuk pengisi air pada tempat penampungan air.
5. Sensor Ultrasonik berfungsi sebagai pengendali ketinggian air.
Sinyal yang dipancarkan kedalam air kemudian akan merambat sebagai
sinyal. Sinyal tersebut kemudian akan dipantulkan dan akan diterima
kembali oleh bagian penerima Ultrasonik. Setelah sinyal tersebut
sampai di penerima ultrasonik, kemudian sinyal tersebut akan diproses
untuk menghitung jarak level ketinggian air pada penampungan.
6. Tangki Penampungan Air berfungsi untuk menampung air yang dikirim
dari pompa air.
Perancangan dan pembuatan alat pengukur level tanki air ini
menggunakan satu input yaitu sensor ultrasonic dengan ouput berupa
tegangan analog yang dikonversikan menjadi angka digital oleh internal
ADC (Analog to Digital Conversion) pada pin analog arduino dari data
analog yang diperoleh.
3.2.
Perancangan Perangkat Keras
Perancangan perangkat keras meliputi perancangan modul arduino yang
digunakan untuk mendukung sistem kerja alat ini. Pada input dipilih sensor
ultrasonik untuk membaca level tanki air. Arduino Duemilanove dipilih sebagai
prosesor untuk membaca jarak permukaan air dari sensor ultrasonik.
35 3.2.1. Board DFRobot Duemilanove
Modul Arduino bersifat open source sehingga selama tidak
memakai trade mark arduino. Board tersebut dapat di buat dan di
modifikasi sesuai keinginan. Pada pembuatan tugas akhir ini dipilih board
DFRobot
duemilanove
yang
100%
compatible
terhadap
arduino
duemilanove. Board ini digunakan sebagai prosessor alat pengukur level
tanki air.
Gambar 3.2. Skematik Arduino Duemilanov
36 Skematik dari board arduino duemilanove adalah :
Gambar 3.3. Rangkaian Arduino Duemilanove
Sebuah rangkaian Arduino Duemilanove ditunjukan pada gambar diatas.
Arduino Duemilanove menggunakan mikrokontroler ATmega328 dan
memiliki 14 input output dan 6 input analog (dimana 6 dapat digunakan
sebagai output PWM), 6 input analog, 16 MHz osilator kristal, koneksi
USB, jak power, ICSP header, dan tombol reset. Arduino duemilanove
berisi feature-feature yang diperlukan untuk mendukung mikrokontroler,
antara lain yaitu :
•
Mikrokontroller ATmega328
•
Operating Voltage 5V
•
Input Voltage (recommended) 7-12V
•
Input Voltage (limits) 6-20V
37 •
Digital I/O Pins 14 (of which 6 provide PWM output); Analog
Input
Pins 6
•
DC Current per I/O Pin 40 mA; DC Current for 3.3V Pin 50 mA
•
Flash Memory 32 KB (2 KB is used by bootloader)
•
SRAM 2 KB
•
EEPROM 1 KB
Sumber tegangan untuk Arduino Duemilanove dapat diaktifkan melalui
koneksi USB atau dengan catu daya eksternal. Sumber daya dipilih secara
otomatis. eksternal (non-USB) daya dapat berasal baik dari AC-ke
adaptor-DC atau baterai. Arduino dapat beroperasi dengan pasokan
tegangan eksternal 6 sampai dengan 20V. apa bila diberikan tegangan
kurang dari 7V, jika diukur tegangan pada pin 5V kemungkinan akan
kurang dari 5V dan dapat menyebabkan board arduino tidak stabil. jika
menggunakan lebih dari 12V, regulator tegangan bisa panas dan merusak
board arduino.kisaran yang disarankan adalah 7 sampai 12 volt.
3.2.2. Sensor Ultrasonik
Sensor ultrasonik adalah sensor yang bekerja berdasarkan prinsip
pantulan gelombang suara dan digunakan untuk mendeteksi keberadaan
suatu objek tertentu di depannya, frekuensi kerjanya pada daerah di atas
gelombang suara dari 40 KHz hingga 400 KHz.
Sensor ultrasonik terdiri dari dari dua unit, yaitu unit pemancar dan unit
penerima.
38 Struktur unit pemancar dan penerima sangatlah sederhana, sebuah kristal
piezoelectric
dihubungkan
dengan
mekanik
jangkar
dan
hanya
dihubungkan dengan diafragma penggetar. Tegangan bolak-balik yang
memiliki frekuensi kerja 40 KHz – 400 KHz diberikan pada plat logam.
Struktur atom dari kristal piezoelectric akan berkontraksi (mengikat),
mengembang atau menyusut terhadap polaritas tegangan yang diberikan
dan ini disebut dengan efek piezoelectric.
Kontraksi yang terjadi diteruskan ke diafragma penggetar sehingga terjadi
gelombang ultrasonik yang dipancarkan ke udara (tempat sekitarnya).
Pantulan gelombang ultrasonik akan terjadi bila ada objek tertentu dan
pantulan gelombang ultrasonik akan diterima kembali oleh unit sensor
penerima. Selanjutnya unit sensor penerima akan menyebabkan diafragma
penggetar akan bergetar dan efek piezoelectric menghasilkan sebuah
tegangan bolak-balik dengan frekuensi yang sama.
Untuk lebih jelas tentang prinsip kerja dari sensor ultrasonik dapat dilihat
prinsip dari sensor ultrasonik pada gambar 3.4 berikut :
Gambar 3.4 Prinsip Kerja Ultrasonik
39 Besar amplitudo sinyal elektrik yang dihasilkan sensor penerima
tergantung dari jauh dekatnya objek yang dideteksi serta kualitas dari
sensor pemancar dan sensor penerima. Proses sensoring yang dilakukan
pada sensor ini menggunakan metode pantulan untuk menghitung jarak
antara sensor dengan obyek sasaran. Jarak antara sensor tersebut dihitung
dengan cara mengalikan setengah waktu yang digunakan oleh sinyal
ultrasonik dalam perjalanannya dari rangkaian pengirim sampai diterima
oleh rangkaian penerima, dengan kecepatan rambat dari sinyal ultrasonik
tersebut pada media rambat yang digunakannya, yaitu udara. Prinsip
pantulan dari sensor ulrasonik ini dapat dilihat pada gambar 3.5 sebagai
berikut:
Gambar 3.5 Prinsip Pemantulan Sensor Ultrasonik
40 3.2.3. Prinsip Kerja Pemancar Ultrasonik (Transmitter)
Pemancar Ultrasonik ini berupa rangkaian yang memancarkan
sinyal sinusoidal berfrekuensi di atas 20 KHz menggunakan sebuah
transducer transmitter ultrasonic.
Gambar 3.6 Prinsip Kerja Pemancar Ultrasonik (Transmitter)
1. Sinyal 40 kHz dibangkitkan melalui mikrokontroler.
2. Sinyal tersebut dilewatkan pada sebuah resistor sebesar 3 K ohm untuk
pengaman
ketika sinyal tersebut membias maju rangkaian dioda dan
transistor.
3. Kemudian sinyal tersebut dimasukkan ke rangkaian penguat arus yang
merupakan kombinasi dari 2 buah dioda dan 2 buah transistor.
4. Ketika sinyal dari masukan berlogika tinggi (+5V) maka arus akan
melewati dioda D1 (D1 on), kemudian arus tersebut akan membias
41 transistor T1, sehingga arus yang akan mengalir pada kolektotr T1
akan besar sesuai dari penguatan dari transistor.
5. Ketika sinyal dari masukan berlogika tinggi (0V) maka arus akan
melewati
dioda D2 (D2 ON), kemudian arus tersebut akan membias transistor T2,
sehingga arus yang akan mengalir pada kolektotr T2 akan besar sesuai
dari penguatan dari transistor.
6. Resistor R4 dan R6 berfungsi untuk membagi tengangan menjadi 2,5 V.
Sehingga pemancar ultrasonik akan menerima tegangan bolak – balik
dengan Vpeak-peak adalah 5V (+2,5 V s.d -2,5 V).
3.2.4. Prinsip Kerja Penerima Ultrasonik (Receiver)
Penerima Ultrasonik ini akan menerima sinyal ultrasonik yang
dipancarkan oleh pemancar ultrasonik dengan karakteristik frekuensi yang
sesuai. Sinyal yang diterima tersebut akan melalui proses filterisasi
frekuensi dengan menggunakan rangkaian band pass filter (penyaring
pelewat pita), dengan nilai frekuensi yang dilewatkan telah ditentukan.
Kemudian sinyal keluarannya akan dikuatkan dan dilewatkan ke rangkaian
komparator
(pembanding)
dengan
tegangan
referensi
ditentukan
berdasarkan tegangan keluaran penguat pada saat jarak antara sensor
kendaraan mini dengan sekat/dinding pembatas mencapai jarak minimum
untuk berbelok arah. Dapat dianggap keluaran komparator pada kondisi ini
adalah high (logika ‘1’) sedangkan jarak yang lebih jauh adalah low
42 (logika’0’). Logika-logika biner ini kemudian diteruskan ke rangkaian
pengendali (mikrokontroler).
3.2.5. Rangkaian Power Supplay (PSA)
Rangkaian ini berfungsi untuk mensupplay tegangan ke seluruh
rangkaian yang ada. Rangkaian PSA yang dibuat terdiri dari dua keluaran,
yaitu 5 volt dan 220 volt, keluaran 5 volt digunakan untuk mensupplai
tegangan ke seluruh rangkaian, sedangkan keluaran 220 volt digunakan
untuk mensuplai tegangan ke pompa.
Rangkaian power supplay ditunjukkan pada gambar 3.7 berikut ini.
Gambar 3.7. Rangkaian Power Supply
Trafo CT merupakan trafo stepdown yang berfungsi untuk menurunkan
tegangan dari 220 volt AC menjadi 12 volt AC. Kemudian 12 volt AC akan
disearahkan dengan menggunakan dua buah dioda, selanjutnya 12 volt DC
akan diratakan oleh kapasitor 2200 μF. Regulator tegangan 5 volt
(LM7805CT) digunakan agar keluaran yang dihasilkan tetap 5 volt
walaupun terjadi perubahan pada tegangan masukannya. LED hanya
43 sebagai indikator apabila PSA dinyalakan. Transistor PNP TIP 32 disini
berfungsi untuk mensupplay arus apabila terjadi kekurangan arus pada
rangkaian, sehingga regulator tegangan (LM7805CT) tidak akan panas
ketika rangkaian butuh arus yang cukup besar. Tegangan 12 volt DC
langsung diambil dari keluaran 2 buah dioda penyearah.
3.2.6. Rangkaian Relay Pengendali Pompa Air
Relay ini berfungsi sebagai saklar elektronik yang dapat
menghidupkan / mematikan peralatan elektronik (dalam hal ini Pompa
Air). Rangkaian relay pengendali Pompa Air tampak seperti gambar di
bawah ini :
Gambar 3.8 Rangkaian Relay Pengendali Pompa Air
Pada rangkaian di atas, untuk menghubungkan rangkaian dengan 220 V
AC digunakan relay. Relay merupakan salah satu komponen elektronik
44 yang terdiri dari lempengan logam sebagai saklar dan kumparan yang
berfungsi untuk menghasilkan medan magnet. Pada rangkaian ini
digunakan relay 12 volt, ini berarti jika positif relay (kaki 1) dihubungkan
ke sumber tegangan 12 volt dan negatif relay (kaki 2) dihubungkan ke
ground, maka kumparan akan menghasilkan medan magnet, dimana
medan magnet ini akan menarik logam yang mengakibatkan saklar (kaki
3) terhubung ke kaki 4. Dengan demikian, jika kita gunakan kaki 3 dan
kaki 4 pada relay sebagai saklar untuk menghidupkan/mematikan lampu
maka kita dapat menghidupkan/mematikan Pompa Air dengan cara
mengaktifkan atau menon-aktifkan relay.
Pada rangkaian ini untuk mengaktifkan atau menon-aktifkan relay
digunakan transistor tipe NPN. Dari gambar dapat dilihat bahwa negatif
relay dihubungkan ke kolektor dari transistor NPN (2SC945), ini berarti
jika transistor dalam keadaan aktif maka kolektor akan terhubung ke
emitor dimana emitor langsung terhubung ke ground yang menyebabkan
tegangan di kolektor menjadi 0 volt, keadaan ini akan mengakibatkan relay
aktif. Sebaliknya jika transistor tidak aktif, maka kolektor tidak terhubung
ke emitor, sehingga tegangan pada kolektor menjadi 12 volt, keadaan ini
menyebabkan tidak aktif.
Kumparan pada relay akan menghasilkan tegangan singkat yang besar
ketika relay dinon-aktifkan dan ini dapat merusak transistor yang ada pada
rangkaian ini. Untuk mencegah kerusakan pada transistor tersebut sebuah
dioda harus dihubungkan ke relay tersebut. Dioda dihubungkan secara
terbalik sehingga secara normal dioda ini tidak menghantarkan.
45 Penghantaran hanya terjadi ketika relay dinon-aktifkan, pada saat ini arus
akan terus mengalir melalui kumparan dan arus ini akan dialirkan ke
dioda. Tanpa adanya dioda arus sesaat yang besar itu akan mengalir ke
transistor, yang mengakibatkan kerusakan pada transistor. Rangkaian ini
juga dilengkapi dengan LED indicator, dimana LED indicator ini akan
menyala, jika relay aktif dan sebaliknya, LED indikator ini akan mati jika
relay tidak aktif. LED indikator ini dikendalikan oleh sebuah transistor
jenis PNP, dimana basis transistor ini mendapatkan input dari kolektor
transistor C945. Transistor tipe PNP akan aktif jika mendapat tegangan 0
volt pada basisnya.