Perancangan Alat Ukur Berat Badan Ideal Dengan Metode Body

BAB II
DASAR TEORI
Dalam merealisasikan suatu alat diperlukan dasar teori untuk menunjang hasil
yang optimal. Pada bab ini akan diuraikan dasar - dasar penunjang yang diperlukan
untuk merealisasikan alat ukur berat badan ideal dengan metode body mass index.
2.1
Sensor Berat (Strain Gauge)
Timbangan bekerja karena adanya pengaruh tekanan atau gaya berat sehingga
dapat mengukur berat tersebut yang kemudian dapat ditampilkan, baik ditampilkan
secara analog atau digital. Dalam pembuatan timbangan elektronik dibutuhkan suatu
komponen yang dapat mengubah suatu besaran mekanik (tekanan) menjadi listrik
sehingga keluaran dari alat tersebut dapat diukur perubahan tegangan atau arus yang
terjadi.
Strain gauge terdiri dari kawat panjang yang sangat halus yang ditenun bolakbalik didalam suatu kotak dan diletakkan diatas selembar kertas atau plastik yang
disebut basis. Sebuah kawat yang umum digunakan adalah paduan tembaga-nikel,
dengan diameter sekitar seperseribu inchi (0,001"). Kawat dibentuk zig-zag untuk
membentuk suatu grid sehingga akan meningkatkan panjang efektif dari kawat yang
berada dibawah pengaruh gaya yang diterapkan pada kawat tersebut. Diletakkan diatas
dan melekat ke ujung pengukur. Strain gauge dapat dibuat sangat kecil, kadang lebih
kecil 1/64", yang kemudian dicetak ke benda logam yang kuat, biasanya disebut sebagai
beban penerima elemen[2].
Gambar 2.1 Strain Gauge
5
Komponen strain gauge ini yang digunakan sebagai sensor berat, dengan
menerapkannya ke sutau rangkaian jembatan. Rangkaian jembatan adalah adalah suatu
untai keseimbangan yang digunakan untuk membandingkan dua tegangan, seperti suatu
neraca timbangan yang digunakan untuk membandingkan dua berat benda. Rangkaian
jembatan dapat digunakan untuk mengukur semua nilai dalam besaran listrik.
Rangkaian jembatan Wheatstone dapat dilihat pada gambar 2.2.
Gambar 2.2 Untai Jembatan Wheatstone
Ketika tegangan antara titik A dan terminal negatif baterai adalah sama dengan
tegangan antara titik B dengan terminal negatif baterai, maka detektor akan
menunjukkan angka nol dan jembatan dikatakan “seimbang”. Karena tegangan sama
antara titik A dan B tidak ada arus yang mengalir ke detektor atau disebut open loop
circuit.
Resistor R1 dan R2 dirangkai seri maka rangkaian penggantinya :
(2.1)
Resistor R3 dan Rx dirangkai seri maka rangkaian penggantinya :
(2.2)
Karena tegangan E paralel dengan Rs1 dan Rs2, maka
(2.3)
Arus yang mengalir pada masing-masing cabang dapat dihitung
dan
(2.4)
Pada saat seimbang V1 = V2 sehingga
6
(2.5)
Dengan mensubsitusikan I1 dan I2 diperoleh
(2.6)
(2.7)
(2.8)
(2.9)
(2.10)
Kesetimbangan jembatan ditentukan dari rasio
dan
dan tidak dipengaruhi oleh
sumber tegangan E (misal baterai). Untuk mengukur resistansi menggunakan jembatan
wheatstone, resistansi yang akan diukur ditempatkan pada R 1 atau R2, sementara ketiga
resistor yang lainnya diketahui nilai resistansinya. Salah satu dari ketiga resistor dapat
disetel nilainya (nilai hambatan berubah-ubah)[3]. Resistor yang berubah-ubah nilainya
dapat diganti dengan strain gauge seperti pada gambar dibawah ini.
Gambar 2.3 Konfigurasi Quarter Bridge Strain Gauge
Lengan rheostat R2 pada rangkaian jembatan , dapat dilihat pada gambar 2.3 nilai
resistansinya sama dengan resistansi dari strain gauge tanpa ada beban. Perbandingan
resistansi kedua lengan rangkaian jembatan R1 dan R3 diatur nilai resistansinya agar
sama. Saat tidak ada beban pada strain gauge , tegangan selisih untai jembatan adalah
nol volt. Jika strain gauge diberi beban maka nilai resistansinya berubah sehingga
menyebabkan perbedaan nilai hambatan R2 tidak sama dengan hambatan pada strain
gauge. Perbedaan nilai hambatan pada rangkaian jembatan mengakibatkan terjadinya
7
selisih tegangan. Sebagai contoh bagaimana sepasang strain gauge yang dites dengan
beban uji sehingga menghasilkan efek yang diilustrasikan sebagai berikut :
Gambar 2.4 Untai Jembatan dalam Kondisi Setimbang
Dengan tidak adanya beban uji yang diletakkan pada strain gauge, kedua strain gauge
mempunyai resistansi yang sama sehingga untai jembatan seimbang. Namun ketika ada
beban atau gaya kebawah pada spesimen maka akan tertekuk ke bawah sesuai dengan
gaya tekan yang membuat untai jembatan tidak seimbang, terjadi peregangan pada
gauge #1 dan penekanan pada gauge #2 dalam waktu bersamaan[4].
Gambar 2.5 Untai Jembatan dalam Kondisi Tidak Setimbang
Konfigurasi yang digunakan dalam pembuatan timbangan menggunakan konfigurasi
untai full-brigde strain gauge yang ditunjukkan pada gambar 2.6.
8
Gambar 2.6 Konfigurasi Full-bridge Strain Gauge
2.2
Sensor Jarak
Sensor jarak atau disebut ultrasonik adalah alat elektronika yang kemampuannya
bisa mengubah energi listrik menjadi energi mekanik dalam bentuk gelombang suara
ultrasonik. Sensor ini terdiri dari rangkaian pemancar ultrasonik yang dinamakan
transmitter dan penerima ultrasonik yang disebut receiver. Alat ini digunakan untuk
mengukur gelombang ultrasonik. Gelombang ultrasonik adalah gelombang mekanik
yang memiliki ciri-ciri longitudinal dan biasanya memiliki frekuensi di atas 20 kHz.
Gelombang ultrasonik dapat merambat melalui zat padat, cair maupun gas. Gelombang
ultrasonik adalah gelombang rambatan energi dan momentum mekanik sehingga
merambat melalui ketiga elemen tersebut sebagai interaksi dengan molekul dan sifat
enersia medium yang dilaluinya [5].
Sensor menghitung interval waktu antara pengiriman sinyal dan menerima gema
untuk menentukan jarak ke obyek, dirumuskan sebagai berikut :
(2.11)
dengan D adalah jarak sensor terhadap obyek, v adalah cepat rambat gelombang suara
di udara (340 m/s), dan t adalah selang waktu yang dibutuhkan sensor untuk
memancarkan kemudian menerima kembali [6].
Modul sensor ultrasonik (sensor PING) merupakan input utama rangkaian yang
memancarkan gelombang ultrasonik setelah menerima trigger dari mikrokontroler.
Setelah menerima pantulan gelombang tersebut, modul sensor PING akan mengirimkan
9
sinyal kembali ke mikrokontroler. Mikrokontroler memproses data dan menghasilkan
tegangan output[7].
Gambar 2.7 Ilustrasi Cara Kerja Sensor Ultrasonik
2.3
Differential Amplifier
Penguat diferensial adalah jenis penguat dengan dua buah masukan dan satu
keluaran.
Gambar 2.8 Penguat Diferensial
Penguat diferensial digunakan untuk mencari selisih dari dua tegangan yang telah
dikalikan dengan konstanta tertentu yang ditentukan oleh nilai resistansi sebesar
untuk
dan
.
(2.12)
Sedangkan untuk
dan
maka gain diferensial adalah
10
(2.13)
2.4
Penguat Instrumentasi
Penguat instrumentasi merupakan suatu untai yang menggunakan prinsip penguat
diferensial yang memiliki impedansi input yang sangat tinggi. Pada dasarnya penguat
instrumentasi memiliki dua bagian yaitu bagian A sebagai penguat yang memiliki
impedansi tinggi pada kedua input penguat dan pengesetan seberapa besar nilai
penguatan yang diinginkan, kemudian bagian B yaitu seperti untai penguat diferensial.
Gambar 2.9 Penguat Instrumentasi
Dari rangkaian diatas dapat diperoleh persamaan sebagai berikut:
(2.14)
(
)
(2.15)
(
)
(2.16)
Dengan menganggap op amp tersebut ideal maka tegangan kedua kaki
masukan sama yaitu
dapat dicari persamaan rumus sebagai berikut:
(2.17)
11
Karena arus tidak mengalir menuju op amp maka didapatkan
(2.18)
Sedangkan untuk arus Ib dapat ditulis persamaannya sebagai berikut
(2.19)
Arus
maka didapatkan persamaan
(2.20)
(2.21)
(
(
))
((
)
)
(2.22)
Jika diasumsikan nilai R2 = R3 maka
(
(
))
(
(
(
(
(
))
))
(
((
)
)
(2.23)
((
)
)
(2.24)
((
)
))
)
)
(2.25)
(2.26)
(2.27)
Dengan mensubstitusikan persamaan 2.16 ke persamaan rumus 2.27 maka
didapatkan:
(
2.5
(
))
(2.28)
Penguat Instrumentasi IC INA125P
Dari prinsip kerja penguat instrumentasi dengan op amp. Salah satu jenis penguat
instrumentasi yang dipilih dalam perancangan alat, menggunakan penguat instrumentasi
tipe INA125. Konfigurasi pin dari penguat instrumentasi IC INA125P dapat dilihat pada
gambar 2.10.
12
Gambar 2.10 Konfigurasi Pin Penguat Instrumentasi INA125P
Sedangkan untuk gambaran umum dari untai penguat yang digunakan dalam chip IC ini
adalah seperti berikut :
Gambar 2.11 Rangkaian Penguat IC INA125
Dari rangkaian pada gambar 2.11 didapatkan persamaan sebagai berikut
(2.29)
(2.30)
Sedangkan untuk arus I3 dan IG yaitu
(2.31)
(2.32)
13
Besar arus yang mengalir di I4 adalah
(2.33)
Sebelum mencari nilai VO terlebih dahulu mencari VO1 dengan rumus sebagai berikut
(2.34)
(2.35)
(
)
(
(
)
(2.36)
(2.37)
)
(2.38)
Nilai VO dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut
(2.39)
(2.40)
(
)
(2.41)
Dengan mensubstitusikan persamaan (2.38) ke dalam persamaan (2.41) diperoleh
{
(
)
}
(2.42)
(2.43)
(2.44)
(2.45)
Sehingga besar penguatan dapat dihitung sebagai berikut
(2.46)
Jika nilai resistor R = 10kΩ maka besar penguatan adalah
(2.47)
2.6
Untai Penyeimbang Rangkaian Jembatan Wheatstone
Konfigurasi rangkaian jembatan wheatstone pada kenyataannya pada saat tidak
ada beban sudah mempunyai tegangan selisih sehingga jika untai jembatan ini langsung
disambungkan dengan rangkaian penguat atau pengkondisi sinyal maka selisih tegangan
tersebut akan dikuatkan sehingga akan mempengaruhi proses pembacaan data. Oleh
sebab itu untuk menghindari adanya tegangan selisih rangkaian jembatan pada saat
14
belum ada beban maka ditambahkan untai untuk menyeimbangkan rangkaian jembatan
yang dapat dilihat pada gambar 2.10.
Penguat
Instrumentasi
1K
1K
VB
10k
5V
10k
1K
1K
VA
Gambar 2.12 Rangkaian Jembatan dengan Untai Penyeimbang
2.7
Mikrokontroler Arduino Uno
Secara umum mikrokontroler adalah sebuah sistem komputer mini yang di
dalamnya telah terdapat prosesor, RAM, dan ROM serta interface IO untuk
berhubungan dengan dunia luar. Mikrokontroler memiliki fungsi utama yaitu sebagai
pusat sistem kendali yang dapat diatur sesuai dengan keinginan pengguna. Pengaturan
tersebut dilakukan melalui algoritma yang ditanamkan pada mikrokontroler tersebut.
Saat ini, mikrokontroler telah mengalami kemajuan pesat, dahulu fitur mikrokontroller
hanya sebatas pada IO saja, kini untuk mikrokontroler jenis AVR telah memiliki
fasilitas yaitu sistem mikrokontroler RISC (Reduced Instruction Set Computing),
memiliki flash ROM yang cukup besar, memiliki ADC internal, terdapat timer yang
dapat digunakan sebagai penghasil PWM, terdapat jalur komunikasi serial, SPI dan
I2C, terdapat pula jalur interupsi, serta memiliki analog komparator [8].
Salah satu platform pengembangan mikrokontroler jenis AVR adalah arduino.
Arduino merupakan mikrokontroler single-board yang bersifat open source. Perangkat
kerasnya terdiri atas desain hardware yang open source. Umumnya, mikrokontroler
yang digunakan adalah 8-bit mikrokontroler Atmel AVR atau 32-bit Atmel ARM.
Untuk software-nya terdiri atas standard programming language compiler dan boot
loader untuk eksekusi dalam mikrokontroler [9].
Arduino Uno adalah board mikrokontroler berbasis ATmega328. Uno memiliki 14
pin digital input / output (dimana 6 dapat digunakan sebagai output PWM), 6 input
analog, resonator keramik 16 MHz, koneksi USB, jack listrik, header ICSP, dan tombol
reset.
Uno
dibangun
berdasarkan
apa
yang
diperlukan
untuk
mendukung
mikrokontroler, sumber daya bisa menggunakan power USB (jika terhubung ke
15
komputer dengan kabel USB) dan juga dengan adaptor atau baterai. ATmega328
memiliki 32 KB (dengan 0,5 KB digunakan untuk bootloader). ATmega328 juga
memiliki 2 KB dari SRAM dan 1 KB EEPROM (yang dapat dibaca dan ditulis dengan
library EEPROM).
Masing-masing dari 14 pin digital Uno dapat digunakan sebagai input atau output,
menggunakan fungsi pinMode(), digitalWrite(), dan digitalRead(). Mereka beroperasi
pada tegangan 5 volt. Setiap pin dapat memberikan atau menerima maksimum 40 mA
dan memiliki resistor pull-up internal (terputus secara default) dari 20-50 kOhms.
Gambar 2.13 Konfigurasi pin Arduino Uno R3
Konfigurasi pin arduino uno pada gambar diatas penjelasannya sebagai berikut[10]:
1.
VCC adalah untuk masukan digital voltage supply.
2.
GND adalah pin ground.
3.
IOREF adalah pin yang memberikan tegangan referensi ketika mikrokontroler
beroperasi. Sebuah shield yang dikonfigurasi dengan benar dapat membaca pin
tegangan IOREF sehingga dapat memilih sumber daya yang tepat agar dapat
bekerja dengan tegangan 5V atau 3,3V.
4.
Serial RX pin(0) dan TX pin(1) adalah pin yang digunakan untuk menerima (RX)
dan mengirimkan (TX) data serial TTL. Pin ini terhubung dengan pin ATmega8U2
USB to Serial TTL.
5.
Eksternal Interupsi pin 2 dan 3 yang dapat dikonfigurasi untuk memicu interrupt
pada nilai yang rendah (low value), rising atau falling edge, atau perubahan nilai
dengan fungsi attachInterrupt().
16
6.
SPI: pin 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK) adalah pin yang mendukung
komunikasi SPI dengan menggunakan library SPI.
7.
LED: pin 13, Built in LED terhubung ke pin digital 13. LED akan menyala ketika
diberi nilai HIGH.
8.
PWM : pin 3, 5, 6, 9, 10 dan 11 menyediakan 8 bit PWM dengan fungsi
analogWrite().
9.
ADC(Analog to Digital Converter) A0 sampai A5, yang masing-masing
menyediakan resolusi 10 bit (1024 nilai yang berbeda). Secara default mengukur
dari ground sampai 5 volt, perubahan tegangan maksimal menggunakan pin AREF
dengan fungsi analogReference(). Selain itu, beberapa pin tersebut memiliki
spesialisasi fungsi yaitu : TWI pin A4 atau SDA dan A5 atau SCL mendukung
komunikasi TWI menggunakan library Wire.
2.8
LCD(Liquid Crystal Display) 20 × 4 Karakter
Pada skripsi ini menggunakan LCD karakter 20x4 sebagai penampil dan
antarmuka antara sistem dan pengguna.LCD ini memiliki 20 karakter per baris dan
memiliki 4 baris tampilan.
Gambar 2.14 LCD Karakter 20 x 4
Konfigurasi pin LCD 20x4 ditunjukkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Konfigurasi pin LCD karakter 20x4.
No.Pin
Nama Pin
Keterangan
1
Vss
Ground, 0V
2
Vdd
Positive power pin, +5v
3
VO
Kontras
4
RS
Register Select
5
R/W
Read/Write
17
6
E
Enable input pin
7
DB0
Data bit 0
8
DB1
Data bit 1
9
DB2
Data bit 2
10
DB3
Data bit 3
11
DB4
Data bit 4
12
DB5
Data bit 5
13
DB6
Data bit 6
14
DB7
Data bit 7
15
LED +
Catu daya positif LED
16
LED -
Catu daya negatif LED
18