reformulasi tradisi keilmuan pendidikan tinggi islam

Edu – Physic Vol. 3, Tahun 2012
PEMBUATAN SOUND LEVEL METER BERBASIS
MIKROKONTROLER AT89S51 UNTUK MEDIA PRAKTEK
PEMBELAJARAN FISIKA EKSPERIMEN
Rahmi Putri Wirman, S.Si., M.Si
Program Studi Pendidikan Fisika IAIN STS Jambi
Abstrak
Alat eksprimen sederhana yang digunakan untuk mengukur
tingkat kebisingan yang diukur dalam skala desibel (dB) bisa
digunakan sebagai media praktek pembelajaran fisika eksperimen.
Sound level meter berbasis mikrokontroler merupakan salah satu
bentuk aplikasi mikrokontroler AT89S51. Sinyal suara yang
dihasilkan oleh mikrofon dikuatkan oleh penguat operasional
(operational amplifier, op-amp) sebesar 471 kali. Sinyal analog ini
kemudian dikonversikan dengan menggunakan ADC0804 menjadi
sinyal digital. Sinyal tegangan digital merupakan masukan bagi
mikrokontroller. Intensitas bunyi yang diperoleh ditampilkan pada
seven-segment. Program sistem pengukuran ini ditulis dalam
bahasa Assembly dan dibuat dengan menggunakan Mide-51.
Untuk memasukkan program ke mikrokontroler AT89S51
digunakan AEC-ISP. Dari hasil pengujian alat yang telah dilakukan,
diperoleh kesalahan relatif maksimum pengukuran sebesar 2,4 %.
Rentang intensitas bunyi yang dapat diukur alat ini antara 35 dB
hingga 105 dB.
A.
Pendahuluan
Dalam perkembangan sains, peran eksperimen sangatlah penting.
Pada banyak hal, kebenaran ilmiah diterima setelah terbukti secara
eksperimen. Dengan demikian, kemampuan melakukan eksperimen haruslah
dikembangkan. Sangat penting artinya bagi siswa/mahasiswa untuk mengerti
kedudukan eksperimen di dalam sains dan melakukan eksperimen secara
benar. Saat ini berbagai demonstrasi diperkenalkan di dunia pendidikan fisika
sehingga menjadikan belajar fisika itu menjadi mudah. Dalam tulisan ini telah
dibuat alat sound level meter berbasis mikrokontroler AT89S51 yang bisa
digunakan sebagai media praktek pembelajaran fisika eksperimen.
B.
1.
Teori
Bunyi
Gelombang bunyi merupakan gelombang longitudinal yang terjadi
karena kerapatan dan peregangan dalam medium gas, cair, atau padat.
81
Rahmi Putri Wirman, Pembuatan …
2.
Gelombang itu dihasilkan ketika sebuah benda, seperti garpu tala atau
senar biola, yang digetarkan dan menyebabkan gangguan kerapatan
medium. Gangguan dijalarkan di dalam medium melalui interaksi molekulmolekulnya. Getaran molekul tersebut berlangsung sepanjang arah
penjalaran gelombang (Tipler, 1991).
Laju Gelombang Bunyi
Laju gelombang bunyi bergantung pada sifat medium. Laju bunyi
berbeda untuk materi yang berbeda. Untuk gelombang bunyi dalam fluida
seperti udara atau air, laju ν diberikan oleh

B

dengan ρ adalah rapat kesetimbangan medium dan B adalah modulus
limbak (bulk modulus). Untuk gelombang bunyi pada suatu batang padat
dan panjang, modulus limbak sama dengan modulus Young (Y).

Y

Untuk gelombang bunyi dalam gas seperti udara, modulus limbak
berbanding lurus dengan tekanan, yang sebanding dengan kerapatan ρ
dan temperatur mutlak T.

3.
82
 RT
M
Ada dua aspek dari setiap bunyi yang dirasakan oleh pendengaran
manusia. Aspek ini adalah “kenyaringan” dan “ketinggian”. Kenyaringan
(loudness) berhubungan dengan energi pada gelombang bunyi. Ketinggian
(pitch) bunyi menyatakan apakah bunyi tersebut tinggi, seperti bunyi
suling atau biola, atau bunyi rendah, seperti bunyi bass drum atau senar
bass. Besaran fisika yang menentukan ketinggian adalah frekuensi,
sebagaimana ditemukan untuk pertama kali oleh Galileo. Makin rendah
frekuensi, makin rendah ketinggian, dan makin tinggi frekuensi, makin
tinggi ketinggian. Telinga manusia dapat mendengar frekuensi dalam
jangkauan 20 Hz sampai 20.000 Hz. Jangkauan ini disebut jangkauan
pendengaran. Jangkauan ini berbeda dari orang ke orang. Gelombang
bunyi yang frekuensinya di atas 20.000 Hz disebut ultrasonik (di luar
jangkauan pendengaran manusia). Gelombang bunyi yang frekuensinya di
bawah jangkauan yang dapat terdengar (yaitu, lebih kecil dari 20 Hz)
disebut infrasonik (Giancoli, 1998).
Intensitas Bunyi
Intensitas didefinisikan sebagai energi yang dibawa sebuah
gelombang per satuan waktu melalui satuan luas dan sebanding dengan
kuadrat amplitudo gelombang. Karena energi per satuan waktu adalah
Edu – Physic Vol. 3, Tahun 2012
daya, intensitas memiliki satuan daya per satuan luas, atau watt/meter2
(W/m2) (Giancoli, 1998).
Karena rentang intensitas yang dapat ditangkap telinga demikian luas
dan karena rangsangan psikologis kenyaringan tidak berubah-ubah secara
langsung terhadap intensitas, tetapi lebih mendekati logaritmik, maka
suatu skala logaritmik digunakan untuk menyatakan tingkat intensitas
gelombang bunyi. Tingkat intensitas β yang diukur dalam desibel (dB)
didefinisikan oleh :
  10 log
I
I0
dengan I adalah intensitas bunyi dan I0 adalah intensitas acuan, yang
akan digunakan sebagai ambang pendengaran:
I0 = 10-12 W/m2
Pada skala ini, ambang pendengaran adalah
  10 log
I0
 0 dB
I0
dan ambang sakit adalah
  10 log
1
 10 log 1012  120 dB
10 12
Jadi, rentang intensitas bunyi dari 10-12 W/m2 hingga 1 W/m2.
Intensitas dan tingkat intensitas untuk sejumlah bunyi yang umum dapat
dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1: Intensitas berbagai macam bunyi (Giancoli, 1998).
Sumber Bunyi
Tingkat
Intensitas
Bunyi (dB)
Pesawat jet pada jarak 30 m
140
Ambang rasa sakit
120
Konser rock yang keras dalam ruangan
120
Sirine pada jarak 30 m
100
Interior mobil, yang melaju pada 90
75
km/jam
Lalu lintas jalan raya yang sibuk
70
Percakapan biasa, dengan jarak 50 cm
65
Radio yang pelan
40
Bisikan
20
Gemerisik daun
10
Batas pendengaran
0
Intensit
as (W/m2)
100
1
1
1 x 10-2
3 x 10-5
1 x 10-5
3 x 10-6
1 x 10-8
1 x 10-10
1 x 10-11
1 x 1012
83
Rahmi Putri Wirman, Pembuatan …
4.
Mikrokontroler AT89S51
Secara umum mikrokontroler memiliki kesamaan dengan
mikroprosesor yaitu sebuah chip yang dapat melakukan pemprosesan
data secara digital sesesuai dengan perintah bahasa assembly yang
diberikan. Tetapi ada perbedaan mendasar pada keduannya.
Mikroprosesor memerlukan perangkat pendukung (RAM, harddisk, VGA,
card, monitor, keyboard, floppy disk, dll) dalam melakukan instruksi.
Kesatuan dari mikroprosesor dan perangkat pendukung tersebut yang
kemudian disebut mikrokomputer atau komputer. Mikrokontroler
merupakan chip tunggal yang dapat menjalankan instruksi tertentu.
Memang mikrokontroler tidak secerdas mikroprosesor ditinjau dari
banyaknya aplikasi yang dijalankan.
Akan tetapi jika tingkat kepandaian yang dimiliki telah cukup untuk
menjalankan bagian dari instrumen, maka mikrokontroler adalah pilihan
pertama karena memiliki kelebihan dalam hal harga yang relatif lebih
murah, kerumitan rangkaian tereduksi, dan dimensi instrumen menjadi
lebih kecil. Akhirnya pada masa sekarang pengunaan mikrokontroler telah
menjadi tren pada desain teknologi elektronika.
Perkembangan terakhir mikrokontroler MCS-51 adalah tipe-S yaitu
jenis ISP (in system programeable) dimana EEPROM di dalamnya
berteknologi flash yang dapat diisi dengan pulsa 5 volt, sehingga
pemogramannya dapat dilakukan secara on-line dari komputer pada
obyek berbasis mikrokontroler yang sedang dikerjakan. Tentu saja hal ini
akan memberikan banyak kemudahan dalam perancangan sistem
elektronik.
Mikrokontroler tipe-S, antara lain : AT89S51, AT89S52, AT89S53 dan
AT89S8252 adalah produk istimewa dari ATMEL karena memiliki flash
yang dapat deprogram pada logik 5V dan dilengkapi ISP (In-System
Programmable) sehingga mikrokontroler jenis ini dapat diprogram dan
dihapus melaui port-port yang yang tersedia pada komputer tanpa
rangkaiaan tambahan sama sekali .
Dengan jenis ISP ini maka pengguna tidak perlu mencabut IC
mikrokontroler dari proyek rangkaian., mengisi pada suatu alat dan
menancapkan kembali rangkaiaan tersebut, sehingga tidak menambah
alur kerja dalam disain sistem. Jika mengunakan mikrokontroler tipe-C,
maka apabila pemograman mengalami seratus kali kesalahan berarti
sebanyak itu pula harus dilakukan pencabutan dan pemasangan kembali
IC mikrokontroler jenis ISP.
C. Bahan dan Komponen
1. Rangkaian Catu Daya +5 V, ±12 V.
Catu daya berfungsi sebagai sumber arus dc untuk menjalankan
rangkaian. Skematik rangkaian catu daya dapat dilihat pada Gambar 1.
84
Edu – Physic Vol. 3, Tahun 2012
Gambar 1 : Skematik rangkaian catu daya +5 V, ±12 V.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Komponen yang digunakan untuk catu daya ini adalah:
Transformator step down 220 V, 3 A
: 1 buah
Dioda tipe 1N4002
: 4 buah
Kapasitor 1000 µF, 25 V
: 2 buah
Resistor 1 KΩ
: 1 buah
LED 3MM
: 1 buah
Header 2 pin (JP1,JP2)
: 2 buah
IC LM7805
: 1 buah
IC LM7812
: 1 buah
IC LM7912
: 1 buah
2.
Rangkaian Penguat Mikrofon dan Detektor Puncak Aktif
Tegangaan Keluaran mikrofon dikuatkan penguat operasional
(operational amplifier, op-amp) sebesar 470 kali. Sinyal keluaran sensor yang
telah dikuatkan menggunakan rangkaian penguat non-inverting kemudian
diteruskan dengan menggunakan Detektor puncak aktif guna mendeteksi
puncak sinyal-sinyal yang kecil. Skematik rangkaian penguat Mikrofon dan
Detektor puncak aktif dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2: Skematik rangkaian penguat Mikrofon dan Detektor puncak aktif
85
Rahmi Putri Wirman, Pembuatan …
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
3.
Komponen yang digunakan untuk rangkaian ini adalah:
Dioda tipe 1N4004
: 1 buah
IC LM741C
: 2 buah
Kapasitor 10 µF, 25 V
: 1 buah
Kapasitor 100 µF, 25 V
: 1 buah
Header 2 pin (JP1,JP2)
: 2 buah
Header 3 pin (JP3)
: 1 buah
Resistor 100 
: 2 buah
Resistor 1 k
: 1 buah
Resistor 47 k
: 1 buah
Rangkaian ADC0804
1.
2.
3.
4.
. Gambar 3: Skematik rangkaian ADC0804
Komponen yang digunakan:
IC ADC0804
Resistor 10 k 
Kapasitor 150 pF
Kapasitor 100  F
4. Rangkaian Sistim minimum Mikrokontroler AT89S51
Gambar 4: Sistem minimum Mikrokontroler AT89S51
86
:1
:2
:1
:1
Edu – Physic Vol. 3, Tahun 2012
1.
2.
3.
4.
Komponen yang digunakan :
Chip IC mikrokontroler AT89S51
Kristal (maks 24 MHz)
Kapasitor (33 pF 2 buah, 10 µF/16 V 1 buah)
Ressistor 10 kΩ
5. Rangkaian Display seven-segment
Komponen yang digunakan :
1. Seven-segment tipe common anoda sebagai peraga
2. Transistor BC559
3. Resistor 1 k Ω
4. Resistor 330 k Ω
: 3 buah
: 3 buah
: 3 buah
: 8 buah
Gambar 5: Rangkaian display seven-segment
Perangkat Lunak
Bahasa pemograman yang telah ditulis dikompilasi dengan cara
mengklik icon build current file pada tampilan software Mide-51. Jika program
yang dituliskan telah benar maka akan muncul pesan sukses berupa no error
pada kotak field teks pada bagian bawah dari menu editor. Namun jika
program salah maka akan keluar pesan kesalahan dan baris tempat kesalahan
tersebut
6.
87
Rahmi Putri Wirman, Pembuatan …
.
Gambar 6: Tampilan software Mide-51 dengan pesan sukses
D.
1.
Percobaan dan Perhitungan Data
Kesalahan Relatif Sistem Pengukuran
Untuk mengetahui kesalahan relatif sistem pengukuran ini digunakan
persamaan ;
Kesalahanrelatif (%) 
SLM
 100 %
SLM maks  SLM min
Kesalahan relatif alat ukur berbasis Mikrokontroler
maksimumnya adalah 2,4 % tampak pada Gambar 7.
AT89S51
Kesalahan Relatif
(%)
KESALAHAN RELATIF SISTEM
PENGUKURAN
3
2
1
0
-1 0
percobaan
50
100
150
-2
-3
SLM acuan (dB)
Gambar 7: Kesalahan relatif sistem pengukuran.
Uji Reprodusibilitas Pengukuran
Uji reprodusibilitas dilakukan untuk melihat kemampuan sistem
pengukuran ini menghasilkan output yang (relatif) sama ketika diberi stimulus
2.
88
Edu – Physic Vol. 3, Tahun 2012
(input) yang sama dan dalam kondisi yang sama. Hasilnya seperti tampak pada
Gambar 8.
SLM alat (dB)
UJI REPRODUSIBILITAS
150
SLM acuan
100
SLM alat 1
50
SLM alat 2
0
SLM alat 3
0
5
10
15
SLM acuan (dB)
SLM alat 4
SLM alat 5
Gambar 8: Uji Reprodusibilitas sistem pengukuran.
E.
Kesimpulan
Telah dibuat sound level meter berbasis mikrokontroler AT89S51.
Rentang intensitas bunyi yang dapat diukur alat ini antara 35 dB hingga 105 dB.
Sinyal keluaran sensor dikuatkan menggunakan rangkaian penguat
noninverting sebesar 471 kali. Rentang tegangan keluaran mikrofon sebesar 0,024
V hingga 4,980 V dengan sinyal masukan ADC0804 sebesar 0 V hingga 4,970 V.
Kesalahan relatif maksimum Sound Level Meter berbasis Mikrokontroler
AT89S51 ini adalah 2,4 %. Alat ini telah dimanfaatkan untuk mengukur
intensitas bunyi.
F.
Daftar Pustaka
Coughlin, R.F., dan Driscoll, F.F., 1994, Penguat Operasional dan Rangkaian
Terpadu Linier, Erlangga, Jakarta.
David C.W., 1994, Instrumentasi Elektronika dan Teknik Pengukuran, Erlangga,
Jakarta.
Fraden, J., 1996, HandBook of Modern Sensor: Physics, Designs and
Applications, Spring Vering, New York.
Giancoli, Douglas C., 1998, Fisika Edisi 5, Jilid 2, Erlangga, Jakarta.
Haliday, D., Resnick, R., 1995, Fisika Jilid 1, Edisi ke-3, Erlangga, Jakarta.
Indarto Bachtera, 2003, Intrumentasi I, ITS, Surabaya.
89
Rahmi Putri Wirman, Pembuatan …
Malcom, P., dan Jan, S., 1985, Pengantar Ilmu Teknik Instrumentasi, Gramedia,
Jakarta.
Malvino, A.P., 1985, Prinsip-prinsip Elektronika, Jilid 2, Erlangga, Jakarta.
Sutrisno, 1986, Elektronika Teori dan Penerapannya, Jilid 1, ITB, Bandung.
Tipler, 1991, Fisika Untuk Sains dan Teknik, Jilid 1, Erlangga, Jakarta.
Turner, RP., 1995, 133
Rangkaian
Komputindo, Jakarta.
90
Elektronika,
PT Elex
Media