perancangan sistem peringatan dini pada perlintasan kereta api

Seminar Instrumentasi Berbasis Fisika 2006
Bandung, 31 Agustus 2006
Kembali ke daftar isi
PERANCANGAN SISTEM PERINGATAN DINI PADA
PERLINTASAN KERETA API MENGGUNAKAN
LOUDSPEAKER SEBAGAI SENSOR.
1)
Suyatno1, Lea Prasetio2, Suyono3
Mahasiswa S2 Fisika ITB 2) Staff Pengajar jurusan Fisika ITS 3) Mahasiswa ITS
Laboratorium Akustik Jurusan Fisika FMIPA ITS
e-mail: [email protected]
Abstrak - Telah dirancang dan dibuat alat
sistem peringatan dini datangnya kereta api
pada perlintasan tanpa palang pintu, dengan
menggunakan
metode kontrol
jarakjauh
(telecontrol). Sistem ini memanfaatkan gejala
fisis yang timbul ketika Kereta Api melaju yaitu
dengan memanfaatkan terjadinya perubahan
tekanan angin disekitar Kereta Api dan getaran
di sekitar rel. Sensor yang digunakan adalah
loudspeaker tipe IS 8010 WP 8 WOOFER 8
OHM yang diletakkan terpisah pada jarak
tertentu dari aktuator dan sensor getaran
(loudspeaker) diletakkan di dekat perlintasan.
Aktuator berupa traffic light dan suara sirine
yang akan aktif secara otomatis ketika Kereta
Api melewati posisi sensor.
Kata Kunci: Kecepatan kereta api, perubahan
tekanan udara, loudspeaker , sirine dan traffic
light.
1. Pendahuluan
Banyaknya kecelakaan antara kereta api
dan kendaraan bermotor membuat keprihatinan
bersama. Untuk itu perlu diambil langkah
pencegahan kecelakaan diperlintasan kereta api.
Langkah antisipasi itu bisa dilakukan dengan
membuat palang pintu di setiap perlintasan,
sebab kecelakaan kereta api dan kendaraan
bermotor kerap terjadi di perlintasan yang tidak
berpalang pintu. Sebagai contoh, di Daerah
Operasi IV Semarang terdapat 685 perlintasan
kereta api. Namun, hanya 81 yang mendapatkan
penjagaan sedangkan 604 palang pintu lainnya
tidak dijaga. Sementara itu, di Daerah Operasi V
Purwokerto terdapat 411 perlintasan kereta api,
namun yang dijaga hanya 86 perlintasan dan 325
lainnya tidak dijaga. Di Daerah Operasi VI
Yogyakarta terdapat 439 perlintasan dengan 76
perlintasan dijaga, sisanya 363 tidak ada
penjagaan. Dari data di atas dapat disimpulkan
bahwa sistem pengaman pada perlintasan kereta
api yang ada sekarang kurang memadai,
sehingga langkah antisipasi yang akan diambil
diharapkan bisa menghilangkan atau paling tidak
meminimalkan kecelakaan di perlintasan kereta
api. Selama ini kecelakaan yang terjadi selalu
disimpulkan sebagai kecelakaan murni yang
disebabkan “human error” sebagai penyebab
utamanya. Itu artinya, masinis, atau pegawai
rendahan PT Kereta Api Indonesia (KAI) lainnya
seperti asisten masinis dan penjaga palang pintu,
berpeluang besar menjadi tersangka. Salah satu
alternatif
untuk
mengurangi
terjadinya
kecelakaan adalah membuat sistem pengaman
dengan metode peringatan dini datangya kereta
api pada perlintasan tanpa palang pintu secara
otomatis sehingga pengendara kendaraan
bermotor yang akan melewati rel kereta api dapat
mengantisipasi terjadinya kecelakaan.
Pada penelitian ini dirancang dan dibuat
alat sistem peringatan dini tersebut dengan
memanfaatkan gejala fisis yang timbul ketika
kereta api melintas di atas rel. Alat ini digunakan
untuk memberikan peringatan ketika kereta api
masih berada pada jarak tertentu dari perlintasan.
Untuk itu posisi sensor dan aktuator dibuat
terpisah pada jarak yang sudah ditentukan.
Ketika kereta api sampai pada posisi sensor
maka sinyal dari sensor akan dikondisikan dan
dikirim ke aktuator, yang nantinya memberi
peringatan bahwa ada kereta api yang akan
lewat.
2. Tinjauan pustaka.
2.1 Sistem Telekontrol ( kontrol jarak jauh )
Sistem peringatan dini pada perlintasan
kereta api yang dibuat, menggunakan metode
telekontrol atau kontrol jarak-jauh, dengan
gelombang radio sebagai pembawa sinyal.
Komponen sistem telekontrol terbagi menjadi
tiga blok pembangun sistem, yaitu blok sumber
data, blok saluran transmisi, dan blok pengolah
data. ( lihat Gambar. 2.1 )
43
Seminar Instrumentasi Berbasis Fisika 2006
Bandung, 31 Agustus 2006
Gambar 2.1 Blok sistem telekontrol
Blok sumber data analog berhubungan
dengan besaran fisis yang dideteksi. Transmisi
dapat terjadi dengan menggunakan kabel atau
tanpa kabel (wireless) sebagai pengirim sinyal
dan dalam Penelitian ini telah digunakan
gelombang radio. Blok aktuator berhubungan
dengan display alat berupa trafficlight dan sirine
berbasis mikrokontroler MCS51.
Gejala fisis yang timbul ketika kereta
api melintas di atas rel adalah terjadinya getaran
pada rel dan perubahan tekanan udara di sekitar
kereta api. Getaran di sekitar rel dan perubahan
tekanan udara yang terjadi akan ditangkap oleh
sensor kemudian diubah ke besaran listrik dan
dikondisikan untuk diproses lebih lanjut.
Dasar persamaan yang dapat diaplikasikan pada
transduser tipe moving-coil
adalah
f=Bli
( 2.1 )
E=Blv
( 2.2 )
dengan,
i = arus listrik dalam ampere ( A)
f = gaya ( N ) yang dihasilkan oleh arus i
B = rapat flux-magnet ( Wb/m2 )
l = panjang kawat kumparan dalam meter ( m )
v =kecepatan kumparan (m/dt)
E = tegangan listrik dalam Volt ( V )
2.3 Loudspeaker
Transduser
elektromekanik
yang
dipakai adalah loudspeaker, karena
dilihat dari konstruksinya dapat digunakan
sebagai sensor getaran. ( konstruksi loudspeaker
diperlihatkan pada Gambar 2.3 )
2.2 Transduser
Pada alat ini transduser yang digunakan
adalah transduser jenis elektromekanik, yang
mengubah besaran mekanik menjadi besaran
listrik. Contoh transduser elektromekanik adalah
moving-coil yang terdapat pada loudspeaker atau
mikropon. Tipe paling sederhana dari movingcoil transducers adalah sebatang kawat yang
berada di dalam medan magnet homogen seperti
diperlihatkan pada Gambar 2.2.
Diafragma loudspeaker pada umumnya
terbuat dari kertas atau alumunium, yang
ditopang oleh membran elastis pada bagian
pinggir terluar dan bagian terdekat dengan koil,
sehingga membran dan koil dapat bergerak bebas
pada arah axial. Prinsip kerja loudspeaker ketika
digunakan sebagai sensor getaran adalah
membalik proses kerja loudspeaker pada
umumnya. Jika terminal-terminalnya mendapat
sinyal listrik seperti Gambar 2.4 (a) , maka
didapatkan ouput berupa getaran pada membran.
Sebaliknya pada saat digunakan sebagai sensor
getaran lapisan membran pada loudspeaker
berfungsi sebagai detektor getaran. Bergetarnya
membran loudspeaker ketika ada hembusan
angin di samping kereta api terjadi akibat getaran
paksa yang disebabkan gaya hambat udara ( drag
force ) yaitu tumbukan antara molekul udara
dengan penampang membran. ( loudspeaker)
sebagai sensor getaran diperlihatkan pada
Gambar 2.4 (b) )
44
Seminar Instrumentasi Berbasis Fisika 2006
Bandung, 31 Agustus 2006
2.6 Pemakaian Op Amp sebagai Penguat
Diferensial
Penguatan tegangan pada amplifier
adalah perubahan pada tegangan output dibagi
dengan perubahan pada tegangan input-nya.
2.4 Rangkaian Pembagi Tegangan
Rangkaian analog digunakan untuk
mengkondisikan sinyal sensor getaran agar
didapatkan sinyal yang sesuai. Salah satu cara
melakukannya adalah dengan memakai sensor
getaran (loudspeaker) dan resistor variabel untuk
membentuk jaringan pembagi tegangan (
diperlihatkan pada Gambar 2.5 ) Hubungan ini
penting untuk sistem instrumentasi.
Perubahan tegangan pada titik C
digunakan sebagai input penguat operasional
yang didasarkan pada Op Amp 741.
2.5 Penguat Operasional
Penguat operasional (Op Amp) adalah
suatu rangkaian terintegrasi yang berisi beberapa
tingkat dan konfigurasi penguat diferensial.
Penguat operasional memiliki dua masukan dan
satu keluaran serta memiliki penguatan DC yang
tinggi. Untuk dapat bekerja dengan baik, penguat
operasional memerlukan tegangan catu yang
simetris yaitu tegangan yang berharga positif
(+V) dan tegangan yang berharga negatif (-V)
terhadap tanah (ground). Penguat operasional
banyak digunakan dalam berbagai aplikasi
karena beberapa keunggulan yang dimilikinya,
seperti penguatan yang tinggi, impedansi
masukan yang tinggi, impedansi keluaran yang
rendah dan lain sebagainya.
Tegangan input dan tegangan output
pada operasional amplifier diukur dari terminal
bumi. Ada dua input pada Op Amp 741, yaitu
input inversi dan input non inversi. Waktu kedua
input dipakai, sebuah hubungan diferensial
dibuat pada Op Amp. Beda tegangan (V2 – V1)
diantara terminal-terminal input diperkuat dan
muncul sebagai tegangan output. Maka tegangan
output adalah
Vout = A ( V2 – V1 ) (2.5)
dengan,
A = besarnya penguatan
V1 = tegangan input inversi
V2 = tegangan input non inverse
2.7 Rangkaian Timer IC 555
Rangkaian timer apabila di-trigger akan
menghasilkan tegangan output TINGGI dalam
selang waktu tertentu dan kembali ke kondisi
normal yaitu tegangan RENDAH sampai
mendapatkan trigger berikutnya. Hubungan yang
harus dibuat agar IC 555 dapat digunakan
sebagai timer.
Pada saat saklar S1 ditutup dengan
cepat maka pin 2 dari IC terhubung pada jalur
pencatu daya, akibatnya tegangan output ( pin3 )
45
Seminar Instrumentasi Berbasis Fisika 2006
Bandung, 31 Agustus 2006
naik pada suatu nilai yang dekat dengan nilai
pencatu daya. Lamanya waktu output berada
dalam kondisi TINGGI ditentukan oleh besarnya
nilai kapasitor C dan resistor R.
Lebar pulsa T diberikan oleh persamaan
T = 1,1 x R x C detik ( 2.6 )
dengan,R diukur dalam Ω dan C dalam Farad
2.8 Sarana Pembawa Sinyal
Sistem telekontrol pada umumnya
memerlukan sarana penghubung dari lokasi atau
alat yang dikontrol dengan kendali utama. Dalam
sistem elektronik pembawa sinyal jarak-jauh bisa
menggunakan kabel, infrared (IR), atau
gelombang radio yang biasanya dikenal ( RF =
Radio Frequency ). Sarana pembawa sinyal yang
digunakan pada penelitian ini adalah sistem
telekontroln tanpa kabel ( wireless ) yaitu
menggunakan gelombang radio.
Gelombang frekuensi radio atau
gelombang pembawa dihasilkan oleh osilator
frekuensi radio ( osilator RF ) di stasiun
pemancar. Gelombang pembawa termodulasi
ditransmisikan lewat antena (transmitter) dari
pemancar, kemudian ditangkap oleh penerima
radio ( radio receiver ). Radio pemancar dan
penerima yang digunakan pada sistem
telekontrol tidak berbeda dengan radio pemancar
amatir atau radio komersil pada umumnya.
3. Metodologi
Perancangan dan pembuatan alat terdiri
dari beberapa bagian yaitu perancangan
elektronika, perancangan program ( software )
dan cara kerja alat. Bagian elektronika meliputi
catu daya, rangkaian sensor, pengkondisi sinyal,
rangkaian driver, rangkaian timer dan radio
pemancar-penerima. Pada perancangan program
( software ) mikrokontroler MCS51 untuk traffic
light dan sirine digunakan bahasa assembly. Alur
atau proses dari alat ini diperlihatkan pada
diagram blok di Gambar 3.1 berikut.
Gambar 3.1. Diagram blok instrumentasi
Gambar 3.8 Diagram alir program
Gambar 3. Rencana Implementasi pemasangan di
lapangan.
4. Implementasi dan diskusi
4.1 Pengujian Alat dan Analisa Data
Langkah
pertama
sebelum
alat
dijalankan adalah melakukan pengujian di
laboratorium. Pengujian alat di laboratorium
lebih tepusat pada setup pengkondisi sinyal
ketika transduser ( loudspeaker ) mendapat
getaran sampai terjadi respon pada aktuator.
Adapun data yang diambil adalah sebagai berikut
1. Pengambilan data tegangan output sensor
akibat hembusan angin yang timbul di
samping kereta api untuk mengaktifkan
sistem
2. Pengambilan data tegangan output sensor
akibat getaran pada rel kereta api untuk
mematikan sistem
3. Pengambilan data waktu tempuh dan
kecepatan beberapa kereta api pada jarak 100
m
46
Seminar Instrumentasi Berbasis Fisika 2006
Bandung, 31 Agustus 2006
Pengambilan data output sensor
dilakukan di laboratorium dan di lapangan.
Pengambilan data di lapangan dilakukan di
perlintasan kereta api di desa Wilangan
Kabupaten Nganjuk. Proses pengambilan data di
laboratorium dan di lapangan adalah seperti yang
dipaparkan pada metodologi percobaan
Tabel 4.1 Data output sensor I akibat hembusan
angin yang ditimbulkan kereta api pada
pengukuran di lapangan
3. Agfianto Eko Putra, Belajar Mikrokontroler
AT89C51/52/55( Teori dan Aplikasi ),
Gaya Media, 2002. Hal 15 – 30.
4. Martin Nemzow, Implementing Wireless
Networks, McGraw-Hill Book Company,
Inc, New York, San Francisco
Wangsinton, D.C. 1995. Hal 50 – 60.
5. Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll,
Penguat Operasional dan Rangkaian
Terpadu Linier, Edisi kedua Erlanggga,
1983. Hal 161- 170.
6.
Agus
Sugiharto,”Penerapan
Dasar
Transduser dan Sensor”, Edisi Pertama,
Kanisius, Yogyakarta, 2002. Hal 23 – 25.
7. Suyitno E, Suara merdeka, Jum’at, 10
Desember 2004
Tabel 4.2 Data output sensor II ( sensor getaran )
untuk mematikan sistem pada pengukuran di
lapangan
5. Kesimpulan
Dari penelitian yang telah dilakukan
maka dapat disimpulkan bahwa :
1. Loudspeaker direct radiator dapat digunakan
sebagai sensor getaran
2. Sarana pembawa sinyal dari sensor ke aktuator
dapat menggunakan gelombang radio
3. Sistem peringatan dini ini dapat digunakan
pada perlintasan Kereta Api tanpa palang pintu
6. Daftar pustaka
1.Clive Braithwaite, Paul Fay, Jeffrey Hall, Roy
Pickup,
Pengantar
Ilmu
Teknik
Elektronika, PT Gramedia, Jakarta, 1985.
Hal 130 – 145.
2. Leo L, Beranek, Acoustics, McGraw-Hill
Book Company, Inc, New York, Toronto,
London, 1954. Hal 70 – 76.
47