Ultrasonik adalah suara atau getaran dengan frekuensi yang terlalu tinggi untuk bisa didengar oleh telinga
manusia, yaitu kira-kira di atas 20 kiloHertz. Hanya beberapa hewan, seperti lumba-lumba menggunakannya untuk komunikasi, sedangkan kelelawar menggunakan gelombang ultrasonik untuk navigasi. Dalam hal ini, gelombang ultrasonik merupakan gelombang ultra (di atas) frekuensi gelombang suara (sonik).
Gelombang ultrasonik dapat merambat dalam medium padat, cair dan gas. Reflektivitas dari gelombang ultrasonik ini di permukaan cairan hampir sama dengan permukaan padat, tapi pada tekstil dan busa, maka jenis gelombang ini akan diserap.
Frekuensi yang diasosiasikan dengan gelombang ultrasonik pada aplikasi elektronik dihasilkan oleh getaran elastis dari sebuah kristal kuarsa yang diinduksikan oleh resonans dengan suatu medan listrik bolak-balik yang dipakaikan (efek piezoelektrik). Kadang gelombang ultrasonik menjadi tidak periodik yang disebut derau (noise), dimana dapat dinyatakan sebagai superposisi gelombang-gelombang periodik, tetapi banyaknya komponen adalah sangat besar. Kelebihan gelombang ultrasonik yang tidak dapat didengar, bersifat langsung dan mudah difokuskan. Jarak suatu benda yang memanfaatkan delay gelombang pantul dan gelombang datang seperti pada sistem radar dan deteksi gerakan oleh sensor pada robot atau hewan.
Tranduser Ultrasonik
Transduser adalah alat yang mengubah suatu bentuk energi kedalam bentuk energi yang lain. Transduser ultrasonik mengubah energi listrik menjadi energi mekanik, dalam bentuk suara dan sebaliknya. Transduser akan mengeluarkan gelombang ultrasonik dengan frekuensi di atas 20 kHz. Transduser ultrasonik 40 kHz akan membangkitkan gelombang dengan frekuensi 40 kHz, transduser akan aktif jika diberi sinyal dengan frekuensi dengan 40 kHz. Transduser ultrasonik terdiri atas dua macam yaitu pengirim (transmitter) Tx dan penerima (receiver) Rx.
Transduser ultrasonik terbuat dari material piezoeletrik, yaitu terbuat dari material quartz (SiO3) atau barium titanat (BaTiO3) yang akan menghasilkan medan listrik pada saat material berubah bentuk atau dimensinya sebagai akibat gaya mekanik. Fenomena tersebut dikenal dengan efek piezoelektrik.
Bahan Piezoelektrik
Bahan piezoelektrik yang digunakan pada transduser ultrasonik mengubah sinyal listrik menjadi getaran mekanik dan mengubah kembali getaran mekanik menjadi energi listrik. Elemen aktif adalah inti dari transduser yang mengubah energi listrik menjadi energi suara dan sebaliknya. Elemen aktif pada transduser ultrasonik biasanya adalah sebuah material terpolarisasi (yaitu beberapa bagian molekul bermuatan positif dan sebagian yang lain bermuatan negatif) dengan elektroda-elektroda yang menempel pada dua sisi yang berlawanan. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipole yang terinduksi dengan molekul atau struktur kristal materi. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi. Fenomena tersebut dikenal dengan electrostriction.
Komponen utama dalam sebuah transduser ultrasonik adalah elemen aktif, backing dan wear plate.
**Elemen aktif
Elemen aktif terbuat dari elemen piezo atau ferroelectric, yang mengubah energi listrik yang dihasilkan oleh pembangkit pulsa menjadi energi ultrasonik. Kebanyakan material yang sering digunakan adalah keramik yang terpolarisasi, seperti material quartz (SiO2) atau barium titanate (BaTiO3) yang akan menghasilkan medan listrik material berubah dimensinya akibat gaya mekanik. Fenomena tersebut dinamakan efek piezoelektrik.
**Backing
Backing biasanya mempunyai penguatan yang tinggi, material yang mempunyai kerapatan yang sangat tinggi digunakan untuk mengontrol getaran dari transduser dengan menyerap radiasi energi dari bagian belakang elemen.
**Wear plate
Untuk transduser tipe kontak wear plate berfungsi untuk melindungi bagian elemen aktif, serta sebagai medium yang kontak langsung dengan material yang akan diuji.
Perambatan Gelombang Ultrasonik
Pengujian dengan menggunakan ultrasonik berdasarkan pada perubahan waktu deformasi atau getaran pada material, umumnya dikenal dengan akustik. Semua unsur materi tersusun atas atom-atom dapat diberi gaya oleh gerakan vibrasi pada posisi kesetimbangannya. Pada padatan, gelombang suara dapat merambat dalam empat prinsip mode yang berdasarkan bagaimana partikel berosilasi. Suara dapat merambat sebagai gelombang longitudinal dan gelombang transversal dan tentu hal ini berbeda dengan gelombang cahaya.
Intensitas berarti mengukur kekuatan gelombang bunyi. Jika terdapat suatu bidang datar imajiner tegak lurus gelombang bunyi, maka daya (P) menyatakan laju besarnya energi gelombang yang melewati bidang. Intensitas didefinisikan sebagai besarnya daya persatuan luas penampang dinyatakan dalam satuan watt/m².
Intensitas gelombang suara menurun dengan jarak dari sumber suara, yang terjadi pada semua fenomena gelombang. Penurunan ini adalah gabungan dari dua efek. Pertama adalah hukum inverse kuadrat atau divergensi sferis dimana intensitas turun 6 dB tiap dua kali jarak. Hal tersebut biasa untuk semua fenomena gelombang tanpa memperhatikan frekuensi. Kedua adalah efek yang menyebabkan intensitas menurun adalah penyerapan gelombang oleh udara. Efek penyerapan berbeda dengan kelembaban dan kandungan debu pada udara dan yang paling penting, efek penyerapan tersebut bervariasi dengan frekuensi gelombang. Penyerapan pada frekuensi 20 kHz sekitar 0.02dB/30 cm. Pada frekuensi yang lebih rendah cocok untuk daerah jangkauan panjang. Tentunya, pemilihan frekuensi yang lebih rendah akan menghasilkan arah yang kurang.
Dalam paper ini akan dilakukan perancangan dan pembuatan alat pengatur jarak ultrasonic dengan menggunakan bahasa pemerograman C. sensor ini diletakkan didepan media dengan posisi lurus kedepan. Pengujian dan analisis dititik beratkan pada pengaturan jarak deteksi sensor ultrasonik jika mengenai suatu halangan dan kapasitas memori program yang dihasilkan jika menggunakan bahasa pemrograman C dan bahasa Assembly. Halangan yang digunakan adalah media berpenampang datar. Dari hasil pengujian dan analisis didapat bahwa sensor ultrasonic digunakan untuk mendeteksi jarak 6cm, 8cm, 10cm, 12cm, 14cm dan 16cm. Jarak tersebut merupakan input untuk dari pengaturan timer yang terdapat pada MCU AT89C51, yang keluaranya merupakan jarak yang ditentukan. Besarnya persentasi kesalahan untuk jarak 6cm 4.1 %, 8cm 3.55 %, 10cm 3.58 %, 12cm 3.95.0%, 14cm 3.14% dan 16cm 3.39%. Serta perbandingan besarnya memori program bahasa C dan Asemmbly yang digunakan adalah 3 : 1. I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Dalam perancangan ini, akan dibuat suatu alat pengatur jarak sensor ultrasonic dengan menggunakan bahasa pemrograman C. Karena bahasa pemrograman ini relatif lebih sederhana dan mudah difahami dibandingkan dengan bahasa assembly. Dengan kata lain pada paper ini juga akan membandingkan keakuratan data yang diperoleh jika menggunakan bahasa pemrogram C dan bahasa Assembly. Sensor ultrasonic telah sering kita dengar, sensor ini memiliki frekuensi sebesar 40k Hz. Sensor ini terdiri dari pemancar dan penerima gelombang ultrasonic. Rangkaian pemancar akan memancarkan gelombang ultrasonic dalam waktu 200us. Gelombang ini melalui udara dengan kecepatan kurang lebih 344 meter / detik. Jika gelombang ini mengenai suatu objek, maka gealombang ini akan dipantulkan kembali ke penerima dari sensor ultrasonic. Dengan mengatur lamanya waktu penerimaan gelombang ultrasonic, kita dapat menentukan jarak dari suatu objek yang kita siapkan. Dalam perancangan ini, akan dibuat suatu alat pengatur jarak sensor ultrasonic dengan menggunakan bahasa pemrograman C. Karena bahasa pemrograman ini relatif lebih sederhana dan mudah difahami dibangdingkan dengan bahasa assembly. 1.2 Perumusan Masalah Permasalahan utama yang menjadi bahasan pada penelitian ini adalah bagaimana membuat suatu software menggunakan bahasa pemrograman C guna mengatur jarak halanga pada sensor ultrasonic. Agar sensor dapat bekerja dengan baik maka dilakukan tahapan pengujian berikut ini:
Pada penelitian ini masalah dibatasi hanya pada pengaktifan pengaturan jarak sensor ultrasonik sebagai pendeteksi halangan, dengan ketinggian objek harus melebihi posisi ketinggian sensor ultrasonik dan terletak didepannya dan perbandingan kapasitas memori program. 1.3. Tujuan Peneltian
1.4. Manfaat Penelitian Dapat dijadikan sebagai studi awal dari pengaturan jarak sensor ultrasonic dengan menggunkan bahasa pemrograman C dan mengetahui perbandingan kapasitas memori program yang digunakan jika menggunakan bahasa pemrograman lain. Sehingga bisa menentukan jenis mikrokontroler yang akan digunakan. II. TINJAUAN PUSTAKA Mikrokontroler adalah suatu Central Processing Unit (CPU) yang disertai dengan memori serta sarana input/output dan dibuat dalam bentuk chip. CPU ini terdiri dari dua bagian yaitu unit pengendali dan unit aritmatika dan logika. Unit pengendali berfungsi untuk mengambil instruksi-instruksi yang tersimpan dalam memori, memberi kode instruksi-instruksi tersebut dan melaksanakannya. Unit pengendali menghasilkan sinyal pengendali yang berfungsi untuk menyamakan operasi serta mengatur aliran informasi. Sedangkan unit aritmatika dan logika berfungsi untuk melakukan proses-proses perhitungan yang diperlukan selama suatu program dijalankan.
Gambar 2.1 Blok Diagram MCS-51 Mikrokontroler AT89C51 merupakan keluarga mikrokontroler yang mempunyai kompatibiltas instruksi dan konfigurasi pin dengan mikrokontroler MCS-51. AT89C51 merupakan sebuah versi EEPROM dari 80C51AH yang memori program internalnya dapat diprogram dan dihapus secara elektrik, yang diproduksi oleh ATMEL Corporation. Adapun blok diagram MCS-51 yang kompabilitas dengan AT89C51 diperlihatkan dalam Gambar 2.1. 2.2 Sensor Ultrasonic 2.2.1 Pengertian Gelombang Ultrasonik Gelombang ultrasonik merupakan gelombang mekanik longitudinal dengan frekuensi di atas 20 kHz. Gelombang ini dapat merambat dalam medium padat, cair dan gas, hal disebabkan karena gelombang ultrasonik merupakan rambatan energi dan momentum mekanik sehingga merambat sebagai interaksi dengan molekul dan sifat enersia medium yang dilaluinya. Karakteristik gelombang ultrasonik yang melalui medium mengakibatkan getaran partikel dengan medium amplitudo sejajar dengan arah rambat secara longitudinal sehingga menyebabkan partikel medium membentuk rapatan (Strain) dan tegangan (Stress). Proses kontinu yang menyebabkan terjadinya rapatan dan regangan di dalam medium disebabkan oleh getaran partikel secara periodik selama gelombang ultrasonik melaluinya. 2.2.2. Energi Dan Intensitas Gelombang Ultrasonik Jika gelombang ultrasonik merambat dalam suatu medium, maka partikel Medium mengalami perpindahan energi. Besarnya energi gelombang ultrasonik yang dimiliki partikel medium adalah : E =Ep+ Ek ......................................(2.1) Dengan : Ep = energi potensial (Joule) Ek = energi kinetik (Joule) Untuk menghitung intensitas gelombang ultrasonik perlu mengetahui energi yang dibawa oleh gelombang ultrasonik. Intensitas gelombang ultrasonik ( I ) adalah energi yang melewati luas permukaan medium 1 m2/s atau watt/m2. Untuk sebuah permukaan, intensitas gelombang ultrasonik ( I ) diberikan dalam bentuk persamaan :
Sensor ultrasonic adalah sensor yang bekerja berdasarkan prinsip pantulan gelombang suara, dimana sensor menghasilkan gelombang suara yang kemudian menangkapnya kembali dengan perbedaan waktu sebagai dasr pengindraannya. Perbedaan waktu antara gelombang suara yang dipancarkan dan yang diterima kembali adalah berbanding lurus dengan jarak atau tinggi objek yang memantulkannya. Jenis objek yang dapat diindranya adalah padat, cair dan butiran. Tanpa kontakjarak 2 cm sampai 3 meter dan dapat dengan mudah dihubungkan dengan mikrokontroler malalui satu pin I/O saja. Jarak antara sensor dengan objek yang direfleksikan dapat dihitung dengan menggunakan rumus: L = 1/2 . TOF . c Dimana : L = jarak ke objek TOF = waktu pengukuran yang diperoleh c = cepat rambat suara (340 m/s) III. METODOLOGI PENELITIAN Pada penelitian ini objek yang dijadikan ukuran untuk menentukan jarak dari sensor ultrasonik tersebut adalah penghalang berpenampang datar. Selanjutnya akan dilihat bagaimana kinerja dari sensor tersebut 3.1. Tempat Penelitian Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Robotika dan Kendali Fakultas Ilmu Komputer Universitas Sriwijaya Palembang dengan pengujian secara riel time. 3.2. Diagram Blok Penelitian Sebelum menentukan posisi sensor sebaiknya kita lihat diagram dari sistem kerja sensor, sehingga dalam penentuan posisi jarak sensor dapat dilakukan dengan baik
Gambar 3.1 Diagram blok sensor ultrasonik Dengan peletakan sensor yang diatur di depan alat, sehingga memudahkan untuk mengatur jarak yang diinginkan. 3.3. Rangkaian Pengujian
Gambar 3.2 Ilustrasi cara kerja sensor 3.4. Pengaktifan Sensor Ultrasonik
Gambar 3.3 Skematik hubungan pin Untuk pengaktifan sensor ultrasonik, hubungkan Pin Vss ke Ground, kemudian pin Vdd ke catu daya yang keluarannya sudah diset 5V, setelah batere dihubungkan dengan IC Regulator 7805, tinggal Pin SIG dihubungkan ke pin di Mikrokontroller, buat sensor ke port P1.7, sedangkan indikator output P3.7 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Blok Diagram Sistem Gambar 3.1, merupakan blok diagram sistem secara keseluruhan, yang terdiri dari:
4.2 Prinsip Kerja Rangkaian Alat ini terdiri terdiri dari satu buah sensor, MCU AT89C51 dan sebuah indikator yang berupa LED. Input sensor ultrasonic terdapat pada pin P1.7 sedangkan LED indikator terletak pada pin P3.7. Jika sensor terkena suatu benda, maka secara otomatis LED indikator akan menyala. Sedangkan jika tidak terhalangi LED indikator akan padam. Dalam pengujian jarak yang di tentukan adalah sebesar 15 cm. tapi indikator sudah menyala dalam jarak 13 cm. jadi terdapat error pengukuran sebesar 2 cm. 4.3 Pengukuran Jarak Ultrasonic Tabel 4.1. Jarak deteksi berbagai halangan
4.4 Analisa Hasil Pengujian Pengujian jarak pendeteksian sensor ultrasonik dilakukan dengan mendekatkan dan menjauhkan posisi objek yang ada didepan sensor. untuk mengetahui kepekaan sensor ketika diberikan objek yang berbeda dilakukan sebanyak 5 kali pada masing-masing objek. Dari Tabel 4.1 menunjukkan pengukuran jarak deteksi pada sensor depan dengan berbagai halangan. Dari hasil pengukuran tersebut didapat jarak rata-rata untuk halangan 6cm adalah 5.754, 8cm adalah 7.716cm , 10cm adalah 9.642cm, 12cm adalah 11.526cm, 14cm adalah 13.56 dan jarak 16cm adalah 15.458. Hasil pengujian dapat membuktikan bahwa sensor ultrasonik bekerja berdasarkan kemampuan penghalang memantulkan kembali gelombang ultrasonik yang dikirim oleh sensor ultrasonik, gangguan pada pendeteksiaan sensor dapat diakibatkan oleh penghalang yang tidak mampu memantulkan gelombang bunyi dengan baik dan adanya interferensi gelombang dengan frekuensi yang sama. 4.5 Program Pengaturan
V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan Dari hasil pengujian dan analisis didapat bahwa sensor ultrasonic digunakan untuk mendeteksi jarak 6cm, 8cm, 10cm, 12cm, 14cm dan 16cm. Jarak tersebut merupakan input untuk dari pengaturan timer yang terdapat pada MCU AT89C51, yang keluaranya merupakan jarak yang ditentukan. Besarnya persentasi kesalahan untuk jarak 6cm 4.1 %, 8cm 3.55 %, 10cm 3.58 %, 12cm 3.95.0%, 14cm 3.14% dan 16cm 3.39%. Serta perbandingan besarnya memori program bahasa C dan Asemmbly yang digunakan adalah 3 : 1. 5.2. Saran Sebagai bahan pengembangan pemodelan sensor lebih lanjut, terdapat beberapa saran yang dapat digunakan untuk penyempurnaan media yang digunakan sebaiknya menggunakan banyak media untuk validasi data yang diperoleh DAFTAR PUSTAKA [1] Budioko Totok, 2005. Belajar dengan mudah dan cepat Pemrograman Bahasa C dengan SDCC. Yogyakarta:Graha Media [2] Putra Eko Agfianto , 2003. Belajar Mikrokontroller AT98C51/52/55. Yogyakarta: Graha Media [3] Budiharto, Widodo. 2006. Membuat Robot Cerdas. Jakarta : Elex Media Komputindo [4] Sahala, Stepanus. 2004. Gelombang Ultrasonik Dan Terapannya. Surabaya: UNAIR. |
Tidak ada komentar:
Posting Komentar