Fikri Jaelani^[1]; Mirna Wahyuningrum^[2]; Sigit Kuncoro E.S^[3]

Prodi Elektronika Jurusan Elektro Politeknik Negeri Semarang

Jl. Prof. H. Soedarto, SH, Tembalang, Semarang, 50275

E-mail : fikrijaelani62@gmail.com^[1^], lovesmirnha@gmail.com^[2^], sigitkuncoroes@gmail.com^[3^]

Phone : +62 24 7473417, 7499585, 7499586

Abstract

Dalam suatu sistem navigasi dibutuhkan ketepatan dalam penentuan keberadaan dan pergerakan suatu benda. Salah satu bagian penting dalam sistem navigasi adalah pendeteksi rotasi. Banyak sekali instrumen yang dapat digunakan untuk mendeteksi rotasi dan salah satunya adalah sensor gyroscope. Sensor gyroscope memiliki kelebihan yaitu sensor ini tidak bersentuhan langsung secara fisik dengan lingkungan sekitar sehingga sangat cocok digunakan pada benda yang bergerak bebas. Pada tugas akhir ini dilakukan perancangan dan pembuatan sistem pendeteksi rotasi menggunakan gyroscope berbasis mikrokontroler ATmega 8535 untuk mendeteksi sudut rotasi dari ketiga poros putar. Data berupa sudut diperoleh dari hasil integral terhadap keluaran gyroscope yang berupa sinyal kecepatan sudut. Selain itu digunakan filter digital berupa filter eksponensial dan filter Kalman untuk mengurangi noise dari sinyal keluaran gyroscope. Hasil dari kedua filter tersebut kemudian dibandingkan untuk mendapatkan hasil deteksi sudut dengan error terkecil. Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan pada poros yaw dan poros pitch serta poros roll untuk putaran searah jarum jam didapatkan bahwa nilai sudut dengan error terkecil diperoleh dari sistem yang menggunakan filter eksponensial.

Kata kunci : gyroscope, mikrokontroler ATmega 8535, rotasi

In a navigation system required accuracy in determining the presence and movement of an object . One important part of the navigation system is the detection of rotation . There are so many instruments that can used to detect rotation and one of them is a gyroscope sensor . Gyroscope sensor has advantages This sensor is not in direct contact with the physical environment so that it is suitable to use the free-moving objects . In this final project design and manufacture of rotation detection system using gyroscope 8535 -based microcontroller ATmega for detecting the angle of rotation of the third rotary shaft . Data in the form of a corner obtained from the integral of the output signal from the gyroscope angular velocity . In addition it is used digital filter in the form of an exponential filter and a Kalman filter to reduce the noise of the gyroscope output signal . result of the two filters are then compared to get the angle with the smallest error detection . Based on the results of research conducted on the yaw axis and pitch axis and roll axis of rotation
clockwise found that the value of the angle with the smallest error is obtained from a system that uses filters
exponential .

Key words: ATmega microcontroller 8535, gyroscope, rotation,

I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Seiring dengan perkembangan teknologi dan ilmu pengetahuan, akhir-akhir ini bidang elektronika mengalami kemajuan yang pesat. Dengan kemajuan tersebut, membuat manusia selalu berusaha memanfaatkan teknologi yang ada untuk mempermudah kehidupannya..

Misal dalam melakukan pengukuran tegangan menggunakan multimeter biasanya menggunakan media jarum penunjuk untuk melihat hasil pengukuran untuk rangkaian yang diukur. Dalam pemanfaatannya alat ukur multimeter banyak digunakan diberbagai bidang dari sekolah, universitas maupun industry. Jenis tampilan multimeter bermacam – macamdari analog jarum dan digital seven segmen atau LCD.

Multimeter dengan output suara akan memudahkan pembacaan bagi penderita rabun mata dikarenakan kurang pekanya mata ketika melakukan pengukuran dengan demikian bila multimeter suara bias dijadikan alternative sehingga membantu dalam pembacaan hasil pengukuran.

Berdasarkan permasalahan tersebut, maka dirancang suatu multimeter yang dilengkapi dengan suara agar memudahkan pengguna dalam melakukan pembacaan, dan hasil pengukuran dapt didengar melalui speaker.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan permasalahan yang terdapt pada latar belakang, disusun rumusan masalah sebagai berikut:

1) Bagaimana merancang rangkaian dengan sensor gyroscope ?

2) Bagaimana cara merangkai buzzer sebagai output sensor gyroscope ?

3) Bagaimana cara mengatur sensor gyroscope sehingga buzzer bisa berbunyi ?

1.3 Ruang Lingkup

Berdasarkan rumusan masalah diatas, agar pembahasan terfokus pada pokok pembahasan maka masalah yang akan dibahas pada alat ini adalah sebagai berikut :

1) Tegangan yang diukur hanya sebatas 0 – 5 V.

2) Keluaran hasil alat ukur dari alat berupa speaker.

1.4 Tujuan

Tujuan dari pembuatan alat ini adalah merancang dan membuat suatu system berupa alat pengukuran tegangan dengan keluaran berupa media suara yang dihasilkan dari hasil pengukuran sehingga akan mempermudah pengguna dalam melakukan pembacaan hasil pengukuran.

II. TINJAUAN PUSTAKA

Penjelasan dan uraian teori penunjang yang digunakan dalam membuat alat ini diperlukan untuk mempermudah pemahaman tentang cara kerja rangkaian maupun dasar-dasar perencanaan pembuatan alat. Teori – teori yang akan dijelaskan dalam bab ini meliputi Arduino Uno, IC ISD 2560, dan Potensio.

2.1 Arduino Uno R3

Arduino UNO adalah sebuah board mikrokontroler yang didasarkan pada ATmega328 (datasheet). Arduino UNO mempunyai 14 pin digital input/output (6 di antaranya dapat digunakan sebagai output PWM), 6 input analog, sebuah osilator Kristal 16 MHz, sebuah koneksi USB, sebuah power jack, sebuah ICSP header, dan sebuat tombol reset. Arduino UNO memuat semua yang dibutuhkan untuk menunjang mikrokontroler, mudah menghubungkannya ke sebuah computer dengan sebuah kabel USB atau mensuplainya dengan sebuah adaptor AC ke DC atau menggunakan baterai untuk memulainya.

Gambar 2.1 Arduino Uno

Sumber :http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno

Setiap 14 pin digital pada Arduino Uno dapat digunakan sebagai input dan output, menggunakan fungsi pinMode(), digitalWrite(), dan digitalRead(). Fungsi-fungsi tersebut beroperasi di tegangan 5 Volt. Setiap pin dapat memberikan atau menerima suatu arus maksimum 40 mA dan mempunyai sebuah resistor pull-up (terputus secara default) 20-50 kOhm. Selain itu, beberapa pin mempunyai fungsi-fungsi spesial:

§ Serial: 0 (RX) dan 1 (TX). Digunakan untuk menerima (RX) dan memancarkan (TX) serial data TTL (Transistor-Transistor Logic). Kedua pin ini dihubungkan ke pin-pin yang sesuai dari chip Serial Atmega8U2 USB-ke-TTL.

§ External Interrupts: 2 dan 3. Pin-pin ini dapat dikonfigurasikan untuk dipicu sebuah interrupt (gangguan) pada sebuah nilai rendah, suatu kenaikan atau penurunan yang besar, atau suatu perubahan nilai. Lihat fungsi attachInterrupt() untuk lebih jelasnya.

§ PWM: 3, 5, 6, 9, 10, dan 11. Memberikan 8-bit PWM output dengan fungsi analogWrite().

§ SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Pin-pin ini mensupport komunikasi SPI menggunakan SPI library.

§ LED: 13. Ada sebuah LED yang terpasang, terhubung ke pin digital 13. Ketika pin bernilai HIGH LED menyala, ketika pin bernilai LOW LED mati.

Arduino UNO mempunyai 6 input analog, diberi label A0 sampai A5, setiapnya memberikan 10 bit resolusi (contohnya 1024 nilai yang berbeda). Secara default, 6 input analog tersebut mengukur dari ground sampai tegangan 5 Volt, dengan itu mungkin untuk mengganti batas atas dari rangenya dengan menggunakan pin AREF dan fungsi analogReference(). Di sisi lain, beberapa pin mempunyai fungsi spesial:

§ TWI: pin A4 atau SDA dan pin A5 atau SCL. Mensupport komunikasi TWI dengan menggunakan Wire library

Ada sepasang pin lainnya pada board:

§ AREF. Referensi tegangan untuk input analog. Digunakan dengan analogReference().

§ Reset. Membawa saluran ini LOW untuk mereset mikrokontroler. Secara khusus, digunakan untuk menambahkan sebuah tombol reset untuk melindungi yang memblock sesuatu pada board.

Lihat juga pemetaan antara pin Arduino dengan port Atmega328. Pemetaan untuk Atmega8, 168, dan 328 adalah identik.

2.2 Sensor Gyroscope

Gyroscope adalah device yang berguna untuk menentukan orientasi gerak yang berotasi dengan cepat pada poros sumbu. Gyroscope memiliki output yang peka terhadap kecepatan sudut dari arah sumbu x yang nantinya akan menjadi sudut phi (roll), dari sumbu y nantinya menjadi sudut theta (pitch), dan sumbu z nantinya menjadi sudut psi (yaw).

Gyroscope pada penelitian ini digunakan untuk mengukur sumbu rotasi roket. Sebelum digunakan, sensor gyroscope terlebih dahulu dilakukan proses kalibrasi dengan menggunakan bandul. Proses kalibrasi tersebut berfungsi untuk memperoleh nilai faktor kalibrasi, atau secara sederhana nilai kalibrasi tersebut dapat juga menggunakan data yang dicantumkan dalam datasheet. Gyroscope memiliki keluaran berupa kecepatan sudut dari arah sumbu x yang nantinya akan menjadi sudut phi (roll), dari sumbu y nantinya menjadi sudut theta (pitch), dan sumbu z nantinya menjadi sudut psi (yaw). Mula-mula data keluaran dari sensor diambil menggunakan mikrokontroler kemudian dikonversi menjadi rad/s kemudian diubah menjadi deg/s, proses perubahan dari keluaran sensor melalui mikrokontroler port ADC, untuk dapat mengetahui besarnya sudut yang di ukur harus melewati beberapa persamaan untuk merubah output deg/s (kecepatan sudut) menjadi deg (sudut) dengan menggunakan persamaan Euler ataupun Quaternion. Secara sederhana proses konversi dari deg/s menjadi deg jika hanya menggunakan referensi body dapat hanya melalui proses satu kali integral tetapi pada algoritma INS (Inertial Navigation System) biasanya data body kemudian diubah menjadi referensi bumi atau inertial

Gambar 2.2.1 Sensor Gyro

Gambar 2.2.2 Ilustrasi Gyro

Secara umum hasil pengukuran kecepatan sudut sebuah benda dengan menggunakan sensor gyroscope pada sumbu horisontal dapat dinyatakan dengan persamaan (2.1)

θ(t) =θ(t)+n(t)+b(t).............................. (1)

Sinyal keluaran gyroscope secara umum mengandung sinyal kecepatan sudut (θ& (t)), random noise (n(t)), dan noise karena perubahan temperatur (b(t)). Perubahan besaran sudut diperoleh dengan mengintegralkan persamaan 1. Persamaan perubahan besaran sudut ditulis menjadi persamaan 2.

θT (t ) =∫(θ(t)+(t)+(t))dt..................... (2)

Persamaan 2 dapat ditulis kembali dengan sebuah parameter kalibrasi secara sederhana menjadi persamaan 3

t K∫(θ(t )) dt ....................................... (3)

algoritma integral Runge-Kutta Metode Runge-Kutta merupakan metode penyelesaian persamaan differensial yang mana perhitungan penyelesaian dilakukan langkah demi langkah. Secara umum fungsi penyelesaian persamaan differensial dengan metode Runge-Kutta ditunjukkan pada persamaan 4.

x k = x k−1 + h .f (xk−1,t xk−1 )............................. (4)

Disini h.f(xk-1,tk-1) adalah perubahan nilai setiap langkah.

Metode Runge-Kutta orde 2 membuat langkah yang lebih kecil dari perubahan nilai dengan membagi nilai perubahan tiap langkah menjadi sejumlah bagian yang ditentukan. Bentuk paling sederhana dari metode Runge Kutta orde 2 adalah membagi bagian perubahan menjadi dua bagian seperti ditunjukkan pada Persamaan 5.

x k = x k−1 +h/2 [f (xk−1, t k−1)+( f xk−1,t k−1 )] ...... (5)

2.3 Buzzer

Buzzer adalah sebuah komponen elektronika yang berfungsi untuk mengubah getaran listrik menjadi getaran suara. Pada dasarnya prinsip kerja buzzer hampir sama dengan loud speaker, jadi buzzer juga terdiri dari kumparan yang terpasang pada diafragma dan kemudian kumparan tersebut dialiri arus sehingga menjadi elektromagnet, kumparan tadi akan tertarik ke dalam atau keluar, tergantung dari arah arus dan polaritas magnetnya, karena kumparan dipasang pada diafragma maka setiap gerakan kumparan akan menggerakkan diafragma secara bolak-balik sehingga membuat udara bergetar yang akan menghasilkan suara. Buzzer biasa digunakan sebagai indikator bahwa proses telah selesai atau terjadi suatu kesalahan pada sebuah alat (alarm).

Gambar 2.3.1 Simbol Buzzer

Gambar 2. 3.2 Buzzer Hitam

Gambar 2.3.3 Buzzer Putih

2.4 Speaker

Speaker adalah komponen elektronika yang terdiri dari kumparan, membran dan magnet sebagai bagian yang saling terkait. Tanpa adanya membran, sebuah speaker tidak akan mengeluarkan suara, demikian sebaliknya. Bagian-bagian speaker tersebut saling terkait dan saling melengkapi satu sama lain.

Fungsi speaker ini adalah mengubah gelombang listrik menjadi getaran suara. Proses pengubahan gelombang listrik / elektromagnet menjadi gelombang suara terjadi karena adanya aliran listrik arus AC audio dari penguat audio kedalam kumparan yang menghasilkan gaya magnet sehingga akan menggerakkan membran, Kuat lemahnya arus listrik yang diterima, akan mempengaruhi getaran pada membran, bergetarnya membran ini menghasilkan gelombang bunyi yang dapat kita dengar.

Gambar 2.4 Speaker

III. PERANCANGAN ALAT

3.1 Perancangan perangkat keras pada alat

Perancangan perangkat keras pada alat pendeteksi rotasi dengan menggunakan gyroscope ini meliputi perancangan sistem minimum mikrokontroler ArduinoUNO R3 dan perancangan sensor gyroscope. Secara umum perancangan perangkat keras dapat dilihat pada Gambar 3.1 .

Gambar 3.1 Diagram blok rangkaian

Tiap-tiap bagian dari diagram blok sistem pada Gambar 3 dapat dijelaskan sebagai berikut :

1. Sensor gyroscope digunakan untuk memperoleh besaran kecepatan sudut dari ketiga poros putar.

2. Arduino UNO R3 digunakan menerima data dari sensor, mengubahnya menjadi data digital, memfilter data secara digital dan melakukan komunikasi serial dengan komputer.

3. Buzzer dan speaker digunakan untuk mengolah data digital kecepatan sudut menjadi besaran sudut dan menampilkan kedalam bentuk suara Gambar 4 merupakan diagram alir dari rangkaian.

3.2 Perancangan perangkat lunak pada alat

(Software)

Perancangan perangkat lunak merupakan perancangan algoritma program untuk merealisasikan sistem pendeteksi rotasi dengan menggunakan gyroscope. Perancangan perangkat lunak pada pendeteksi rotasi meliputi perancangan ADC, perancangan sistem dengan filter eksponensial dan perancangan sistem dengan filter Kalman. Gambar 4 merupakan diagram skematik perancangan sistem pendeteksi rotasi dengan menggunakan gyroscope.

3.2.1 diagram alir rangkaian

Untuk diagram alir rangkaian keseluruhan seperti di gambar 3.2 Diagram alir Rangkaian yang pada inisialisasi pin input sensor akan masuk ke arduino . dan akan membaca sensor dan buzzer akan berbunyi sebagai output .

Gambar 3.2 Diagram alir rangkaian

IV. PENGUJIAN DAN ANALISIS

Untuk pengujian rangkaian kali ini memggunakan komunikasi serial yang ada pada software arduino pada PC .dan untuk inisialisasi nya sebagai berikut

Untuk inisialisasi accelerometer adalah ”ax, ay, az”

Untuk inisialisasi gyroscope adalah “gx, gy, gz”

arah depan

( (ay > 14000) && (az < 2000) ) jika ay > 14000 & az < 2000 maka sub program alarm berbunyi

( (ay < 11000) && ( az > 10000)) jika ay < 11000 && az > 10000 maka sub program alaram tidak berbunyi karena kurang dari set poin

arah belakang

( (ay < -13000) && (ax < 3000) ) jika ay < -13000 && ax < 3000 maka sub program alarm berbunyi

else if( (ay > 0) && ( ax > 0)) jika ay > 0 && ax > 0 maka sub program alaram tidak berbunyi karena lebih dari set poin

arah kanan

( (az < -11000) && ( ax > 10000))

jika ay > 0 && ax > 0 maka speaker 3 aktif speaker 3 logic 1

( (az > 0) && ( ax > 0))

jika az > 0 && ax > 0 maka speaker 3 mati speaker 3 logic 0

arah kiri

( (ax < -10000) && ( az < -1000))

jika ax < -10000 && az < -1000 maka speaker 1 aktif

speaker 1 logic 1

( (ax > -9000) && ( az > 2000))

jika ax > -9000 && az > 2000 maka speaker 1 mati

speaker 1 logic 0

V. PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan pengujian dan analisis yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut:

Secara umum hasil pengukuran kecepatan sudut sebuah benda dengan menggunakan sensor gyroscope pada sumbu horisontal dapat dinyatakan dengan persamaan (2.1)

θ(t) =θ(t)+n(t)+b(t).............................. (1)

θT (t ) =∫(θ(t)+(t)+(t))dt..................... (2)

Persamaan 2 dapat ditulis kembali dengan sebuah parameter kalibrasi secara sederhana menjadi persamaan 3

t K∫(θ(t )) dt ....................................... (3)

5.2 Saran

Sebagai masukan guna pengembangan lebih lanjut dari Tugas Akhir ini, maka penulis memberikan beberapa saran sebagai berikut :

1. Dapat digunakan sumber tegangan yang lebih stabil untuk meminimalisir noise dari sinyal keluaran gyroscope dan error sudut.

2. Pemrograman integral dapat dikembangkan dengan berbagai variasi metode pengintegralan.

3. Variasi metode filter digital yang lain dapat digunakan untuk mendapatkan sinyal data keluaran sensor yang lebih baik.

4. Aplikasi gyroscope sebagai pendeteksi sudut dapat dikembangkan dengan perancangan instrumentasi yang dapat dibawa ke manamana (portable).

DAFTAR PUSTAKA

Bateson, R.N., P,E., Introduction to Control System Technology, Prentice Hall, Ohio, 1993.
Bejo, A., C&AVR Rahasia Kemudahan Bahasa C dalam Mikrokontroler Atmega 8535, Graha Ilmu, Yogyakarta, 2008.
Brown, Robert Grover, “Introduction to Random Signals and Applied Kalman filtering”, John Willey & Son, third edition, Canada, 1997.
Groothuis, S., “Self-Balancing Robot 'Dirk'”, Control Engineering University of Twente, Juni 2008.
http://oktriaviani.blogspot.jp/2012/06/accelerometer-gyroscope_16.html
http://pandudingin.blogspot.jp/2012/04/normal-0-false-false-false-en-us-x-none.html
http://dien-elcom.blogspot.jp/2012/09/fungsi-speaker-dan-jenis-speaker.html
----------, ATmega 8535 Data Sheet, http://www.atmel.com, Maret 2004.
----------, ADXRS150 Data Sheet, http://www.analog.com, Maret 2004.
----------, New iMEMS Angular-Rate- Sensing Gyroscope, http://www.analog.com, 2003.
----------, Using Absolute Output iMEMS® Gyroscopes with Ratiometric ADCs,

http://www.analog.com, 2005.

Selasa, 28 Januari 2014

PENDETEKSI KESEIMBANGAN DENGAN OUTPUT SUARA