BAB III PERANCANGAN ALAT - UKSW · 2017. 2. 3. · Perancangan Perangkat Lunak Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan perangkat lunak alat peraga yang terdiri dari kalibrasi

16

BAB III

PERANCANGAN ALAT

Bab ini akan menjelaskan mengenai perancangan serta realisasi perangkat keras

maupun perangkat lunak pada perancangan skripsi ini. Perancangan secara keseluruhan

terbagi menjadi perancangan mekanik, perancangan elektronik maupun perancangan

perangkat lunak

3.1. Gambaran Alat

Sistem yang akan dirancang adalah sebuah alat peraga fisika yang terdiri dari

sebuah bidang miring yang dapat diatur sudut kemiringannya, sebuah beban yang memiliki

berat dan jenis permukaan yang bervariasi yang akan diluncurkan di permukaan bidang

miring dan user interface yang akan menampilkan besaran-besaran fisika yang akan

diamati secara real time baik dalam bentuk grafik maupun data mentah.

Alat peraga fisika ini juga dilengkapi dengan sensor jarak dan sensor kemiringan di

mana kedua sensor ini berguna sebagai pengukur jarak beban saat sedang meluncur dan

sebagai penentu besar kemiringan bidang miring yang nantinya hasil pengukuran sensor

akan diolah oleh user interface untuk mendapatkan besaran-besaran fisika yang akan

diamati, yaitu : kecepatan, percepatan, energi kinetik, energi potensial, energi yang hilang

karena gesekan, dan koefisien gesek kinetik antara permukaan beban dan bidang miring.

Gambar 3.1. Blok diagram alat peraga fisika

17

3.2. Perancangan Mekanik

Mekanik alat peraga fisika terbuat dari bahan kayu yang memiliki panjang 200 cm,

40 cm, dan lebar 30 cm pada keadaan tertutup (0 derajat). Sisi bidang miring memiliki

panjang 160 cm dan lebar 30 cm dengan kemiringan yang dapat diatur mulai dari 0o hingga

90o. Dibagian bawah sisi miring terdapat penyangga sisi miring yang dapat diatur letaknya

untuk sesuai dengan kemiringan sisi mirang alat peraga. Selain itu juga terdapat sebuah

beban dengan berat (200 gram, 300 gram, 400 gram, dan 500 gram) dan jenis permukaan

alas yang bervariasi. Modul yang terpasang pada alat peraga fisika ini antara lain:

Sensor HY-SRF05 sebagai penentu jarak beban saat beban meluncur.

Sensor akselerometer ADXL345 sebagai penentu besar kemiringan sisi miring

alat peraga

Board mikrokontroler Atmega 2560.

Gambar 3.2. Gambar sketsa sisi miring tampak atas

Gambar 3.3 Gambar sketsa mekanik tampak depan

θ

18

.

Gambar 3.4. Realisasi mekanik alat peraga fisika.

3.3. Perancangan Elektronika Alat Peraga Fisika

Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan elektronika modul alat

peraga fisika. Bagian elektronika modul alat peraga fisika terdiri dari bagian-bagian utama

sebagai berikut:

1) Minimum system mikrokontroler ATmega2560 sebagai pengendali utama.

2) Akselerometer digital ADXL345

3) Sensor ultrasonik HY-SRF05

19

3.3.1. Pengendali Utama

Sebagai pengendali utama modul alat peraga fisika digunakan mikrokontroler

AVR ATmega2560. Tugas mikrokontroler ini pada alat peraga antara lain:

1. Mengambil data mentah dari sensor akselerometer digital ADXL345 melalui jalur

komunikasi I2C.

2. Mengambil data mentah dari sensor ultrasonik HY-SRF05.

3. Mengkonversi data mentah dari akselerometer digital ADXL345 menjadi data

percepatan gravitasi dalam satuan g terkalibrasi untuk masing-masing sumbu x, y, dan

z, kemudian data ini diubah menjadi data kemiringan sudut θ.

4. Mengkonversi data mentah dari sensor ultrasonik HY-SRF05 menjadi data jarak dalam

satuan centimeter.

5. Melakukan filtering data kemiringan sudut θ dari sensor akselerometer digital.

6. Melakukan komunikasi data serial dengan program user interface.

Tabel 3.1. Konfigurasi pin mikrokontroler AVR ATmega2560 yang digunakan.

Nama Port Fungsi

PORTB 5 dan PORTB 6 Data HY-SRF 05

PORTD 0 dan PORTD 1 Data ADXL 345

20

Gambar 3.5. Skema perancangan elektronika alat peraga.

Gambar 3.6. Realisasi elektronika alat peraga.

21

3.4. Perancangan Perangkat Lunak

Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan perangkat lunak alat peraga

yang terdiri dari kalibrasi dan pengolahan data sensor digital, user interface, serta diagram

alir program utama:

3.4.1. Pengolahan Data Akselerometer Digital

Pada alat peraga ini digunakan data kemiringan sudut yaitu kemiringan sudut θ

sebagai penentu seberapa besar kemiringan sisi miring alat peraga. Data kemiringan sudut

ini diperoleh melalui data kalkulasi data percepatan gravitasi yang terukur oleh

akselerometer digital ADXL345. Sensor akselerometer digital diatur pada jangkauan

pengukuran ±2g. Perlu diperhatikan bahwa jika sensor atau sistem yang diukur mengalami

percepatan misal karena digerakkan, maka data kemiringan sudut tidak akan valid.

Salah satu cara untuk mendapatkan data kemiringan sudut adalah dengan mengolah

data percepatan gravitasi pada ketiga sumbu sekaligus. Gambar 3.7. berikut menunjukkan

kemiringan sudut dari sensor akselerometer.

Gambar 3.7. Berbagai posisi kemiringan sudut dari sensor akselerometer

Kemiringan sudut , ψ, dan dapat dihitung dengan mengolah data percepatan

gravitasi pada ketiga sumbu dengan menggunakan rumus sebagai berikut [13][14]:

θ = tan−1 (AX,Out

√AY,Out2 + AZ,Out

2) (3.1)

22

ψ = tan−1 (AY,OUT

√AX,Out2 + AZ,Out

2) (3.2)

Φ = tan−1 (√AX,Out

2 + AY,Out2

AZ,Out) (3.3)

Dimana:

AX, Out : percepatan gravitasi pada sumbu X.

AY, Out : percepatan gravitasi pada sumbu Y.

AZ, Out : percepatan gravitasi pada sumbu Z.

: sudut antara horizontal sensor dengan sumbu X.

: sudut antara horizontal sensor dengan sumbu Y.

: sudut antara vektor gravitasi dengan sumbu Z.

Pada skripsi ini akan digunakan kemiringan sudut saja sebagai acuan kemiringan

sudut dari sisi miring alat peraga.

Sebelum dapat digunakan untuk mengukur kemiringan sudut, terlebih dahulu diuji

apakah sensitivitas akselerometer digital sama untuk setiap sumbu x, y, dan, z. Hal ini

penting karena untuk mendapatkan data kemiringan sudut yang akurat dengan

menggunakan rumus sebelumnya, sensitivitas sensor pada setiap sumbu harus sama atau

tidak memiliki selisih yang jauh. Setelah dilakukan pengujian ternyata ditemukan bahwa

sensitifitas setiap sumbu tidak sama. Jika tidak sama, maka diperlukan kalibrasi untuk

menyamakan data setiap sumbu. Berikut adalah persamaan kalibrasinya:

𝐗𝐬 = (𝐀𝐗,𝐌𝐚𝐱 − 𝐀𝐗,𝐌𝐢𝐧)

𝟐

𝐗𝐎𝐟𝐟 = (𝐀𝐗,𝐌𝐚𝐱 − 𝐗𝐒)

𝐀𝐗,𝐂𝐚𝐥 =(𝐀𝐗,𝐎𝐮𝐭 − 𝐗𝐎𝐟𝐟)

𝐗𝐒

23

𝐘𝐬 = (𝐀𝐘,𝐌𝐚𝐱 − 𝐀𝐘,𝐌𝐢𝐧)

𝟐

𝐘𝐎𝐟𝐟 = (𝐀𝐘,𝐌𝐚𝐱 − 𝐘𝐒)

𝐀𝐘,𝐂𝐚𝐥 =(𝐀𝐘,𝐎𝐮𝐭 − 𝐘𝐎𝐟𝐟)

𝐘𝐒

𝐙𝐬 = (𝐀𝐙,𝐌𝐚𝐱 − 𝐀𝐙,𝐌𝐢𝐧)

𝟐

𝐙𝐎𝐟𝐟 = (𝐀𝐙,𝐌𝐚𝐱 − 𝐙𝐒)

𝐀𝐙,𝐂𝐚𝐥 =(𝐀𝐙,𝐎𝐮𝐭 − 𝐙𝐎𝐟𝐟)

𝐙𝐒

Dengan:

Xs : sensitivitas sumbu X akselerometer.

XOff : offset sumbu X akselerometer.

AX,Max : percepatan gravitasi maksimum pada sumbu X positif (LSB).

𝐀𝐗,𝐌𝐢𝐧 : percepatan gravitasi minimum pada sumbu X negatif (LSB).

𝐀𝐗,𝐎𝐮𝐭 : percepatan gravitasi pada sumbu X (LSB).

𝐀𝐗,𝐂𝐚𝐥 : percepatan gravitasi sumbu X terkalibrasi (dalam g).

Ys : Sensitifitas sumbu Y akselerometer.

YOff : Offset sumbu Y akselerometer.

AY,Max : percepatan gravitasi maksimum pada sumbu Y positif (LSB).

𝐀𝐘,𝐌𝐢𝐧 : percepatan gravitasi minimum pada sumbu Y negatif (LSB).

𝐀𝐘,𝐎𝐮𝐭 : percepatan gravitasi pada sumbu Y (LSB).

𝐀𝐗,𝐂𝐚𝐥 : percepatan gravitasi sumbu Y terkalibrasi (dalam g).

Zs : sensitifitas sumbu Z akselerometer.

ZOff : offset sumbu Z akselerometer.

AZ,Max : percepatan gravitasi maksimum pada sumbu Z positif (LSB).

𝐀𝐙,𝐌𝐢𝐧 : percepatan gravitasi minimum pada sumbu Z negatif (LSB).

𝐀𝐙,𝐎𝐮𝐭 : percepatan gravitasi pada sumbu Z (LSB).

𝐀𝐙,𝐂𝐚𝐥 : percepatan gravitasi sumbu Z terkalibrasi (dalam g).

24

3.4.2. Sensor Ultrasonik HY-SRF05

Merupakan sensor pengukur jarak yang menggunakan gelombang ultrasonik. Di

mana terdapat pemancar yang mengirimkan seberkas gelombang ultrasonik yang kemudian

diukur waktu yang dibutuhkan gelombang tersebut dari mulai dipancarkan hingga terpantul

dari objek dan diterima oleh penerima.

HY-SRF05 memiliki dua mode yang berbeda dalam penggunaanya[10].

1. Mode 1 – Trigger dan echo terpisah

Pada mode ini, untuk mengakses input dan output digunakan pin trigger dan

echo secara terpisah. Artinya satu pin akan berfungsi sebagai transmitter dan

satu pin akan berfungsi sebagai . Jadi antara trigger dan echo dibedakan.

Gambar 3.8. HY-SRF05 Mode 1

Gambar 3.9. Timing Diagram HY-SRF05 Mode 1

25

2. Mode 2 – Trigger dan echo dalam 1 pin

Pada mode ini digunakan 1 pin untuk digunakan sebagai trigger sekaligus echo.

Untuk menggunakan mode ini, hubungkan pin mode pada ground. Sinyal echo

dan sinyal trigger didapat dari 1pin saja dengan delay antara sinyal trigger dan

echo kurang lebih 700us.

Gambar 3.10. HY-SRF05 Mode 2

Gambar 3.11. Timing Diagram HY-SRF05 Mode 2

Pada pengerjaan tugas akhir ini hanya digunakan mode 1 saja.

26

3.4.3. User Interface (Program Desktop)

Alat peraga fisika ini dilengkapi dengan user interface yang terhubung melalui

protokol serial dengan mikrokontroler. Di mana data yang diakuisisi oleh mikrokontroler

dari ADXL345 dan HY-SRF05 selanjutnya akan dikirim melalui protokol serial ke desktop

dan akan diolah untuk mendapatkan besaran-besaran fisika yang ingin diamati, dalam hal

ini yaitu : kecepatan, percepatan, EK, EP, Energi yang hilang, dan koefisien gaya gesek

kinetic dalam bentuk grafik maupun data mentah secara real time.

Perangkat lunak diatur agar melakukan perulangan program (looping) setiap 150

ms secara tetap. Perulangan ini penting untuk sampling data sensor, filter digital, kalkulasi

besaran-besaran fisika.

Program user interface alat peraga ini dibuat dengan menggunakan program

Microsoft Visual Studio 2010.

Gambar 3.12. User Interface alat peraga

Penjelasan tiap bagian pada program user interface dapat dilihat sebagai berikut :

A : Terdapat dua buah drop box. Pada drop box pertama didalamnya terdapat

pilihan besaran yang ingin diamati. User dapat memilih besaran kecepatan

dan percepatan atau besaran energy yang ingin diamati. Pada drop box

kedua di dalamnya terdapat pilihan massa beban yang harus disesuaikan

dengan beban yang ingin diluncurkan pada bidang miring.

27

B : Terdapat list box di mana di dalam list box tersebut akan nampak secara

real time besaran yang diamati persampling waktu yang sudah ditentukan.

Pada list box ini akan ditampilkan posisi beban, kecepatan sementara,

percepatan sementara, EK, EP, dan Energi yang hilang.

C : Tombol start berfungsi untuk menandai bahwa program sudah dijalankan

dan beban siap untuk diluncurkan. Tanpa menekan tombol start program

tidak akan berjalan walaupun beban diluncurkan. Tombol clear berfungsi

untuk membersihkan semua data dan grafik sebelum melakukan peragaan

ulang.

D : Tombol exit digunakan untuk keluar dari program desktop.

E : Terdapat panel yang akan menampilkan besar sudut sisi miring, koefisien

gaya gesek kinetik, percepatan rerata, dan kecepatan rerata.

F : Chart area yang akan menampilkan besaran yang ingin diamati dalam

bentuk grafik secara real time.

28

Berikut adalah diagram alir program user interface dari alat peraga fisika

Gambar 3.13. Diagram alir alat peraga fisika

29

Penjelasan Diagram Alir Alat Peraga

1. User mengaktifkan alat peraga fisika dengan menekan button start.

2. User memasukkan data yang diperlukan dan menentukan parameter besaran apa yang

ingin diamati pada user interface.

3. User meletakkan beban yang sesuai dengan data yang sudah ditentukan pada user

interface pada tempat yang sudah disediakan di puncak bidang miring.

4. User melepas beban dan beban meluncur dari puncak bidang miring hingga

menyentuh dasar bidang miring.

5. Microcontroller akan menghitung sudut, jarak dan waktu yang ditempuh beban saat

meluncur dari bidang miring dari sensor yang ada.

6. Disamping melakukan pembacaan sensor, microcontroller juga akan mengirim data

ke user interface melalui serial / USB.

7. Program user interface akan menampilkan data sensor yang dikirimkan oleh

microcontroller, serta menghitung parameter-parameter besaran percepatan,

kecepatan, energi kinetik, energi potensial, energi mekanik total, energi yang hilang

karena gesekan dan koefisien gaya gesek kinetik.

8. Begitu seterusnya